基于LabVIEW的附着系数数据采集系统设计

成 洁

（西华大学，四川 成都 610039）

设计研究

基于LabVIEW的附着系数数据采集系统设计

成 洁

（西华大学，四川 成都 610039）

附着系数是对汽车制动性判据的重要参考数据之一，文中采用LabVIEW软件开发了一套基于虚拟仪器的路面附着系数测试系统。实验表明：该程序可准确的检测出车轮法向力和切向力，实现对附着系数实时变化的显示以及数据的采集和处理，通过界面曲线来显示数据和其变化等信息，能保存测试过程中的所有数据，并设置保存时间等附加功能。

附着系数；虚拟仪器；数据采集

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

前言

随着交通运输事业的发展，城乡道路、高速公路及机场跑道等路面的防滑问题已引起国内有关部门的普遍重视。汽车的驱动、制动或者操纵性在很大程度上取决于车轮与路面之间的关系，特别是车轮与路面之间的附着系数。附着系数是附着力与车轮法向压力的比值。这个系数越大，可利用的附着力就越大，汽车就越不容易打滑。附着系数的数值主要决定于道路的材料、路面的状况与轮胎的结构、胎面花纹、材料及汽车运动的速度等因素[1]。

1、测试技术发展现况

在附着系数评定方法的研究中，主要有两种类型：一类是分析轮胎的力学特性，找出力学参数与附着系数之间的关系，从而利用测量设备检测力学参数，计算出附着系数；另一类是分析摩擦过程中自身的影响因素和影响摩擦过程的各外部因素与附着系数之间的关系，利用测量装置测量出各个影响因素，估算出附着系数。

依据以上原理，一些汽车工业发达国家己经在路面附着系数估算领域取得了一定成果。根据测试手段和测量参数的不同将路面附着系数估算方法分为Cause-based和Effect-based两种。Cause-based估算法是通过测量一些对路面附着系数影响较大的因素，并根据以往经验预测当前路面

附着系数的大小。Effect-based估算法是通过测试由路面附着系数或附着系数的变化在车体或车轮上产生的运动响应来估算路面附着系数的大小。上述几种测试方法成本都较高，难以实现大规模的商业应用[2]。

LabVIEW是由美国NI公司创立的功能强大的图形化虚拟仪器编程软件，它编程简单，界面形象直观，因此在测量、过程控制与处理、科学研究等方面有广泛的应用[3-4]。虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。本文应用比较简单可行的基于虚拟仪器LabVIEW的软件开发，实现了附着系数数据采集与分析，利用LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以动态实时地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效[5-6]。该方法避免了传统的汽车实车附着系数测试中结果分析的事后性以及辅助程序测量数据的复杂性，直接测量路面附着系数，反应附着系数的实时变化情况，实现对数据的采集和整理。

2、硬件结构及工作原理

车轮附着系数测试仪的结构原理如图1所示。该测试仪由两个部分组成，一部分为硬件部分，包括机架，轮胎，驱动机构，导向机构以及相应的加载装置等部分，另一部分为软件部分，包括两个方向的拉压力传感器，驱动电机的控制部分，信号的采集，测试结果的显示等部分。

硬件部分具有以下特点：整个装置的机架部分为型材结构，底部配有安装孔；车轮与路面之间的关系采用了路面驱动车轮的形式；路面板的驱动采用直线推杆来进行驱动。驱动电机电压12V，行程800mm,推力大小800kg，推杆速度10mm/s；能实现往返两个方向的直线驱动。测量部分采用了两个拉压力传感器，一个布置在加载处，一个布置在路面板底部，分别用来测量车轮的垂直载荷以及电动推杆的切向力大小。

附着系数测试系统通过加载装置对车轮施加法向的压力，开启驱动电机，路面板在直线推杆的作用下开始运动，同时两个拉压力传感器测出车轮法向和径向的力信号，二力的比值即为路面的附着系数。

3、软件部分程序设计

本文以NI公司的LabVIEW 2011作为开发平台，实现测试系统软件部分的设计。应用LabVIEW平台开发的测试系统软件主要涉及两个部分：前面板和程序框图。

3.1 流程设计

该程序的流程图，如图2所示。运行试验程序，进入试验主界面。首先设置实验参数，如传感器标定参数、通道以及保存文件路径，正确设置试验参数后可以开始试验。试验开始后，通过附着系数测试仪的加载装置对轮胎施加垂向载荷，同时路面模块滑动对轮胎施加的纵向力，布置在测试仪上的拉压传感器将两个载荷以电压的形式表现出来，数据采集卡对这两个电压信号进行采集和A/D转换，最后将转换后的数据进行相关处理，同时将测得的数据进行解码，并实时显示法向力、切向力等曲线，计算并显示各瞬时附着系数。

在试验过程中试验员观察试验数据出现异常，可暂停试验，重新调整后再开始试验，若试验过程顺利，满足试验要求，停止试验，系统会提示试验员是否以电子表格或者文本文档形式保存数据。保存的数据可用于数据后处理和对试验过程中汽车的各种性能重新分析和评价。

3.2 数据的生成和处理

程序设置两个数据采集通道，分别负责法向力和切向力的数据采集，允许采集的电压信号设置区间为（-10V—10V），采样频率为10Hz。采集卡采集到拉压传感器的电压信号，同时采集卡对电压信号进行A/D转换，并按照以下公式对数据进行处理。

程序主要完成经过调试后信号的采集，实现对附着系数实时变化的显示以及数据的处理和采集，通过界面上的曲线等来显示测试的具体数据和变化等信息，反映真实道路上附着系数的情况，对附着系数的主要影响因素等。

4、测试系统验证

汽车附着系数测试仪工作时，为实现车轮的垂向载荷、电机推杆的切向力同时动态测量与显示，采用两通道同步采集程序，利用每一个传感器数据采集卡的一个通道去采集其电压信号的变化。试验中所得数据显示在图表中，并且得到随施加载荷的变化而变化的曲线。程序中使用DAQ mx来完成数据的采集与读取，把得到的三个动态数据写入电子表格中，方便以后的查看与分析。

系统测试实验时，路面板试样为自制部件，用于模拟车辆行驶时路面情况，可以通过更换不同材料路面板测得不同道路情况下附着系数。在驱动电机的作用下，推杆能实现两个方向的运动，为测量采样车轮正反转的充足数据提供条件。

5、结论

通过对路面附着系数测试仪的设计，并且结合其仪器特点，本文基于LahVIEW图形化编程语言，实现了测试系统的设计，整个系统包含信号采集、信号处理和图谱显示的功能，并可完成系统的可靠性验证。从最终的试车验证可得到以下结论：（1） LabVIEW是图形化编程软件，它可以用来取代很多传统的显示仪器，用来构建数据采集系统具有开发周期短、功能强大、结构简单、使用方便、实用性好，成本低等特点；（2）从试验结果看，该试验系统基本可满足试验要求。采集数据、数据处理显示通过LabVIEW进行，可实时显示试验数据并且提供了保存实时数据的方法和路径，相对传统试验该试验系统更可靠、方便。

[1] 余志生等著 . 汽车理论[M] . 北京：机械工业出版社，2010.

[2] 江文峰.行驶过程中轮胎与路面间附着性能的评价[学位论文].长安大学.2008.

[3] 杨乐平等著 . LabVIEW程序设计与应用[M] . 北京：电子工业出版社，2009.

[4] Ye Yu , Yangan Zhang , Xueguang Yuan. A LabVIEW-based real-time measurement system for polarization detection and calibration[J]. Light and Electron Optics.2013.

[5] 吴建，裴峰，王珺男，李晓红. 基于LabVIEW的多通道数据采集系统设计[J] 电子测试，2013（1）；52-54.

[6] 徐超 . LabVIEW在实时测控系统中的应用研究[学位论文].重庆大学.2005.

[7] 李立铭 .基于LabVIEW的振动测试系统研究[J].仪表技术，2013（2）：5-8.

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

成洁，就读于西华大学车辆工程专业，研究方向为汽车设计与制造。