Zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej GPS do wyznaczenia charakterystyk eksploatacyjnych pojazdu samochodowego

Transkrypt

1 JAMROZIK Arkadiusz 1 KOCISZEWSKI Arkadiusz Zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej GPS do wyznaczenia charakterystyk eksploatacyjnych pojazdu samochodowego WSTĘP Jedną z metod oceny pracy współczesnego pojazdu samochodowego jest analiza jego charakterystyk eksploatacyjnych, głównie zmian mocy i momentu obrotowego w funkcji prędkości obrotowej silnika. W celu wyznaczenia charakterystyk najczęściej wykonywane są badania stacjonarne na hamowni podwoziowej. Badania te nie uwzględniają jednak wpływu szeregu czynników drogowych na parametry użytkowe pojazdu tj. wzniesienia i spadki występujące w rzeczywistości na każdej drodze, zmiany oporów toczenia związane z rodzajem nawierzchni, zmiany oporów kół jezdnych, temperatura otoczenia, sprawność przełożeń pośrednich zespołu napędowego, kierunek i prędkość wiatru itd. Metodą badawczą uwzględniającą wpływ czynników drogowych są badania trakcyjne samochodu w warunkach rzeczywistych. Badania trakcyjne umożliwiają także ocenę zdolności samochodu do przyspieszeń i wpływu na osiągi takich czynników jak zbieżność kół, ciśnienie w oponach, rodzaj ich bieżnika itd. Dotychczas standardowe badania trakcyjne pojazdu samochodowego wykonywane były z wykorzystaniem tzw. piątego koła (np. Peiselera), które umożliwia przeprowadzenie pomiarów chwilowej wartości prędkości pojazdu. Inną metodą oceny własności dynamicznych samochodu, może być wykorzystanie akcelerometru tensometrycznego [8, 9]. Obecnie skutecznym sposobem badań dynamicznych pojazdu i wyznaczenia jego charakterystyk trakcyjnych, jest wykorzystanie systemu nawigacji satelitarnej GPS (Global Positioning System). Celem pracy jest wyznaczenie podstawowych charakterystyk eksploatacyjnych pojazdu samochodowego tj. charakterystyka mocy i momentu obrotowego w funkcji zmian prędkości obrotowej silnika), z wykorzystaniem systemu nawigacji satelitarnej NAVSTAR GPS. Określenie położenia (pozycjonowanie) i nawigacja są coraz bardziej istotne w wielu dziedzinach życia. Ich zastosowania obejmują przede wszystkim transport morski, lotniczy i kołowy, a także turystykę i sport. Obecnie wśród coraz doskonalszych systemów pozycjonujących i nawigacyjnych najbardziej znanym jest globalny system nawigacji satelitarnej NAVSTAR GPS, zwany dalej GPS. Globalny System Pozycjonowania jest systemem satelitarnym zapewniającym precyzyjne wyznaczanie pozycji obserwatora, jego prędkości przemieszczania się oraz czasu w każdym miejscu kuli ziemskiej. System nawigacji GPS składa się z 30 satelitów Ministerstwa Obrony Stanów Zjednoczonych, rozmieszczonych na sześciu orbitach kuli ziemskiej o promieniu km i nachylonych pod kątem ok. 55O w stosunku do płaszczyzny równika. Globalność tego systemu wyraża się w powszechnej dostępności sygnału satelitarnego GPS przez 4 godziny na dobę we wszystkich zakątkach świata. Obecnie nad każdym punktem Ziemi, przy pełnej konstelacji satelitów, na horyzontem może znajdować się do 13 widocznych satelitów (średnia widzialność to 8 satelitów). Użytkownik systemu NAVSTAR GPS musi posiadać odbiornik wielokanałowy, co umożliwia równoczesny odbiór i śledzenie sygnałów ze wszystkich lub większości satelitów widzialnych nad horyzontem. W Instytucie Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej, od wielu lat prowadzone są badania pojazdów samochodowych z wykorzystaniem systemu nawigacji satelitarnej pracującego w układzie różnicowym DGPS (Differential GPS) [1,,4-7]. 1 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Maszyn Cieplnych; Częstochowa; al. Armii Krajowej 1. Tel: , jamrozik@imc.pcz.czest.pl Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Instytut Maszyn Cieplnych; Częstochowa; al. Armii Krajowej 1. Tel: , kocisz@imc.pcz.czest.pl 493

2 Podstawowym celem technik różnicowych jest określenie i zmniejszenie błędów występujących przy wyznaczaniu pozycji w systemie. Wiele ograniczeń, które występują przy stosowaniu odbiorników GPS może być usuniętych poprzez wykonywanie pomiarów przy pomocy metod różnicowych. Ich realizacja polega na: wprowadzaniu do odbiornika w rzeczywistym czasie poprawek do pomiarów, dostarczanych przez równolegle pracujący odbiornik GPS o znanych współrzędnych anteny, transmitowanych np. drogą radiową, dokonaniu korekcji przez program opracowujący rezultaty pomiarów wykonanych przy użyciu pary odbiorników: bazowego i ruchomego, o znanych współrzędnych anteny przyjętych jako wzorcowe. Przy stosowaniu metod różnicowych można w dużym stopniu ograniczyć błędy wspólne dla pary lub grupy odbiorników. Są to między innymi: błędy spowodowane zmiennością opóźnień: troposferycznego i jonosferycznego, niedokładności efemeryd, błędy zegara satelity. 1. STANOWISKO BADAWCZE W skład układu pomiarowego wykorzystywanego podczas badań wchodziły: samochód badawczy Fiat Bravo 1,9 JTD 105; system pomiaru i rejestracji sygnału GPS, w układzie różnicowym DGPS ze stacją ruchomą i lokalną stacją referencyjną złożony z dwóch odbiorników GPS ProPak-G-DB9-3151W firmy NovAtel, dwóch anten GPS 600-L1 oraz dwóch radiomodemów firmy SATEL typ:1870; komputer notebook z oprogramowaniem NovAtel OEM-4 GPSolution. Satelity GPS NAVSTAR Satelity EGNOS Radiomodem Radiomodem Antena GPS Stacja referencyjna - bazowa Odbiornik GPS Notebook Stacja ruchoma w pojeździe Rys. 1. Schemat układu pomiarowego wykorzystującego sygnał satelitów amerykańskiego systemu GPS NAVSTAR i europejskiego systemu wspomagającego EGNOS Badania przeprowadzono dla samochodu osobowego Fiat Bravo 1,9 JTD 105 o podstawowych danych technicznych: pojemność skokowa 1910 cm 3 moc maksymalna 77 kw prędkość obrotowa mocy maksymalnej 4000 min -1 moment obrotowy 00 Nm 494

3 prędkość obrotowa momentu maksymalnego 1500 min -1 masa własna (m k+p =160 kg, m b =7 kg, 90% płynów) 170 kg promień toczny koła 0.8 m sprawność układu przeniesienia napędu 0.95 Rys.. Elementy stacji bazowej-referencyjnej DGPS Rys. 3. Widok elementów składowych stacji ruchomej: samochód badawczy z zamontowaną anteną GPS, odbiornik satelitarny oraz komputer rejestrujący. PRZEBIEG POMIARÓW W celu zapewnienia optymalnych, niezakłóconych warunków pomiarów, badania zostały przeprowadzone na torze pasa startowego lotniska Aeroklubu Częstochowskiego w Rudnikach. W badaniach korzystano z elementów systemu pomiaru i rejestracji sygnału satelitarnego pracujących w układzie różnicowym DGPS, który w znacznym stopniu zwiększa dokładność pomiarów. Wykorzystywany układ pomiarowy umożliwiał przeprowadzenie rejestracji m.in. chwilowych współrzędnych położenia i prędkości badanego pojazdu w układzie elipsoidalnym x, y, z (układ WGS-84 - Word Geodetic System 1984) z częstotliwością 0Hz. Rejestrowane wielkości, przy pomocy specjalistycznego oprogramowania - NovAtel OEM-4 GPSolution (rysunek 4), zapisywane były w pamięci komputera przenośnego umieszczonego w pojeździe badawczym. Rejestrowany sygnał zakodowany był za pomocą komendy wykorzystującej standard zapisu BESTXYZA, w którym zawarta jest między innymi informacja o współrzędnych położenia w płaszczyźnie X, Y, Z, o wartościach odchyleń standardowych wyznaczenia pozycji w tych płaszczyznach oraz o liczbie aktualnie widocznych satelitów nad miejscem pomiarów. Komenda BESTXYZA koduje czas jako czas życia satelity, w którym zakodowany jest zarówno dzień tygodnia jak i aktualna godzina z uwzględnieniem przesunięcia czasowego wynikającego ze strefy zegarowej i uwzględnienia przesunięcia czasowego między czasem letnim i zimowym. 495

4 Rys. 4. Okno użytkownika programu rejestrującego NovAtel OEM-4 GPSolution Prowadząc rozbieg samochodu na jednym dowolnie wybranym biegu, w naszym przypadku był to bieg trzeci, przy pełnym otwarciu przepustnicy, można określić prędkościową charakterystykę zewnętrzną momentu obrotowego i mocy silnika. Rozbieg jest to szczególny przypadek nieustalonego ruchu samochodu, w czasie którego po włączeniu wybranego biegu najpierw ustala się minimalną dopuszczalną prędkość obrotową silnika na tym biegu, a potem włącza się pełny gaz i w tych warunkach rozpędza się samochód aż do osiągnięcia maksymalnej prędkości obrotowej lub maksymalnej prędkości jazdy na tym biegu. Współczynniki oporów toczenia oraz oporów aerodynamicznych C x wyznaczono na podstawie swobodnego wybiegu badanego pojazdu, natomiast współczynnik mas wirujących e dobrano wg. [3] i [10]. Równanie sumy sił działających na samochód podczas rozpędzania: dv e m 0,5 A C x v m g cos m g sin Pc (1) dt gdzie: e współczynnik mas wirujących, m masa całkowita samochodu, v prędkość liniowa pojazdu, t czas, A powierzchnia czołowa samochodu, C x współczynnik oporów aerodynamicznych, - gęstość powietrza, - współczynnik oporów toczenia, g przyspieszenie ziemskie, P c siła ciągu. Jest to nieliniowe równanie różniczkowe pierwszego rzędu z jedną niewiadomą, którą jest siła ciągu P c, przy znanych, wyznaczonych na podstawie swobodnego wybiegu, wartościach współczynników C x i. Wartość chwilowego przyspieszenia samochodu dv/dt wyznaczamy różniczkując numerycznie znany przebieg prędkości v(t). Dla zwiększenia dokładności obliczeń aproksymujemy przebieg v(t) jedną parabolą niskiego stopnia (np. 4 stopnia) i różniczkujemy równanie tej paraboli. 4 3 v c t c t c t c t () dv dt c0 4 c 3 4 t 3 c3 t c t c1 Wyznaczanie momentu obrotowego i mocy silnika na podstawie rozbiegu samochodu na jezdni poziomej ( = 0). Siła ciągu: dv Pc e m 0,5 A C x v m g (4) dt (3) 496

5 Ilość satelitów 9:8:46 9:7:43 9:6:41 9:5:38 9:4:36 9:3:34 9::31 9:1:9 9:0:6 9:19:4 9:18: 9:17:19 9:16:17 9:15:14 9:14:1 9:13:10 9:1:07 9:11:05 9:10:0 9:09:00 Moment obrotowy: M o Pc R t R t dv e m 0,5 A Cx v n i n n i n dt m g (5) gdzie: R t promień toczny koła samochodu, n sprawność układu przeniesienia napędu, i n przełożenie układu napędowego, - współczynnik oporów toczenia, m masa całkowita samochodu, g przyspieszenie ziemskie, C x współczynnik oporów aerodynamicznych, A powierzchnia czołowa samochodu, - gęstość powietrza, e współczynnik mas wirujących, v prędkość liniowa pojazdu, t czas. Częstotliwość obrotów wału korbowego: Moc silnika: 3. WYNIKI POMIARÓW v i R n f (6) t M v i o n N Mo M f (7) R t Istotny wpływ na dokładność uzyskanych wyników pomiarów ma liczba satelitów, z których można odbierać sygnały na danym terenie, dlatego, też badania trakcyjne prowadzone z wykorzystaniem technik nawigacji satelitarnej (GPS) powinny być prowadzone w terenie otwartym, w którym budynki i drzewa nie ograniczają poziomu odbieranego sygnału z satelitów. Na rysunku 5 pokazano zmiany w czasie widzialności satelitów nad miejscem pomiarów. W czasie badań liczba widzialnych satelitów zmieniała się od 8 do 13 i była wystarczająca do skutecznego przeprowadzenia pomiarów czas Rys. 5. Zmiany w czasie widzialności satelitów nad miejscem pomiarów Zmiany przyspieszenia i prędkości samochodu podczas rozbiegu przedstawiono na rysunku 6. Widać, że maksymalne wartości przyspieszenia otrzymano w początkowych fazach próby rozbiegu na pierwszym biegu, gdzie wyniosły ok. 3,4 m/s. Podczas głównej fazy badań, dla rozbiegu na trzecim przełożeniu, przyspieszenie osiągnęło wartość średnią ok. 1,1 m/s. Zakres prędkości liniowej pojazdu, podczas procesu rozbiegu na trzecim biegu, wyniósł od 30 do 113 km/h. 497

6 M o [Nm] N e [kw] Vxyz [km/h] axyz [m/s] V [km/h] a [m/s] III bieg II bieg 0-0 I bieg czas [s] Rys. 6. Zmiany prędkości samochodu oraz przyspieszenia w czasie wykonywania próby z zaznaczonymi przedziałami prędkości dla poszczególnych biegów -6 Prowadząc rozpędzanie samochodu na trzecim biegu, przy pełnym otwarciu przepustnicy, określono m.in. prędkościową charakterystykę zewnętrzną momentu obrotowego oraz mocy silnika i porównano je z charakterystykami producenta (rysunek 7) Mo dane producenta [Nm] Mo pomiar [Nm] Ne dane producenta [kw] Ne pomiar [kw] n [obr/min] Rys. 7. Charakterystyka zewnętrzna momentu obrotowego i mocy silnika badanego pojazdu uzyskana podczas pomiaru oraz wg danych producenta Maksymalna wartość momentu obrotowego, jaką otrzymano w wyniku pomiarów, wyniosła 00 Nm i wystąpiła ona przy prędkości obrotowej silnika równej 3000 obr/min. Dane te zachowują ilościową zgodność z danymi producenta, co do maksymalnej wartości momentu obrotowego, osiąganego przez silnika pojazdu badawczego, którego wartość wynosi właśnie 00 Nm. Jednak pod względem jakościowym, występują rozbieżności w odniesieniu do prędkości obrotowej silnika, przy której uzyskiwany jest moment maksymalny. Wg danych producenta charakterystyka momentu obrotowego jest płaska i jego wartość maksymalna osiągana jest już przy 1500 obr/min. Niestety pomiary tego nie odzwierciedliły i moment maksymalny uzyskiwany jest przy 3000 obr/min, natomiast przy prędkości obrotowej 1500 obr/min moment wyniósł 140 Nm. Większą zgodność jakościową i ilościową otrzymano dla przebiegu mocy silnika. Tutaj wystąpiły niewielkie rozbieżności w wartościach mocy maksymalnej, gdzie dla pomiaru moc wyniosła niespełna 80 kw, przy prędkości obrotowej silnika 4030 obr/min. Jest to wartość ok. 3% wyższa od mocy jaką deklaruje producent tego silnika 77 kw przy 4000 obr/min. 498

7 PODSUMOWANIE Przeprowadzone, w ramach pracy, badania trakcyjne samochodu osobowego marki Fiat Bravo 1,9 JTD 105, z wykorzystaniem systemu nawigacji satelitarnej GPS, pozwoliły na wyznaczenie głównych, eksploatacyjnych charakterystyk pojazdu, w warunkach dynamicznych, podczas próby rozbiegu. Wyniki dały dobrą jakościową i ilościową zgodność dla przebiegu mocy silnika wyznaczonego podczas badań z krzywą mocy podaną przez producenta. W odniesieniu do momentu obrotowego, badania wykazały odmienny charakter zmian tej wielkości w porównaniu z krzywą fabryczną. Ilościowo zgodziła się maksymalna wartość momentu 00 Nm, natomiast wystąpiły jakościowe różnice w przebiegach obu krzywych, szczególnie w początkowych zakresach prędkości obrotowej silnika. Należy nadmienić, iż procedura badawcza przewiduje obliczenia mocy silnika na podstawie wyników momentu obrotowego, a krzywe mocy wykazały dobrą zgodność, zarówno jakościową jak i ilościową. W związku z tym można wnioskować, iż badania eksperymentalne określiły wiarygodne charakterystyki prędkościowe dla silnika tego pojazdu. Podsumowując można stwierdzić, że zaprezentowany w artykule system pomiaru i rejestracji parametrów drogowych pojazdu samochodowego, oparty o system nawigacji satelitarnej GPS, jest prostą i skuteczną metodą określenia własności dynamicznych samochodu i może być alternatywą dla dotychczas stosowanych metod (piąte koło). Podstawową zaletą zaproponowanego systemu jest możliwość uwzględnienia pionowego profilu trasy podczas pomiaru ruchu w układzie 3d, oraz wpływu warunków atmosferycznych (prędkość i kierunek wiatru). Weryfikacja otrzymanych wyników pomiarów dała dobrą jakościową, a nawet ilościową (dla mocy silnika) zgodność, z wynikami testów fabrycznych, podanymi przez producenta. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań trakcyjnych samochodu, wykonane w warunkach drogowych przy pomocy systemu nawigacji satelitarnej GPS. Dokonano rozbiegu samochodu marki Fiat Bravo 1,9 JTD 105 na trzecim biegu, rejestrując przy tym prędkość pojazdu. Pomiary pozwoliły to na ocenę własności dynamicznych pojazdu i wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej momentu obrotowego i mocy silnika. The use of GPS satellite navigation system to determine the operating characteristics of the vehicle Abstract The article presents the results of the traction research of the car, made in road conditions using GPS satellite navigation system. In the study, tests were performed run up car Fiat Bravo 1.9 JTD 105 in third gear with the simultaneous registration of the vehicle speed. The measurements allowed us to assess the dynamic properties of the vehicle and the appointment of the external characteristics of torque and engine power. BIBLIOGRAFIA 1. Cupiał K., Grzelka J., Jamrozik A.: GPS w autobusie. Czasopismo specjalistyczne Drogi lądowe, powietrzne, wodne, nr 6/009 (15), s , Cupiał K., Grzelka J., Jamrozik A.: Rejestrator cyfrowy GPS w logistyce transportu miejskiego. Logistyka nr 3/007 maj-czerwiec, (dołączona płyta CD s. 77), Cupiał K.: Materiały dydaktyczne; Politechnika Częstochowska, Częstochowa Grzelka J., Cupiał K., Jamrozik A., Sosnowski M.: GPS Digital Recorder Application in Municipal Transport Service Vehicle Route Optimization. Międzynarodowa Konferencja Naukowa Transport XXI wieku, tom 1, s , Stare Jabłonki Grzelka J., Jamrozik A., Kociszewski A.: Rejestracja zdarzeń drogowych przy pomocy odbiornika GPS. Czasopismo specjalistyczne Drogi lądowe, powietrzne, wodne, nr 3/009 (1), s , Grzelka J., Jamrozik A., Kociszewski A.: The GPS system as a device for recording road traffic incidents. Computer Systems Aided Science and Engineering Work in Transport, Mechanics 499

8 and Electrical Engineering, Kazimierz Pułaski Technical University of Radom, Faculty of Transport, s , Monograph No 1, Radom Grzelka J., Jamrozik A.: Systemy monitorowania ruchu pojazdu - lokalne i centralne, Skrypt, podręcznik, s. 170, Częstochowa Jamrozik A., Kociszewski A., Tutak W., Sosnowski M.: Pomiary przyspieszenia samochodu z wykorzystaniem akcelerometru tensometrycznego. Logistyka nr /008 marzec-kwiecień, (dołączona płyta CD s. 98), Kociszewski A., Jamrozik A., Tutak W., Sosnowski M.: Badania trakcyjne samochodu z wykorzystaniem akcelerometru tensometrycznego. Logistyka nr /008 marzec-kwiecień, (dołączona płyta CD s. 98), Mitschke M.: Dynamika samochodu, napęd i hamowanie; Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa