专利名称：一种基于轮载式智能传感四轮定位测量方法
技术领域：
本发明涉及机动车安全运行状态监测方法及装置，尤其涉及一种用于监测机动车 的四轮定位状态的在线测量方法。
背景技术：
机动车运行安全状态监测技术是保证机动车安全行驶的主要手段，也是机动车运 行安全检测技术发展的必然趋势。采用机动车运行安全状态监控技术对机动车运行安全状 态和运行指标进行动态监测，及时发现和预防机动车故障，发展监测、控制、管理和决策于 一体的安全监控网络体系，对机动车安全运行具有重要意义；它是关系到国家和人民生命 财产安全的一项重大的社会公益技术工作，是保障机动车辆运行安全重要的技术支撑，是 政府管理部门对机动车安全运行的非常重要的技术保障；它不仅能提高机动车安全运行的 技术保障能力、减少交通事故，而且对促进机动车工业及交通运输事业的发展有重大意义。机动车运行安全状态监测主要包括监测机动车(车身、车轮)运动姿态参数、动载 荷参数、制动性能参数。机动车在运行过程中，会产生制动、加速、转向、直线行驶等工况，车 轮是机动车行驶过程中唯一与地面接触部件，包含丰富的机动车运行信息(运动姿态、驱 动力、制动力、动载荷、转动、冲击)，而车轮的四轮定位状态对于汽车行驶的稳定性和安全 性、汽车的磨损和油耗、车辆的转向以及车轮自动回正的性能都有十分重要的作用。目前，车轮四轮定位通常是指前轮定位，但现代大多数轿车，由于速度快，对行驶 稳定性有更高的要求，除前轮定位外，还需要后轮定位，即四轮定位；同时，传统四轮定位方 法的定位参数一般是独立测量，从而无法对四轮定位参数进行全面、综合的评价；另外，传 统的四轮定位方法需要在台架上进行专门实验，操作比较复杂，必需到特定的检验站才能 进行实验，并且也缺乏对四轮定位参数的变化趋势进行预测的功能。

发明内容
为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种基于轮载式智能传感四轮定 位测量方法。本发明是通过以下技术方案实现的本发明所涉及的一种基于轮载式智能传感四轮定位测量方法，该方法包括通过智能传感模块感知车轮特定点的三维加速度；利用车轮特定点三维加速度参数，经姿态算法获得车轮初始姿态角并求得四轮中 车轮外倾和前轮前束的定位参数；建立主销后倾角、主销内倾角计算模型，求得四轮中主销后倾和主销内倾的定位 参数；将车轮四轮定位参数即车轮外倾、前轮前束、主销后倾、主销内倾角的数据进行融 合并对其分析，获得车轮四轮定位参数的变化趋势。本发明提供的技术方案的有益效果是
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1、通过应用MEMS无陀螺捷联式微惯性测量技术测量车轮四轮姿态角参数，从而 获得车轮四轮定位参数；2、通过车轮四轮定位参数分析其对汽车行驶的稳定性和安全性、汽车的磨损和油 耗、车辆的转向以及车轮自动回正性能的影响；3、通过分析预测程序将四轮定位数据与其历史数据分析比较，获得四轮定位参数 变化的趋势，增加对车轮四轮定位趋势的预测功能，形成一个完整的、相对独立的测量平 台，并能够提供统一数据接口模式供有关政府管理部门加以应用；4、在高中低各运行速度下对机动车实际四轮定位状态进行在线监测。


图1是本发明所述的基于轮载式智能传感四轮定位测量方法的流程图；图2是以车轮侧视图示意本发明所涉及的基于轮载式智能传感四轮定位测量模 块安装示意图；图3是以车轮正视图示意本发明所涉及的基于轮载式智能传感四轮定位测量模 块安装示意图；图4是本发明所涉及的基于轮载式智能传感四轮定位监测系统整体布置图；图5是本发明所涉及的基于轮载式智能传感四轮定位监测系统硬件结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述.本实施例提供了一种基于轮载式智能传感四轮定位测量方法。参见图1，该方法包括以下步骤步骤101通过智能传感模块感知车轮的三维加速度；三维加速度包括切向加速度、侧向加速度和向心加速度；步骤102将车轮与车身三维加速度信号进行滤波、数字化转换与温度补偿，得到 车轮轮毂表面车轮智能传感单元安装点更精确的三维加速度参数(步骤103)。步骤104利用车轮三维加速度参数，经姿态算法获得车轮初始姿态角，并求得四 轮定位参数的车轮外倾角、前轮前束；所需计算的车轮初始姿态角包括初始外倾角和侧偏角。步骤105建立主销后倾角、主销内倾角计算模型，求得四轮定位全部参数；四轮定位参数包括车轮外倾、前轮前束、主销后倾角及主销内倾角的参数。步骤106对四轮定位性能进行评价；步骤107将车轮四轮定位参数车轮外倾、前轮前束、主销后倾角、主销内倾角的 数据进行融合。步骤108对融合的数据进行分析获得车轮四轮定位参数(车轮外倾、前轮前束、主 销后倾、主销内倾)的变化趋势。上述姿态算法的过程为由于车辆性能要求，车轮受到四轮定位参数的约束，使车轮呈空间倾斜状态，车轮坐标Wi系与地理坐标gi系相对位置用欧拉角Ywi、ewi、i3wi(awi)表示。其中，ewi是由车 轮旋转随时间t变化的参数ewi(t)，Ywi和CIwi是车轮四轮定位参数，是随长时间τ缓慢 变化的参数。车轮初始外倾角为YwiUtl) = Ywi、初始旋转角为ewi(t(l)，初始横摆角为侧 iH^ α wi (t0) = awi。(1)车轮外倾角Ywi和初始旋转角ewi(t(1)的确定假设车身、车轮水平路面静止，辨Wi =0，< =0，加速度传感器测得的三个方向的
加速度输出分别为(azx)i、(azz)i、(aji0代入如下公式 式中，(Bzx)i, (Bzy)i, (Szz)i为智能传感模块加速度计的输出；CO^c、辨。,和别为在Wi系的智能传感模块相对于惯性坐标i系的旋转角速
度矢量； ^、i^f和分别为在Wi系的智能传感模块相对于惯性坐标i系的旋转角加
速度矢量；由上式得到 “ f/_ \ \ 因此，通过车轮传感模块三个方向的加速度输出(\山、( \和(\山即可以确定 车轮初始静态姿态YwiUtl)和ewi(tQ)。当车轮传感模块位于车轮最上端，即当θ wi (t0) = O时，由式得到 因此，通过车轮传感模块两个方向的加速度输出(aJi或(^山即可以确定车轮 初始静态姿态Ywi。(2)车轮初始侧偏角awi的计算
由车轮转动姿态监测模型可以得到车轮旋转角速度《wyi，假设,二 0，0)mx = O。①当0^ = 0时，由式得到
②当9wi = 90时，由式得至I 可以解算初始侧偏角awi。
主销内倾角、主销后倾角计算模型①主销内倾角β ！ = arcsin(2. 879 (sin Ijsin I2))β 2 = arcsin(2. 879 (sin I3+sin I4))其中，是左前轮主销内倾角，β 2是右前轮主销内倾角，I1为左前轮左转10°时 左前轮外倾角，I2为左前轮右转10°时左前轮外倾角；I3为右前轮左转10°时左前轮外倾 角，I4为右前轮右转10°时左前轮外倾角；②主销后倾角Ii1 = arcsin(2. 879 (sin I5+sin I6))η 2 = arcsin(2. 879 (sin I7+sin I8))其中，1是左前轮主销后倾角，、是右前轮主销后倾角，I5为左前轮左转10°时左前轮向后转过的角度，I6为左前轮右转10°时左前轮向后转过的角度；17为左前轮左转 10°时右前轮向后转过的角度，I8为右前轮右转10°时左前轮向后转过的角度；参见图2、图3 车轮四轮定位测量智能传感模块安装于车轮轮毂赤道面的表面 上，智能传感模块的安装要求加速度传感器的三个敏感轴X轴、Y轴、Z轴分别指向轮毂切 线方向、轮毂的侧向、轮毂的轴心的方向；坐标系OXYZ是正交的右手坐标系。参见图4 为本发明所述一种基于轮载式智能传感车轮四轮定位监测方法所采用 的系统整体布局图，包括车轮1、车轮智能传感模块2及车内中央控制模块3，其中车轮智能 传感模块安装于各个车轮的轮毂赤道表面上，车内中央控制模块3安装于车内；车轮智能 传感模块2与车内中央控制模块3之间通过无线射频实现双向通信。参见图5，本发明涉及的基于轮载式车轮四轮定位监测方法的硬件系统，包括安装 于各个车轮内的车轮智能传感模块2和安装于车内的车内中央控制模块3 ;(1)车轮智能传 感模块2包含第一无陀螺惯性测量单元2a、调理单元2b、无线单片机2c和第一电源2d ；该 第一无陀螺惯性测量单元2a包括一个三轴加速度传感器21a和温度传感器22a ；三轴加速 度传感器21a和温度传感器22a输出模拟信号，该第一无陀螺惯性测量单元2a与调理单元 2b电气连接；调理单元2b用于对输入的加速度和温度信号进行滤波和调压，该调理单元2b 与无线单片机2c相互连接，该信号为模拟信号；无线单片机2c的自检信号与三轴加速度传 感器连接，用于检查三轴加速度传感器21a工作是否正常；无线单片机2c片上集成无线收 发电路和单片机，用于进行传感采集、运算并实现与车内中央控制模块3的双向通信功能； 第一电源2d是为第一无陀螺惯性测量单元2a、调理单元2b和无线单片机2c提供直流电 源；其中，第一无陀螺惯性测量单元2a的三轴加速度传感器21a采用一个两轴加速度传感 器ADXL323和一个单轴加速度传感器ADXL193组合而成，无线单片机2c采用CC2510F32 ； (2)车内中央控制模块3包含无线单片机3a、第二无陀螺惯性测量单元3b、第二电源3c、 ARM处理器3d、人机交互单元3e、CAN接口 3f及其他扩展接口 3g ；该无线单片机3a实现与 车轮智能传感模块通信功能，通过数字信号与ARM处理器3d相互连接；第二无陀螺惯性测 量单元3b与ARM处理器3d相互连接，该信号为数字信号；第二电源3c为无线单片机3a、 第二无陀螺惯性测量单元3b、ARM处理器3d及人机交互单元3e提供直流电源；人机交互单 元3e由键盘31e、触摸屏32e、报警装置33e组成；键盘31e用于启动装置、复位等操作，触 摸屏32e用于设置参数、查询数据及显示ARM处理器3d的输出信息，包括车轮动载荷参数、 状态等参数；报警装置33e用于发出警示；CAN接口 3f用于提供其他CAN设备访问车内中 央控制模块3的接口 ；其他扩展接口 3f用于将来扩展系统的功能；其中，无线单片机3a、2c 采用 CC2510F32。其工作过程为第一无陀螺捷联式微惯性测量单元2a输出的切向加速度、侧向加 速度、向心加速度、温度模拟信号经调理单元2b信号调理后，经无线单片机2c的ADC外设 转换成数字信号，以中断触发方式提供给无线单片机2c的CPU访问；无线单片机2c在必要 的时候可以通过驱动自检信号对加速度传感器进行自检；无线单片机中的微处理器对信号 进行数字滤波、补偿计算得出车轮运动姿态中的三维加速度，包括切向加速度、侧向加速 度、向心加速度；通过无线单片机2c内部的无线收发电路将数据发射输出到车内中央处理 模块3的无线单片机3a，同时通过该无线单片机2c内部的无线收发电路也可接收来车内中 央处理模块3通过无线单片机发送过来的命令；车内中央处理模块3的任务①接收来自
7车身智能惯性测量单元3b的车身姿态信息；②通过无线单片机3a接收来自车轮智能传感 模块2的数据，必要时候通过无线单片机向车轮智能传感模块发送命令；③对接收到的来 自无线单片机3a和第二无陀螺惯性测量单元3b发送过来的加速度数据，经姿态计算、最终 求得全部车轮的四轮定位参数，该参数包括车轮外倾、前轮前束、主销后倾、主销内倾；④ 对上述车轮四轮定位参数进行综合评价及趋势预测；⑤对车轮姿态参数数据与车身姿态参 数数据进行数据融合及分析以便对车轮智能传感模块是否正常工作作出判断，并预测车轮 四轮定位参数变化趋势；⑥通过控制触摸屏32e输出显示车轮四轮定位参数、评价等级、趋 势预测信息等；⑦处理触摸屏32e触发的中断并进行参数设置及历史查询等操作；⑧当出 现异常时用数字信号驱动报警装置33e作出警示；⑨建立用于存储相关四轮定位数据及历 史数据的电子数据表格以供其他CAN总线外部设备通过CAN接口 3f访问。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。
权利要求
一种基于轮载式智能传感四轮定位测量方法，其特征在于，该方法包括通过智能传感模块感知车轮特定点的三维加速度；利用车轮特定点三维加速度参数，经姿态算法获得车轮初始姿态角并求得四轮中车轮外倾和前轮前束的定位参数；建立主销后倾角、主销内倾角计算模型，求得四轮中主销后倾和主销内倾的定位参数；将车轮四轮定位参数即车轮外倾、前轮前束、主销后倾、主销内倾角的数据进行融合并对其分析，获得车轮四轮定位参数的变化趋势。
2.根据权利要求1所述的基于轮载式智能传感四轮定位测量方法，其特征在于，所述 方法还包括将车轮三维加速度信号进行模/数转换，经温度补偿处理、插值解耦处理得到 车轮智能传感模块安装点的三维加速度值。
3.根据权利要求1或2所述的基于轮载式智能传感四轮定位测量方法，其特征在于，所 述车轮特定点加速度包括切向加速度、侧向加速度和向心加速度。
4.根据权利要求1所述的基于轮载式智能传感四轮定位测量方法，其特征在于，所述 车轮初始姿态角包括初始外倾角和侧偏角。
5.根据权利要求1所述的基于轮载式智能传感四轮定位测量方法，其特征在于，所述 方法还包括通过中央控制模块对智能传感模块发送控制命令，启动四轮定位测量及进行 传感测量模块的自校正。
6.根据权利要求1所述的基于轮载式智能传感四轮定位测量方法，其特征在于，所述 智能传感模块置在车轮轮毂赤道面的表面上。
全文摘要
本发明公开了一种基于轮载式智能传感四轮定位测量方法，该方法包括通过智能传感模块感知车轮特定点的三维加速度；利用车轮特定点三维加速度参数，经姿态算法获得车轮初始姿态角并求得四轮中车轮外倾和前轮前束的定位参数；建立主销后倾角、主销内倾角计算模型，求得四轮中主销后倾和主销内倾的定位参数；将车轮四轮定位参数即车轮外倾、前轮前束、主销后倾、主销内倾角的数据进行融合并对其分析，获得车轮四轮定位参数的变化趋势。通过对上述参数进行多传感数据融合及分析，能够对车轮定位状态进行全面监测和预测，保证汽车行驶的稳定性和安全性，减少汽车的磨损和油耗，改善车辆的转向性能，确保转向系统自动回正，为车轮定位测量提供新方法。
文档编号G01M17/013GK101915673SQ20101027264
公开日2010年12月15日 申请日期2010年9月6日 优先权日2010年9月6日
发明者刘桂雄, 张健伟, 洪晓斌, 潘梦鹞 申请人:华南理工大学