CN102706799B - 一种便携式路面摩擦系数测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式路面摩擦系数测试装置及其测试方法，装置包括测试装置箱体，在测试箱体内有电路板，测试箱体顶面上设置有纵向键、横向键、电源键和显示屏，测试箱体底面下方设置有仿橡胶轮胎，测试箱体的侧面上分别设置有拉环和配重板插槽，拉环设置在两个配重板插槽中部，其中一个设置有拉环和配重板插槽的箱面上还设置有存储卡插槽和充电插孔。测试箱体内的电路板有单片机，在单片机上连接有按键控制器，两个加速度传感器、两个力传感器、显示器和电源，单片机通过USB设备连接U盘，用于实时存储采集模块的数据。采用该装置能精确测量道路的横、纵向附着系数，解决了便携式路面摩擦系数测试装置的双向测量问题，并有效进行了数据的存储。

Description

一种便携式路面摩擦系数测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及到路面抗滑性检测领域，尤其涉及一种便携式路面摩擦系数测试装置及使用该装置用于测试路面摩擦系数方法。

背景技术

路面摩擦系数作为路面抗滑性检测领域中的一个非常重要的参数，倍受人们重视。所以正确的对路面进行摩擦系数的测量对路面的抗滑性分析具有非常大的作用。

纵向路面摩擦系数和横向路面摩擦系数都是评价路面抗滑性的重要指标，在交通事故分析中也需精确测量纵向和横向路面摩擦系数。摩擦系数检测设备按照检测方式的不同可分为定点式摩擦系数测试仪和连续式摩擦系数测试仪(Continual Friction Measure Equipment)两种。前者主要指英国的摆式摩擦系数仪BPT (British Pendulum Tester)及动态摩擦系数测试仪（DFT）。其便携性较差，也无法实现连续存储。CFME可以分为四种基本类型：锁定轮型（Locked Wheel Tester）、侧向力型（Side Force Measurement）、固定滑移率型（Fixed SlipDevice）和可变滑移率型（Variable Slip Device）。这些设备大多是拖车式的，也难以实现快速、便捷的测量。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种便携式路面摩擦系数测试装置及其采用上述便携式路面摩擦系数测试装置用于测试路面摩擦系数方法，能够有效解决便携式路面摩擦系数测试装置的单一测量问题及数据存储问题。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术解决方案予以实现：

一种便携式路面摩擦系数测试装置，包括测试箱体，在测试箱体内有电路板，其特征在于：

所述的测试箱体顶面有纵向键、横向键、电源键、显示屏，测试箱体底面下方设置有仿橡胶轮胎，测试箱体的两个互为垂直的侧面上，分别设置有第一拉环、第一配重板插槽、第二拉环、第二配重板插槽，第一、第二拉环分别位于配重板插槽的中部，在测试箱体的侧面还设置有存储卡插槽和充电插孔；

所述的测试箱体内的电路板有单片机，在单片机上连接有按键控制器，两个加速度传感器、两个力传感器、显示器和电源，其中：

按键控制器与单片机通过串口相连接，对纵向键、横向键进行选择控制；电源键与电路板的电源相连接；

两个加速度传感器和两个力传感器通过串口与单片机相连接构成数据采集模块，其中第一力传感器连接第一拉环，第二力传感器连接第二拉环；

所述的显示器控制显示屏实时显示数据采集模块的数据信息；

所述的单片机通过USB设备连接U盘，用于实时存储采集模块的数据。

所述的两个力传感器采用CLBS3拉压力传感器，能同时测量拉力及其法向力；

所述两个加速度传感器采用MMA7260QT加速度传感器。

所述的第一、第二配重板插槽用于连接配重板。

所述的单片机采用ATmega16L单片机。

所述USB设备为USB系统，包括USB主机和USB外设，所述USB主机为单片机ATmega16L，所述USB外设为U盘。

上述便携式路面摩擦系数测试装置用于测试路面摩擦系数的方法，其特征在于，具体包括下列步骤:

1)根据测量情况需要，在测试箱体的配重板插槽内安装配重；

2）将测试箱体的仿橡胶轮胎部放置于所选择的道路上，所述道路测点应在事故发生路段选择有代表性的若干个测点，每一测点相聚5-10米，测点距路面边缘不小于1米；

3）测试时，将测试箱体的仿橡胶轮胎部放置于测点上，通过按键控制器开启电源；按下电源开关，启动测试装置；当测量纵向路面摩擦系数时，按下纵向键（1），使测试箱体的移动方向与事故发生车辆行驶方向一致；当测量横向路面摩擦系数时，按下横向键（2），使测试箱体的移动方向与事故发生车辆行驶方向垂直；

4）然后匀速拖动测试箱体，拖动的距离应不小于1米，拖动测试箱体的时间应不小于5秒钟；

5）通过显示屏显示出本次测量获得的路面摩擦系数，并可根据要求在该测点测量若干次，每次测定记录数据后，按复位清零键恢复原位；

6）然后再根据测量要求选择测量该测点或其它测点的纵向或横向摩擦系数，并进行以上步骤2）~步骤5）的操作。

7）计算多次的测量平均值作为该点的横向或纵向道路摩擦系数。

本发明的便携式路面摩擦系数测试装置，结构简单紧凑，携带方便，经申请人的试用，其测试精度高，使用范围广，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的便携式路面摩擦系数测试装置外形示意图。

图2为本发明的便携式路面摩擦系数测试装置电路硬件结构框图。

图3为USB主机中设备控制器SL811HS的功能框图。

图4为单片机ATmega16L与USB主机中的设备控制器SL811HS的连接图。

图5为USB主机软件系统结构。

图6为USB系统主程序流程图。

图7为数据存储的工作流程图。

图8为按键控制器的软件流程图。

图9为装置工作流程图。

图10为测量时显示器显示数据的计算过程。

图11是摩擦系数曲线；其中（a）是开始拖动测试箱体时的摩擦系数曲线，（b）是（a）中的摩擦系数曲线拟合得到的摩擦系数曲线。

附图标记分别表示：

图1中，1、纵向键；2、横向键；3、电源键；4、显示屏；5、第一拉环；6、第一配重板插槽；7、存储卡插槽；8、充电插孔；9、仿橡胶轮胎，10、第二拉环，11、第二配重板插槽。

图5中，51、USB主机协议系统软件；52、Mass Storage类协议；53、FAT文件系统。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例给出一种便携式路面摩擦系数测试装置，包括测试箱体，在测试箱体内有电路板。

测试箱体顶面上设置有纵向键1、横向键2、电源键3和显示屏4，测试箱体底面下方设置有仿橡胶轮胎9，测试箱体的两个互为垂直的侧面上，分别设置有第一拉环5、第一配重板插槽6、第二拉环10、第二配重板插槽11，第一、第二拉环（5，10）分别位于第一第二配重板插槽（6、11）的中部，在测试箱体的侧面还设置有存储卡插槽7和充电插孔8；

测试箱体内的电路板包括有单片机，在单片机上连接有按键控制器，两个加速度传感器、两个力传感器、显示器和电源，其中：

按键控制器与单片机通过串口相连接，对纵向键1、横向键2进行选择控制；电源键3和电路板的电源相连接；

两个加速度传感器和两个力传感器通过串口与单片机相连接构成数据采集模块，其中第一力传感器连接第一拉环5，第二力传感器连接第二拉环10；

显示器控制显示屏4实时显示数据采集模块的数据信息；

单片机通过USB设备连接卡插槽7上的U盘，用于实时存储采集模块的数据。

仿橡胶轮胎9为装置与道路接触测试的道路接触部，用于模拟汽车制动时轮胎的抱死情况。

本实施例中，单片机选择ATmega16L单片机，其包括高性能、低功耗的8位AVR微处理器，先进的RISC结构，512字节的EEPROM可擦写10,000次，四通道PWM，8路10位ADC。该单片机能按照按键的状态选择数据采集模块的采集方式，实时的接收数据采集模块与存储器所传送过来的数据信息，并对这些信息进行快速准确的处理，然后对这些实时数据、曲线向存储器进行存储，并向显示屏输出处理后的信息。

按键控制器包括电源键，纵向键和横向键，并能通过人工控制按键的不同，来选择路面测量的方式，并进而通过单片机控制数据采集模块进行数据采集。

数据采集模块包括两个力传感器及加速度传感器。其中力传感器采用CLBS3拉压力传感器，能同时测量拉力及其法向力；所述加速度传感器采用MMA7260QT加速度传感器，能正确的测量仪器的加速度，并将其加速度电压信号送入速度积分器处理，通过速度积分器将实时速度积出，送入单片机处理。该模块有两种路面摩擦系数的测量数据采集方式，一种是测量纵向摩擦系数的数据采集方式，另一种是测量横向摩擦系数的采集方式，需根据用户按键的不同进行选择，选择后利用力传感器与加速度传感器进行实时数据测量，并把它测量的信息传入单片机处理。

本实施例中，USB设备为USB系统，包括USB主机和USB外设，USB主机为单片机ATmega16L，USB外设为U盘，任何一次USB的数据传输都必须由USB主机来发起和控制，USB外设只能和USB主机/设备控制器连接；单片机需要通过USB主机对U盘进行读写实现存储，USB主机中的设备控制器为SL811HS芯片（图3），其可作为USB主机或者设备的接口控制器，支持USB协议1.1，提供全速和低速2种USB总线速度方式，片上集成了SIE、单端口根Hub、USB收发器和256字节的SRAM；3.3V工作电压，接口兼容5V电压，硬件自动产生帧起始包SOF和CRC5／16校验。该模块使用FAT文件系统，支持U盘即插即用，测量方式（横向或纵向）每次开启，模块将在U盘中建立一个文件夹，然后在文件夹中建立一个数字文件。文件夹的命名采用顺序编号排列，比如，第一次开启测量模式后，系统创建额文件名为DATA1,则关闭测量模式再打开该测量模式后，系统创建的文件名为DATA2,永不重复，避免数据被覆盖，并且关闭电源后数据也不会消失，不同的测量方式用不同的文件名。之后将U盘中数据在计算机上读出来以获取数据。

电源可以为单片机提供稳定的工作电压。

显示器可以将单片机处理后的数据信息通过测试箱体上的显示屏4实时显示出来。

图3为USB主机中设备控制器SL811HS的功能框图。SL811HS是可支持全速数据传输的USB控制芯片，该芯片采用28脚PLCC和48脚TQFP两种封装形式，且内含USB主/从控制器，支持全速/低速数据传输，并能自动识别低速或全速设备。SL811HS所提供的接口遵从USB 1.1标准，处理器接口提供了数据、地址和控制信号线，方便和单片机、DSP和嵌入式微处理器连接，并受到CPU的控制。中断控制器通过检测各种USB总线的状态变化，如设备的接人、设备挂起模式的唤醒等，并以中断形式表现，可通过检测中断状态寄存器来了解设备的状态。RAM一方面提供了数据存储的缓冲区，另一方面又定义了各种寄存器用于控制SL811HS，外部的CPU通过访问这些寄存器便可了解USB的状态和相关信息。SIE实现数据并、串转换。集成的根Hub提供USB设备的连接点。时钟发生器模块需要外接晶振为SL811HS提供时钟。

图4为USB主机单片机ATmega16L与USB主机中的设备控制器SL811HS的连接图。SL811HS是3.3V供电的系统，而ATmega16L是5V供电的系统，但二者的端口能够彼此兼容对方的高低电平。因此SL81lHS的数据引脚D0~D7直接与单片机的低八位地址，数据总线引脚PA0~PA7连接，读写选通引脚nRD、nWR则直接与单片机的读写线/RD、/WR接，ATmega16L单片机通过接口，到达SL811HS内部的缓冲区读取数据，分两个步骤：先将A0置0，通过8位地址/数据复用线进行写地址；再将A0置1，通过8位地址/数据复用线向缓冲区读写数据。SL8l1HS的M/S引脚经下拉电阻后接地，使得其工作于主机控制器模式。此外，SL8l1HS的中断请求信号为高电平有效，则反向后连接到ATmega16L的外部中断引脚/INT0。本系统没有采用SL811HS内部的锁相环，直接使用外部的48MHz有源晶振作为时钟源。存储模块是主机系统，其PCB板上安装有插座，用于为U盘提供连接点。

图5是USB主机软件系统结构。考虑到一般的USB主机仅配置一个USB设备，由于其数据量较小。传输时间较短，故忽略了USBHUB协议、电源管理等功能，侧重于枚举过程，标准控制请求命令的实现，以及海量存储类驱动的实现。另外为了读写存储器的需要，需要在主机系统建立一个精简的FAT系统。所以USB主机协议的系统软件、Mass Storage类协议软件、FAT文件系统软件等3部分是整个USB主机系统的核心软件。USB主机协议系统软件主要用于控制主机控制器来管理主机和设备之间的数据传输，包括USB主控制器驱动程序和USB核心驱动程序。USB主控制器驱动程序是USB软件协议栈最底层一部分，是对USB主机控制器硬件和数据传输的一种抽象。HCD向下直接管理和检测主控制器硬件的各种行为。向上则为USB核心驱动程序服务，HCD提供了一个软件接口，使得各种USB主机控制器的硬件特性都被软件化，并受核心驱动程序的调用和管理。而USB核心驱动程序是整个体系的中枢，具有一系列机制来检测和管理USB系统的所有活动，并向上通过管道机制和命令机制接受USB设备驱动程序和用户程序的各种请求命令和数据，向下把处理好的各种数据发送给HCD，以实现上层的各种服务，并最终与设备进行通信。Mass Storage类协议主要为U盘建立USB接口，根据U盘接口构成了Mass Storage类的子类，他们都有自己的规范，并通过命令的形式实现各种功能。FAT文件系统方面主要指的是U盘符合FAT文件系统的标准，以文件的形式管理和存储数据，所以需要建立一个精简的文件系统。整个文件系统通过Mass Storage的UFI命令与外设的磁盘建立联系，实现建立FAT表、FDT表、查找文件、写文件和读文件等一系列功能。

图6是USB系统主程序流程图。该流程如下：

（a）系统初始化包括单片机的初始化和SL811HS的初始化。单片机的初始化主要是完成外部中断INTO、I/O口等的初始化。SL811HS的初始化包括工作方式设定、初值设置、相关的数据缓冲器清零等。进入（b）

（b）如果有U盘插入时，SL811HS会以中断方式通知单片机，单片机收到中断后，可以对U盘进行复位，进入（c）；否则返回继续等待中断；

（c）SL811HS对U盘进行配置，获得设备描述符，以判别设备是哪一类设备，此时USB设备默认地址为0，通信采用控制传输。接下来主机对USB设备分配地址，在以后与USB设备通信时就用此地址。然后获取有关设备配置的描述符，获取此描述符要进行两次请求，第一次是试探性的，以便得到相关数据的具体长度，第二次才返回接口以及端点的全部信息。最后按照得到的数据对USB设备进行正确的配置，至此USB枚举过程结束。进入（d）；

（d）如果U盘准备好，则进入（e）；否则SL811HS继续对U盘进行配置；

（e）创建并打开文件。文件的建立和打开都需要先指定路径，设定好路径后，就可以创建或打开文件了，打开文件或目录需要指定的函数，创建文件也需要指定的函数，需要注意的是如果存在同名文件，那么该同名文件将首先被删除，然后再新建文件。如果不希望已有文件被删除，那么应该事先调用指定函数确认文件不存在后再新建，在文件创建成功后，文件会自动打开，以供读写。如果文件打开或创建失败，会返回相应的错误码，程序应根据错误码的类型做相应的处理，进入（f）。

（f）对文件进行读写。对U盘的存储结构进行读取，然后寻找文件的空簇链表及空目录项，修改文件分配表FAT，最后写目录项，写数据。结束

图7是数据存储的工作流程图，工作流程如下：

a）打开电源，按键开启某个测量方式。如果按键为纵向键1，模块识别U盘V子目录中data文件的个数m，并建立一个新文件data（m+1）.txt；如果按键为横向键2，模块识别U盘H子目录中data文件的个数n，并建立一个新文件data（n+1）.txt，进入(b)；

b）开启某个测量方式后，显示屏清零，人工拉动测量仪器，数据采集模块开始采集，当拉力在t=1s内保持F≤ε（ε=0.001）时，停止数据采集并在新文件中建立新的一列，存储与新文件该列中；否则继续拖动箱体进行数据采集；

c）该测量过程数据存储完毕后，新文件有效。

d）若长按该测量方式键，则该测量方式结束，并关闭数据文件；否则清零，继续测量，返回；

图8为按键控制器的软件流程图，工作过程如下：

（a）打开电源，纵向键1、横向键2键端口置低电平，进入（b）；

（b）如果CPU访问并查询有端口（纵向键1、横向键2键中的一个端口）变为高电平，进入（c），否则CPU继续访问查询；

（c）CPU判断有电位变化按键，则CPU确定键号为A，进入（d）；

（d）根据延时去抖动程序判断的按键响应时间，如果按键响应时间（t>2s）为“长按”，则执行按键A“长按”的功能（该测量方式关闭），然后返回，否则进入（e）；

（e）执行按键A的功能，返回。

图9为本实施例的便携式路面摩擦系数测试装置用于测试路面摩擦系数的工作流程图，其工作过程如下：

1）打开电源，按键开启某个测量方式。如果按键为纵向键1，则清零并拖动箱体进行纵向数据采集；若按键为横向键2，则清零并拖动箱体进行横向数据采集；

2）当拉力在t＝1s内保持F≤ε（ε=0.001）时，停止采集数据并进行显示存储；否则继续进行数据采集；

3）如果长按该测量方式键，则显示屏清屏，测量方式结束；否则显示屏清零继续进行测量；

图10为测量时显示器显示数据的计算过程。

仿橡胶轮胎9底座部分为该装置与道路接触测试的道路接触部，轮胎与路面之间的啮合所传递的切向力则是有限的。

仿橡胶轮胎与路面之间切向力的最大值为：

F_xmax=μF_z

式中，F_xmax为作用在轮胎上切向力的极限值；F_z为作用在轮胎上的载荷；μ为路面摩擦系数。

路面摩擦系数测试的基本测量原理是：

根据其受力模型得出：F-f＝ma，由于f＝μN，得出的瞬时摩擦系数为：

μ=（F-ma）/N

在保证传感器采集速率同步的基础上，得出μ为较准确的瞬时路面摩擦系数。其中F为力传感器所测得的拉力，a为加速度传感器测得的测试仪加速度，m为该测试装置的质量，N为力传感器所测得的测试仪法向反力。

如图11（a）所示，由于在开始拖动测试箱体及停止拖动测试箱体时的加速度a瞬时增大，致使瞬时路面摩擦系数μ较小，不能有效的反应该路面的摩擦系数，所以应取该曲线的稳定段来描述其拖动路段的抗滑性。

本实施例设拖动测试箱体的时间为t，且采用△μ=0.06的两条平行线从曲线纵坐标最大值处往纵坐标减小的方向扫描，扫描出能够出现在△μ=0.06范围内的最长时间曲线段△t，且△t.≥0.3t，设△t两端分别记为t1及t2，将图11（a）中的曲线拟合，得图11（b）中的曲线μ（t），在图11（b）中，t1至t2段中进行积分得则显示屏读数可设为 $\mathrm{\μ}=$ $\left({\∫}_{t1}^{t2}\mathrm{\μ}\left(t\right)\mathrm{dt}\right)/\mathrm{\Δt}.$

Claims (6)

1.一种便携式路面摩擦系数测试装置，包括测试箱体，在测试箱体内有电路板，其特征在于： 

所述的测试箱体顶面有纵向键(1)、横向键(2)、电源键(3)、显示屏(4)，测试箱体底面下方设置有仿橡胶轮胎(9)，测试箱体的两个互为垂直的侧面上，分别设置有第一拉环(5)、第一配重板插槽(6)、第二拉环(10)、第二配重板插槽(11)，第一、第二拉环(5，10)分别位于第一、第二配重板插槽(6、11)的中部，在测试箱体的侧面还设置有存储卡插槽(7)和充电插孔(8)； 

所述的测试箱体内的电路板包括有单片机，在单片机上连接有按键控制器，两个加速度传感器、两个力传感器、显示器和电源，其中： 

按键控制器与单片机通过串口相连接，对纵向键(1)、横向键(2)进行选择控制；电源键(3)与电路板的电源相连接； 

两个加速度传感器和两个力传感器通过串口与单片机相连接构成数据采集模块，其中第一力传感器连接第一拉环(5)，第二力传感器连接第二拉环(10)； 

显示器控制显示屏(4)实时显示数据采集模块的数据信息； 

单片机通过USB设备连接存储卡插槽(7)上的U盘，用于实时存储采集模块的数据。 

2.如权利要求1所述的便携式路面摩擦系数测试装置，其特征在于，所述的两个力传感器采用CLBS3拉压力传感器，能同时测量拉力及其法向力；所述两个加速度传感器采用MMA7260QT加速度传感器。 

3.如权利要求1所述的便携式路面摩擦系数测试装置，其特征在于，所述的第一、第二配重板插槽(6，11)用于连接配重板。 

4.如权利要求1所述的便携式路面摩擦系数测试装置，其特征在于，所述的单片机采用ATmega16L单片机。 

5.如权利要求1所述的便携式路面摩擦系数测试装置，其特征在于，所述USB设备为USB系统，包括USB主机和USB外设，所述USB主机为单片机ATmega16L，所述USB外设为U盘。 

6.权利要求1所述的便携式路面摩擦系数测试装置用于测试路面摩擦系数 的方法，其特征在于，具体包括下列步骤: 

1)根据测量情况需要，在测试箱体的配重板插槽内安装配重； 

2)将测试箱体的仿橡胶轮胎部放置于所选择的道路上，道路测点应在事故发生路段选择有代表性的若干个测点，每一测点相聚5-10米，测点距路面边缘不小于1米； 

3)测试时，将测试箱体的仿橡胶轮胎部放置于测点上，通过按键控制器按下电源开关，启动测试装置；当测量纵向路面摩擦系数时，按下纵向键(1)，使测试箱体的移动方向与事故发生车辆行驶方向一致；当测量横向路面摩擦系数时，按下横向键(2)，使测试箱体的移动方向与事故发生车辆行驶方向垂直； 

4)然后匀速拖动测试箱体，拖动的距离应不小于1米，拖动测试箱体的时间应不小于5秒钟； 

5)通过显示屏显示出本次路面摩擦系数，并根据要求在该测点测量若干次，每次测定记录数据后，按复位清零键恢复原位； 

6)然后再根据测量要求选择测量该测点或其它测点的纵向或横向摩擦系数，并进行以上步骤2)～步骤5)的操作;

7)计算多次的测量平均值作为该点的横向或纵向道路摩擦系数。