基于虛擬儀器的汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)研究

周 燦

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430070)

汽車行駛跑偏量是指待測車輛按照既定條件駛過跑偏測試區(qū)域后偏離理想直線行駛狀態(tài)時的最大偏移量，不同汽車制造公司關(guān)于汽車行駛跑偏量的許用值不盡相同，但其大多數(shù)都不超過0.6 m/50 m。由于汽車四輪定位不準(zhǔn)確、左右胎壓不同、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)制造安裝誤差及形變等因素都可能會導(dǎo)致汽車生產(chǎn)下線時不可避免地產(chǎn)生一定的跑偏量[1]，跑偏值過大不僅會加重車輪及其機(jī)械部件的磨損，而且會增加駕駛員駕駛時的疲勞強(qiáng)度，影響舒適性和安全性，因此汽車跑偏量測試是汽車道路試驗中的一個重要測試項目，有必要在汽車出廠前進(jìn)行汽車行駛跑偏量測試。

目前基于激光測距傳感技術(shù)的跑偏檢測設(shè)備已投入使用，其具有測試效率高、操作方便、工作過程穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，為進(jìn)一步提升汽車行駛跑偏量的檢測精度，必須對不同的影響因素進(jìn)行深入研究，盡可能地減少測試誤差。

1 汽車跑偏測試系統(tǒng)概述

1.1 跑偏測試原理

基于激光測距的汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)是以工業(yè)PC為主控制器，由激光測距儀測量與被測車輛距離，通過驅(qū)動程序驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡[2]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、篩選、處理、測試結(jié)果顯示和報表生成等功能，從而對行駛跑偏量定量定性分析的系統(tǒng)。試車員駕駛車輛進(jìn)入測試區(qū)域時，可能因不規(guī)范操作引起較大的駛?cè)虢荹3]，對系統(tǒng)精度有較大影響，因此本測試系統(tǒng)引入3個測點(diǎn)，測試區(qū)域道路長度設(shè)置為50 m，其中測點(diǎn)一和測點(diǎn)二相距5 m，測點(diǎn)二和測點(diǎn)三相距45 m。在相應(yīng)測點(diǎn)跑道兩側(cè)分別安裝對射式光電開關(guān)，待測車輛進(jìn)入測試區(qū)域后光電開關(guān)被車輛遮擋，信號由低電平變?yōu)楦唠娖剑|發(fā)激光測距傳感器開始工作。

1.2 跑偏測試算法

圖1 車輛跑偏測試原理圖

測點(diǎn)一左右兩側(cè)傳感器之間的實際距離為：

(1)

測點(diǎn)一左右兩側(cè)傳感器到道路中心線之間的距離為：

L11=S1+D/2

(2)

測點(diǎn)一左右相應(yīng)的傳感器到被測車輛縱向中心線的距離分別為：

(3)

則測點(diǎn)一處待測車輛縱向中心線距離道路中心線的距離為：

(4)

同理，測點(diǎn)二、三處待測車輛縱向中心線距離道路中心線的距離分別為：

(5)

式中：L21，L31，a2，a3的計算方法同式(2)和式(3)。

則測點(diǎn)一到測點(diǎn)三待測車輛縱向中心線的跑偏量為：

c=b3-b1=

(6)

當(dāng)c>0時，車輛左偏；c<0時，車輛右偏。

測試過程可能由于操作不規(guī)范、硬件設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)無效的情況，而跑偏量的處理結(jié)果最終由測點(diǎn)一和測點(diǎn)三測得的數(shù)據(jù)決定，因此可分為4組數(shù)據(jù)均無效，3組數(shù)據(jù)無效，兩組數(shù)據(jù)無效，一組數(shù)據(jù)無效，所有數(shù)據(jù)均正常5種情況[5]，具體分析結(jié)果如表1所示。

表1 跑偏量結(jié)果分析表

2 誤差分析及校準(zhǔn)

汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)是基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)，核心部件是屬于NI公司的基于USB總線技術(shù)的C系列NI 9203 DAQ卡，具有高傳輸速率和200 kS/s的采樣速率，但是測試過程不免產(chǎn)生意想不到的誤差值[6]，因此需要對該系統(tǒng)的誤差構(gòu)成具體深入分析并針對性校準(zhǔn)補(bǔ)償。測試系統(tǒng)的誤差按性質(zhì)分類可劃分為隨機(jī)誤差、粗大誤差和系統(tǒng)誤差3種[7]。

2.1 隨機(jī)誤差及其處理

2.1.1 隨機(jī)誤差

以測點(diǎn)一為例，虛擬測試儀器在被測車輛車身部分采集的一組實測數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 電流實測數(shù)據(jù)圖

在靜態(tài)測量[8]以及激光測距系統(tǒng)等精度測量條件下，對待測車輛距測點(diǎn)處的距離S進(jìn)行多次重復(fù)測量，得到的是不完全相同的測量結(jié)果，即每個測量值都有誤差，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析并沒有確定的規(guī)律來預(yù)測下一個誤差的大小和方向，這就是測試系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差是由很多暫時不能掌握或者不便掌握的微小因素構(gòu)成，其產(chǎn)生原因主要包括以下幾個方面：

(1)測量裝置。測試系統(tǒng)安裝箱內(nèi)零部件間的配合不穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)長時間使用后的變形、激光測距傳感器自身性能不穩(wěn)定等。

(2)環(huán)境因素。溫度的變化、光照強(qiáng)度的波動、路面水平度以及灰塵對電流采集板卡的影響等。

(3)人為因素。駛?cè)脒^程方向的不穩(wěn)定、標(biāo)定瞄準(zhǔn)讀數(shù)時的不穩(wěn)定性等。

2.1.2 隨機(jī)誤差的處理

從圖2可知，在較大的數(shù)據(jù)采集量的情況下，測量值圍繞著13.5 mA上下波動，在一定程度上反映了測量誤差具有對稱性、有界性和抵償性的特征。由概率論和數(shù)理統(tǒng)計可知，隨機(jī)誤差就總體而言具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，即服從正態(tài)分布[9]。

(7)

式中：μ為測量值的平均值，決定正態(tài)曲線的中心位置；σ為標(biāo)準(zhǔn)差，表征等精度測量值隨機(jī)誤差的離散程度，σ越小，正態(tài)分布概率密度曲線越陡峭，函數(shù)分布越集中，即大部分測量值都處于均值μ的兩側(cè)。

δi=li-l0

(8)

式中：δi為第i次測量的誤差；li為第i次測量值；l0為真值；n為測量次數(shù)。

測點(diǎn)距待測車輛的真實距離在實際測量中是不可知的，即每次測量的誤差也不可知，但跑偏量測試測量次數(shù)n遠(yuǎn)大于10，用算術(shù)平均值代替真值，用殘余誤差vi代替真值誤差δi，再由Bessel公式得無偏估計：

(9)

即便是有限次測量，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值是一個有限小的量，當(dāng)測量次數(shù)足夠多，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨于零，對測試結(jié)果的影響就可予于忽略。因此在汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)中，針對隨機(jī)誤差，其處理方法是在LabVIEW中設(shè)計程序時求有效數(shù)據(jù)的平均值。

2.2 粗大誤差及其處理

2.2.1 粗大誤差

由于汽車固有的表面形狀特性，激光測距儀初始采集到的是車頭部分的數(shù)據(jù)，曲率變化較大，兩側(cè)激光光束微小的不同軸都會造成光斑落點(diǎn)的不對稱，采集到的數(shù)據(jù)相應(yīng)的會有較大異常。采集車尾時也有同樣的問題。因此在程序設(shè)計時，為保證采集到的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，首先應(yīng)篩選出車身中部的數(shù)據(jù)作為初始處理對象。按照待測車輛在測試區(qū)的行駛速度為50 km/h計算，假設(shè)整車長度為4 m，則車輛通過任意測點(diǎn)大約用時0.16 s，而激光測距傳感器的工作頻率為1 kHz，即整車通過時采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)有160個。車頭、車身、車尾平均每部分采集53個點(diǎn)，然后通過程序來定位出車身中部的50個數(shù)據(jù)點(diǎn)作為運(yùn)算基數(shù)。

2.2.2 粗大誤差的處理

由積分概率表可知：

傳感器測得的距離值x落在區(qū)間[x-σ，x+σ]之間的概率為68.3%；擴(kuò)大到[x-2σ，x+2σ]，概率為95.4%；擴(kuò)大到[x-3σ，x+3σ]，概率則為99.7%。即殘余誤差vi落在±3σ之外的概率僅有0.003，可以認(rèn)為幾乎是不可能發(fā)生的。由萊伊達(dá)準(zhǔn)則，對任意的殘余誤差，其絕對值超過3σ，則視為粗大誤差。因而在上述初步提取數(shù)據(jù)之后，要對滿足萊伊達(dá)準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)進(jìn)行再次剔除，重新計算σ的值，并與剔除后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行比較，重復(fù)該過程，直至剩下的測量值誤差中不存在粗大誤差為止，以保證進(jìn)入下一步程序處理的數(shù)據(jù)精度。該過程比較繁瑣，但基于虛擬儀器技術(shù)，借助LabVIEW軟件開發(fā)平臺的實時處理，方便快捷的優(yōu)勢，可設(shè)計出滿足條件的數(shù)據(jù)處理子程序。經(jīng)過程序處理后，得到如圖3的電流數(shù)據(jù)圖。從圖3可以看出，與初始實測數(shù)據(jù)圖相比，處理后的電流波動小，更穩(wěn)定，測量結(jié)果也更精確。

2.3 系統(tǒng)誤差及其處理

2.3.1 系統(tǒng)誤差

在車輛跑偏測試系統(tǒng)中，系統(tǒng)誤差存在于信號采集和處理的各個環(huán)節(jié)：激光測距傳感器的非線性和靈敏度誤差、信號調(diào)理電路中的運(yùn)放誤差和濾波誤差、DAQ數(shù)據(jù)采集卡的采樣誤差、A/D轉(zhuǎn)換誤差、光纖傳遞誤差、計算機(jī)處理誤差等。汽車跑偏測試系統(tǒng)的誤差傳遞過程如圖4所示。系統(tǒng)誤差的特征則是在同一條件下，對同一個測量值，誤差的符號和絕對值不變，或者在條件有變化時，誤差按照一定的規(guī)律改變。因此系統(tǒng)誤差不具有補(bǔ)償性，即便是多次測量求平均值，也不能減少它的影響。根據(jù)系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)：服從某一規(guī)律，不易被發(fā)現(xiàn)，但是通過分析誤差源，可以通過系統(tǒng)校準(zhǔn)的方式減少其影響。

圖4 誤差傳遞過程

由圖4可知，在跑偏測試系統(tǒng)中，被測信號進(jìn)入虛擬測試儀器后，經(jīng)過一系列變換后才轉(zhuǎn)變成輸出信號，這個過程主要包含了兩個方面：系統(tǒng)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換的誤差和虛擬測試儀器本身的誤差。誤差傳遞過程的幾個環(huán)節(jié)是串聯(lián)的，假設(shè)各環(huán)節(jié)誤差傳遞系數(shù)分別為

η

1

，

η

2

，

η

3

，

η

4

，

η

5

，那么整個系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)

η

則為：

η=η1·η2·η3·η4·η5

輸出信號的誤差Δ則為：

Δ=(1+φ)·η·ψ

式中：φ為傳感器采集到的距離信號進(jìn)入系統(tǒng)時自身帶有的誤差；ψ為跑偏量測試系統(tǒng)儀器本身誤差。

2.3.2 系統(tǒng)誤差的處理

在測試系統(tǒng)整體固定安裝完成后，這些誤差不可能在內(nèi)部一一處理，因此，由系統(tǒng)誤差固有的規(guī)律性，以及其主要通過誤差傳遞函數(shù)的形式出現(xiàn)，結(jié)合虛擬儀器“軟件即儀器”的固有特點(diǎn)，可在標(biāo)定時采取一系列校準(zhǔn)測試獲得一個總的誤差傳遞函數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行修正，從而提高系統(tǒng)的測試精度。誤差校準(zhǔn)示意圖如圖5所示。

圖5 誤差校準(zhǔn)示意圖

基于以上原理，提出了對車輛跑偏測試系統(tǒng)測試結(jié)果校準(zhǔn)的辦法：

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)信號源S1[10]作為系統(tǒng)校正的基準(zhǔn)，在該系統(tǒng)中，將激光測距傳感器在現(xiàn)場直接讀得的數(shù)據(jù)計算出的跑偏量定為標(biāo)準(zhǔn)跑偏量S1；

(2)在LabVIEW軟件開發(fā)平臺設(shè)計一個校準(zhǔn)程序，如圖6所示，該程序與跑偏測試系統(tǒng)一致，并用該程序?qū)?biāo)準(zhǔn)源S1進(jìn)行測量，在PC端得到跑偏量S2，校準(zhǔn)系數(shù)K=S1/S2；

圖6 生成校準(zhǔn)系數(shù)程序圖

(3)LabVIEW程序中有生成文件模塊、寫文件模塊，調(diào)用這些模塊并用數(shù)據(jù)流連接，即可將校準(zhǔn)系數(shù)K寫入LabVIEW的一個標(biāo)準(zhǔn)配置文件中，如圖7所示；

(4)在校準(zhǔn)程序中設(shè)計讀取配置文件部分，并嵌入到測試系統(tǒng)中，測試信號真值為S3，如圖8所示。測試系統(tǒng)正式運(yùn)行時，先從配置文件中讀取校準(zhǔn)系數(shù)K再測量，計算機(jī)端先得數(shù)據(jù)S4，再使用K進(jìn)行校準(zhǔn)，最終輸出測試結(jié)果，校準(zhǔn)后的跑偏量S=K×S4。

圖7 寫入校準(zhǔn)系數(shù)程序圖

圖8 讀取配置文件程序框圖

部分測試結(jié)果如表2所示。

表2 部分測試結(jié)果

為保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，取K的平均值為該項目的校準(zhǔn)系數(shù)，得K=0.997 92。

3 測試試驗

以新下線車輛為被測目標(biāo)，試車員駕駛車輛沿著道路中心線以50 km/h穩(wěn)速行駛。該系統(tǒng)使用高精度的激光測距儀(測量范圍為200～6 000 mm)作為理想源，測距儀在現(xiàn)場直接測量后通過跑偏測試算法計算跑偏量，將其作為真值S3；在校準(zhǔn)前通過測試系統(tǒng)主程序得測試結(jié)果S4；調(diào)用校準(zhǔn)系數(shù)K后計算最終的跑偏量為S。分別計算在誤差校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后二者的相對誤差和，部分試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可知，被測車輛跑偏量大體在30 cm內(nèi)，即待測車輛符合跑偏量的規(guī)定要求。比較校準(zhǔn)前與校準(zhǔn)后程序所得結(jié)果易知，在誤差校準(zhǔn)之前，車輛跑偏量測量系統(tǒng)的相對誤差在1%左右[11]，而在進(jìn)行了誤差校準(zhǔn)后該系統(tǒng)精度大幅提高，將誤差縮小了約0.2%，并且該程序的開發(fā)可以達(dá)到模塊化的要求，容易集成，為系統(tǒng)升級也提供了便利，性能更高，可靠性更強(qiáng)。

表3 部分試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1)汽車跑偏量測試時數(shù)據(jù)量巨大，計算過程繁瑣，通過在LabVIEW軟件開發(fā)平臺上對測試程序的合理設(shè)計，可以對系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行快捷、實時的處理，并對汽車行駛跑偏量進(jìn)行定量定性的分析。

(2)結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析了正態(tài)分布下的隨機(jī)誤差具有對稱性、有界性、抵償性的特征，用求算術(shù)平均值的辦法抵償誤差；并通過對車身數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的位置分析，利用Bessel公式和萊伊達(dá)準(zhǔn)則對粗大誤差進(jìn)行剔除，保證了運(yùn)算數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確性。

(3)針對汽車行駛跑偏測試系統(tǒng)，分析系統(tǒng)誤差的傳遞原理，提出的誤差校準(zhǔn)辦法具有較高的實用性，可以顯著減少誤差對所設(shè)計系統(tǒng)測量結(jié)果的影響，使測試系統(tǒng)精度大幅提高，符合測試技術(shù)指標(biāo)要求。