=======================================
CORRSYS Korrelatorsysteme GmbH, Wetzlar, Германия.
Эта статья описывает способ, который позволяет осуществить прямое измерение в трёх координатных осях для всех видов стандартных испытаний по вождению и способен измерять поведение автомобиля при вождении в сложных условиях испытания, таких как испытание на завышенной скорости. Способ основан на принципе бесконтактного измерения скорости в транспортном средстве по трем координатам. Новое поколение компактных датчиков для измерения продольных и боковых параметров было разработано учредителем компании в 1993г. Они основаны на принципе CORREVIT, который был разработан фирмой Leitz Company Wetzlar. Вместе с компактным датчиком высоты и высокоэффективным программным обеспечением сбора информации инженеры транспортных средств имеют теперь измерительную систему, которая удовлетворяет всем требованиям по точности, удобству управления и универсальности использования для всех видов транспортных средств. Статья представляет результаты типичных испытаний, например, тормозных испытаний и испытаний на завышенной скорости, которые выполнены совместно с некоторыми из ведущих изготовителей транспортных средств.
ВВЕДЕНИЕ
Стандартизация различных параметров, необходимых для понимания поведения транспортного средства и безопасности вождения, не достигла той стадии, на которой можно точно описать характеристики вождения транспортного средства. Критериями являются, например, стабильность направления, точность рулевого управления, способность разворачиваться, изменение полосы движения, чередование нагрузки, тормозная реакция.... [1,2]. Необходимо установить разнообразие сложных параметров транспортного средства, взаимодействующих друг с другом, для изучения динамики транспортных средств и понимания их поведения. Теоретические предварительные расчёты были прежде всего сделаны в стационарном режиме, на основании измерений, выполненных с помощью недавно разработанных методов типа бесконтактного измерения скорости для транспортных средств. Математическое и физическое описание динамических испытаний по вождению существенно усложняется в ряде случаев нелинейной зависимостью параметров транспортного средства. Связать эти параметры можно только в пределах ограниченной области. Благодаря способности современного компьютера осуществлять вычисления с высокой скоростью, возможно моделирование динамических условий вождения. Существенно, однако, чтобы прецизионно описывать модель и моделирование практических условий, требуются точные методы измерения, а также оснащение аппаратурой в виде датчиков и вычислительным программным обеспечением для количественной оценки различных параметров. Некоторые из таких важных инструментальных измерительных средств, предназначенных для инженеров транспортных средств, описаны в этой статье.
ДАТЧИК CORREVIT
Датчик позволяет осуществлять измерение скорости и расстояния немаркированных объектов относительно базового положения, при условии, что объект, подлежащий измерению, имеет оптическую структуру (предпочтительно распределенную стохастически по размерам и положению). Датчик работает в соответствии со способом оптической корреляции, с пространственно-частотной фильтрацией, при котором поверхностная структура воспроизводится на решётке. Полевая линза, которая расположена позади решётки, собирает свет на фотоэлектрический детектор. При перемещении поперечно к линиям решётки объект производит модуляцию фототока. Частота принимаемого сигнала пропорциональна скорости, с которой поле изображения перемещается перпендикулярно к линиям решётки, согласно формуле (1):
где М - проекционный масштаб оптики, g - постоянная решётки, f - частота сигнала и v - скорость объекта. Модуляция накладывается посредством фототока, большего по величине. Низкочастотная постоянная составляющая света формируется в сигнале посредством структуры объекта, которая составляет больше половины постоянной решётки детектора. Получаемый низкочастотный сигнал очень затрудняет подсчёт пересечений нуля. Низкочастотная составляющая подавляется посредством призменной решётки путём двухтактного (пушпульного) расположения. Свет, падающий на соответствующие полосы, собирается на двух фотоэлектрических детекторах полевой линзой (фиг. 1).
Фиг. 1. Двухтактное расположение двух фоторегистраторов сигналов.
Каждый детектор принимает только свет с боков с равным наклоном (фиг. 2). Образуется два сигнала, сдвинутых по фазе на 180А, которые позволяют следующему разностному переключателю устранить интерферирующую часть низкочастотного сигнала [3,4,5].
Фиг. 2. Два сигнала, сдвинутых по фазе на 180А
ДАТЧИКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПО ТРЁМ ОСЯМ
Датчик для измерения скорости/расстояния: Фиг. 3 изображает блок-схему датчика L-CE, который разработали для измерения скорости и длины по одной оси по одному направлению. Она состоит из следующих блоков:
- оптическая часть с частотным выходом
- синхронный фильтр, который позволяет выделять наиболее важную частоту
- умножитель и делитель для регулировки коэффициента
- калибровки
- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
- микроконтроллер, управляющий входными и выходными сигналами
Фиг. 3. Блок-схема датчика L-CE Датчик для измерения по двум осям: Фиг. 4 изображает блок-схему датчика S-CE, используемого для измерения скорости в плоскости - т.е. в продольном и поперечном направлении и под углом к продольной оси транспортного средства. Основные компоненты следующие:
- оптическая часть
- следящие фильтры (два измерительных канала)
- устройства для регулировки коэффициента калибровки для отдельных выходов.
- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
- микроконтроллер
Фиг. 4. Блок-схема датчика CORREVIT® S-CE
Объединение двух известных систем датчиков основано на прецизионном конструировании оптической и электронной частей датчика [6]. Датчик использует специальную оптическую решётку, как показано на фиг. 5.
Фиг. 5. Эффективные постоянные решётки на объекте
Благодаря двум отдельным оптическим каналам, датчик принимает две частоты модуляции. Разность частот зависит от ориентации датчика относительно поверхности измерения. Фактически, имеются различные эффективные постоянные решётки отдельных оптических каналов на движущемся объекте. Сравнивая две частоты, процессор способен вычислить поперечные и продольные составляющие скорости и определить скорость и направление движения. Одна из проблем, которую следует учитывать для электронной схемы фильтра датчика угла дрейфа, заключается в изменениях в физическом поведении при чрезвычайно низких и высоких скоростях. Для этого было усовершенствовано программное обеспечение, что позволило автоматически адаптировать время интегрирования фильтра при низких и высоких скоростях. В результате временная задержка не становится критической. Однако, если пользователь захочет сравнить данные измерения синхронно с другими данными, временное несоответствие, рассогласование может быть скорректировано посредством программного обеспечения. Это возможно только в том случае, если постоянная времени интегрирования выбирается пользователем. Поэтому самая последняя версия программного обеспечения позволяет пользователю устанавливать время интегрирования самостоятельно. Временное несоответствие, рассогласование составляет половину времени интегрирования. Вследствие этого динамический диапазон датчика задаётся с диапазоном предельных частот от 2 до 8 Гц.
Фиг. 6. Датчик H-CE на основе принципа триангуляции (разбивки на треугольники)
Датчик высоты. Датчик высоты H-CE завершает измерительный комплекс для динамических испытаний транспортных средств с измерением по вертикальной оси. Датчик высоты работает на принципе триангуляции, как показано на фиг. 6. Фигура изображает математические соотношения, наряду с которыми показаны световой луч датчика (инфракрасное облучение), поверхность, собирающаяся линза и позиционно-чувствительный диод (PSD).
Для всех этих интеллектуальных датчиков необходимо их подключение к персональному компьютеру (ПК, РС). Это облегчит регулирование датчика через стандартный интерфейс ввода-вывода к ПК /портативному ПК с тем же самым специальным программным обеспечением.
Фиг. 7 схематически изображает типы осцилляций транспортного средства, представляющие интерес. Инженеры транспортных средств задают систему координат в плоскостях автомобиля по осям: продольной, поперечной и вертикальной.
Комбинация из трёх описанных датчиков, L-CE, S-CE, H-CE позволяет измерять все эти движения.
ИСПЫТАНИЯ
Специальный модуль сбора данных и их оценки, среди других устройств, оптимизированных для испытаний торможения, предназначен для точного измерения тормозного пути. Вычислительная электроника системы сбора данных (DAS), определяет аппаратные команды запуска с точностью лучше 1 мс. Точность датчиков (импульсы/время), разработанных в последнее время, значительно выше, чем временные требования схем запуска многообразной вычислительной электроники. Новейший датчик может измерять скорость до v = 0.1 км/час, тогда как существующие обычные датчики измеряют до 4.8 км/час. Сравнение выходных сигналов L-CE датчика и дифференциального преобразователя вращения колёс позволяет пользователю проверять абсолютное значение скорости транспортного средства, измеряя пробуксовку колёса [7]. Программное обеспечение может вычислять тормозной путь вплоть до остановки. Тем самым избегаются недопустимые ошибки, часто возникающие при вычислении тормозного пути для всех типов транспортных средств - автомобилей, 2-х колёсных устройств, железнодорожных транспортных средств и т.д. Фактически, благодаря новейшим оптическим фильтрам, нет никаких потерь данных даже в очень сложных окружающих условиях, например, на железной дороге, где имеются отражения и интерференция. Датчик был успешно проверен в рамках обширной испытательной программы. Датчик использовался в испытаниях, которые были организованы департаментом испытания торможения Немецкой Железнодорожной Компании (Dgeutsche Bahn AG). Испытания с L-CE датчиком, установленном на немецком высокоскоростном поезде (скорость выше 360 км/час) под названием ICE, дали лучше результаты, чем ожидалось. Стандартную галогенную лампу заменили инфракрасным освещением, так что датчик мог работать без проблем обслуживания дольше 20.000 час [8]. Этот датчик использовался не только для испытаний торможения, а также для испытания движения накатом под уклон, набора скорости, испытаний потребления топлива и измерения пробуксовки колёса. Он также успешно использовался для 2-х колёсных устройств.
С помощью датчика S-CE можно определять угол бокового увода шины и угол дрейфа, которые являются очень важными параметрами для автомобильных инженеров для оптимизации режима вождения. Фиг. 8 иллюстрирует способ измерения угла дрейфа и угла бокового увода шины во время движения на повороте. Так, пользователи узнали из испытаний в Бельгии, что датчик S-CE показывает изменение положения колёс при ускорении и замедлении в диапазоне приблизительно 1А - удивительный результат при чрезвычайно медленной скорости. Фактически, датчик позволяет осуществлять измерение характера ''шимминга''.
Фиг. 8. Иллюстрация плохой управляемости
Фиг. 9 представляет схему, позволяющую инженерам осуществлять измерения во всех четырех квадрантах 0 ... 360 градусов.
Фиг. 9. Испытание двигателя на завышенной скорости с двумя датчиками S-CE
Фиг. 9 изображает схему, позволяющую инженерам осуществлять измерения во всех четырех квадрантах. С её помощью можно получить все входные данные, требуемые для вычислений. Датчик S-CE осуществляет измерения в диапазоне приблизительно Б 42 о. Благодаря описанному расположению двух S-CE датчиков, один из датчиков всегда находится в таком диапазоне измерений, что поведение транспортного средства вплоть до 360А может быть определено и рассчитано специальным программным обеспечением. [9]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время инженеры пытаются заменить полевые испытания транспортных средств современным компьютерным моделированием на ЭВМ. Они способны создавать математически зависимости как для открытой системы уравнений, так и в замкнутой. Используя различные теории для систем, они также способны описать движущуюся систему в виде "черного ящика", но требуется точность измерительной техники, используемой в качестве входных устройств.
С одной стороны, они должны точно определить функцию возбуждения, например, входные сигналы на рулевое колёсо, а с другой стороны, они должны точно измерить отклик системы. Новые разработки датчиков для бесконтактных измерений характера вождения автомобиля по трём координатам для всех видов испытаний вождения, описанных в этой статье, обеспечат автоинженеров прецизионными инструментальными средствами для достижения вышеупомянутых целей.
=======================================