基于LabVIEW的附著系數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成 潔

（西華大學(xué)，四川 成都 610039）

設(shè)計(jì)研究

基于LabVIEW的附著系數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成 潔

（西華大學(xué)，四川 成都 610039）

附著系數(shù)是對(duì)汽車制動(dòng)性判據(jù)的重要參考數(shù)據(jù)之一，文中采用LabVIEW軟件開發(fā)了一套基于虛擬儀器的路面附著系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明：該程序可準(zhǔn)確的檢測(cè)出車輪法向力和切向力，實(shí)現(xiàn)對(duì)附著系數(shù)實(shí)時(shí)變化的顯示以及數(shù)據(jù)的采集和處理，通過(guò)界面曲線來(lái)顯示數(shù)據(jù)和其變化等信息，能保存測(cè)試過(guò)程中的所有數(shù)據(jù)，并設(shè)置保存時(shí)間等附加功能。

附著系數(shù)；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集

CLC NO.:U461.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-01-03

前言

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，城鄉(xiāng)道路、高速公路及機(jī)場(chǎng)跑道等路面的防滑問(wèn)題已引起國(guó)內(nèi)有關(guān)部門的普遍重視。汽車的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)或者操縱性在很大程度上取決于車輪與路面之間的關(guān)系，特別是車輪與路面之間的附著系數(shù)。附著系數(shù)是附著力與車輪法向壓力的比值。這個(gè)系數(shù)越大，可利用的附著力就越大，汽車就越不容易打滑。附著系數(shù)的數(shù)值主要決定于道路的材料、路面的狀況與輪胎的結(jié)構(gòu)、胎面花紋、材料及汽車運(yùn)動(dòng)的速度等因素[1]。

1、測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)況

在附著系數(shù)評(píng)定方法的研究中，主要有兩種類型：一類是分析輪胎的力學(xué)特性，找出力學(xué)參數(shù)與附著系數(shù)之間的關(guān)系，從而利用測(cè)量設(shè)備檢測(cè)力學(xué)參數(shù)，計(jì)算出附著系數(shù)；另一類是分析摩擦過(guò)程中自身的影響因素和影響摩擦過(guò)程的各外部因素與附著系數(shù)之間的關(guān)系，利用測(cè)量裝置測(cè)量出各個(gè)影響因素，估算出附著系數(shù)。

依據(jù)以上原理，一些汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)在路面附著系數(shù)估算領(lǐng)域取得了一定成果。根據(jù)測(cè)試手段和測(cè)量參數(shù)的不同將路面附著系數(shù)估算方法分為Cause-based和Effect-based兩種。Cause-based估算法是通過(guò)測(cè)量一些對(duì)路面附著系數(shù)影響較大的因素，并根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)當(dāng)前路面

附著系數(shù)的大小。Effect-based估算法是通過(guò)測(cè)試由路面附著系數(shù)或附著系數(shù)的變化在車體或車輪上產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)來(lái)估算路面附著系數(shù)的大小。上述幾種測(cè)試方法成本都較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用[2]。

LabVIEW是由美國(guó)NI公司創(chuàng)立的功能強(qiáng)大的圖形化虛擬儀器編程軟件，它編程簡(jiǎn)單，界面形象直觀，因此在測(cè)量、過(guò)程控制與處理、科學(xué)研究等方面有廣泛的應(yīng)用[3-4]。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器，計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。本文應(yīng)用比較簡(jiǎn)單可行的基于虛擬儀器LabVIEW的軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了附著系數(shù)數(shù)據(jù)采集與分析，利用LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其它語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境更方便、更有效[5-6]。該方法避免了傳統(tǒng)的汽車實(shí)車附著系數(shù)測(cè)試中結(jié)果分析的事后性以及輔助程序測(cè)量數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，直接測(cè)量路面附著系數(shù)，反應(yīng)附著系數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和整理。

2、硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

車輪附著系數(shù)測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。該測(cè)試儀由兩個(gè)部分組成，一部分為硬件部分，包括機(jī)架，輪胎，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的加載裝置等部分，另一部分為軟件部分，包括兩個(gè)方向的拉壓力傳感器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制部分，信號(hào)的采集，測(cè)試結(jié)果的顯示等部分。

硬件部分具有以下特點(diǎn)：整個(gè)裝置的機(jī)架部分為型材結(jié)構(gòu)，底部配有安裝孔；車輪與路面之間的關(guān)系采用了路面驅(qū)動(dòng)車輪的形式；路面板的驅(qū)動(dòng)采用直線推桿來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓12V，行程800mm,推力大小800kg，推桿速度10mm/s；能實(shí)現(xiàn)往返兩個(gè)方向的直線驅(qū)動(dòng)。測(cè)量部分采用了兩個(gè)拉壓力傳感器，一個(gè)布置在加載處，一個(gè)布置在路面板底部，分別用來(lái)測(cè)量車輪的垂直載荷以及電動(dòng)推桿的切向力大小。

附著系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)加載裝置對(duì)車輪施加法向的壓力，開啟驅(qū)動(dòng)電機(jī)，路面板在直線推桿的作用下開始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)兩個(gè)拉壓力傳感器測(cè)出車輪法向和徑向的力信號(hào)，二力的比值即為路面的附著系數(shù)。

3、軟件部分程序設(shè)計(jì)

本文以NI公司的LabVIEW 2011作為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)。應(yīng)用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)軟件主要涉及兩個(gè)部分：前面板和程序框圖。

3.1 流程設(shè)計(jì)

該程序的流程圖，如圖2所示。運(yùn)行試驗(yàn)程序，進(jìn)入試驗(yàn)主界面。首先設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如傳感器標(biāo)定參數(shù)、通道以及保存文件路徑，正確設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)后可以開始試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后，通過(guò)附著系數(shù)測(cè)試儀的加載裝置對(duì)輪胎施加垂向載荷，同時(shí)路面模塊滑動(dòng)對(duì)輪胎施加的縱向力，布置在測(cè)試儀上的拉壓傳感器將兩個(gè)載荷以電壓的形式表現(xiàn)出來(lái)，數(shù)據(jù)采集卡對(duì)這兩個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行采集和A/D轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，同時(shí)將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并實(shí)時(shí)顯示法向力、切向力等曲線，計(jì)算并顯示各瞬時(shí)附著系數(shù)。

在試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)員觀察試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，可暫停試驗(yàn)，重新調(diào)整后再開始試驗(yàn)，若試驗(yàn)過(guò)程順利，滿足試驗(yàn)要求，停止試驗(yàn)，系統(tǒng)會(huì)提示試驗(yàn)員是否以電子表格或者文本文檔形式保存數(shù)據(jù)。保存的數(shù)據(jù)可用于數(shù)據(jù)后處理和對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中汽車的各種性能重新分析和評(píng)價(jià)。

3.2 數(shù)據(jù)的生成和處理

程序設(shè)置兩個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，分別負(fù)責(zé)法向力和切向力的數(shù)據(jù)采集，允許采集的電壓信號(hào)設(shè)置區(qū)間為（-10V—10V），采樣頻率為10Hz。采集卡采集到拉壓傳感器的電壓信號(hào)，同時(shí)采集卡對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并按照以下公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

程序主要完成經(jīng)過(guò)調(diào)試后信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)附著系數(shù)實(shí)時(shí)變化的顯示以及數(shù)據(jù)的處理和采集，通過(guò)界面上的曲線等來(lái)顯示測(cè)試的具體數(shù)據(jù)和變化等信息，反映真實(shí)道路上附著系數(shù)的情況，對(duì)附著系數(shù)的主要影響因素等。

4、測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證

汽車附著系數(shù)測(cè)試儀工作時(shí)，為實(shí)現(xiàn)車輪的垂向載荷、電機(jī)推桿的切向力同時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量與顯示，采用兩通道同步采集程序，利用每一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)通道去采集其電壓信號(hào)的變化。試驗(yàn)中所得數(shù)據(jù)顯示在圖表中，并且得到隨施加載荷的變化而變化的曲線。程序中使用DAQ mx來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集與讀取，把得到的三個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)寫入電子表格中，方便以后的查看與分析。

系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，路面板試樣為自制部件，用于模擬車輛行駛時(shí)路面情況，可以通過(guò)更換不同材料路面板測(cè)得不同道路情況下附著系數(shù)。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下，推桿能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，為測(cè)量采樣車輪正反轉(zhuǎn)的充足數(shù)據(jù)提供條件。

5、結(jié)論

通過(guò)對(duì)路面附著系數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，并且結(jié)合其儀器特點(diǎn)，本文基于LahVIEW圖形化編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)包含信號(hào)采集、信號(hào)處理和圖譜顯示的功能，并可完成系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證。從最終的試車驗(yàn)證可得到以下結(jié)論：（1） LabVIEW是圖形化編程軟件，它可以用來(lái)取代很多傳統(tǒng)的顯示儀器，用來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)用性好，成本低等特點(diǎn)；（2）從試驗(yàn)結(jié)果看，該試驗(yàn)系統(tǒng)基本可滿足試驗(yàn)要求。采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理顯示通過(guò)LabVIEW進(jìn)行，可實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)并且提供了保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法和路徑，相對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)該試驗(yàn)系統(tǒng)更可靠、方便。

[1] 余志生等著 . 汽車?yán)碚揫M] . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 江文峰.行駛過(guò)程中輪胎與路面間附著性能的評(píng)價(jià)[學(xué)位論文].長(zhǎng)安大學(xué).2008.

[3] 楊樂(lè)平等著 . LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M] . 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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Development of Adhesion Coefficient Data Acquisition System Based on LabVIEW

Cheng Jie
( Xi Hua University, Sichuan Chengdu 610039)

The adhesion coefficient is one of the important reference data of vehicle’s braking criterion. This paper using the software of LabVIEW developed a road adhesion coefficient test system based on virtual instrument. the results of the experiments showing that this programe can accruatly detected the normal force and tangential force of the wheel, showing the real-time change of the adhesion coefficient, gathering and processing the data, Through the curve interface to display detailed data and other changing information, storing all the testing data into a certain format.and setting the time-saving or other additional functions.

Adhesion coefficient; Virtual Instrument; Data collection

U461.3

A

1671-7988(2014)07-01-03

成潔，就讀于西華大學(xué)車輛工程專業(yè)，研究方向?yàn)槠囋O(shè)計(jì)與制造。