ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 5(96)/2013 Janusz Pokorski 1, Hubert Sar 2, Piotr Fundowicz 3, Andrzej Reński 4 BADANIA PORÓWNAWCZE SKUTECZNOŚCI HAMOWANIA Z WYKORZYSTANIEM ODBIORNIKA NAWIGACJI SATELITARNEJ GPS I CZUJNIKA KORELACYJNEGO CORREVIT-L 1. Wstęp Rozwój systemów pomiarowych opartych na technologii nawigacji satelitarnej skłania inżynierów zajmujących się badaniami samochodów do wykorzystywania ich w coraz szerszym zakresie. Szczególną przydatność do odtwarzania trajektorii ruchu samochodu w testach badawczych dają systemy nawigacji satelitarnej GPS wykorzystujące przenośne stacje referencyjne. Poprawiają one znacznie precyzję odtworzenia trajektorii ruchu pojazdu oraz prędkości jego przemieszczania. Systemy takie są jednak bardzo drogie i ograniczają w pewnym sensie mobilność zestawów pomiarowych. Pewne nadzieje stwarzają stacjonarne stacje referencyjne firmy Leica rozmieszczone na terenie naszego kraju [7]. Należy jednak pamiętać, że system ten przeznaczony jest przed wszystkim dla celów geodezyjnych. Jego przydatność do zagadnień badawczych dynamiki ruchu pojazdów może być ograniczona i powinna być zweryfikowana. Interesującym, stosowanym ostatnio dość często rozwiązaniem jest połączenie odbiornika nawigacji satelitarnej GPS z inercyjnym układem pomiarowym (czujniki żyroskopowe prędkości kątowej i czujniki przyspieszeń liniowych). Rozwiązanie to zaczerpnięte z lotnictwa wymaga jednak skomplikowanych (nie zawsze niezawodnych) procedur obliczeniowych oraz procedur skalujących czujniki analogowe. Dla pewnych szczególnych zastosowań w technice motoryzacyjnej mogą być całkowicie przydatne proste odbiorniki GPS powszechnie dostępne na rynku [8]. Ich podstawową zaletą w stosunku do wyżej wymienionych systemów jest ich niski koszt, brak jakichkolwiek problemów ze skalowaniem oraz bezkonfliktowe połączenie np. z powszechnie dostępnymi komputerami przenośnymi. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań skuteczności hamowania laboratoryjnego samochodu ford transit [2] przeprowadzonych z użyciem dwóch czujników mierzących prędkość pojazdu w czasie testu hamowania. Pierwszym jest korelacyjno-optyczny, bezstykowy czujnik Correvit-L [6] (rys. 2), oparty na patencie z lat 70., który zrewolucjonizował i zdominował na wiele lat techniki pomiarowe w badaniach samochodów. Drugim jest średniej klasy odbiornik nawigacji satelitarnej GPS [8]. Według danych producenta czujnik Correvit-L mierzy prędkość z dokładnością Δv COR =0,5 km/h natomiast odbiornik GPS z dokładnością Δv GPS =0,1 m/s. Jak widać z powyższych danych nie ma podstaw do twierdzenia, że odbiornik GPS jest mniej przydatnym od czujnika korelacyjno-optycznego jeżeli chodzi o pomiar prędkości. Zupełnie innym zagadnieniem jest dokładność pomiaru drogi (pozycjonowania). 1 mgr inż. Janusz Pokorski, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej, 2 dr inż. Hubert Sar, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej, 3 dr inż. Piotr Fundowicz, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej, 4 dr hab. inż., prof. nzw. PW Andrzej Reński, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej. 31
pedal hamulca Correvit-L predk. obr. silnika kolo kierown. IP-T predk. obr. kól predk. obr. kól ugiecia zaw. przedn. ugiecia zaw.tylnych nap. zwrotne ster. ster. amort. przedn. ster. amort. tylnych zyroskopy IP-3D/M przysp. pionowe przysp. poprzeczne przysp. wzdluzne W przypadku posługiwania się odbiornikiem GPS bez stacji referencyjnej pomiar drogi obarczony jest błędem przekraczającym 2 metry. 2. Układ pomiarowy Na rys.1 przedstawiono schemat uniwersalnego układu pomiarowego [1], [2] stanowiącego wspólne opracowanie inżynierów Instytutu Organizacji Systemów Produkcyjnych oraz Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej. System ten posłużył do przeprowadzenia badań porównawczych skuteczności hamowania z równoczesnym wykorzystaniem dwóch odmiennych czujników prędkości ruchu samochodu (por. rys. 2). System pomiarowy PCI-EPP/PCM GPS 10-30 VDC Ethernet Thinkpad Centronix PWR-01 Wi-Fi PWR-02 PC-EPP USB VGA KEYB PCI AD_32/08 DIO PIM PPiOK REW_02 FDC 8 kanalow 4 kanaly 2 kanaly 8 kanalów PCM-9363 PCI_EPP.exe GRAPOL ELECTRONIC ver.12/2012 ADC/DAC-FL02 16/32 kanaly ADC-1 DAC ADC21 h h s x,v x w s a k w L w P u p u t V z V p V t w xyz a z a y a x Rys. 1. Wielofunkcyjny mikroprocesorowy układ pomiarowo-sterujący Sygnał przemieszczenia z czujnika Correvit-L podawany jest na zespół liczników impulsów TTL (moduł PIM) mierzących drogę s x oraz prędkość pojazdu v x =v COR (w ramce czasowej T B = 0,200s). Sygnał z odbiornika GPS podawany jest bezpośrednio przez port USB do mikrokomputera sterującego PCM-9363 w standardowym formacie NMEA z częstotliwością 10Hz. Sygnał z pedału hamulca (podawany na moduł DIO) pozwala wyznaczyć prędkość początkową hamowania v 0 (por. wzór (1)). Zespół inercyjny rejestruje trzy składowe prędkości kątowej ω xyz nadwozia samochodu oraz przyspieszenia liniowego a xyz. Na ekranie komputera można na bieżąco obserwować przebieg rejestrowanych sygnałów pomiarowych i wyniki obliczeń (por. rys. 3 i 4). 32
a) b) Odbiornik GPS 10Hz Rys. 2. Czujniki pomiaru prędkości: a) Correvit-L [5], b) GPS [8] W teście hamowania, na podstawie zarejestrowanych przebiegów prędkości v(t) wyznaczane są (zgodnie z Regulaminem 13 ECE [4]) dwie wartości opóźnienia hamowania: gdzie: v a t 80 v10 ( ) (1) t 2 2 v80 v10 a ( s) (2) 2s 80 10 v 80 wartość prędkości równa 80% prędkości początkowej hamowania v 0, v 10 wartość prędkości równa 10% prędkości początkowej hamowania v 0, Δt czas odpowiadający spadkowi wartości prędkości od v 80 do v 10, s 80 10 droga przebyta przez hamowany pojazd w zakresie prędkości v 80 i v 10. Pierwsze opóźnienie a(t) jest zwykłą wartością średnią opóźnienia hamowania w przedziale czasu Δt. Opóźnienie a(s), nazywane średnim w pełni rozwiniętym opóźnieniem hamowania, zgodnie z [4] dla samochodów osobowych nie może być mniejsze niż 6,43m/s 2 lub 5,76 m/s 2 w zależności od typu badania (z odłączonym lub nie odłączonym silnikiem). Porównując obie wartości a(t) oraz a(s) można ocenić charakter przebiegu prędkości w przedziale czasu Δt. Gdy w czasie hamowania mamy do czynienia z ruchem jednostajnie opóźnionym to obydwie wartości a(t) oraz a(s) są sobie równe. Jeżeli przebieg prędkości jest wypukły to a(t)>a(s). Jeżeli przebieg jest 33
wklęsły to a(s)>a(t). Reg. 13 ECE preferuje ten drugi przypadek. Należy wyraźnie podkreślić, że ze względu na charakter sygnałów, na podstawie których wyznaczane są wartości prędkości, wartości drogi hamowania s 80 10 obliczane są na podstawie całkowania odpowiednich przebiegów prędkości. 3. Badania drogowe Na rys. 3 przedstawiono przebiegi ilustrujące zgodność przebiegów prędkości zarejestrowanych dwoma przetwornikami. Podstawowym problemem przy korzystaniu z czujnika GPS są zakłócenia sygnału prędkości spowodowane przesłanianiem sygnału satelitarnego przez obiekty infrastruktury drogowej (rys. 3a) lub przydrożne drzewa w okolicy drogi. Z podobnego typu zakłóceniami mamy do czynienia przy posługiwaniu się czujnikami korelacyjno-optycznymi, które są wrażliwe na kałuże wody lub nagłą zmianę szarości nawierzchni (np. pasy dla pieszych). Zachowanie odpowiednich procedur pomiarowych pozwala w większości przypadków uniknąć tych zakłóceń. Porównując przebiegi przedstawione na rys. 3b oraz 3c należy stwierdzić, że z punktu widzenia odtworzenia dynamiki monotonicznie zmieniających się przebiegów prędkości obydwa czujniki zachowują się podobnie. Ze względu na specyfikę działania obydwu przetworników brak jest podstaw do stwierdzenia, który z czujników lepiej estymuje przebieg mierzonej prędkości. a) Zakłócenia sygnału GPS spowodowane przejazdem pod wiaduktami; średnia prędkość pomiaru kalibrującego 80 km/h b) Rozpędzanie pojazdu przez biegi wyznaczanie charakterystyki dynamicznej 34
c) Wybieg pojazdu wyznaczanie oporów ruchu Rys. 3. Ilustracja różnych pomiarów prędkości pojazdu z wykorzystaniem czujnika GPS (kolor niebieski) i czujnika Correvit-L (kolor czerwony); linia żółta droga zmierzona czujnikiem Correvit-L Na rys. 4 przedstawiono wykresy ilustrujące przebieg testu hamowania wraz z wartościami liczbowymi opóźnień hamowania zgodnie z Reg. 13 ECE. Rys. 4. Ilustracja procesu hamowania samochodu; linia niebieska - czujnik prędkości GPS, linia czerwona - czujnik prędkości Correvit-L, linia żółta - czujnik przemieszczenia Correvit-L, linia zielona czujnik żyroskopowy prędkości kołysania wzdłużnego IP-3D/M Należy zaznaczyć, że przed wyznaczeniem wartości opóźnień hamowania a(t) oraz a(s) dla obydwu czujników przebiegi prędkości poddawane są specjalnie opracowanym 35
procedurom filtracji i wygładzania oraz procedurom statystycznym pozwalającym odrzucić potencjalnie błędne wyniki. 4. Analiza wyników pomiarów skuteczności hamowania W tabelach 1..3 zamieszczono zestawienie wyników testów hamowania samochodu ford transit (bez układu ABS) wyposażonego w zaprezentowany powyżej układ pomiarowy. Poniższe wyniki obejmują około 500 testów hamowania wykonanych na dobrej drodze asfaltowej. Badania prowadzono z różną intensywnością hamowania, z różnymi prędkościami początkowymi v 0, zarówno na nawierzchni suchej jak i mokrej. Porównując wartości średnie opóźnień hamowania a(s) (dla wszystkich przeprowadzonych testów) dla obydwu czujników należy zauważyć, że różnice między nimi nie przekraczają wartości 0,1m/s 2 zarówno dla całego zakresu prędkości początkowych hamowania v 0, jak i w poszczególnych grupach prędkości. Wartości opóźnień hamowania dla czujnika GPS są zawsze większe od opóźnień obliczonych dla czujnika Correvit-L. Znamiennym jest, że różnica miedzy opóźnieniami hamowania a(t) oraz a(s) również nie przekracza 0,1m/s 2 ; wartości opóźnień względem czasu a(t) są zawsze większe od opóźnień względem drogi a(s) bez względu na rodzaj czujnika. prędkość początkowa hamowania v 0 km/h Tabela 1. Wartości średnie opóźnień hamowania a(t) i a(s) Correvit-L GPS a(t) a(s) a(t) a(s) m/s 2 m/s 2 m/s 2 m/s 2 40..60..80 6,4 6,3 6,5 6,4 40 6,0 5,9 6,2 6,0 60 6,7 6,6 6,8 6,7 80 6,3 6,2 6,4 6,3 W tabeli 2 zestawiono wartości średnie różnicy wartości opóźnień hamowania a COR (t) dla czujnika Correvit-L i a GPS (t) dla czujnika GPS (podobnie dla różnicy a COR (s)- a GPS (s)) oraz odpowiednie wartości odchyleń standardowych. Wartość średnia różnicy opóźnień hamowania a(t) nie przekracza 1,6%, a dla opóźnienia hamowania a(s) jest jeszcze mniejsza i nie przekracza 1,4% (w całym zakresie prędkości początkowych v 0 ). Im większa prędkość początkowa hamowania tym różnica opóźnień hamowania dla obydwu czujników jest mniejsza. Wynika to zapewne z faktu, że im większa jest prędkość początkowa hamowania tym proces hamowania trwa dłużej, co zapewne wpływa na stabilizację samego procesu hamowania i procedur pomiarowych (szczególnie czujnika GPS). Odchylenia standardowe różnicy wartości opóźnień hamowania nie przekraczają 0,16m/s 2, co przy założeniu normalności procesów pozwala stwierdzić, że największa różnica między wartościami opóźnień hamowania nie powinna przekroczyć 0,48m/s 2. Uzyskany wynik należy zdaniem autorów badań uznać za dalece zadawalający. W tabeli 3 przedstawiono wartości średnie różnicy opóźnień a COR (s)-a GPS (s) w rozbiciu na trzy zakresy uzyskanych opóźnień hamowania w wyniku przeprowadzonych testów skuteczności hamowania. Można zauważyć, że im większa intensywność hamowania tym różnica między uzyskiwanymi wynikami przy zastosowaniu różnych czujników pomiarów prędkości jest większa. 36
Tabela 2. Porównanie wartości średnich opóźnień hamowania a(t) i a(s) dla czujników Correvit-L oraz GPS a COR (t)-a GPS (t) a COR (s)-a GPS (s) prędk. początk. ham. v 0 [km/h] wartość średnia -0,11 m/s 2-0,09 m/s 2 40..60..80-1,6% -1,4% odchylenie stand. 0,14 m/s 2 0,16 m/s 2 wartość średnia -0,17 m/s 2-0,10 m/s 2...40 wartość średnia -0,11 m/s 2-0,08 m/s 2 60 wartość średnia -0,07 m/s 2-0,06 m/s 2 80 Tabela 3. Wartości średnie różnicy opóźnień hamowania a COR (s)-a GPS (s) czujników Correvit-L i GPS dla wybranych zakresów wartości zakres wartości a COR (s)-a GPS (s) opóźnienia hamowania a(s) m/s 2 m/s 2 2,1 8,9-0,09 2,1 4,9-0,01 5,0 6,9-0,05 7,0 8,9-0,16 5. Uwagi końcowe Zaprezentowane wyniki badań porównawczych skuteczności hamowania przeprowadzonych z użyciem czujnika korelacyjno-optycznego Correvit-L oraz odbiornika nawigacji satelitarnej GPS (bez stacji referencyjnej) nie wskazują na istotną różnice w wartościach wyznaczanych opóźnień hamowania. Nie ma więc podstaw do kwestionowania wyników pomiarów wykonywanych na potrzeby Regulaminu 13 ECE z wykorzystaniem tanich systemów nawigacyjnych. Interesującym byłoby natomiast porównanie wyników pomiarów uzyskiwanych przy pomocy czujników korelacyjnych, zwykłych odbiorników GPS oraz systemów nawigacji satelitarnej wykorzystujących systemy stacji referencyjnych dostępnych na terenie naszego kraju. W uzupełnieniu prezentacji problemów związanych z badaniami procesu hamowania pojazdów samochodowych autorzy artykułu pragną nadmienić, że są obecnie w trakcie opracowywania wyników pomiarów wykorzystujących równocześnie prosty odbiornik GPS oraz system czujników inercyjnych zaprezentowanych na rys. 1. Literatura: [1] Kozioł S., Pokorski J., Zborowski A., Koncepcja systemu technicznego do badań właściwości jezdnych pojazdów pożarniczych, IX Konferencja Naukowo- Techniczna LogiTrans, Szczyrk 17-20 IV 2012, Logistyka 3/2012 s. 1141-1147. [2] Pokorski J., Bieliński M., System pomiarowy do badania stateczności ruchu pojazdu, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 4(51) s. 17-30, Warszawa 2003. [3] Sar H., Pokorski J., Fundowicz P., Reński A., Application of GPS receiver to road tests of automobile, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 20, No. 3 2013, pp. 359-366. 37
[4] Regulamin nr 13-H Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG ONZ) Jednolite przepisy dotyczące homologacji samochodów osobowych w zakresie hamowania. [5] Technical documentation, Datron Messtechnik, Correvit R EEP-2, Vehicle and Evaluation Computer, Operating Instructions. [6] http://www.corrsys-datron.com [7] http://www.leica-geosystems.pl [8] http://www.qstarz.com Streszczenie W artykule omówiono wyniki pomiarów porównawczych opóźnień hamowania z równoczesnym wykorzystanie czujnika korelacyjno-optycznego Correvit-L oraz taniego odbiornika nawigacji satelitarnej GPS. Zaprezentowano uniwersalny mikroprocesorowy układ pomiarowo-sterujący wykorzystywany w badaniach. Przedstawiono wyniki około 500 testów hamowania wykonanych zgodnie z Regulaminem 13 ECE z różnymi intensywnością hamowania, na suchej i mokrej nawierzchni asfaltowej. Uzyskane wyniki pomiarów średnich w pełni rozwiniętych opóźnień hamowania pozwalają stwierdzić całkowitą przydatność czujnika nawigacji satelitarnej GPS pracującego bez stacji referencyjnej do wyznaczania parametrów hamowania. Słowa kluczowe: dynamika pojazdów, systemy pomiarowe, GPS, pomiar prędkości, skuteczność hamowania COMPARATIVE INVESTIGATIONS OF BRAKING EFFICIENCY WITH APPLICATION OF GPS NAVIGATION RECEIVER AND CORRELATIVE CORREVIT-L SENSOR Abstract The article shows the results of comparative measurements of braking decelerations with simultaneous application of correlative-optical Correvit-L sensor and cheap GPS navigation receiver. Universal microprocessor measurement-acquisition system applied in the research is presented. About 500 braking tests performed in accordance to 13 ECE Regulation with different braking intensity, on dry and wet asphalt surface are shown. Obtained results of average measurements of fully developed braking decelerations make it possible to fully accept the application of GPS navigation receiver without reference station to determine braking parameters. Keywords: vehicle dynamics, data acquisition, GPS, measurement of velocity, braking efficiency 38