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汽車(chē)工程師使用MTi-G測(cè)試和提高汽車(chē)性能

MTi-G動(dòng)作捕捉設(shè)備為汽車(chē)性能的測(cè)試和提高提供經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)確的跟蹤測(cè)量方式

文章來(lái)源:Xsens 作者:frank 發(fā)布時(shí)間:2009年11月17日 點(diǎn)擊數(shù):

前言
此故事由法國(guó)布杜爾專(zhuān)業(yè)賽車(chē)場(chǎng)撰寫(xiě)。

法國(guó)布杜爾專(zhuān)業(yè)賽車(chē)場(chǎng)在Nogaro巡回賽中使用了MTi-Gin的生化賽車(chē)系列體育原型(LMP2款24小時(shí)勒芒汽車(chē))進(jìn)行比賽分析。通過(guò)對(duì)MTi-G獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)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(chē)/加速狀態(tài)
  • 過(guò)度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足的表現(xiàn)
  • 偏角的測(cè)定
  • 軌跡半徑
  • 賽道的速度變化圖

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

    測(cè)量設(shè)置
    采用MTi-G裝置、GPS天線、和一個(gè)便攜式RS232測(cè)井設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。采用小型的6V電池組進(jìn)行供電。MTi-G安裝于汽車(chē)的中心框架內(nèi),汽車(chē)頂部安裝有GPS天線,用于接收GPS信號(hào)(圖1)。


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

    MTi-G安裝在合適的振動(dòng)阻尼器頂部。采用有效的抗振動(dòng)裝置可以有效地減少M(fèi)Ti-G設(shè)備遇到的震動(dòng)。較大的震動(dòng)可以影響MTi-G裝置的測(cè)量精度。

    生化賽車(chē)LMP2產(chǎn)品性能

    Racing analysis with the Xsens MTi-G
    圖2

  • 底盤(pán):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(dòng)機(jī):車(chē)后部縱向位置V6 4.0 L
  • 燃料:超級(jí)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(shí)時(shí)加速度和角速度等。通過(guò)使用這些數(shù)據(jù),可以從MTi-G測(cè)量設(shè)備得出下列賽車(chē)參數(shù):

    過(guò)度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足
    過(guò)度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足可以通過(guò)MTi-G的DiffGyro數(shù)據(jù)進(jìn)行判定。DiffGyro是陀螺儀測(cè)量出的軌道轉(zhuǎn)彎率與汽車(chē)轉(zhuǎn)彎速度之間的差值。在DiffGyro信號(hào)的基礎(chǔ)上,我們分析處在各圈中車(chē)輛轉(zhuǎn)向的情況。

    如果速度除以半徑,減去車(chē)輛的轉(zhuǎn)率(Gz),也可以計(jì)算出DiffGyro參數(shù)。DiffGyro參數(shù)可以測(cè)定出過(guò)度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向不足的問(wèn)題。

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

    圖3:過(guò)度轉(zhuǎn)向的情況。賽車(chē)的轉(zhuǎn)彎速度可以通過(guò)陀螺儀速率測(cè)出,彎道速度是采用MTi-G設(shè)備通過(guò)全球定位系統(tǒng)數(shù)值計(jì)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(chē)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(shè)備的前進(jìn)(與車(chē)輛方向?qū)R)與軌道的切數(shù)(由速度向量V得出)差異得出。可以使用公式(VB = VA + BA ˄ W)計(jì)算出賽車(chē)任何點(diǎn)的滑移角,因?yàn)镸Ti-G提供了全部動(dòng)態(tài)信息以確定與GPS天線相應(yīng)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(jì)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(dòng)的傾斜。因此,該設(shè)備的原始數(shù)據(jù),如Ax、Ay和Gz,可以在水平面上進(jìn)行輕松修正。修正在計(jì)算Ax、Ay、Gz時(shí)進(jìn)行。

    結(jié)果

    從MTi-G數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論:

    過(guò)度轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向不足
    使用轉(zhuǎn)彎速度和加速度來(lái)計(jì)算DiffGyro值。圖4顯示了指定圈內(nèi)DiffGyro值的二維圖,表示了汽車(chē)和/或司機(jī)的方向盤(pán)行為。


    圖4

    由這張圖可以迅速注意到以下幾點(diǎn):
    一些轉(zhuǎn)向不足現(xiàn)象發(fā)生在第四曲線,即,“剎車(chē)和100%油門(mén)”曲線。因此,司機(jī)在入口處應(yīng)該有一個(gè)過(guò)度轉(zhuǎn)向(如曲線5所示)。相反,則司機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)向不足,這意味著提早剎車(chē)。有一種轉(zhuǎn)向不足的曲線2是最嚴(yán)格的一個(gè)地段。這意味著駕駛者不進(jìn)行轉(zhuǎn)向,可能是因?yàn)槠?chē)沒(méi)有調(diào)整好這個(gè)曲線。可以分析不同的車(chē)輛設(shè)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(chē)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(dú)提取),與曲線1軌道上相應(yīng)的點(diǎn)A、B和C。 X軸顯示了A的樣本數(shù)量(直接與時(shí)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(jī)測(cè)試了連續(xù)兩圈中兩個(gè)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(jì)算出剎車(chē)點(diǎn)的精確位置和兩個(gè)剎車(chē)點(diǎn)之間的精確距離:5.2米(“由外到內(nèi)”軌跡必須提前剎車(chē),首先是為了趕上的彎道內(nèi)側(cè),其次是因?yàn)锳點(diǎn)的進(jìn)入速度較高)。MTi-G與兩個(gè)軌跡的對(duì)應(yīng)時(shí)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?yàn)樵谕粫r(shí)間內(nèi),司機(jī)多行駛了8.0米。如果采用由內(nèi)到外線路,司機(jī)可以節(jié)省0.27秒時(shí)間。由內(nèi)到外的線路更像是一個(gè)V字型方程式軌跡,曲線內(nèi)部的第二個(gè)軌跡更加平滑。這可以通過(guò)計(jì)算軌道半徑(B點(diǎn)周?chē)┑淖畹椭祦?lái)判定:37.7米,另一個(gè)則為40.4米。

    僅從圖6所采集到的數(shù)據(jù)來(lái)看,‘內(nèi)-外’軌道中C點(diǎn)的速度看起來(lái)有點(diǎn)高,這是因?yàn)樗菚r(shí)間的函數(shù):在C點(diǎn)有一個(gè)0.27秒的延遲對(duì)應(yīng)8.0米的路程。所以C點(diǎn)的速度即V3應(yīng)該是109.4公里/小時(shí),而不是106.7公里/每小時(shí)(見(jiàn)圖5)。有趣的是,由外到而內(nèi)的軌跡中,B點(diǎn)的速度加快,從而以更快的109.0公里/小時(shí)的速度駛離這條軌跡,這是因?yàn)樵谠撥壍赖倪@一部分,賽車(chē)有更多的抓地力。現(xiàn)在我們來(lái)縱觀一下整個(gè)轉(zhuǎn)向過(guò)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(fù)的黑色橢圓曲線部分)是整個(gè)行駛過(guò)程中速度最快的部分,由此可以推斷出,‘V’形部分的初期開(kāi)始加速,如圖5B點(diǎn)速度所示,之后則開(kāi)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(guó)南部的Nogaro賽車(chē)場(chǎng)測(cè)試過(guò)生物賽車(chē),為確定最佳比賽線路,剎車(chē)/加速配置,過(guò)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(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

    無(wú)論是體積,功耗還是成本,相較于高端測(cè)量系統(tǒng),MTi- G是分析改進(jìn)賽車(chē)應(yīng)用數(shù)據(jù)的理想選擇。

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