УДК 629.113
ТРЕКЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ АВТОМОБИЛЯ В ДВИЖЕНИИ
С.Н. Кривцов, П.И. Ильин, А.И. Тирских, М.А. Широбоких, М.П. Березовский. Трекер для измерения параметров работы автомобиля в движении. Определение пути, скорости и ускорения автомобиля, возможно благодаря применению динамических методов, которые позволяют определить функциональные характеристики автомобиля, в том числе в режиме разгона и выбега. Выбег – неустановившийся режим работы машины при постепенно уменьшающейся скорости после отключения двигателя или другого источника движения. Во время выбега движение продолжается по инерции, кинетическая энергия расходуется на преодоление трения, сопротивления внешней среды. Количественно выбег может измеряться в виде времени до остановки, пройденного расстояния, угла поворота, количества оборотов. По величине выбега можно судить о коэффициенте полезного действия работы машины – чем больше величина выбега, тем меньше энергии затрачивается на преодоление сил сопротивления движению.
В данной работе приведено описание оригинального оборудования собственной разработки – трекера для измерения параметров работы автомобиля. Он позволяет определять ускорения центра масс автомобиля в трех плоскостях, скорость и пройденное расстояние, а также топливную экономичность. Разработанное оборудование – трекер, является специальным устройством приёма-передачи данных для спутникового контроля автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин или других объектов к которым оно имеет привязку, использующим спутниковые системы определения точного местонахождения объекта.
В качестве измерителя ускорений применен цифровой акселерометр. Скорость и пройденный путь определяются с помощью GPS/ГлоНАСС приемника, а топливная экономичность – при помощи проточных датчиков расхода объемного типа. Сигналы системы измерения обрабатываются микроконтроллером и сохраняются в потоковом режиме на SD-карту с частотой 5 Гц.
Ключевые слова: топливная экономичность, трекер, разгон, выбег, перестроение.
Abstract: Krivtsov S.N., Ilyin P.I., Tirskikh A.I., Shirobokikh M.A., Berezovsky M.P. Tracker for measuring parameters of vehicle operation in motion. Determination of the path, speed and acceleration of the car is possible thanks to the use of dynamic methods that allow determining the functional characteristics of the car, including in the mode of acceleration and coasting. Coast- unsteady operation of the machine at a gradually decreasing speed after turning off the engine or other source of motion. During the run-out, the motion continues by inertia, the kinetic energy is spent on overcoming friction and resistance of the external environment. The overrun can be measured quantitatively in the form of time to stop, distance traveled, steering angle, number of revolutions. By the value of the run-out, one can judge the efficiency of the machine operation- the larger the run-out value, the less energy is spent on overcoming the forces of resistance to motion. This paper describes the original equipment of our own design- a tracker for measuring the parameters of a car. It allows you to determine the acceleration of the center of mass of the car in three planes, speed and distance traveled, as well as fuel efficiency. The developed equipment- a tracker, is a special device for receiving and transmitting data for satellite control of cars, tractors, agricultural machines or other objects to which it is linked, using satellite systems for determining the exact location of the object. A digital accelerometer is used as an acceleration meter. The speed and distance traveled are determined using a GPS/ GLONASS receiver, and fuel efficiency is determined using volumetric flow sensors. The signals from the measurement system are processed by the microcontroller and stored in streaming mode on the SD card at 5 Hz.
Keywords: fuel efficiency, tracker, acceleration, coasting, lane change.
Введение
В настоящее время для определения пути, скорости и ускорения автомобиля, существуют динамические методы, которые позволяют определить функциональные характеристики автомобиля, в том числе в режиме разгона и выбега. Динамические методы делятся на дорожные и стендовые испытания.
Для определения пути, скорости и ускорения автомобиля используют стенды тяговых качеств. Они подразделяются на инерционные, инерционные с измерением крутящего момента и комбинированные стенды. На стендах создаются стабильные условия испытаний, применяется современное оборудование и аппаратура, позволяющая автоматически обрабатывать результаты испытаний. При всей своей привлекательности, стендовые методы не всегда пригодны для широкого спектра условий и режимов движения, а сами стенды достаточно дороги.
Целью работы является разработка трекера, позволяющего проводить измерения параметров работы автомобиля с заданной точностью и свойствами.
Задачи исследования предусматривают обоснование перечня измеряемых параметров работы автомобиля, изготовление прибора и проведение его эксплуатационных испытаний.
Дорожные испытания наиболее полно отражают условия эксплуатации, поэтому являются более предпочтительными. Для измерения топливной экономичности существует достаточно много технических решений, которые можно условно разбить на три группы: системы с датчиком уровня топлива в баке, бортовой измеритель и указатель(CAN-шина), а также датчики, монтируемые в подающую и возвратную магистраль. Системы измерения с датчиком уровня топлива пригодны только для длительных испытаний. Они имеют низкую точность и необходимость калибровки для разных баков. Бортовые измерители более привлекательны, но могут выдавать неверную информацию о расходе топлива при нарушении технического состояния топливоподающей системы. Установка датчиков в подающую и обратную магистраль позволяет также осуществлять диагностику технического состояния аккумуляторной топливоподающей системы.
Измерение скорости и пути, пройденного автомобилем, достаточно удобно производить с помощью средств спутниковой навигации, однако при этом частоты сбора данных 1 Гц(обычно используется) во многих случаях недостаточна для контроля быстроменяющихся параметров автомобиля. В связи со сказанным, мы разработали приборный комплекс, структурная схема которого представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема разработанного GPS/ГЛОНАСС трекера: Д1 – датчик магистрали подачи; Q1 – количество топлива; Д2- датчик магистрали обратной подачи; Q2 – количество топлива возвращаемого в систему; j x, j y, j z – параметры датчиков педали газа; S, V, Ф – параметры снимаемые с GPS модуля(скорость, направление, угол зажигания, фазы газораспределения)
Устройство GPS/ГЛОНАСС трекера
Устройство GPS/ГЛОНАСС трекер предназначено для мониторинга подвижных объектов с возможностью слежения за внешними датчиками. Прибор питается от портативного аккумулятора. Данные полученные с датчиков хранятся на SD-карте.
Основные функции GPS/ГЛОНАСС трекера:
- Определение географических координат местоположения объекта, на котором установлен трекер, а также движения(скорости и направления).
- Обеспечение измерения ускорения объекта с помощью акселерометра.
- Измерение расхода топлива, расходомером Flowmate(Oval M-III).
Корпус и крышка для GPS/ГЛОНАСС трекера распечатаны на 3D-принтере из пластика. Сверху на крышке находится световая индикация. На передней панели прибора расположен слот под micro USB и SD-карту. На задней панели прибора расположены два разъема для датчиков расхода топлива. На рисунке 2 представлен внешний вид трекера.
Рисунок 2 – Внешний вид GPS/ГЛОНАСС трекера: 1 – разъем датчиков расхода топлива; 2 – кнопка записи; 3 – кнопка перезагрузки; 4 – индикатор перезагрузки трекера; 5 – индикатор записи; 6 – индикатор частоты обмена данных; 7 – индикатор приема спутниковых сигналов; 8 – слот SD-карты; 9 – слот micro USB.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Напряжение питания | 5 В |
| Аппаратные интерфейсы | UART, I2C, SPI |
| Системы | GPS/GLONASS/GALILEO |
| Протокол передачи данных | NMEA(National Marine Electronics Association) |
| Точность приемника | 3.0 м(с применением поправок DGPS 2.5 м SBAS) |
| Чувствительность акселерометра | 9.8*10-3 м/с2 |
| Частота сбора данных | 5-10 Гц |
| Точность измерения расходомера | ±1% |
| Диапазон рабочей температуры расходомера | °С от минус 20 до +80 |
| Габаритные размеры(Д х Ш х В) | 85х62х42 мм |
| Масса | 141 г |
Методика исследования
Для начала сбора данных предусмотрена тактовая кнопка, запускающая процесс измерений. Алгоритм представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Алгоритм функционирования разработанного трекера
Акселерометр позволяет определять ускорение, действующее в направлении осей X, Y, Z. GPS/GLONASS принимает сигналы спутников глобального позиционирования – GPS, GLONASS и Galileo – и рассчитывает свои географические координаты, скорость перемещения, высоту над уровнем моря и точное локальное время.
Данные передаются на микроконтроллер в текстовом формате NMEA по интерфейсу UART.
На рисунке 4 представлено оборудование, установленное непосредственно на автомобиль.
Рисунок 4 – GPS/ГЛОНАСС трекер, установленный на автомобиль Hyundai Starex
Производственная проверка прибора проводилась на следующих режимах:
- плавное торможение от 60 до 0 км/ч;
- резкое торможение от 60 до 0 км/ч;
- плавное перестроение 60 км/ч;
- резкое перестроение 60 км/ч;
- разгон от 0 до 100 км/ч;
- выбег от 100 до 0 км/ч.
Основные результаты. Во время испытаний получены следующие показатели: пройденный путь, время, скорость, ускорение и координаты передвижения автомобиля. Данные показатели позволяют оценить манеру вождения, тормозную и тяговую динамику автомобиля.
В результате экспериментальных исследований тяговой динамики были получены следующие графики рисунок 5 и 6.
Рисунок 5 – График разгона автомобиля до 100 км/ч с полной подачей топлива по ровному горизонтальному асфальтобетонному покрытию
По результатам данного графика можно проанализировать возникновение сил инерции, которые необходимо преодолеть автомобилю при разгоне. Эти силы вызваны как поступательно движущимися массами автомобиля, так и моментами инерции вращающихся деталей двигателя, трансмиссии и колес.
Ускорение выбега характеризует величину потерь на трение в механизмах трансмиссии, тормозах и скоростных потерь в шинах, влияющих на топливную экономичность автомобиля.
На рис. 6 и 7 представлены результаты зависимости ускорения от манеры вождения.
Рисунок 6 – Перестроение автомобиля: 1 – плавное перестроение; 2 – резкое перестроение.
По графику можно проанализировать величину поперечного ускорения, плавного и резкого перестроения.
Рисунок 7 – Торможение автомобиля: 1 – плавное торможение; 2 – резкое торможение.
Заключение
Предлагаемый трекер позволяет измерять параметры работы автомобиля, характеризующие, как стиль езды, так и топливную экономичность и тягово-скоростные свойства. С его помощью можно проводить диагностику технического состояния и выявлять факты и причины повышенного расхода топлива.
Список литературы
- Блохин А.И. Сравнительный анализ определения расхода топлива автомобиля с использованием расходомера DFL3X – 5 BAR и расчётным методом с помощью данных диагностического протокола OBD II// А.И. Блохин, Ю.И. Молев, П.С. Мошков, А.Н. Тихомиров// Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1.
- Бойцов В.И. Экспериментальное исследование топливной экономичности автомобиля с бензиновым двигателем при использовании товарных бензинов с разным октановым числом/ В.И. Бойцов, А.А. Тирских, М.А. Широбоких, С.Н. Кривцов, Т.И. Кривцова// В сборнике: Состояние и инновации технического сервиса машин и оборудования. Материалы X региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти доцента М.А. Анфиногенова.-Новосибирск, 2018. - С. 25-29.
- Бураев М.К. Влияние уровня производственно-технической эксплуатации на ресурсные параметры машин/ М.К. Бураев, А.С. Шеметов, Ц.В. Цэдашиев// Актуальные вопросы аграрной науки. 2019. – № 32. – С. 5-11.
- Власов В.М. Информационные технологии на автомобильном транспорте. Учебник / В.М. Власов, Д.Б. Уфименко, В.Н. Богумил. - М.: Академия, 2014.- 256 с.
- ГОСТ Р 54810-2011 Автомобильные транспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний. – Введ. 2012-09-01. – М.: СТАНДАРТИНФОРМ, 2012. – 23 с.