近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展十分迅速。汽車(chē)道路交通安全的重要性更加凸顯，而解決這一問(wèn)題所面臨的難度進(jìn)一步加大，這就意味著需要提高對(duì)新開(kāi)發(fā)車(chē)型和在用車(chē)型基本性能測(cè)試的效率。在汽車(chē)各項(xiàng)基本性能中，制動(dòng)性能與行車(chē)安全的關(guān)系最為密切，在新車(chē)推出階段、使用保養(yǎng)階段甚至事故判定中，都需要快速完成對(duì)汽車(chē)制動(dòng)性能的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)臺(tái)式檢測(cè)的方法雖然可靠性高，但是檢測(cè)效率低,試驗(yàn)成本高，不利于普及和推廣,僅適合企業(yè)、研究單位、大型檢測(cè)機(jī)構(gòu)酌情應(yīng)用。與之相比，道路測(cè)試的方法可以有效彌補(bǔ)上述不足。

1 相關(guān)技術(shù)背景和研究現(xiàn)狀
1.1 MEMS技術(shù)簡(jiǎn)介
    MEMS 傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器[1]，其具有快響應(yīng)、低功耗、高靈敏、易集成、低成本以及易構(gòu)成大規(guī)模和多功能陣列以實(shí)現(xiàn)全新功能等一系列優(yōu)勢(shì)。因此MEMS傳感器非常適合于汽車(chē)方面的應(yīng)用[2]，主要應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)管理、車(chē)輛自適應(yīng)導(dǎo)航、汽車(chē)行駛安全、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)控制以及車(chē)輛監(jiān)護(hù)和自診斷等方面。
1.2 虛擬儀器技術(shù)簡(jiǎn)介
    虛擬儀器（Virtual Instrumentation）最大特點(diǎn)就是用戶(hù)可以自行定義儀器的各種功能以滿足不同的使用需求。在虛擬儀器中，硬件僅僅實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入、輸出等功能，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此，在虛擬儀器中，可以說(shuō)“軟件即儀器”。LabVIEW是目前應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在大幅提升工程師編程效率的同時(shí)，進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍。現(xiàn)今已有數(shù)以百萬(wàn)的工程師和科學(xué)家使用LabVIEW來(lái)構(gòu)建其測(cè)試、測(cè)量與控制系統(tǒng)[3]。
1.3 汽車(chē)制動(dòng)性能測(cè)試技術(shù)
    汽車(chē)制動(dòng)效能包括制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度，它是汽車(chē)制動(dòng)性能評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)。依據(jù)《機(jī)動(dòng)車(chē)安全運(yùn)行技術(shù)條件GB7258-2004》中“路試檢驗(yàn)制動(dòng)性能”的相關(guān)要求，主要從制動(dòng)距離、充分發(fā)出的平均減速度MFDD以及制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性要求三個(gè)方面對(duì)汽車(chē)制動(dòng)性能進(jìn)行快速評(píng)價(jià)。
　        儀、采用非接觸式測(cè)速傳感器以及采用加速度計(jì)[4]。近年來(lái)MEMS傳感器技術(shù)迅速發(fā)展，已經(jīng)成為汽車(chē)制動(dòng)性能道路測(cè)試系統(tǒng)的理想方法,本文即是采用了這一方法。
2 汽車(chē)制動(dòng)性能評(píng)價(jià)模型的建立
    汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)減速度、平移車(chē)速和制動(dòng)距離之間的關(guān)系曲線如圖1所示。由數(shù)值分析的相關(guān)知識(shí)可知，當(dāng)采樣頻率足夠高，能夠滿足計(jì)算精度的要求。

到Ve之間車(chē)輛行駛的距離(m)。
3 基于MEMS的制動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建
3.1 系統(tǒng)的總體構(gòu)建
　    系統(tǒng)的硬件部分主要包括：ADXL203加速度傳感器、5 V直流電源、GPS速度測(cè)量模塊、信號(hào)采集器以及便攜式計(jì)算機(jī)，如圖2所示。

    ADXL203雙軸型加速度傳感器安裝于立方體支架上，由5 V直流電源為其供電。實(shí)車(chē)時(shí)可將該支架固定于汽車(chē)質(zhì)心處(這里采用工作室現(xiàn)有加速度傳感器構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)際只需要單軸傳感器)，用以獲得汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)減速度。
   系統(tǒng)的工作流程為：通過(guò)GPS測(cè)速模塊獲得汽車(chē)的制動(dòng)初速度，通過(guò)NI9205信號(hào)采集卡對(duì)ADXL203進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中逐點(diǎn)制動(dòng)減速度ax的值，通過(guò)LabVIEW中開(kāi)發(fā)的制動(dòng)性能測(cè)試模塊，可以在線獲得汽車(chē)的制動(dòng)距離和充分發(fā)揮的平均減速度MFDD。
3.2 加速度傳感器的標(biāo)定
　通過(guò)對(duì)加速度計(jì)的誤差分析[6]可知，影響加速度計(jì)的電壓信號(hào)輸出值的主要因素是靈敏度、零偏和隨機(jī)噪聲。因此針對(duì)性地設(shè)計(jì)了標(biāo)定系統(tǒng)，主要對(duì)傳感器的零偏和靈敏度進(jìn)行標(biāo)定。
　加速度傳感器的通頻帶從零開(kāi)始，故可以用靜態(tài)標(biāo)定代替動(dòng)態(tài)標(biāo)定，只要將加速度計(jì)合理地定位，利用其受到的已知的重力加速度(當(dāng)?shù)丶s為9.794 m/s2)即可以進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

3.3 軟件模塊的開(kāi)發(fā)
    本文所采用的軟件版本分別為L(zhǎng)abVIEW2010，NI-DAQmx9.4以及MAX5.0[7-8]。
    以GPS模塊的USB通信模塊開(kāi)發(fā)為例簡(jiǎn)要介紹如下：程序采用模塊化設(shè)計(jì)思路，由一個(gè)主程序調(diào)用4個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)整體功能。子程序主要有：解析NMEA信號(hào)SubVI、判斷字符輸入特征SubVI、GPS時(shí)間解析SubVI以及GPS方向信號(hào)判斷SubVI等。
3.4 汽車(chē)制動(dòng)性能評(píng)價(jià)模塊編程實(shí)現(xiàn)
    汽車(chē)制動(dòng)性能評(píng)價(jià)的軟件模塊是本文重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的軟件模塊，下面將從軟件開(kāi)發(fā)的目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)方式和MFDD的編程求解等方面做出介紹。
    開(kāi)發(fā)目標(biāo)：在實(shí)時(shí)地完成試驗(yàn)曲線再現(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果顯示與儲(chǔ)存的基礎(chǔ)上，力求操作簡(jiǎn)潔、友好并兼顧軟件模塊的易擴(kuò)展和易調(diào)試的需求。
　實(shí)現(xiàn)方式：充分利用LabVIEW強(qiáng)大的界面優(yōu)勢(shì)、合理布局輸入控件以及數(shù)據(jù)錄入、顯示界面，從而大幅提升了軟件的界面友好性；在后面板的程序框圖中，通過(guò)應(yīng)用LabVIEW提供的多種數(shù)組運(yùn)算節(jié)點(diǎn)以及合理設(shè)置局部變量，保障了程序運(yùn)行的高效、穩(wěn)定；同時(shí)，設(shè)置探針和部分觀測(cè)數(shù)組、數(shù)據(jù)(例如MFDD中的Se和Sb的索引值、索引地址對(duì)應(yīng)元素和Ve、Vb實(shí)際的微小差值等，這睦顯示控件，可提高開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行二次調(diào)試的效率)，這些顯示控件利用其可以隱藏的屬性，不會(huì)在前面板直接顯示而影響美觀和干擾操作，但是可以供調(diào)試人員后臺(tái)選擇顯示觀測(cè)[9]。
4 汽車(chē)制動(dòng)性能道路試驗(yàn)與結(jié)果分析
4.1 信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)的選擇與安裝
　　在評(píng)價(jià)汽車(chē)制動(dòng)性能時(shí)，加速度信號(hào)的采集時(shí)刻從踩制動(dòng)踏板開(kāi)始，此開(kāi)始信號(hào)可通過(guò)在制動(dòng)踏板處布置一個(gè)開(kāi)關(guān)量來(lái)觸發(fā)信號(hào)采集。所選用的微動(dòng)開(kāi)關(guān)原理圖與實(shí)物圖如圖4所示,開(kāi)關(guān)包括a、b、c、d四個(gè)輸出端，其中，a端與b端保持常通，c端與d端保持常通，a、b端與c、d端之間斷開(kāi)。在制動(dòng)性能測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)駕駛員腳踩制動(dòng)踏板時(shí)，開(kāi)關(guān)隨即接通，直至駕駛員釋放制動(dòng)踏板時(shí)開(kāi)關(guān)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)彈簧的作用下復(fù)位斷開(kāi)。微動(dòng)開(kāi)關(guān)的選擇主要考慮了開(kāi)關(guān)頭部高度和腳踩產(chǎn)生制動(dòng)作用力的范圍這兩個(gè)參數(shù)。制動(dòng)踏板微動(dòng)開(kāi)關(guān)的安裝通過(guò)自行設(shè)計(jì)的安裝盒組合套裝與制動(dòng)踏板固連。

4.2 試驗(yàn)方法
    試驗(yàn)按照GB7258-2004(《機(jī)動(dòng)車(chē)安全運(yùn)行技術(shù)條件》中“7.13 路試檢驗(yàn)制動(dòng)性能”部分的要求進(jìn)行，主要以汽車(chē)制動(dòng)距離S和制動(dòng)過(guò)程中的平均減速度MFDD為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
    試驗(yàn)條件主要包括試驗(yàn)車(chē)輛的選擇、試驗(yàn)駕駛?cè)藛T和測(cè)試系統(tǒng)操作人員的素質(zhì)要求、試驗(yàn)道路條件以及試驗(yàn)氣候條件等方面。其中，試驗(yàn)車(chē)輛選擇別克凱越HRV；試驗(yàn)駕駛?cè)藛T需要能夠熟練操作試驗(yàn)車(chē)輛；試驗(yàn)系統(tǒng)操作人員需要能夠基本掌握測(cè)試軟件的應(yīng)用；試驗(yàn)道路選擇平直空曠的城郊水泥公路，該路寬度30 m，路面平整、干燥,道路坡度小于1%，道路附著系數(shù)約為0.8；試驗(yàn)過(guò)程中天氣晴朗，溫度為25，接近無(wú)風(fēng)。
4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與試驗(yàn)結(jié)果分析
    遵循上述試驗(yàn)步驟，綜合考慮試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求以及非專(zhuān)業(yè)測(cè)試人員在模擬性測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行此類(lèi)試驗(yàn)的安全性等因素，分別在制動(dòng)初速度為50 km/h、40 km/h、30 km/h和20 km/h的制動(dòng)初速度下(根據(jù)GPS測(cè)速模塊獲得)，各完成3組制動(dòng)性試驗(yàn)，在線得到試驗(yàn)結(jié)果。表2和圖5~圖7展示了在V0=50 km/h初速度下完成的一組直線制動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果。

    表3詳細(xì)給出了各組制動(dòng)初速度下的試驗(yàn)結(jié)果。
    對(duì)各初速度下實(shí)測(cè)得到的制動(dòng)距離S取算術(shù)平均值，并以初速度值為自變量，制動(dòng)距離S為函數(shù)，進(jìn)行二次函數(shù)擬合，得到S=0.005V02-0.004V0-0.002。
    在各初速下實(shí)測(cè)得到制動(dòng)距離并擬合得到S-V0的二次函數(shù)：S=0.004 51V02+0.003 4V0(該曲線表征了90年代轎車(chē)的平均制動(dòng)水平)，對(duì)比試驗(yàn)值與該曲線值，如圖7所示，可以看到兩者在趨勢(shì)上是相近的，試驗(yàn)實(shí)測(cè)的各制動(dòng)初速下的制動(dòng)距離相對(duì)偏高，與測(cè)試人員踩制動(dòng)踏板相對(duì)緩和的實(shí)時(shí)也比較吻合，如圖8所示。

    本文應(yīng)用MEMS技術(shù)和LabVIEW虛擬儀器技術(shù)展開(kāi)了汽車(chē)制動(dòng)性能道路測(cè)試技術(shù)的研究，構(gòu)建了測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明了所建立的測(cè)試系統(tǒng)的可行性，此外，系統(tǒng)具有高度的可擴(kuò)展性和靈活的自定義性，通過(guò)增加傳感器類(lèi)型和改變布置方式，同時(shí)增加相應(yīng)的軟件模塊，就可以擴(kuò)展到汽車(chē)操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性、平順性和燃油消耗性等綜合性能的測(cè)試中。
參考文獻(xiàn)
[1] 閆冬，管欣，高振海. 基于MEMS技術(shù)的微慣性傳感器及在汽車(chē)上的應(yīng)用[J].汽車(chē)技術(shù)，2006(2):1-6.
[2] ESTRIN D, GOVINDAN R, HEIDEM J,et al. Next century challenges:Scalable coordinate in sensornetwork [C].Proceedings of the 5th ACM IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking. Seattle:IEEE Computer Society，1999:263-270.
[3] SILVA R N, MURRAY L W. Low cost quarte rate sensor applied to tactic IMU[J]. IEEE PLAN LAS Vegas Nevada.1994(1):37-42.
[4] 張珊珊，趙書(shū)尚，張長(zhǎng)營(yíng).一種便攜式汽車(chē)制動(dòng)性能測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].安陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào),2009(4):1-3.
[5] GB7258-2004機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件[S]. 2004.
[6] 孫宏偉, 房建成，盛蔚. 一種基于MEMS的微慣性測(cè)量單元標(biāo)定補(bǔ)償方法[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,34(4):439-442.
[7] LabVIEW8.2.1與DAQ數(shù)據(jù)采集[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.
[8] 程學(xué)慶．LABVIEW 圖形化編程與實(shí)例應(yīng)用[M]． 北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.31-87.
[9] KEHTARNAVAZ N, KIM N. Digital signal processing system-level design using LabVIEW[M]. Newnes, 2005.