專利名稱：汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應用于汽車領域的運動狀態(tài)測量系統(tǒng)。
背景技術：
汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)是指汽車在實際行駛中，實時的測量汽車運動前向、側向、垂直三個方向的速度、運動軌跡、加速度、繞三個方向的旋轉角速度以及汽車的俯仰角、測傾角、橫擺角等運動姿態(tài)的系統(tǒng)，實時獲取這些運動中汽車的狀態(tài)信息對于汽車動態(tài)控制等是十分重要的，本實用新型研究的系統(tǒng)就可以達到這個目的。系統(tǒng)實現依據的主要是慣性導航原理，所以先對慣性導航進行介紹。
慣性導航系統(tǒng)INS(Inertial Navigation System)是一種完全自主的確定運載體運動狀態(tài)的新型系統(tǒng)。它通常由線加速度計測得運載體的線加速度，然后積分得到速度，位移，同時與使用陀螺儀測量得到的剛體角速度信息一起得到完整的運載體狀態(tài)信息，其通常應用于飛機，航天飛船，導彈，輪船的定位導航領域。慣性導航系統(tǒng)有著全天候、不受外界環(huán)境干擾影響、無信號丟失、低成本，短時間內具有穩(wěn)定狀態(tài)等優(yōu)點，但它也有其自身的缺點，如定位的狀態(tài)、偏差的方差由于傳感器噪聲和傳感器校準誤差而增加等。故其單獨使用時通常只適用于短時導航應用，長時間導航通常把其與其它輔助傳感器(如本文采用的GPS)組合起來使用。
通常的慣性導航系統(tǒng)采用陀螺測量角運動，由于陀螺的制造工藝非常復雜，成本難以降低，同時陀螺功耗大，又難以承受大的加速度和角加速度沖擊，另外常規(guī)陀螺的體積較大，因此在許多導航應用中希望使用成本低、體積小的加速度計取代陀螺實現導航，即使近年來一些體積小巧的新型陀螺如激光陀螺，光纖陀螺等在一定程度上改善了陀螺的性能，但其性能與價格的矛盾仍無法解決。因此，從上世紀六十年代開始國外就有人提出了無陀螺慣性導航的想法并提出多種加速度計的配置方案，但因為當時硬件技術上的限制，此領域的研究發(fā)展較慢。
隨著近年來在微機電系統(tǒng)Micro-Electro-Mechanical System(MEMS)技術方面的突破性進展，體積小，價格低，高性能的MEMS加速度計得到了大批量生產，并且它特別適合應用于像車輛導航這樣的低成本，中等性能的慣性導航系統(tǒng)(INS)，因此，得到了大量的應用，極大的促進了無陀螺慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展及其在車輛導航上的應用。
無陀螺慣性導航系統(tǒng)就是指慣性測量系統(tǒng)中不采用陀螺測量角速度，而利用線加速度計在測量線加速度的同時，根據線加速度計的空間位置解算出角速度值，從而得到運載體運動的全部參數，達到慣性導航的目的。無陀螺慣性導航已經成為近年來慣性導航系統(tǒng)研究的一個熱點。
緊扣慣性導航系統(tǒng)研究熱點，根據上世紀九十年代提出的基于立方體布置的加速度計布置策略，使用基于微機電系統(tǒng)技術制造的六個微型加速度計作為慣性傳感器，通過實時讀取六個加速度計的瞬時讀數，經過硬件濾波與A/D轉換，送入嵌入式導航計算機，在其上實時運行無陀螺慣性導航算法來得到需要的線運動和角運動信息，然后與GPS輸出的信號一起送入數據融合算法就可得出汽車動態(tài)控制需要的汽車運動狀態(tài)數據信息。
技術內容本實用新型的目的在于克服現有技術中存在上述缺點，提出一種在汽車上應用可以代替現在汽車性能測量中經常使用的較昂貴的非接觸式光電五輪儀、陀螺儀等汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)。
本實用新型把通常應用于飛機、導彈、輪船上的無陀螺慣性導航原理應用于汽車領域，研制的低成本組合汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)對于汽車底盤綜合控制，汽車主動安全性評價、標定、匹配以及制定新一代的汽車測試標準、方法都有十分重要的作用和意義。
本專利就是利用無陀螺慣性導航的原理，采用低成本的MEMS加速度計與低成本GPS-OEM板組成的汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，由于其具有的低成本、小體積、高準確性的特點特別適合于汽車領域的應用要求，在汽車上應用可以代替現在汽車性能測量中經常使用的較昂貴的非接觸式光電五輪儀、陀螺儀等汽車測試儀器，將有非常大的應用前景。
本實用新型的目的是這樣實現的，結合附圖說明如下汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于主要由無陀螺慣性測量單元1、數據采集與濾波硬件電路2、GPS-OEM板3、嵌入式計算機4、CAN接口5、上位計算機6、A/D轉換卡7和D/A轉換卡11組成，無陀螺慣性測量單元1經依次相連接的數據采集與硬件濾波電路2、插在嵌入式導航計算機4接口上的A/D轉換卡7把模擬電壓轉換為數字量后，送入嵌入式導航計算機4，嵌入式導航計算機4中裝有數據融合算法模塊10，經實時(適時)運行傳感器誤差補償對準算法8與無陀螺慣性導航算法9，同時實時采集GPS-OEM板3提供的位置、速度數據信號，一起送入數據融合算法模塊10，并通過外設將實時得到的車輛運動狀態(tài)信息輸出。
所說的通過外設將實時得到的車輛運動狀態(tài)信息輸出是指可以實時的通過串口把數據傳到上位機6中完成數據存儲與實時顯示，或通過D/A轉換卡11提供模擬輸出和通過CAN口5輸出到汽車控制局域網CAN網絡中。
所說的無陀螺慣性測量單元1的布置方案為把六個加速度計1、2、3、4、5、6放在正立方體的每個面的中心位置，且使加速度計敏感軸方向沿每個面的對角線方向。
所說的無陀螺慣性測量單元1輸出的模擬信號共12路，其中6路為加速度計信號，6路為溫度傳感器信號。
嵌入式導航計算機中實時運行的無陀螺慣性導航算法是通過六加速度計輸出值的線性組合公式來提供車輛線運動與角運動信息，并且根據汽車實際運行環(huán)境特點采用基于兩步法的改進歐拉角方法來求解車體坐標系相對于慣性坐標系的方向余旋矩陣。
采用新型的基于MEMS技術的微型加速度傳感器，并針對此類型傳感器采集數據的誤差模型特點采用的軟硬件綜合誤差修正方法。硬件方面包括帶有基準電源的二階有源濾波放大電路，溫度跟隨器；軟件方面包括軟件測量噪聲數字濾波器濾波、零點偏差、比例因子偏差溫度標定補償以及多位置旋轉安裝誤差補償方法。
數據融合算法中采用Kalman濾波器狀態(tài)變量為15階9個誤差狀態(tài)量，6個加速度偏差狀態(tài)，并且在經過初始誤差標定后加速度計殘余誤差建模為隨機漂移過程模型。
系統(tǒng)采用基于MEMS技術的微型加速度傳感器以及嵌入式的計算機，整個系統(tǒng)具有體積小、成本低、便于安裝等特點，特別適合在汽車領域應用。
有益效果1.具有慣性導航系統(tǒng)的自主性高，不受周圍環(huán)境干擾，采樣頻率高(500HZ)的優(yōu)點；2.由于系統(tǒng)不采用體積較大，價格昂貴的陀螺儀，而僅采用MEMS技術制造的微型加速度計，故能滿足低成本、小體積、高準確性的汽車領域應用要求；3.多種輸出接口數字接口、模擬接口和CAN口。
4.汽車上應用代替現有的較昂貴的五輪儀等汽車測試儀器，將有非常巨大的應用前景；5.對于汽車底盤綜合控制，汽車主動安全性評價、標定、匹配以及制定新一代的汽車測試標準、方法都有十分重要的作用和意義；6.可以為汽車輔助駕駛系統(tǒng)提供實時控制所需要的汽車運動狀態(tài)信息；7.還可以集成在汽車黑匣子系統(tǒng)中用于事故再現后處理分析。


圖1為加速度計位置布置策略圖；圖2為無陀螺慣性導航算法程序框圖；圖3為汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)整體結構簡圖；圖4為汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)硬件濾波電路簡圖；圖5為多位置旋轉安裝誤差標定法示意圖；圖6為數據融合算法結構框圖；具體實施方式
以下結合附圖所示實施例進一步說明本實用新型的技術方案及其工作過程。
首先重點介紹主要創(chuàng)新模塊慣性測量單元的加速度計布置方案，然后敘述無陀螺慣性導航算法實現過程，之后對誤差補償對準模塊、數據融合模塊等系統(tǒng)各個組成部分加以介紹。
參閱圖1把六個加速度計1，2，3，4，5，6放在正立方體的每個面的中心位置，且使加速度計敏感軸方向沿每個面的對角線方向，如圖中箭頭所示。得出矩陣形式表示的六個加速度計的位置為(坐標下原點在立方體的中心)
U=[u1...u6]=L00-11000-10010-100001]]>相應的加速度計傳感器方向為J2=[θ1...θ6]=121100-1-1101-101011110]]>J1=[u1×θ1.....u6×θ6]=L21-1001-1-101-10-101-1-110]]>布置轉矩J=[J1TJ2T]，其中L為立方體邊長的一半。
通過解算推導(過程略)得出六加速度計輸出值的線性組合公式1ω·=ω·1ω·2ω·3122LA1-A2+A5-A6-A1+A3-A4-A6A2-A3-A4+A5]]>六加速度計輸出值的線性組合公式2P=122A1+A2-A5-A6A1+A3-A4+A6A2+A3+A4+A5+Lω2ω3ω1ω3ω1ω2]]>參閱圖2在計算時，首先對由公式1得出的車體坐標系相對于慣性坐標系的旋轉角加速度向量 進行數值積分(數值積分采用精度較高的兩部積分法，下同)，得出車體坐標系相對于慣性坐標系的旋轉角速度向量 即等效的陀螺測量值，然后根據汽車實際運行環(huán)境[汽車行駛的俯仰角、測傾角兩個姿態(tài)角通常很小(不超過90度)，而橫擺角在90度附近可以用軟件算法(兩步法)來解決，可避免三角函數計算產生奇點的問題]采用解歐拉角微分方程的方法，帶入如下姿態(tài)角解算微分方程組 φ·θ·ψ·=1sinφtanθcosφtanθ0cosφ-sinφ0sinφcosθcosφcosθωnbb]]>其中ωnbb為車體坐標系相對于導航坐標系(這里的慣性坐標系)的角速度向量在車體坐標系下的投影；φ、θ、為三個姿態(tài)角。
接著對方程組4進行數值積分，得到車體坐標系相對于慣性坐標系的三個姿態(tài)角 然后帶入如下方向余旋矩陣公式6 從而得到車體坐標系相對于慣性坐標系的方向余旋矩陣F；另外，把車體坐標系相對于慣性坐標系的旋轉角速度向量 帶入六加速度計輸出值的線性組合公式2，得出比力 然后把比力 與前面得到的余旋矩陣F 一起帶入如下慣性系下的加速度計算公式 R·I(tj)=R·I(tj-I)+Δt(F(tj)·P(tj)+α8)]]>RI(tj)=RI(tj-1)+Δt·R·I(tj)]]>兩次數值積分得出車輛在慣性坐標系中的運動軌跡 與前面得到的車體坐標系相對于慣性坐標系的三個姿態(tài)角 一起構成完整的汽車運動狀態(tài)信息。
由于傳感器采集的數據不可避免的帶有各種誤差，比如加速度計的零點偏差、比例因子偏差、傳感器噪聲、儀器安裝誤差等。為了提高測量的精度，必須在把測量值送入慣性導航算法模塊前去除這些誤差源的影響(參閱圖3)包括軟硬件測量噪聲濾波、零點偏差、比例因子偏差溫度標定補償以及多位置旋轉安裝誤差補償法等。
硬件濾波采用二階有源濾波器，從有用信號中濾除高頻噪聲，并與溫度信號一起經過調零、放大(10倍)送入16位A/D；軟件濾波采用數字濾波器技術(IIR、FIR或小波分析多分辯分析技術)進一步濾除混在有用信號頻帶內的噪聲。
零點偏差、比例因子偏差溫度標定是指標定兩者隨著對其影響最大的因素溫度變化而變化的情況，首先建立如下的誤差模型，A~j=(1+Sj)Aj+bj+wj]]>j=1，...，6其中 為第j個加速度計的輸出值；sj為第j個加速度計的比例因子誤差；bj為第j個加速度計的零點偏差；wj為第j個加速度計的測量噪聲；在不同溫度下采集數據，用最小二乘法擬合出變化曲線，實際測量時，實時采集溫度傳感器信號，求解此溫度下的零點偏差、比例因子偏差從而達到對加速度計溫度漂移進行實時補償的目的。
多位置旋轉安裝誤差補償法是如圖5所示的對加速度計安裝位置，方向誤差等進行校正與標定的方法。
數據融合算法模塊參閱圖6把差分GPS得到的地心地固坐標系下的數據經過坐標變換轉變到與慣性導航算法模塊相同的當地水平坐標系下，把兩者的差值送入Kalman濾波器，對誤差進行估計，然后反饋補償慣性導航算法計算出來的汽車運動狀態(tài)，從而達到提高測量精度的目的。
Kalman濾波器姿態(tài)變量為15階9個誤差狀態(tài)量，6個加速度偏差狀態(tài)。
加速度計偏差誤差模型為隨機漂移過程(受溫度外其它周圍環(huán)境因素的影響)，模型如下x·α=wα,wα]]>為高斯白噪聲。這些隨機過程噪聲過程的功率譜密度ωα可通過分析一段時間的傳感器實際測量值而決定。
無陀螺慣性測量單元1輸出模擬信號送入數據采集與硬件濾波電路2(如圖4)，共12路輸出信號，其中6路為加速度計信號，6路為溫度傳感器信號。MAX875為基準電源。數據采集與硬件濾波電路2與16位A/D轉換卡7相連，A/D轉換卡7插在嵌入式導航計算機4的接口上，在把模擬信號轉變?yōu)閿底中盘柡笏腿肭度胧綄Ш接嬎銠C4中。
在系統(tǒng)運行前首先把運動狀態(tài)測量系統(tǒng)安裝在汽車的質量中心附近，啟動前做好初始值的標定與補償，系統(tǒng)啟動后，以高采樣率(500HZ)實時的從慣性測量單元采集原始模擬信號，經過硬件濾波和A/D轉換把模擬電壓轉換為數字量后，送入嵌入式導航計算機4，然后在嵌入式導航計算機4中實時的運行傳感器誤差補償對準算法8與無陀螺慣性導航算法9，同時嵌入式導航計算機實時的采集GPS-OEM板3提供的位置、速度數據信號，一起送入數據融合算法模塊10，從而實時得到車輛運動狀態(tài)信息，并且可以實時的通過串口把數據傳到上位機6中完成數據存儲與實時顯示，也可以通過D/A轉換卡11提供模擬輸出和通過CAN口5輸出到汽車CAN(控制局域網)網絡中。
權利要求1.一種汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于主要由無陀螺慣性測量單元(1)、數據采集與濾波硬件電路(2)、GPS-OEM板(3)、嵌入式計算機(4)、CAN接口(5)、上位計算機(6)、A/D轉換卡(7)和D/A轉換卡(11)組成，其特征在于無陀螺慣性測量單元(1)經依次相連接的數據采集與硬件濾波電路(2)、插在嵌入式導航計算機(4)接口上的16位A/D轉換卡(7)把模擬電壓轉換為數字量后，送入嵌入式導航計算機(4)，嵌入式導航計算機(4)中裝有數據融合算法模塊(10)。
2.根據權利要求1所述的一種汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所說的通過外設將實時得到的車輛運動狀態(tài)信息輸出是指可以實時的通過串口把數據傳到上位機(6)中完成數據存儲與實時顯示，或通過D/A轉換卡(11)提供模擬輸出和通過CAN口(5)輸出到汽車控制局域網CAN網絡中。
3.根據權利要求1所述的一種汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所說的無陀螺慣性測量單元(1)的布置方案為把六個加速度計1、2、3、4、5、6放在正立方體的每個面的中心位置，且使加速度計敏感軸方向沿每個面的對角線方向。
4.根據權利要求1所述的一種汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所說的無陀螺慣性測量單元(1)輸出的模擬信號共12路，其中6路為加速度計信號，6路為溫度傳感器信號。
專利摘要本實用新型涉及一種應用于汽車領域的運動狀態(tài)測量系統(tǒng)。其目的在于克服現有技術中存在上述缺點，提出一種在汽車上應用可以代替現在汽車性能測量中經常使用的較昂貴的非接觸式光電五輪儀、陀螺儀等汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要元件中的無陀螺慣性測量單元經依次相連接的數據采集與硬件濾波電路、插在嵌入式導航計算機接口上的16位A/D轉換卡把模擬電壓轉換為數字量后，送入嵌入式導航計算機，嵌入式導航計算機中裝有數據融合算法模塊，經實時(適時)運行傳感器誤差補償對準算法與無陀螺慣性導航算法，同時實時采集GPS－OEM板提供的位置、速度數據信號，一起送入數據融合算法模塊，并通過外設將實時得到的車輛運動狀態(tài)信息輸出。
文檔編號G01C23/00GK2901249SQ20052002863
公開日2007年5月16日 申請日期2005年5月12日 優(yōu)先權日2005年5月12日
發(fā)明者管欣, 閆冬, 高鎮(zhèn)海, 楊得軍, 董學軍, 高越, 郭學立 申請人:吉林大學