摘要：車輪力傳感器（WFT)在汽車道路試驗中起著非常重要的作用，其動態特性是評價傳感器的重要指標，但在國內 尚缺乏研究。文中以零成本的方式，設計了 WFT中的側向力傳感器的動態標定裝置。用負階躍加栽的方式，進行了側向 力的動態標定，通過對試驗數據進行分析，得到了傳感器的傳遞函數。試驗結果表明：用負階躍加載的方式對WFT進行 動態標定是可行的，側向力的動態標定為其余五維力的動態標定奠定了基礎。

　　關鍵詞：車輪力傳感器；動態標定；負階躍加載；傳遞函數

　　〇　引言

　　車輪力傳感器是汽車道路試驗系統的核心部件，在國內只 有東南大學汽車工程學院在進行研究并獲得了成功。在傳 感器的研究過程中，一直以靜態特性為主，對六維車輪力傳感 器的靜態特性進行了標定，但對動態特性研究較少。但是， 傳感器的動態特性也是非常重要的。傳感器動態性能指標是 評價傳感器動態特性優劣的標準，它為整個汽車道路試驗系統 的建模提供了可用的重要參數。與靜態標定相比，對六維輪力 傳感器的動態標定較為困難。

　　國外一些公司對車輪力傳感器的研究起步較早，一些公司 也針對動態特性進行了研究。如MTS公司專門為車輪力傳感 器設計制作了用于動態性能標定的帶式標定裝置。MTS的 帶式標定裝置，可以對安裝了車輪力傳感器的車輪在高速旋轉 的情況下施加各種標準的力或力矩,從而研究其動態性能。帶 式標定裝置既模擬了車輛行駛時的各種狀態，又避免了非理想 的道路對試驗結果的影響，可以完成傳感器的動態性能標定， 及與輪輞相關的參數的標定，為優化輪力傳感器的設計提供依據。Kistler公司借助于一臺通用剎車阻力測量裝置,在實際 道路上對輪力傳感器的動態性能進行研究。

　　國內的一些研究機構對腕力傳感器進行了多年研究，在動 態特性方面取得了一些研究成果。東南大學儀器科學與工程 學院對機器人腕力傳感器進行了多年研究，采用階躍響應法和 沖擊響應法對機器人腕力傳感器進行了動態標定試驗,通過建 立二階系統模型? ,分析了傳感器的時域和頻域的動態性能指 標。合肥工業大學還進行了多維腕力傳感器的動態標定研究， 通過系統辨識的方法,建立傳感器的動態數學模型，確定傳感 器的動態特性指標。在標定試驗中，通過剪斷繩子產生一個負階躍輸人。

　　國外的WFT的動態特性研究需要昂貴的設備，一時在國內難以實現。腕力傳感器的動態標定方法可以借鑒到WFT的 動態標定中。文中對六維車輪力傳感器中的側向力傳感器 動態特性進行了研究。

　　1　動態標定方法

　　WFT的動態特性是對其進行建模、分析的前提。對WFT進行動態特性分析時，必須首先通過測試得到其非參數模型， 即頻率響應函數或脈沖響應函數。在此基礎上才能進一步識 別WFT的參數模型,識別它的各特性參數，如模態質量、模態 阻尼、模態剛度及振型等。脈沖響應函數是結構系統固有的， 包含了系統的一切動態特性，因此提取系統的脈沖響應函數成 為識別系統，是對系統進行動態特性分析的關鍵。

　　要獲取WFT的脈沖響應函數，必須首先進行動態標定試驗。動態標定試驗方法是通過對目標系統施加特定的試驗信 號（如脈沖信號、正弦信號、階躍信號等），測定系統的輸出響應，以求得時間或頻率為自變量的實驗曲線——系統的非線性 模型。經過適當的數學處理，又可將它們轉換成系統的參數模 型——傳遞函數[9]。根據所加輸人試驗信號的不同，又可將動 態試驗方法分為脈沖響應法、頻率響應法和階躍響應法等。

　　1.1　脈沖響應法

　　這是一種簡單易行、具有一定實用范圍的試驗方法。但這 種方法在有隨機噪聲的情況下，會帶來很大誤差。

　　脈沖響應法一般用錘擊的方式實現。錘擊激勵方式的能量比較小，只適用于小件系統的測試，對于大型的系統,不能用 錘擊獲得足夠的能量。

　　然而,脈沖試驗并不適用于WFT.第一，WFT量程較大，不 同于腕力傳感器,需要錘擊的能量較大，一方面加力困難，另一 方面如果局部能量太大，可能會對傳感器車輪造成破壞。第 二，用一個重錘對WFT進行了脈沖試驗，在試驗中，用重錘從 不同的方向敲擊六維輪力傳感器(輸入脈沖力信號），六維輪力傳感器的輸出即為脈沖響應信號。經過試驗發現，重錘的施力 點、施力方向和施力大小很難確定，雖然試驗過程簡單,但試驗 的準確性和重復性較差。在目前的實驗設備條件下，使用脈沖 響應法對六維輪力傳感器進行動態標定是不可行的。

　　1.2　頻率響應法

　　其原理是提供不同頻率的諧波力信號作為傳感器的輸人, 通過六維輪力傳感器的輸出信號,求出其在不同頻率下的頻率 響應。頻率響應法在頻域內測試系統的動態特性，是公認的最 理想方法,但是現有實驗設備很難提供不同頻率的諧波力信號。

　　1.3　階躍響應法

　　其原理是給傳感器輸人一個階躍激勵信號,檢測其階躍響 應信號,利用階躍響應求出傳感器的動態性能指標，并且可以 辨識出傳感器的傳遞函數。

　　在實踐中階躍激勵信號比較容易實現，尤其是負階躍激勵 信號，即預先對傳感器施加已知的靜載荷，然后突然卸載，從而獲得負階躍響應信號。

　　在現有的實驗條件下，選用負階躍響應法實現了 WFT的 盡傳感器的動態標定,得到了動態性能指標和傳遞函數。

　　2　負階躍動態標定方案

　　根據對車輪受力、車輪結構和六維輪力傳感器的測量原理 的分析，設計了對~進行負階躍加載的試驗方案，設計了原理 性的實驗臺。側向力。是垂直于車輪平面的力，如果把車輪 放倒成水平，則側向力就成了與地面垂直的力，就可以利用重 力對其進行加載和卸載。首先在輪轂上懸掛砝碼給WFT施加 一個側向力。,再突然將砝碼卸掉，就對WFT施加了一個負階 躍的側向力信號。

　　實驗臺主要由固定臺架、砝碼、懸重鐵絲和長柄剪線鉗組 成。圖1為負階躍加載裝置的結構示意圖。動態標定時，將裝 有WFT的被測車輪水平放置在固定臺架上，從軸孔用鐵絲懸掛砝碼，對WFT施加靜態側向力。當WFT的輸出穩定,即達到穩態后,突然剪斷鐵絲，就實現了負階躍加載。

　　一般加載是使用破碼的，但存在以下問題：

　　(1)與腕力傳感器不同，WFT的量程較大，給&加載至少要 用幾百kg的破碼，不但搬運麻煩，而且摞起來太高，相當危險；

　　(2)砝碼需要輕拿輕放,而負階躍加載需要瞬間釋放，必然要損壞砝碼。
為了安全有效地通過負階躍加載進行動態標定，采取了以 下方案：

　　(1)不使用砝碼，用人的體重代替砝碼。鐵絲的一端固定 在軸孔上,另一端吊著幾根強度足夠大的木梁，人站在木梁上。 因為木梁足夠長，強度足夠大，所以可以站的人比較多，給WFT 加的力比較大，木梁的懸掛端離地比較近，剪斷鐵絲時不會對人有傷害；

　　(2)木梁的一端懸掛，另一端著地，這樣人在上面站得比較 穩，從而保證剪斷鐵絲前車輪受力達到穩態。表面上來看，用 人為負載時不知道加在傳感器上的力是多少,但是，WFT是一種力傳感器，而且是經過了靜態標定的,通過傳感器輸出的采 樣值就可以精確地知道其力值。

　　(3)用2把木椅子作為放置車輪的固定支架，髙度很低，比 較安全。

　　這樣的實驗裝置因其安全性是有保障的，所以可以在實驗 室進行實驗，不但方便進行設備調試、數據處理，還可以很方便 地找到足夠的人作為砝碼進行試驗。

　　動態加載裝置、WFT及其數據采集系統、上位機等組成了 一個負階躍加載動態標定系統。

　　設計的動態標定方案有以下特點：

　　(1)從傳感器到砝碼之間沒有滑輪等其他環節[M],所以當 鐵絲被剪斷時，傳感器的輸人是一個比較理想的負階躍信號, 沒有滑輪帶來的未知的摩擦阻力；

　　(2)雖然所加載荷不是真正的砝碼，但可以通過WFT的靜態輸出進行計算得到，加載方式簡單、方便；

　　(3)為了得到階躍響應的延時，將鐵絲作為一根導線接入 了測量電路，當鐵絲被剪斷時，電路的輸出發生跳變。與采樣 頻率1 kHz相比，電路的響應時間可以忽略不計。

　　3　動態標定電路系統

　　電路系統分為2部分:車輪力采集模塊、車輪力傳送模塊 和數據采集機。

　　3.1車輪力采集模塊

　　車輪力采集模塊由車輪力傳感器彈性體、應變電橋、信號 放大調理電路、A/D轉換、嵌人式數據采集系統、2.4GHz無線 發送接收系統和充電電池組構成,車輪力采集模塊的結構如圖2所示。

　　(1)傳感器彈性體，又稱為傳感體，是WFT的關鍵部件，為 八梁輪輻式結構，通過過渡法蘭盤和專用輪轂連接到車軸和專 用輪胎上。

　　(2)應變電橋。32個應變片分別貼在8根梁的特定位置, 組成6個電橋。由于在應變片的貼片位置和組橋方式上進行 了優化設計，已經實現了硬件解耦，所以每個電橋對應一維車 輪力,所以把6個電橋按照所測力的名稱分別稱為Fx電橋、 Mx電橋、Fy電橋、My電橋和Mz電橋。該WFT實現了車輪所受到的六維力的測量。

　　(3)信號放大調理電路。對電橋輸出信號進行調理，如調零、放大、濾波等。用低功耗儀用放大器INA122實現，單電源 供電方式。

　　(4)嵌人式數據采集系統。主要由低功耗單片機C8051F005實現，具有資源豐富，功耗低的特點。

　　(5)A/D轉換。用單片機內部的12位A/D轉換器實現六維力的模數轉換。

　　(6)無線發送接收系統。實現轉動的車輪力傳感器與不轉 的車輪力傳送模塊之間的通信。

　　(7)電池組。實現對轉動的車輪力采集模塊的供電。

　　圖2車輪力采集模塊結構框圖 3.2階躍同步信號采集方法

　　該文的目的是實現對&的動態性能的標定，其他5個電 橋的輸出并無意義;另一方面，需要將懸掛重物的鐵絲被剪斷 時刻與車輪力數據對應起來。所以對電路進行了少量的改動， 將乙電橋的一根引線斷開，接入懸掛鐵絲，通過6數據的跳 變確定斷開時刻。動態標定試驗完成后，再將電路恢復即可， 不會對傳感器造成任何影響。

　　3.3車輪力傳送模塊

　　車輪力傳送模塊實現車輪六維力的傳送以及轉角和速度 的檢測。主要由無線收發系統、光電編碼器、微處理器和CAN 總線數據收發系統組成。

　　(1)無線收發系統。從車輪力采集模塊接收六維力數據,送到微處理器進行處理。

　　(2)光電編碼器。實現車輪轉角的檢測及速度檢測。在道路試驗時，車輪是轉動的，必須利用車輪轉角進行坐標變換，把車輪坐標系中的六維力轉換成車輛坐標系中的六維力。

　　(3)微處理器。利用光電編碼器對車輪轉速和轉角進行精確測量，得到車輪轉速和轉角值,再把接收到的六維力值合并 打包，利用內部集成的CAN - BUS控制器，向數據采集機傳送數據。

　　3.4數據采集機

　　道路試驗時,數據采集機用于接收并保存4個車輪力傳感器的輸出數據;當試驗完成后,再把試驗數據上傳到上位機（筆 記本或臺式機）。數據采集機的分布式結構框圖如圖3所示。

　　4個獨立的CAN-BUS采集模塊作為從機，對應于4個WFT車輪，各自獨立完成對一個車輪力傳感器數據的高速采 集;主控制模塊通過通訊總線控制協調各從模塊，通過數據總 線收集各從模塊采集到的數據。

　　4 F,傳感器動態標定結果

　　目前所采用的傳感器系統辨識方法可分為頻域法和時域 法2類,而以時域法應用更廣。時域法以時間域動態標定試驗 (階躍響應、脈沖響應等）為基礎,文中采用時域法辨識非參數模型。

　　在研究傳感器的動態響應特性時，由于數學上的困難，一 般都忽略傳感器的非線性和隨機變化等復雜因素的影響，把傳感器看成為線性的定常系統加以考慮。WFT的Fy傳感器可以被近似看成一個二階系統傳感器的傳遞函數如下：

　　式中:為阻尼系數J ,Ｗn為傳感器的無阻尼自然頻率，Ｗn　　采用負階躍加載法對WFT進行了側向力負階躍加載動態 標定試驗，得到了F的階躍響應輸出數據。圖4中的“+”為換算成單位階躍響應數據后的實際測量數據點。

　　再采用時域法辨識非參數模型的方法確定傳感器的傳遞函數。得到的側向力傳感器的傳遞函數模型為

　　對辨識得到的傳感器模型進行仿真，得到了辨識模型的仿 真曲線，如圖4中的連續線所示。由仿真結果與實際響應曲線的對比可以看出，理論模型與實際特性基本吻合。

　　5　結論

　　以零成本完成了動態標定驗證性實驗，經過數據處理, 得到了傳感器的傳遞函數。所用試驗方法雖然簡陋，但證明 了用負階躍加載的方式進行WFT動態標定是可行的、成功 的。

　　該標定試驗還存在一些問題，需要在以下方面進行改進：

　　(1)動態標定試驗臺的改進。需要設計專用的標定臺，固 定臺架做成環形，使輪胎各部分受力相等，并用固定裝置將輪 胎固定在臺架上，避免整個車輪在受到負階躍力時向上彈起， 對結果產生影響。

　　(2)提高采樣頻率。試驗是在盡量不破壞傳感器的前提下 進行試驗的，所以受到很多限制，如采樣頻率。系統采樣的數 據包括六維力和轉角、轉速，還包括數據傳輸，所以采樣頻率被 限制在1 kHz.然而動態標定試驗只對一維力進行，而且車輪是 靜止的，所以可以考慮對傳感器進行改動以提高采頻率，以 便更好地處理數據，獲得比較精確的動態性能參數。

　　(3)擴展對其他五維力進行動態標定的方法。文中只對六 維車輪力傳感器中的側向力傳感器進行了負階躍加載的動態 性能的標定，是因為側向力的負階躍加載容易方便、安全地實 現，只研究側向力的動態性能是沒有太大意義的，必須對每一 維力都進行動態性能研究才有意義。另外五維力的負階躍加載需要設計專用的標定試驗臺架，只要能夠進行負階躍加載， 數據處理方式都是基本相同的。

　　文中對六維車輪力傳感器中一維力（側向力）傳感器進行 了動態標定,證明了負階躍加載方式進行車輪力傳感器動態標 定的可行性，為進一步精確進行側向力動態標定，以及其余五 維力的動態標定奠定了基礎。（作者：劉廣孚,張為公）