汽車速度表、里程表校正作業(yè)過程的誤差及其影響分析

何厚來、孫戰(zhàn)峰、尹青春、周奇盛、李言明

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

車輛速度表、里程表校正是開展耐久試驗(yàn)測試前的常規(guī)環(huán)節(jié)，其目的是減小速度表、里程表示值偏差對試驗(yàn)車速、試驗(yàn)里程的影響，以確保測試標(biāo)準(zhǔn)的一致性。耐久性試驗(yàn)里程往往長達(dá)數(shù)萬公里甚至數(shù)十萬公里，里程表的細(xì)微偏差會導(dǎo)致統(tǒng)計的試驗(yàn)里程出現(xiàn)較大的偏離。耐久試驗(yàn)中各類特征路面有嚴(yán)格的行駛車速要求，車速的偏離會導(dǎo)致振動強(qiáng)度及頻率的變化，從而影響試驗(yàn)強(qiáng)度。

速度表、里程表校正作業(yè)，就是通過檢測出速度表、里程表指示值與實(shí)際速度和里程之間的偏差規(guī)律，通過擬合計算出校正系數(shù)并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正。本文就車輛速度表、里程表校正實(shí)際作業(yè)過程中各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析，剖析誤差產(chǎn)生原因及其影響。

1 測試方法因素

根據(jù)GB/T 12548—2016《汽車速度表、里程表檢驗(yàn)校正方法》中4.1.2部分對里程表校正系數(shù)的定義[1]，里程表校正需要的2個關(guān)鍵值為：里程表行走10.0 km時車輛的行駛里程Lb與安裝于測試車輛上VBOX測量設(shè)備記錄的實(shí)際里程L。為獲得準(zhǔn)確的車輛行駛里程Lb，根據(jù)國標(biāo)中的方法要求，測試人員應(yīng)在車輛里程表在接近10.0 km時，降低車速至隨時可以使車速降為零為止，以獲取里程表數(shù)值從9.0 km（或9.9 km，不同車型有所差異）跳轉(zhuǎn)至10.0 km瞬間車輛的行駛里程Lb。

在實(shí)際測試中，由于測試人員從肉眼發(fā)現(xiàn)里程表顯示值轉(zhuǎn)變?yōu)?0.0 km至執(zhí)行制動操作需要一定的反應(yīng)時間，以及制動停車過程必然存在一定的制動距離，因此在此期間，車輛會存在一個移動的距離ΔL。ΔL可按以下方式進(jìn)行計算：

式中 t—測試人員的反應(yīng)時間，單位：s

v— 車輛停車前的移動速度，單位：m/s

a— 車輛制動時的減速度，單位：m2/s

根據(jù)統(tǒng)計信息，駕駛員的制動反應(yīng)時間t一般為0.3～1.0 s，取t=0.3 s；制動前的車速為10 km/h（約為2.78 m/s），全制動時平均減速度取9 m2/s，根據(jù)式（1）可計算得出ΔL≈1.26 m。

由于里程表的結(jié)構(gòu)及指示精度限制，車輛在行駛ΔL的距離后，里程表指示的里程指示值仍為10.0 km；而在VBOX測量設(shè)備顯示的實(shí)際里程L中，則是包括距離ΔL。因此根據(jù)里程表校正系數(shù)計算，必然會導(dǎo)致里程表校正系數(shù)C偏大。由于ΔL的存在，在4萬km的耐久性道路試驗(yàn)中，其造成的直接影響是統(tǒng)計的實(shí)際試驗(yàn)里程會偏小5 040.00 m。

根據(jù)GB/T 12548-2016《汽車速度表、里程表檢驗(yàn)校正方法》中速度表的測試方法,是使車輛速度表保持某一車速勻速行駛一段距離內(nèi),然后計算平均速度值。再通過重復(fù)測試至少6個速度點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合出校正函數(shù)，從而推算出其他區(qū)間的速度表顯示值與實(shí)際速度值的關(guān)系。由于VBOX數(shù)據(jù)中時間與里程是完全同步關(guān)系，截取計算區(qū)間的長度理論上不會對結(jié)果造成影響，主要誤差在于測試速度點(diǎn)的數(shù)量及分布、以及擬合計算。

以某車型的速度表設(shè)計策略為例說明：儀表單元收到車輛穩(wěn)定系統(tǒng)控制（ESC）單元發(fā)送的實(shí)際車速信號后，會基于車速信號的基礎(chǔ)車速進(jìn)行一定比例的放大[2]，再把放大后的車速信號發(fā)送至速度表面板驅(qū)動顯示，以保證在源信號正確的前提下更可靠地滿足GB 15082-2008《汽車用車速表》要求。其放大策略如下式表示：

式中 V顯示車速—速度表顯示的車速

V實(shí)際車速—ESC發(fā)動的實(shí)際車速

k—放大系統(tǒng)，取值為1.02～1.22

c— 小于5的常數(shù)

在0＜V實(shí)際車速≤10.0 km/h、10.0 km/h＜V實(shí)際車速≤100.0 km/h以及100.0 km/h＜V實(shí)際車速共3個區(qū)間內(nèi)，k、c為對應(yīng)的常數(shù)。由此可知，速度表設(shè)計策略中V顯示車速與V實(shí)際車速為一條由3段折線組成的函數(shù)關(guān)系。實(shí)際操作中，把6個測試點(diǎn)進(jìn)行線性擬合計算出其他預(yù)測值，這樣擬合計算出的速度預(yù)測值與設(shè)計值會存在一定的偏差。這個偏差值比較小，在實(shí)際耐久試驗(yàn)中其影響不明顯，GB/T 12548-2016中選擇線性擬合的方式，就已意味著可忽略該偏差的影響。

2 測試場地因素

根據(jù)GB/T 12534—1990《汽車道路試驗(yàn)方法通則》中關(guān)于測試場地要求：測試應(yīng)在清潔干燥、平坦的瀝青或混凝土鋪裝直線道路上進(jìn)行[3]，道路長2.0～3.0 km,縱向坡度在0.1%以內(nèi)?，F(xiàn)實(shí)中各汽車試驗(yàn)場的測試道路均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，必然存在彎道，部分環(huán)道還有反向彎道（圖1）。為了平衡車輛過彎的離心力，高速環(huán)道彎道位置的橫截面處必然存在漸變的橫向坡度。當(dāng)車輛在橫向傾角為θ的車道行駛時，安裝在車頂中部的GPS天線運(yùn)行軌跡與車輛運(yùn)動中心在垂直方向的投影并非重合的，二者的相對關(guān)系如圖2所示。

圖1 某試驗(yàn)場高速環(huán)道

圖2 彎道中車輛與設(shè)備的運(yùn)行軌跡

本文為簡化計算，暫以半圓形（彎道圓弧角度180°）為模型估算高速環(huán)道一側(cè)彎道路行駛里程產(chǎn)生的誤差。車輛在彎道中穩(wěn)態(tài)行駛時，車道中心路面與水平面的傾角θ即為車輛的傾角。由此造成的里程偏差ΔS可計算為：

式中 h—GPS天線安裝頂面至車輪平面的垂直高度，單位：m

R0—彎道行駛時車輛中心的轉(zhuǎn)彎半徑，單位：m

R1—彎道行駛時GPS接收天線實(shí)際運(yùn)行軌跡半徑,單位：m

測試道路中彎道內(nèi)側(cè)某一車道的環(huán)道半徑取190.00 m，車道的車輪平面的與水平面夾角θ約15°，常規(guī)乘用車輛天線安裝頂面至車輪平面的距離h一般為1.10～1.40 m，取h=1.10 m，根據(jù)式（3）計算出的誤差值ΔS為2.40 m。

同理，車輛在反向彎道行駛時,也同樣存在路面傾斜的影響。且車輛在反向彎道行駛時，懸架相對靜止?fàn)顟B(tài)時處于拉伸狀態(tài)，從而引起h值增大，ΔS亦隨之增大。

車速表的測試標(biāo)準(zhǔn)明確只能在高速環(huán)道的平直路段進(jìn)行，因此不受彎道的影響。

3 測試設(shè)備因素

VBOX測量設(shè)備是基于衛(wèi)星信號，采用空間測距后方交會原理進(jìn)行定位[4]，其精度主要會受GPS信號傳播環(huán)節(jié)誤差、GPS接收機(jī)的鐘誤差、天線相位中心位置偏差以及零點(diǎn)速度漂移等因素影響。忽略信號傳播環(huán)節(jié)中大氣層空間的不可控因素，傳播環(huán)節(jié)的誤差主要為多路徑誤差[5]，是由于GPS衛(wèi)星信號在發(fā)射或傳播過程中受環(huán)境因素的影響，使得接收到的信號中含有周圍環(huán)境造成的反射信號。這種信號與直射信號出現(xiàn)干涉，導(dǎo)致接收信號的能量發(fā)生衰減且出現(xiàn)延遲，從而產(chǎn)生測距偏差。這種由于多路徑信號傳播所引起的干涉時延效應(yīng)也稱為多路徑效應(yīng)。

多路徑誤差的大小，取決于反射波的強(qiáng)弱和GPS接收機(jī)天線抗衡反射波的能力。多路徑誤差對點(diǎn)位坐標(biāo)的影響在一般環(huán)境下可達(dá)0.05～0.09 m ，在高反射環(huán)境下可達(dá)0.15 m。測試道路附近的高層建筑、高大樹木、高架橋等均會產(chǎn)生反射波，因此測試道路兩側(cè)應(yīng)為空曠開闊地帶。

GPS接收機(jī)的鐘誤差主要與設(shè)備相關(guān)。天線相位中心位置偏差一定程度上受接收天線的傾角、運(yùn)行速度以及車輛運(yùn)行時的彈跳影響。在里程表校正過程中，測試車輛沿高速環(huán)道行駛時的速度值是呈一定范圍內(nèi)波動的，在基于GPS衛(wèi)星信號測試設(shè)備中的里程并非直接測量值，無論其算法構(gòu)型采用黎曼積分還是勒貝格積分，其本質(zhì)是基于速度時間積分法做累計運(yùn)算。

v(t)曲線波動的結(jié)果是導(dǎo)致運(yùn)算值必然存在因統(tǒng)計失實(shí)而產(chǎn)生的統(tǒng)計誤差，通過無限縮小Δt區(qū)間可提升運(yùn)算結(jié)果的精確度，增加慣性測量單元、采用卡爾曼濾波等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理有助于減小誤差。因此在里程校核的過程中，應(yīng)盡量按規(guī)定車速保持測試車輛的平穩(wěn)運(yùn)行，可降低天線相位中心位置偏差。在GB/T 12548—2016的第4.1.1條規(guī)定了里程校正過程中，對行駛速度加以±2.0 km的公差定義，其中就蘊(yùn)含有統(tǒng)一測試標(biāo)準(zhǔn)、提升測試精準(zhǔn)度之意。

此外，零點(diǎn)速度漂移也會對實(shí)際里程L的數(shù)值產(chǎn)生影響。由于VBOX的里程計算構(gòu)型是基于速度時間積分算法實(shí)現(xiàn)的，車輛長時間停車時會因零點(diǎn)速度漂移形成累計里程偏差。因此，應(yīng)在試驗(yàn)開始前才開始數(shù)據(jù)記錄，在測試結(jié)束后盡快按下LOG按鍵結(jié)束記錄。當(dāng)然，VBOX測量設(shè)備在正式測試前均應(yīng)進(jìn)行充分的熱機(jī)。

4 測試車輛狀態(tài)及測試人員狀態(tài)因素

測試車輛的輪胎磨耗程度、輪胎氣壓是直接影響速度表、里程表校正的一項(xiàng)重要因素。因此速度表、里程表校正一般都會安排在試驗(yàn)前進(jìn)行。如果樣車輪胎已經(jīng)有明顯磨損，應(yīng)更換新輪胎后再進(jìn)行速度表、里程表校正作業(yè)。輪胎磨耗程度、輪胎氣壓都會導(dǎo)致車輪的滾動半徑偏離預(yù)設(shè)的滾動半徑值，從而影響車輛的行駛里程Lb以及V顯示車速的實(shí)際值。因此在進(jìn)行校正前，一定要確認(rèn)輪胎狀態(tài)并使用符合要求的輪胎，且輪胎氣壓測量應(yīng)在冷胎狀態(tài)下進(jìn)行。校正測試時的輪胎氣壓為，樣車在該載荷工況下額定氣壓基礎(chǔ)上再增加20 kPa。

5 減小誤差的措施

根據(jù)速度表、里程表在校正過程中的影響因素分析，為減小誤差，提升速度表、里程表校正結(jié)果的準(zhǔn)確性，可采取如下措施。

（1）采用觸發(fā)開關(guān)或讀取CAN報文的方式記錄車輛的行駛里程Lb，即在量程表指示值到達(dá)10.0 km瞬間使用觸發(fā)開關(guān)進(jìn)行標(biāo)識，再讀取原始記錄，如此可消除制動停車距離導(dǎo)致的誤差。然后可通過讀取CAN里程報文實(shí)時獲取里程數(shù)據(jù)的方式，準(zhǔn)確獲得10.0 km的里程報文節(jié)點(diǎn)時間，進(jìn)而從原始記錄中讀取實(shí)際里程L。此方法的前提是要保證報文的同步。

（2）測試場地環(huán)境：關(guān)注測試場地的周圍環(huán)境維護(hù)，保證測試道路兩側(cè)周圍保持空曠，避免高大樹木等高大物體，防止對衛(wèi)星信號形成反射干擾。

（3）提升測量設(shè)備的性能并確保測試設(shè)備的有效性。

（4）加強(qiáng)測試人員的培訓(xùn)，提高測試人員的操作熟練程度及反應(yīng)速度。

（5）使用底盤測功機(jī)上進(jìn)行速度表、里程表校正：行駛里程Lb、V顯示車速可直接通過讀取車輛儀表或CAN報文獲取，實(shí)際里程L、V實(shí)際車速可從底盤測功機(jī)的報文獲取。此方法不需借助GPS衛(wèi)星信號，校正作業(yè)誤差主要受底盤測功機(jī)的最大允差影響，其誤差可遠(yuǎn)小于在道路上車速表、里程表校正作業(yè)的誤差。

6 結(jié)束語

速度表、里程表校正作業(yè)方法雖然有一定的局限性，但目前仍為國內(nèi)主要檢測中心耐久性試驗(yàn)中車速控制和里程統(tǒng)計環(huán)節(jié)最常用、最便利的控制方法。隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展，利用GPS定位技術(shù)并結(jié)合云計算技術(shù)統(tǒng)計汽車行駛里程以及測試過程數(shù)據(jù)的采集已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)[6]，并可根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析以實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)過程質(zhì)量的監(jiān)控。這種方法相對傳統(tǒng)的速度表、里程表校正方法，更有利于確保測試標(biāo)準(zhǔn)的一致性。

不過，在長周期、場地變換頻繁的耐久性試驗(yàn)中，利用GPS定位技術(shù)統(tǒng)計試驗(yàn)里程的技術(shù)在斷點(diǎn)續(xù)傳、以及信號穩(wěn)定性方面還有一定的局限性。通過結(jié)合測試車輛CAN報文的方法，在信號缺失的工況下使用測試車輛CAN數(shù)據(jù)對GPS定位統(tǒng)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，未來會是提升GPS定位統(tǒng)計技術(shù)的一個發(fā)展方向。這將為耐久性試驗(yàn)過程中的測試信息統(tǒng)計和質(zhì)量分析監(jiān)控的自動化實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。