專利名稱：新型機(jī)動(dòng)車(chē)地速速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
傳感器本發(fā)明屬于一種適用于各類機(jī)動(dòng)車(chē)輛測(cè)定對(duì)地速度和運(yùn)行方向時(shí) 的新型傳感器。 說(shuō)明書(shū)-一、序言根據(jù)我國(guó)在2003年發(fā)布的"中國(guó)道路法"中規(guī)定，凡是營(yíng)運(yùn)車(chē)輛 均將安裝汽車(chē)行駛記錄儀，用以記錄汽車(chē)運(yùn)行速度、駕駛員的操作行 為，提高駕駛員安全行駛意識(shí)和規(guī)范駕駛行為，避免交通事故。若一 旦發(fā)生交通事故，能科學(xué)、準(zhǔn)確地判斷事故發(fā)生原因和責(zé)任。但目前我國(guó)所開(kāi)發(fā)出的汽車(chē)行駛記錄儀，其車(chē)速測(cè)量均采用磁電 式傳感器測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)速，所測(cè)數(shù)值并非車(chē)體對(duì)地速度，因而誤差大， 特別在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)誤差就更大，不能真實(shí)反映汽車(chē)運(yùn)行速度。另外，由于磁電式傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連運(yùn)行，摩擦、扭矩，及運(yùn) 行環(huán)境都會(huì)明顯地縮短使用壽命，致使可靠性降低，售后維修費(fèi)用大， 且無(wú)法測(cè)量汽車(chē)運(yùn)行方向。因此，到目前為止，盡管有立法，行駛記 錄儀并未得到廣泛應(yīng)用。為了真實(shí)地反映汽車(chē)速度和姿態(tài)，提高測(cè)量精度和大批量商品化 的可行性，必須釆用離軸式自成體系的測(cè)速傳感器，它能真實(shí)反映汽 車(chē)運(yùn)行速度和方向，從而能作到事故平面軌跡再現(xiàn)，使目前我國(guó)汽車(chē)行駛記錄儀得到真實(shí)的數(shù)據(jù)記錄，最后作到成為事故處瑝的科學(xué)依據(jù)。 目前國(guó)內(nèi)外已有多家研制單位對(duì)汽車(chē)地速速度傳感器進(jìn)行了研制 和探討，如采用五輪儀并加上加速度傳感器，以解決制動(dòng)后車(chē)體速度 測(cè)量，有的采用光電成像技術(shù)及光電反射測(cè)時(shí)間差的方式測(cè)車(chē)速，乃 至采用陀螺傳感器等，但都受到環(huán)境、路面、天氣局限，而且成本都 很高，不能普及作為汽車(chē)行駛記錄儀的配套傳感器，到目前為止，還 僅停留在研制和探討中，并未形成批量化產(chǎn)品，離實(shí)用化、商業(yè)化還 有距離。而目前民用產(chǎn)品中成本問(wèn)題是笫一位因素，因?yàn)閲?guó)內(nèi)使用汽 車(chē)行駛記錄儀成本有限，傳感器價(jià)位高了無(wú)推廣可能。此外，目前MEMS類線性加速度傳感器測(cè)地速速度還存在以下問(wèn)題首先，國(guó)內(nèi)外研制和探討采用線加速度傳感器測(cè)地速都是以單軸X (縱向加速度)來(lái)實(shí)行的；當(dāng)X軸對(duì)地平線有夾角"時(shí)(汽車(chē)上下坡)， 傳感器自身重力加速度使測(cè)量線加速度產(chǎn)生誤差，而此誤差隨"的增大 而加大，當(dāng)a增至90。時(shí)，重力加速度達(dá)lg，可與線加速度相當(dāng)。因 此重力加速度Agx不解決，用線加速度傳感器就無(wú)法作地速測(cè)量，只能作水平面測(cè)量，無(wú)實(shí)用價(jià)值，因地面總是不平的。這也是多年來(lái)研制 和探討線加速度傳感器進(jìn)行地速測(cè)量的難點(diǎn)。為此，有的研制者采用五輪儀加上線加速度傳感器，就是為了避 開(kāi)加速度傳感器自身重力的影響，用五輪儀的速度作為加速度傳感器 在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的參考點(diǎn)，也就是加速度傳感器的起始點(diǎn)，以此來(lái)修正 制動(dòng)時(shí)的(Xx的重力加速度，制動(dòng)后認(rèn)為(Xx是不變的。有的單位還專 門(mén)用機(jī)械傾斜儀來(lái)測(cè)量汽車(chē)的縱向速度傳感器與地平線的夾角Olx和側(cè)滑角丫z，或者采用陀螺儀來(lái)測(cè)量角加速度，這些方法都存在明顯提高 成本的缺陷，根本不可能作為每車(chē)必備產(chǎn)品來(lái)普及。本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)在于，在汽車(chē)運(yùn)行中能夠同時(shí)檢測(cè)出運(yùn)行姿態(tài)角 Cbc和yz，從而可以修正Ax和Az。同時(shí)，在低成本要求下最好通過(guò)加速度傳感器自身來(lái)完成，不外加任何輔助設(shè)備。經(jīng)過(guò)幾年來(lái)研究，我 們提出一種新型的四軸式線加速度傳感器結(jié)構(gòu)來(lái)完成對(duì)縱向加速度和姿態(tài)角(Xx、 yz以及側(cè)向加速度，垂直加速度的測(cè)量，自動(dòng)修正Ax中 的重力加速度和Az中的重力加速度，從而最終得到真正的縱向?qū)Φ剀?chē) 速Vx。本傳感器體積僅約為15X10X8 (cm')的小立方體。 二、基本原理采用四軸式慣性線加速度傳感器的X、 Yx、 Zx、Zy軸的安裝方向分別見(jiàn)附圖l。下面，通過(guò)四軸式安裝位置關(guān)系來(lái)說(shuō)明各軸的作用和用途。A、 在汽車(chē)的前進(jìn)方向上(縱向一X'坐標(biāo)軸)擺放X軸。與x軸成a。 角，且位于XOY平面上擺放Yx軸。B、 垂直汽車(chē)前進(jìn)方向(橫向)擺放Zx軸C、 與Zx軸成y。角，且位于YOZ平面上擺放Zy軸 其相對(duì)關(guān)系如附圖1所示。圖中，X軸用來(lái)測(cè)量汽車(chē)前進(jìn)方向的線加速度，Yx軸測(cè)量汽車(chē)運(yùn)行 方向與地平面間的夾角，確定X軸在OU下的重力加速度，因X、 Yx軸在上下坡時(shí)變化的a是相同的，并且同相。根據(jù)矢量投影關(guān)系可看出Ax=ax± agxyx=axCOS(Xo± agyx 式中Ax—X軸方向上所產(chǎn)生的加速度ax—x軸方向上的線加速度 agx—x軸方向上的重力加速度Ayx—Yx軸方向上的加速度 agyx—Yx軸方向上的重力加速度 以各軸輸出電壓值表示加速度，有Ux=Ua±Ugx Uyx=UaCOSO±Ugyx 將X軸上電信號(hào)投影到Y(jié)x軸上，有 U'yx= (UaiUgx) COS(X 式中Ua~—線加速度Ugx——X軸重力加速度 Ugyx——Yx軸重力加速度 令U'gj^^U'yx—Uyx: (UaiUgx) COSOl—UaCOSO±Ugyx =±UgxCOS(X— (士Ugyx) U'gyx由于X軸和Yx軸重力加速度對(duì)"角的線性不同，利用線性差 值方法得到Y(jié)x軸變化± 。即可求得X軸變化"的重力加速度Ugyx。 進(jìn)一步求出X軸線加速度Ua=UX±UgX。這樣，將X軸上某瞬時(shí)t的線加速度Uax (t)與重力加速度Ugx (a) 區(qū)分開(kāi)而得到X軸方向上Uax (t)的實(shí)際線加速度。也就是所要求出 的汽車(chē)前進(jìn)(或后退)的線加速度。求出AUa-士AUxiAUgx，通過(guò)對(duì)AUa的積分或梯形設(shè)計(jì)方法可得出車(chē)輛 運(yùn)行線速度Vx=V?！?^fAUadt 。Zx、 Zy的安裝方式按與X、 Yx相同的原理進(jìn)行，即Zx位于Z軸上， 同時(shí)垂直X、 Y軸方向。Zy軸位于YOZ平面上與Zx軸成 > 角，通過(guò) Zx、 Zy可測(cè)出汽車(chē)側(cè)滑角p.以修正Z軸重力加速度，然后根據(jù)Ux 和Zx測(cè)得汽車(chē)的側(cè)向角(方向)p。三、新型地速速度傳感器原理1、原理框圖以單片機(jī)為中心的測(cè)量系統(tǒng)其原理框圖見(jiàn)附圖2。四軸式線加速度傳感器X、 Yx、 Zx、 Zy的四個(gè)通道在調(diào)試時(shí)，應(yīng) 先進(jìn)行信號(hào)處理。首先將信號(hào)處理到要求的靈敏度和信號(hào)最大測(cè)量范 圍內(nèi)，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換放大，再根據(jù)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)最快變化速度及外界環(huán)境， 如氣壓、震動(dòng)來(lái)確定有源濾波器的帶寬， 一般采用三階有源濾波器， 所采信號(hào)即可滿足A/D采集數(shù)值的穩(wěn)定性，A/D采集速度和滿碼位數(shù) 取決于系統(tǒng)誤差，采集速度應(yīng)以還原線加速度變化曲線為準(zhǔn)，不能以 為越高為好，只要在加速度變化速率下能復(fù)原即可，最終以汽車(chē)運(yùn)行 規(guī)律再現(xiàn)為準(zhǔn)。我們采用A/D編碼速度100kc以上滿碼10位即可滿足 系統(tǒng)誤差要求。單片機(jī)選擇有自帶A/D和D/A的為佳，時(shí)鐘的選擇根 據(jù)數(shù)據(jù)處理速度保證在一定量的程序下不間斷地連續(xù)采集信號(hào)，這樣， 可以減小積累誤差。接口配置是根據(jù)目前汽車(chē)行駛記錄儀器巳設(shè)定要求，即車(chē)輪速度 應(yīng)轉(zhuǎn)化為頻率量進(jìn)行測(cè)量且無(wú)方向要求，所以配置頻率量輸出接口可 以在各類汽車(chē)行駛記錄儀上兼容使用，替代磁電式傳感器。同時(shí)也配置了 RS-232接口，為將來(lái)汽車(chē)行駛記錄儀發(fā)展至事故平面軌跡再現(xiàn)時(shí) 接收速度信息和方向信息的通訊接口。 2、流程框圖傳感器工作時(shí)的程序流程圖見(jiàn)附圖3。 四、結(jié)論新型機(jī)動(dòng)車(chē)地速速度傳感器，解決了通常在用三軸X、 Y、 Z安裝 結(jié)構(gòu)中不能解決，即在運(yùn)動(dòng)中傳感器所受到的重力加速度的測(cè)量問(wèn)題， 這是長(zhǎng)期以來(lái)的難題，特別是很低成本下解決更難，直接妨礙了以慣 性線加速度傳感器測(cè)地速速度的實(shí)際應(yīng)用和普及。巳有的發(fā)明只停留 在測(cè)量系統(tǒng)裝置的應(yīng)用上，成本很高，不能進(jìn)入產(chǎn)品大批量生產(chǎn)，并 裝備到每一輛運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的行駛記錄儀上。本發(fā)明用新的結(jié)構(gòu)和獨(dú)有的 運(yùn)算方法可測(cè)出剛體運(yùn)行中的速度和方向，在滿足汽車(chē)行駛記錄儀車(chē) 速測(cè)量所允許的誤差指標(biāo)下，作到成本最低，能達(dá)到與目前磁電式傳 感器相當(dāng)水平，其測(cè)量精度、功能、可靠性則遠(yuǎn)高于磁電式傳感器。 五

1、 圖1:四軸式結(jié)構(gòu)軸向示意圖。2、 圖2:傳感器原理框圖以單片機(jī)為中心的測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖。3、 圖3:傳感器程序流程圖。
權(quán)利要求
1、一種由MEMS類線性慣性測(cè)量單元所構(gòu)成的加速度傳感器，可用以測(cè)量任何一類機(jī)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)大地地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度(包括±40°范圍內(nèi)上、下坡因重力加速度引起的速度)，及車(chē)體運(yùn)行方向，能真實(shí)地反映出汽車(chē)對(duì)地運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車(chē)發(fā)生事故后的平面軌跡再現(xiàn)。
2、 權(quán)利1中所指的MEMS類線性慣性傳感器可以是單軸式，也 可以是雙軸式， 一共由4條軸構(gòu)成本專利發(fā)明所指的傳感器。
3、 4條軸軸分別用X、 Yx、 Zx、 Zy來(lái)表示，其在X'、 Y'、 Z'三軸所構(gòu)成的三維空間坐標(biāo)中的擺放位置見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖。 其中，X軸與Yx軸間夾角(Xo可以從0°至360°， X軸相對(duì)X' 軸位置亦可從0°至360°;同理，Zx軸與Zy間夾角yo亦可從 0°變至360°， Zx軸相對(duì)于Z'軸位置變化亦可從0°變至360°。
全文摘要
本發(fā)明為一種新型機(jī)動(dòng)車(chē)地速速度傳感器，系采用慣性線加速度初級(jí)傳感器(MEMS)元件，以四軸(X、Yx、Zx、Zy)方式構(gòu)成一種新型傳感器結(jié)構(gòu)，并通過(guò)專門(mén)的數(shù)學(xué)模型以檢測(cè)出汽車(chē)運(yùn)行時(shí)前進(jìn)加速度(Ax)，側(cè)向加速度(Az)，及垂直加速度(Ay)，垂直加側(cè)向加速度(Ayz)等四個(gè)參數(shù)，也就是能測(cè)出汽車(chē)車(chē)體運(yùn)行時(shí)對(duì)地的前進(jìn)、后退速度(包括±40°范圍內(nèi)上、下坡因重力引起的速度)及車(chē)體運(yùn)行方向角β，從而真實(shí)地反映出汽車(chē)對(duì)地運(yùn)行軌跡，可實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車(chē)出現(xiàn)事故后的現(xiàn)場(chǎng)平面軌跡再現(xiàn)。該產(chǎn)品可與目前國(guó)內(nèi)使用的各類汽車(chē)行駛記錄儀接口配套。產(chǎn)品成本低，適用于運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的批量化使用。
文檔編號(hào)G01P3/00GK101324635SQ200710111090
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者劉憲周, 陳汴琨, 顧祖雄 申請(qǐng)人:顧祖雄;劉憲周;陳汴琨