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汽車工程師使用MTi-G測試和提高汽車性能

MTi-G動作捕捉設備為汽車性能的測試和提高提供經(jīng)濟準確的跟蹤測量方式

文章來源:Xsens 作者:frank 發(fā)布時間:2009年11月17日 點擊數(shù): 次 字號:

前言
此故事由法國布杜爾專業(yè)賽車場撰寫,。

法國布杜爾專業(yè)賽車場在Nogaro巡回賽中使用了MTi-Gin的生化賽車系列體育原型(LMP2款24小時勒芒汽車)進行比賽分析,。通過對MTi-G獲取的數(shù)據(jù)進行后期處理,得出了下列數(shù)據(jù):
  • 最佳比賽線路的確定
  • 剎車/加速狀態(tài)
  • 過度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足的表現(xiàn)
  • 偏角的測定
  • 軌跡半徑
  • 賽道的速度變化圖

    汽車工程師通常使用高端系統(tǒng)來測試和提高設備性能,,這些系統(tǒng)十分準確,,但價格昂貴,較為笨重,;但使用MTi-G的所得到的測量數(shù)據(jù),,許多參數(shù)的準確性與高端設備相同,價格卻僅是高端設備的一小部分,,還具有重量輕,、功耗低的優(yōu)勢。

    測量設置
    采用MTi-G裝置,、GPS天線,、和一個便攜式RS232測井設備進行數(shù)據(jù)記錄。采用小型的6V電池組進行供電,。MTi-G安裝于汽車的中心框架內(nèi),,汽車頂部安裝有GPS天線,用于接收GPS信號(圖1),。


    圖1:GPS天線視圖(在銀帶下)和車內(nèi)的MTi-G裝置(重約68克)

    MTi-G安裝在合適的振動阻尼器頂部,。采用有效的抗振動裝置可以有效地減少MTi-G設備遇到的震動。較大的震動可以影響MTi-G裝置的測量精度,。

    生化賽車LMP2產(chǎn)品性能

    Racing analysis with the Xsens MTi-G
    圖2

  • 底盤:碳制
  • 功率:6.000轉(zhuǎn)350CV
  • 扭矩:4.500轉(zhuǎn)速下450 Nm
  • 齒輪箱:連續(xù)6齒輪
  • 發(fā)動機:車后部縱向位置V6 4.0 L
  • 燃料:超級酒精E85

    理論
    MTi-G可以輸出三維定位,、三維位置、三維速度以及三維校正慣性數(shù)據(jù),,包括實時加速度和角速度等,。通過使用這些數(shù)據(jù),,可以從MTi-G測量設備得出下列賽車參數(shù):

    過度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足
    過度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足可以通過MTi-G的DiffGyro數(shù)據(jù)進行判定。DiffGyro是陀螺儀測量出的軌道轉(zhuǎn)彎率與汽車轉(zhuǎn)彎速度之間的差值,。在DiffGyro信號的基礎上,,我們分析處在各圈中車輛轉(zhuǎn)向的情況。

    如果速度除以半徑,,減去車輛的轉(zhuǎn)率(Gz),,也可以計算出DiffGyro參數(shù)。DiffGyro參數(shù)可以測定出過度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向不足的問題,。

    Oversteering with the Xsens MTi-G
    圖3 如DiffGyro小于0,,則車輛為過渡轉(zhuǎn)向;
    如DiffGyro大于0,,則車輛為轉(zhuǎn)向不足,。

    圖3:過度轉(zhuǎn)向的情況。賽車的轉(zhuǎn)彎速度可以通過陀螺儀速率測出,,彎道速度是采用MTi-G設備通過全球定位系統(tǒng)數(shù)值計算得出,。DiffGyro小于零或陀螺儀轉(zhuǎn)彎速度高于賽道的彎道速度。θ是汽車在重心的滑移角,。

    滑移角(圖3)
    滑移角(θ)在GPS天線的位置給出,,由設備的前進(與車輛方向?qū)R)與軌道的切數(shù)(由速度向量V得出)差異得出??梢允褂霉?VB = VA + BA ˄ W)計算出賽車任何點的滑移角,,因為MTi-G提供了全部動態(tài)信息以確定與GPS天線相應距離的速度向量。

    軌道半徑
    在轉(zhuǎn)彎率W已知的情況下,,軌道半徑R可以使用R =速度(V)/轉(zhuǎn)彎率(W)的公式輕松計算得出,。

    加速度和方向?qū)傩?/STRONG>
    MTi-G輸出的方向數(shù)據(jù)包括滾動的傾斜。因此,,該設備的原始數(shù)據(jù),,如Ax、Ay和Gz,,可以在水平面上進行輕松修正,。修正在計算Ax、Ay,、Gz時進行,。

    結(jié)果

    從MTi-G數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論:

    過度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足
    使用轉(zhuǎn)彎速度和加速度來計算DiffGyro值。圖4顯示了指定圈內(nèi)DiffGyro值的二維圖,,表示了汽車和/或司機的方向盤行為,。


    圖4

    由這張圖可以迅速注意到以下幾點:
    一些轉(zhuǎn)向不足現(xiàn)象發(fā)生在第四曲線,,即,,“剎車和100%油門”曲線,。因此,司機在入口處應該有一個過度轉(zhuǎn)向(如曲線5所示),。相反,,則司機應轉(zhuǎn)向不足,這意味著提早剎車,。有一種轉(zhuǎn)向不足的曲線2是最嚴格的一個地段,。這意味著駕駛者不進行轉(zhuǎn)向,可能是因為汽車沒有調(diào)整好這個曲線,??梢苑治霾煌能囕v設置,調(diào)查如何影響結(jié)果,。

    確定最佳的比賽線路
    理想的比賽線路可從剎車和加速狀態(tài)分析得出,,駕駛軌道由MTi-G數(shù)據(jù)得出。在此例中,,圖4種的曲線1值得特別研究,。


    圖5

    圖5顯示了數(shù)據(jù)采集圖(從MTi-G數(shù)據(jù)單獨提取),,與曲線1軌道上相應的點A,、B和C。 X軸顯示了A的樣本數(shù)量(直接與時間有關(guān):樣本速率為200Hz),。圖5是曲線1加速的平面圖,,其中司機測試了連續(xù)兩圈中兩個不同的軌跡(“由內(nèi)到外”和“由外到內(nèi)”)。


    圖6

    使用MTi-G數(shù)據(jù),,可以計算出剎車點的精確位置和兩個剎車點之間的精確距離:5.2米(“由外到內(nèi)”軌跡必須提前剎車,,首先是為了趕上的彎道內(nèi)側(cè),其次是因為A點的進入速度較高),。MTi-G與兩個軌跡的對應時間是完全一致的,。因此,可以立即推斷出,,由內(nèi)到外的線路比由外到內(nèi)的線路速度更快,,因為在同一時間內(nèi),司機多行駛了8.0米,。如果采用由內(nèi)到外線路,,司機可以節(jié)省0.27秒時間。由內(nèi)到外的線路更像是一個V字型方程式軌跡,,曲線內(nèi)部的第二個軌跡更加平滑,。這可以通過計算軌道半徑(B點周圍)的最低值來判定:37.7米,另一個則為40.4米,。

    僅從圖6所采集到的數(shù)據(jù)來看,,‘內(nèi)-外’軌道中C點的速度看起來有點高,,這是因為它是時間的函數(shù):在C點有一個0.27秒的延遲對應8.0米的路程。所以C點的速度即V3應該是109.4公里/小時,,而不是106.7公里/每小時(見圖5),。有趣的是,由外到而內(nèi)的軌跡中,,B點的速度加快,,從而以更快的109.0公里/小時的速度駛離這條軌跡,這是因為在該軌道的這一部分,,賽車有更多的抓地力?,F(xiàn)在我們來縱觀一下整個轉(zhuǎn)向過程,在由內(nèi)而外的轉(zhuǎn)向軌道中,,‘V’形部分(即在圖5中DiffGyro值為負的黑色橢圓曲線部分)是整個行駛過程中速度最快的部分,,由此可以推斷出,‘V’形部分的初期開始加速,,如圖5B點速度所示,,之后則開始減速。

    結(jié)論
    MTi-G微型姿態(tài)方位參考系統(tǒng)已經(jīng)在法國南部的Nogaro賽車場測試過生物賽車,,為確定最佳比賽線路,,剎車/加速配置,過度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足的行為,,偏角,,半徑的軌跡和賽道上的速度剖面提供了大量的準確數(shù)據(jù)。

    無論是體積,,功耗還是成本,,相較于高端測量系統(tǒng),MTi- G是分析改進賽車應用數(shù)據(jù)的理想選擇,。

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