專利名稱：完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于汽車運動安全性能評價場地試驗的汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)。
背景技術：
汽車試驗是幫助我們深入了解汽車在實際使用中各種現(xiàn)象的本質及其規(guī)律，探討解決存在的問題以及驗證解決問題的效果和程度，推動其技術進步的一種極為重要的方法，是保證產品性能、提高產品質量和市場競爭力的重要手段。
汽車場地道路試驗集中濃縮了汽車實際使用中各種各樣道路條件的典型道路工況，它與汽車室內試驗以及今年來流行的駕駛模擬器等虛擬試驗手段相互驗證、相互依存、相互補充，是全面檢驗和評價汽車運動安全性能和可靠性的一種最重要的手段。
汽車操縱穩(wěn)定性，指的是汽車在高速行駛下，接受駕駛員的控制能力及行駛方向的穩(wěn)定性。由于操縱穩(wěn)定性關系到車輛行駛的安全問題，所以倍受人們的關注。隨著車輛的行駛速度大幅提高，操縱穩(wěn)定性顯得更加重要，成為評價汽車運動安全性能的重要技術指標之一。
我國汽車操縱穩(wěn)定性、制動性能的評價標準在20世紀80年代中期起草的，是當時我國汽車專家多年研究的結晶，對我國汽車產品開發(fā)做出了重要的貢獻。但是，限于當時的測試技術水平和當時汽車工業(yè)主要以低速度的商用車為主的狀況，這些評價方法和指標體系已經(jīng)遠遠落后于中國汽車工業(yè)的現(xiàn)狀，不能滿足于當前重點開發(fā)高速度的乘用車的開發(fā)要求。比如，當前我國汽車操縱穩(wěn)定性駕駛員-汽車-環(huán)境閉環(huán)評價由于無法直接進行車身側傾角、質心側偏角等車輛狀態(tài)參數(shù)的客觀精確測量，故通常只能由駕駛員通過很好、較好、中等、較差和很差來主觀評價，迄今為止國內還沒有一種公認的客觀定量評價汽車操縱穩(wěn)定性的好方法。
在技術上，汽車運動安全性能評價的難點是汽車運動軌跡、速度、加速度、角速率等汽車運動狀態(tài)的實時動態(tài)測量。傳統(tǒng)上，國外一直沿用采用價格昂貴的鋪裝類似數(shù)字化儀的磁感應導線網(wǎng)的專用運動安全性試驗場地。國內上世紀五六十年代的實車場地試驗中，通常采用殘跡法測量汽車運動軌跡，但其存在著殘跡測量時間長、多重試驗軌跡的場合難以判斷，以及潮濕路面上不能使用等缺點。后采用測試汽車重心運動軌跡的方法，即利用陀螺儀和五輪儀測量出汽車的角位移(或角速率)和速度或加速度在汽車坐標系的分量，經(jīng)過積分獲得汽車的速度和重心軌跡，該方法存在由于采用積分算法使得零漂等誤差被積累導致測量誤差大、試驗重復性差等缺點。由于上述缺陷，當前國內汽車操縱穩(wěn)定性評價標準避開了車輛側向速度及精確軌跡等因素。目前，國外學者開始重點探索開展了采用精密全球定位系統(tǒng)GPS加上精密慣性測量單元(IMU)等先進測試技術，準確實時解算汽車位移、速度、加速度的算法研究，可以成功應用于汽車側向速度、側偏角的精確測量，本發(fā)明對該方法的核心技術進行深入研究，研制了汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，用于進一步提出一種新的評價汽車運動安全性能的客觀系統(tǒng)，希望從根本上解決汽車操縱穩(wěn)定性等運動安全性能評價的試驗問題，并在汽車行業(yè)推廣。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于RTKDGPS和高精度IMU的汽車性能場地試驗測試的完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)。它用于在汽車操縱穩(wěn)定性等性能場地試驗時實時測量、記錄、顯示汽車運動前向、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率以及汽車的俯仰角、側傾角、橫擺角等汽車運動狀態(tài)信息，并可由汽車運動前向、側向速度比值進一步得到汽車質心的側偏角，可為建立高精度的汽車操縱穩(wěn)定性等性能評價標準提供一種新的測量系統(tǒng)。
本發(fā)明研究的汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)實現(xiàn)依據(jù)是INS/GPS組合導航原理，下面對其進行簡要介紹。
慣性導航系統(tǒng)INS(Inertial Navigation System)是一種完全自主的確定載體運動狀態(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，通常應用于飛機、航天飛船、導彈、輪船等定位導航領域。慣性導航系統(tǒng)有著采用率高、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。
全球定位系統(tǒng)(Global Navigation System)是一種全天候24小時提供物體在地球坐標系下三維坐標、速度等信息的導航定位系統(tǒng)。近年來隨著差分RTK等技術的不斷發(fā)展，GPS定位精度越來越高，使得用其來獲取高精度汽車狀態(tài)信息成為可能；但其同時存在更新頻率低、衛(wèi)星信息易被障礙物阻擋、易產生多路徑效應等各種不足，使其單獨使用無法滿足汽車導航等高可靠性應用的要求。RTK GPS(real time kinematics differential GPS)是一種基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術。在RTK作業(yè)模式下，參考站通過數(shù)據(jù)鏈-電臺，將其觀測值及站點的坐標信息用電磁信號發(fā)送給移動站。移動站不僅接收來自參考站的數(shù)據(jù)，自身也要采集GPS衛(wèi)星信號觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內組成差分觀測值進行實時處理，瞬時地給出精度為厘米級的點定位坐標。
INS/GPS組合導航系統(tǒng)由于綜合慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System)和全球定位系統(tǒng)(Global Navigation System)兩類系統(tǒng)的優(yōu)點，并且克服了各自的缺點，因而構成了一種性能優(yōu)良的組合導航方式，在航空、航海、導彈制導等方面有著廣泛的應用。INS/GPS組合通常采用卡爾曼濾波方法。濾波是指把污染信號里的噪聲盡可能地消除掉，從中分離出所需要的信號，由帶有噪聲的狀態(tài)方程和觀測方程去推斷系統(tǒng)的狀態(tài)?？柭鼮V波是在時域內實現(xiàn)最優(yōu)的遞推濾波方法，它的特點是不要求保存過去的測量數(shù)據(jù)。當新的數(shù)據(jù)測得之后，根據(jù)新的數(shù)據(jù)和前一時刻的各個量估計值，借助系統(tǒng)本身的狀態(tài)轉移方程，按照一套遞推公式，即可算出新的各個量估計值?？柭鼮V波方法可以根據(jù)初始狀態(tài)的誤差估計和有限的觀測數(shù)據(jù)，逐步計算出汽車的實時狀態(tài)的最優(yōu)估計。
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，特別適合應用于像車輛導航測試這樣的低成本，中等性能的車載應用領域。本系統(tǒng)采用的高精度慣性測量單元(IMU)即由MEMS加速度計與光纖陀螺構成。
實現(xiàn)本發(fā)明的具體技術方案是一種完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，它由高精度GPS接收機、高精度慣性測量單元IMU、嵌入式專用處理系統(tǒng)以及相應接口組成，高精度GPS接收機和高精度慣性測量單元IMU采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)各自接口一起送入嵌入式專用處理系統(tǒng)，在其上運行全球定位系統(tǒng)GPS數(shù)據(jù)坐標變換、預處理模塊、慣性導航系統(tǒng)INS算法模塊、改進卡爾曼濾波融合算法軟件，實時記錄顯示及通過接口向上位計算機提供加速度、角速率、車體速度、位移、姿態(tài)高精度的汽車運動狀態(tài)。
所述的高精度GPS接收機采用基于實時動態(tài)差分載波相位技術的高精度GPS接收機。
的高精度慣性測量單元IMU由MEMS加速度計與光纖陀螺構成。
所述的預處理模塊主要包括慣性傳感器標定與誤差建模、系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定和原始信號預濾波。
所述的INS算法模塊，根據(jù)地面車輛系統(tǒng)低機動性的實際運行工況，采用計算效率較高的基于歐拉角法的INS算法。
所述的卡爾曼濾波融合算法，根據(jù)GPS接收機受短暫遮擋時定位精度降低的系統(tǒng)實際運行工況特點，采用改進的Sage-Husa自適應KALMAN濾波算法來提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
本系統(tǒng)集成了車輛運動狀態(tài)實時監(jiān)控程序。
采用的時間同步、空間同步的提高系統(tǒng)精度的方法。
參閱圖1本系統(tǒng)由基于RTK差分GPS技術的高精度GPS接收機、由光纖陀螺和MEMS加速度計組成的高精度IMU、嵌入式專用處理系統(tǒng)以及相應接口等組成，。
高精度GPS基準站和移動站接收機用來采集GPS原始三維導航定位數(shù)據(jù)，并通過專用接口提供給嵌入式專用處理系統(tǒng)；高精度慣性測量單元(IMU)由光纖陀螺和微型MEMS加速度計以及相應處理電路和接口組成，可以提供高精度的與其固聯(lián)的車體運動的線加速度和角速率。
嵌入式專用處理系統(tǒng)作為系統(tǒng)的主處理計算機，在用于其上運行GPS數(shù)據(jù)坐標變換、預處理、INS算法、改進卡爾曼濾波融合算法等核心軟件方法，并可以實時記錄、顯示或通過接口向上位計算機提供加速度、角速率、車體速度、位移、姿態(tài)等高精度的汽車運動狀態(tài)。
本系統(tǒng)具有以下有益效果1、本發(fā)明提供了一套能精確完備的測量運動軌跡等汽車運動狀態(tài)的裝置和方法，用于對大量汽車性能場地試驗進行測量和記錄，并為建立高精度的汽車操縱穩(wěn)定性等性能評價標準提供新設備和新方法。
2、根據(jù)汽車實際運行工況的特點，采用基于歐拉角法的INS算法，降低了解算的復雜性。
3、采用改進Sage-Husa自適應Kalman濾波的融合算法，避免測量噪聲統(tǒng)計不穩(wěn)定帶來的濾波整體發(fā)散影響，同時又對難以精確給定的系統(tǒng)噪聲具有較好的容錯性能，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
4、系統(tǒng)集成了車輛運動狀態(tài)實時監(jiān)控及后處理程序，對提高場地試驗的效率很有益處。


圖1 系統(tǒng)結構示意圖；圖2 GPS相關坐標系示意圖；圖3 GPS處理模塊流程圖；圖4 INS算法流程圖；圖5 改進Sage-Husa自適應KALMAN濾波流程圖；圖6 反饋式KALMAN融合算法示意圖；圖7 系統(tǒng)運行流程圖；圖8 車輛運動狀態(tài)實時監(jiān)控及后處理程序界面圖。
具體實施例方式
下面結合附圖進一步說明本發(fā)明的具體內容及實施方式。
本發(fā)明提出的完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)是按以下步驟實現(xiàn)的1、GPS原始數(shù)據(jù)坐標系變換參閱圖2在全球定位系統(tǒng)測量中主要涉及兩個坐標系地心地固坐標系(e系)和當?shù)厮阶鴺讼?n系)等，它們之間的關系見圖2(λ、為n系坐標原點的經(jīng)緯度)。GPS采集的原始數(shù)據(jù)是采用WGS-84坐標系這一地心地固坐標系下的空間直角坐標，即GPS天線的相位中心的X，Y，Z坐標。坐標變換就是通過地心地固坐標系e到當?shù)厮阶鴺讼祅(如圖2中地球表面切平面坐標系，用北向N、東向E和向下方向D表示)的變換矩陣把e系下GPS原始數(shù)據(jù)變換到導航坐標系(即水平坐標系n)下，GPS處理模塊參閱圖3所示。
2、IMU原始數(shù)據(jù)預處理主要包括慣性傳感器標定與誤差建模、系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定和原始信號預濾波。系統(tǒng)使用的IMU內部由三軸MEMS加速度計和三軸光纖陀螺組成，內部集成了誤差補償模塊，測量的偏差較小，但為了精確測量車體運動狀態(tài)，必須對其測量值中包含的誤差項進行建模。其中陀螺用來測量車體相對于慣性系的旋轉角速度，INS中對其進行積分求得車體的姿態(tài)角，其測量值中包含偏差和噪聲，積分包含兩部分額外誤差，一個是由噪聲v積分得到的隨機漂移，對其處理可以在Kalman濾波融合算法中對其進行建模加以補償。另一部分為陀螺的偏差產生的與時間成比例的漂移角，陀螺的偏差b受周圍環(huán)境溫度、濕度等多因素影響且每次啟動后都有微小的不同，但隨時間變化較為緩慢，處理方法是在每一次試驗前，采集一段時間的零文件，取平均值加以去除。加速度計用來測量車體質心的線加速度。測量值中同樣包含偏差和噪聲，也需要用與陀螺類似的方法加以處理。系統(tǒng)運行初始時刻狀態(tài)由GPS處理模塊實時得到的初始位置和速度來確定。原始信號預濾波采用Elliptic方法IIR濾波器，為截至頻率為3HZ的低通濾波器。
3、基于歐拉角法的INS算法參閱圖4算法的關鍵是SAE中定義的車體坐標系到導航坐標系的坐標變換矩陣的精確求解問題。在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)求解載體運動姿態(tài)時，根據(jù)地面車輛系統(tǒng)低機動性的實際運行工況(車輛運動時俯仰角θ通常不超過90度，可避免三角函數(shù)計算產生奇點的問題)采用歐拉角法求解車體坐標系到導航坐標系的坐標變換矩陣，這樣做到好處是降低了姿態(tài)矩陣的維數(shù)，提高了計算效率。具體算法流程。
4、基于改進Sage-Husa自適應Kalman濾波的融合算法參閱圖6系統(tǒng)采用的Kalman濾波融合算法采用反饋式松耦合方式，系統(tǒng)的狀態(tài)方程中狀態(tài)變量為15維，分別為3維位置、速度、姿態(tài)偏差，3個加速度偏差，以及3個陀螺儀漂移誤差。系統(tǒng)的觀測方程采用GPS處理模塊得到的導航坐標系下的位置和速度與INS計算得到的導航系下位置、速度之差作為觀測，在通過Kalman濾波器實時估計出位置、速度等偏差后對INS的狀態(tài)進行補償，從而達到實時修正提高測量精度的目的。
為了提高整個系統(tǒng)的可靠性、魯棒性和完整性，針對系統(tǒng)運行工況的實際情況(GPS接收機受短暫遮擋，定位精度降低，表現(xiàn)為誤差方差陣R的突變)，考慮使用一種改進Sage-Husa自適應KALMAN濾波算法。標準卡爾曼濾波由于給出的系統(tǒng)及測量噪聲與實際值之間存在差異，濾波容易發(fā)散。Sage-Husa等提出了一種在線實時估計系統(tǒng)及測量噪聲的算法，該算法已經(jīng)在許多領域得到應用。算法關鍵在于實時調整KALMAN濾波中的Q和R。本系統(tǒng)根據(jù)陀螺和GPS兩者信號的特點(一種是低頻誤差、慢變信號，一種是高頻誤差、快變信號)，采用的改進Sage-Husa自適應KALMAN濾波只自適應在線估計系統(tǒng)噪聲Q，而對于GPS系統(tǒng)的R噪聲陣則采用下面的方法進行處理不超過門檻值時按照實時采集的R參數(shù)值進行計算，發(fā)生突變超過門檻值時，則不信任GPS值，即R無窮大，不運行KALMAN濾波修正環(huán)節(jié)，仍單獨由INS提高導航數(shù)據(jù)，直到GPS恢復，GPS接收機RTK FIX狀態(tài)被獲得，具體流程圖參閱圖5。
具體工作過程是實車試驗時，把GPS移動站接收機固定安裝在試驗車上(如Novatel公司的RT2接收機)，與固定在空曠高處的基準站接收機構成差分RTK高精度模式，在RTKFIX狀態(tài)下定位精度可以達到0.01m，速度精度0.03m/s，測量數(shù)據(jù)更新率20HZ。高精度IMU(如美國crossbow公司生產的VG700AA型)，采樣率為100HZ。
參閱圖7試驗時，首先進行GPS的初始化，當GPS接收機跟蹤可見衛(wèi)星數(shù)達到4顆以上時，運行GPS數(shù)據(jù)處理模塊，并記錄解算的位置、速度數(shù)據(jù)，然后進行INS算法模塊的初始化，當初始化結束后，運行INS算法模塊，測量并記錄每一時刻解算的車輛狀態(tài)。當GPS采樣時刻到來時，運行改進Sage-Husa自適應KALMAN濾波算法模塊，進行車輛狀態(tài)誤差的反饋校正，從而得到高精度的車輛狀態(tài)信息，。
在實車試驗時，為了方便系統(tǒng)運行、提高系統(tǒng)的精度，考慮下面的改進。
1、由于受空間布置的限制，IMU與GPS接收機在試驗車上的安裝必然偏離汽車的重心，由剛體動力學理論可知當汽車在高速轉彎等工況時將產生較大的額外誤差，就要考慮把兩者測量數(shù)據(jù)向汽車重心轉化，即空間同步問題?？梢酝ㄟ^測量兩者在車輛坐標系下的坐標根據(jù)剛體動力學理論來進行轉換校正。
2、由于GPS系統(tǒng)與INS系統(tǒng)分別采用自己的時鐘標簽進行記錄數(shù)據(jù)，而兩者的融合必然涉及到兩者的時鐘的一致問題，即時間同步問題，否則汽車高速運動時同樣會產生較大的額外誤差。由于GPS采用的UTC時間是非常準確的，故以其為基準，通過GPS接收機每秒向嵌入式專用處理系統(tǒng)發(fā)出的1PPS秒脈沖來校正同步兩者的時鐘標簽。
3、我們知道，汽車場地試驗可以進行數(shù)據(jù)后處理以達到更高的測量精度，但必須實時觀測一些關鍵狀態(tài)以監(jiān)控系統(tǒng)運行的正確，為此系統(tǒng)集成了車輛運動狀態(tài)實時監(jiān)控及后處理程序，可以實時畫出了決定試驗成敗的變量變化曲線，如發(fā)現(xiàn)問題立刻停止，重新試驗，從而大大提高了工作效率，節(jié)約了試驗的人力物力，同時也可以用于試驗數(shù)據(jù)的后處理，程序界面參閱圖8。
權利要求
1.一種完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)由高精度GPS接收機、高精度慣性測量單元IMU、嵌入式專用處理系統(tǒng)以及相應接口組成，高精度GPS接收機和高精度慣性測量單元IMU采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)各自接口一起送入嵌入式專用處理系統(tǒng)，在其上運行全球定位系統(tǒng)GPS數(shù)據(jù)坐標變換、預處理模塊、慣性導航系統(tǒng)INS算法模塊、改進卡爾曼濾波融合算法軟件，實時記錄顯示及通過接口向上位計算機提供加速度、角速率、車體速度、位移、姿態(tài)高精度的汽車運動狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的高精度GPS接收機采用基于實時動態(tài)差分載波相位技術的高精度GPS接收機。
3.根據(jù)權利要求1所述的完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的高精度慣性測量單元IMU由MEMS加速度計與光纖陀螺構成。
4.根據(jù)權利要求1所述的完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的預處理模塊主要包括慣性傳感器標定與誤差建模、系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定和原始信號預濾波。
5.根據(jù)權利要求1所述的完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的INS算法模塊，根據(jù)地面車輛系統(tǒng)低機動性的實際運行工況，采用計算效率較高的基于歐拉角法的INS算法。
6.根據(jù)權利要求1所述的完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的卡爾曼濾波融合算法，根據(jù)GPS接收機受短暫遮擋時定位精度降低的系統(tǒng)實際運行工況特點，采用改進的Sage-Husa自適應KALMAN濾波算法來提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
7.根據(jù)權利要求1所述的完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)集成了車輛運動狀態(tài)實時監(jiān)控程序。
8.根據(jù)權利要求1所述的完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于采用的時間同步、空間同步的提高系統(tǒng)精度的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于汽車運動安全性能評價場地試驗的汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)。其目的在于提供一種基于RTKDGPS和高精度IMU的汽車性能場地試驗測試的完備汽車運動狀態(tài)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高精度GPS接收機、高精度慣性測量單元IMU、嵌入式專用處理系統(tǒng)以及相應接口組成，高精度GPS接收機和高精度慣性測量單元IMU采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)各自接口一起送入嵌入式專用處理系統(tǒng)，在其上運行全球定位系統(tǒng)GPS數(shù)據(jù)坐標變換、預處理模塊、慣性導航系統(tǒng)INS算法模塊、改進卡爾曼濾波融合算法軟件，實時記錄顯示及通過接口向上位計算機提供加速度、角速率、車體速度、位移、姿態(tài)高精度的汽車運動狀態(tài)。
文檔編號G01C23/00GK1869630SQ20061001677
公開日2006年11月29日 申請日期2006年4月19日 優(yōu)先權日2006年4月19日
發(fā)明者管欣, 高鎮(zhèn)海, 閆冬, 楊得軍, 張素民 申請人:吉林大學