摘要：為解決汽車在行駛過程中的制動(dòng)參數(shù)難以獲取問題，基于硬件檢測單元以及LabVIEW虛擬儀器開發(fā)了汽車制動(dòng)參數(shù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)中的硬件部分由全球定位系統(tǒng)(global position system,GPS)導(dǎo)航模塊、制定參數(shù)檢測裝置構(gòu)成，基于LabVIEW開發(fā)的軟件部分由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器以及客戶端三部分構(gòu)成，基于傳輸控制協(xié)議(transmission control protocal, TCP)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議將車輛在行駛過程中的位置信息、運(yùn)行速度、制動(dòng)行為數(shù)據(jù)以及車輛縱向減速度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及在線分析。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有便于編程和操作、成本低廉、擴(kuò)展性強(qiáng)、安全可靠的特點(diǎn)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)汽車在行駛過程中的制動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控，為相關(guān)方面的研究提供數(shù)據(jù)支持。

汽車在行駛過程中的制動(dòng)參數(shù)具有十分重要的理論研究意義。制動(dòng)系統(tǒng)對汽車行駛安全起到重要作用[1]，采集汽車在運(yùn)行過程中的制動(dòng)參數(shù)并對駕駛?cè)说闹苿?dòng)行為特性進(jìn)行研究可以有效減少追尾事故的發(fā)生[2,3]。在制動(dòng)意圖識(shí)別方面，實(shí)時(shí)監(jiān)測汽車的制動(dòng)參數(shù)可有效辨識(shí)駕駛員的制動(dòng)意圖[4]，在緊急制動(dòng)情況下，縮短車輛制動(dòng)輔助系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，確保對車輛施加最大制動(dòng)減速度，減小緊急制動(dòng)時(shí)車輛的制動(dòng)距離[5]。而對于制動(dòng)意圖及制動(dòng)強(qiáng)度的及時(shí)識(shí)別及信息傳遞，可以有效減小車間安全距離[6]，提高道路運(yùn)營效率，并且有效減少后車制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，提高行車安全性[7]。在正常路面及不同冰雪路面下分析制動(dòng)參數(shù)變化特性，基于各參數(shù)變化反推路面狀態(tài)，結(jié)合車輛定位信息，可實(shí)現(xiàn)較高精度的城市路面狀況判別[8,9]。因此開發(fā)便于編程和操作、成本低廉、擴(kuò)展性強(qiáng)、安全可靠的汽車制動(dòng)參數(shù)采集與信息發(fā)布系統(tǒng)，并結(jié)合實(shí)車數(shù)據(jù)對相關(guān)算法進(jìn)行數(shù)學(xué)模型研究，才能在理論上建立起較為準(zhǔn)確、簡單適用和完善的數(shù)學(xué)模型，智能控制系統(tǒng)才能與車輛的實(shí)際情況相吻合，最終更好地結(jié)合實(shí)時(shí)車況展開應(yīng)用。

然而汽車在行駛過程中的制動(dòng)參數(shù)難以獲取，主要原因?yàn)榇蠖鄶?shù)車廠的車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)(on-board diagnostics, OBD)數(shù)據(jù)包中并未包括制動(dòng)踏板數(shù)據(jù)，而通過接觸式傳感器獲取制動(dòng)踏板位移又會(huì)對駕駛員的駕駛操作造成影響，在上位機(jī)方面，數(shù)據(jù)采集卡或其他數(shù)據(jù)采集軟件均存在價(jià)格昂貴，不易二次開發(fā)等缺點(diǎn)，因此開發(fā)具有便于編程和操作、成本低廉、擴(kuò)展性強(qiáng)、安全可靠的汽車制動(dòng)參數(shù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的科研價(jià)值及商業(yè)價(jià)值。

現(xiàn)將針對汽車在行駛過程中的制動(dòng)參數(shù)難以獲取問題提出一套基于硬件檢測單元以及LabVIEW虛擬儀器的汽車制動(dòng)參數(shù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)中的硬件部分由GPS導(dǎo)航模塊、制定參數(shù)檢測裝置構(gòu)成，基于LabVIEW開發(fā)的軟件部分由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器以及客戶端三部分構(gòu)成，可將車輛在行駛過程中的位置信息、運(yùn)行速度、制動(dòng)行為數(shù)據(jù)以及車輛縱向減速度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)以及在線分析，并基于TCP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，在客戶端上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。


圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) Fig.1 System structure

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與需求

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該平臺(tái)硬件部分由GPS導(dǎo)航模塊、制定參數(shù)檢測裝置構(gòu)成，基于LabVIEW開發(fā)的軟件部分由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器以及客戶端3部分構(gòu)成，可將車輛在行駛過程中的位置信息、運(yùn)行速度、制動(dòng)行為數(shù)據(jù)以及車輛縱向減速度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)以及在線分析，并基于TCP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，傳輸數(shù)據(jù)可在客戶端上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，為相關(guān)方面的研究提供數(shù)據(jù)支持。

2 硬件平臺(tái)構(gòu)成

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由制動(dòng)參數(shù)獲取裝置以及NEO-6M UBLOX GPS接收器組成，硬件平臺(tái)構(gòu)成如圖2所示。


圖2 硬件平臺(tái) Fig.2 Hardware platform

制動(dòng)參數(shù)獲取裝置由控制單元、GP2Y0A51SK0F光電測距傳感器、加速度傳感器、供電單元以及其他輔助電路構(gòu)成?？刂茊卧捎肁VR單片機(jī)以及晶振電路、復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等外圍電路組成，供電單元由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器PS5101和線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3組成，可為裝置提供5 V 和 3.3 V兩種電壓。

GP2Y0A02YKOF測距傳感器置于制動(dòng)踏板下方，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換電路讀取傳感器接收的從制動(dòng)踏板上反射回來的光強(qiáng)信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對制動(dòng)踏板位移及位移速率的測量，由于該傳感器為非接觸式傳感器，整個(gè)測量過程不會(huì)對駕駛員的駕駛操作造成影響。

加速度傳感器采用高精度慣性導(dǎo)航模塊JY-901，其加速度檢測量程為±16g，分辨率為6.1×10-5g，穩(wěn)定性為0.01g，數(shù)據(jù)輸出頻率為0.1～200 Hz，具有較好的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)傳輸速率，模塊與控制單元通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。最終控制單元通過USART通信模式將數(shù)據(jù)從獲取裝置傳輸?shù)絇C端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。

3 測控系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 LabVIEW串口通信

LabVIEW通過VISA(virtual instrument software archiecture)與串行接口儀器通信。VISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口(API)[10]，VISA會(huì)根據(jù)實(shí)際接口類型自動(dòng)調(diào)取相應(yīng)的接口驅(qū)動(dòng)程序例程[11]，方便實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用程序與接口總線儀器的通信。

完整的通信流程為：首先用“VISA配置串口”函數(shù)對串口號(hào)、波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)等串口資源信息進(jìn)行配置，接下來分別用“VISA寫入”函數(shù)對串口發(fā)出命令或用“VISA讀取”函數(shù)接收串口的數(shù)據(jù)，最后用“VISA關(guān)閉”函數(shù)關(guān)閉串口資源，串口通信隨之結(jié)束(圖3)。

圖3 VISA通信過程 Fig.3 VISA communication process
3.2 制動(dòng)參數(shù)解析

制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)如圖4所示。設(shè)從制動(dòng)踏板的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)到踏板上側(cè)邊緣之間的長度為制動(dòng)踏板的旋轉(zhuǎn)半徑為R，選擇制動(dòng)踏板不受外力靜止時(shí)半徑R所在的方向?yàn)槌跏挤较?。平移之后的半徑R與踏板反射面的上邊緣交與點(diǎn)A，然后過該點(diǎn)，做其在車地板上垂直于R方向的投影點(diǎn)B，則選取點(diǎn)A位置安裝測距傳感器的安裝板。在實(shí)車安裝時(shí)，該裝置總體將由一塊帶支架的安裝板作為依托安裝于汽車底盤之上，支架具有一定高度，使得當(dāng)制動(dòng)踏板被踩到最大位移時(shí)，測距傳感器距離踏板位置3～5 cm，并且板子的傾斜程度要能夠保證測距傳感器發(fā)射的光線與踏板靜止時(shí)半徑R的方向垂直，即安裝板與踏板靜止時(shí)半徑R的方向平行，點(diǎn)B在安裝板上的投影點(diǎn)為傳感器的位置。


圖4 制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu) Fig.4 Brake pedal structure

空載狀態(tài)下測距傳感器發(fā)射信號(hào)的方向與踏板的軸線半徑方向是垂直的，在制動(dòng)過程中，當(dāng)制動(dòng)踏板由初始位置移動(dòng)到某一位置如圖4中虛線所示位置時(shí)，傳感器的測距方向保持不變，則可以得出制動(dòng)踏板位移及位移速率的具體計(jì)算方法如下。

設(shè)制動(dòng)踏板的在初始位置時(shí)測距傳感器檢測的距離為xmax，制動(dòng)踏板滿負(fù)載時(shí)傳感器檢測的距離為xmin，制動(dòng)踏板旋轉(zhuǎn)半徑方向與初始時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)半徑方向夾角為θ0，當(dāng)測距傳感器測得的距離為x時(shí)，制動(dòng)踏板旋轉(zhuǎn)半徑方向與初始時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)半徑方向夾角為θ，∠OAC的角平分線OB與OA的夾角為α，由幾何定理可知：

θ=2α (1)

Δx=x0-x (2)
 (3)

由式(1)～式(3)可得：

(4)
(5)
(6)

式中：R、xmax、xmin在實(shí)際應(yīng)用中可以作為已知量直接獲取。通過式(5)可將制動(dòng)踏板的位移以踏板旋轉(zhuǎn)角度的形式給出。

則制動(dòng)踏板位移率S1可表示為

(7)

又傳感器的數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔ΔT為50 ms，則踏板位移的變化率S2可表示為

(8)

設(shè)減速度傳感器檢測到的車輛縱向減速度為a，汽車在無動(dòng)力、無制動(dòng)狀態(tài)下的縱向減速度為ax0，則汽車在制動(dòng)過程中的制動(dòng)減速度as為

as=a-ax0 (9)

3.3 GPS數(shù)據(jù)解析

全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)具備GPS終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺(tái)3個(gè)要素可以為用戶提供車輛定位、防盜、反劫、行駛路線監(jiān)控及呼叫指揮等功能[12]。本系統(tǒng)使用GPRMC定位語句獲取定位及速度信息，“$GPRMC”定位語句結(jié)構(gòu)如下：$GPRMC，hhmmss.sss，A/V，mmmm.mmmm，N/S，nnnn.nnnn，W/E，XXX.X，YYY.Y，DDMMYY，，，A/D/E/N*60。其中“hhmmss.sss”為UTC時(shí)間；“A/V”分別表示有效定位/無效定位；“mmmm.mmmm”為緯度；“nnnn.nnnn”為經(jīng)度；“XXX.X”為速度；“DDMMYY”為UTC日期。

程序采集1 Hz“$GPRMC”數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊通過LabVIEW提供的字符串函數(shù)判斷“$GPRMC”字符串，然后對NMEA定位語句進(jìn)行逐句解析，解析內(nèi)容包括時(shí)間、經(jīng)緯度及速度。GPS數(shù)據(jù)解析過程如圖5所示，解析程序如圖6所示。


圖5 GPS數(shù)據(jù)解析過程 Fig.5 GPS data parsing process


圖6 GPS解析程序 Fig.6 GPS resolver

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)程序采用電子表格文件來實(shí)時(shí)記錄監(jiān)測的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程如圖7所示。


圖7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程 Fig.7 Data storage procedure

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的基本流程為，打開一個(gè)已存在的格式為“.csv”文件或創(chuàng)建一個(gè)新的“.csv”格式的文件，將GPS接收器和制動(dòng)參數(shù)獲取裝置上傳的數(shù)據(jù)分別存入預(yù)先設(shè)置的數(shù)組中，待一組數(shù)據(jù)全部存入數(shù)組后，將數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入電子表格，再將該子程序置于while循環(huán)中，并在此while循環(huán)中設(shè)置200 ms的延時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)每隔200 ms對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次監(jiān)聽，改變預(yù)設(shè)的延遲時(shí)間，即可改變數(shù)據(jù)記錄頻率。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序如圖8所示。


圖8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序 Fig.8 Data storage program

3.5 TCP網(wǎng)絡(luò)通信

TCP(transmission control protocol)是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議，一個(gè)完整的TCP傳輸系統(tǒng)由服務(wù)器和客戶端組成[13]。服務(wù)器通過IP地址以及端口號(hào)或主機(jī)名進(jìn)行偵聽，等待客戶端與服務(wù)器的連接；客戶端根據(jù)主機(jī)的IP地址和端口號(hào)發(fā)出連接請求；服務(wù)器與客戶端建立連接后，通過讀寫函數(shù)進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)通信。

基于LabVIEW的TCP通信流程為首先服務(wù)器通過“TCP偵聽”函數(shù)建立偵聽，設(shè)置好超時(shí)時(shí)間、端口號(hào)以及IP地址，即可進(jìn)行其他TCP函數(shù)的后續(xù)接入。利用“寫入TCP數(shù)據(jù)”函數(shù)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到客戶端程序。首先發(fā)送消息內(nèi)容的字節(jié)數(shù)，其次發(fā)送實(shí)際的內(nèi)容字符串?dāng)?shù)據(jù)。TCP服務(wù)器程序如圖9所示。

在客戶端中調(diào)用“打開TCP連接”函數(shù)進(jìn)行與服務(wù)器端的連接，設(shè)置好與服務(wù)器相同的IP地址和端口號(hào)后，利用“讀取TCP數(shù)據(jù)”函數(shù)讀取服務(wù)器端程序發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完畢后，調(diào)用“關(guān)閉TCP連接”函數(shù)，退出程序。TCP客戶端程序如圖10所示。


圖9 TCP服務(wù)器程序 Fig.9 TCP Server Program


圖10 TCP客戶端程序 Fig.10 TCP client program


圖11 上位機(jī)界面 Fig.11 Upper computer interface

4 實(shí)車試驗(yàn)

實(shí)車試驗(yàn)選擇在大慶市鐵人大道紅崗區(qū)八百坰至讓胡路區(qū)大慶西站段進(jìn)行，試驗(yàn)全程共制動(dòng)34次，數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz，采集數(shù)據(jù)包括經(jīng)緯度、運(yùn)行速度、制動(dòng)減速度、制動(dòng)踏板位移及制動(dòng)踏板速率。

上位機(jī)界面如圖11所示，其中圖11(a)為服務(wù)器，圖11(b)為客戶端。試驗(yàn)用車及試驗(yàn)儀器安裝位置如圖12所示，其中圖12(a)為試驗(yàn)用車，圖12(b)為制動(dòng)參數(shù)檢測裝置，圖12(c)為GPS接收器。制動(dòng)過程相關(guān)參數(shù)如圖13所示。


圖12 實(shí)車試驗(yàn) Fig.12 Real vehicle test


圖13 制動(dòng)參數(shù) Fig.13 Braking parameter

5 結(jié)論

針對汽車在行駛過程中的制動(dòng)參數(shù)難以獲取問題提出了一套基于硬件檢測單元以及LabVIEW虛擬儀器的汽車制動(dòng)參數(shù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)中的硬件部分由GPS導(dǎo)航模塊、制定參數(shù)檢測裝置構(gòu)成，基于LabVIEW開發(fā)的軟件部分由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器以及客戶端3部分構(gòu)成，可將車輛在行駛過程中的位置信息、運(yùn)行速度、制動(dòng)行為數(shù)據(jù)以及車輛縱向減速度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)以及在線分析，基于TCP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，傳輸數(shù)據(jù)可在客戶端上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于采用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)具有便于編程和操作、成本低廉、擴(kuò)展性強(qiáng)、安全可靠的特點(diǎn)。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)汽車在行駛過程中的制動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控，可為相關(guān)方面的研究提供數(shù)據(jù)支持。