完备汽车运动状态测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于汽车运动安全性能评价场地试验的汽车运动状态测量系统。其目的在于提供一种基于ＲＴＫＤＧＰＳ和高精度ＩＭＵ的汽车性能场地试验测试的完备汽车运动状态测量系统。该系统由高精度ＧＰＳ接收机、高精度惯性测量单元ＩＭＵ、嵌入式专用处理系统以及相应接口组成，高精度ＧＰＳ接收机和高精度惯性测量单元ＩＭＵ采集的原始数据经各自接口一起送入嵌入式专用处理系统，在其上运行全球定位系统ＧＰＳ数据坐标变换、预处理模块、惯性导航系统ＩＮＳ算法模块、改进卡尔曼滤波融合算法软件，实时记录显示及通过接口向上位计算机提供加速度、角速率、车体速度、位移、姿态高精度的汽车运动状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于汽车运动安全性能评价场地试验的汽车运动状态测量系统。
技术介绍
汽车试验是帮助我们深入了解汽车在实际使用中各种现象的本质及其规律，探讨解决存在的问题以及验证解决问题的效果和程度，推动其技术进步的一种极为重要的方法，是保证产品性能、提高产品质量和市场竞争力的重要手段。汽车场地道路试验集中浓缩了汽车实际使用中各种各样道路条件的典型道路工况，它与汽车室内试验以及今年来流行的驾驶模拟器等虚拟试验手段相互验证、相互依存、相互补充，是全面检验和评价汽车运动安全性能和可靠性的一种最重要的手段。汽车操纵稳定性，指的是汽车在高速行驶下，接受驾驶员的控制能力及行驶方向的稳定性。由于操纵稳定性关系到车辆行驶的安全问题，所以倍受人们的关注。随着车辆的行驶速度大幅提高，操纵稳定性显得更加重要，成为评价汽车运动安全性能的重要技术指标之一。我国汽车操纵稳定性、制动性能的评价标准在20世纪80年代中期起草的，是当时我国汽车专家多年研究的结晶，对我国汽车产品开发做出了重要的贡献。但是，限于当时的测试技术水平和当时汽车工业主要以低速度的商用车为主的状况，这些评价方法和指标体系已经远远落后于中国汽车工业的现状，不能满足于当前重点开发高速度的乘用车的开发要求。比如，当前我国汽车操纵稳定性驾驶员-汽车-环境闭环评价由于无法直接进行车身侧倾角、质心侧偏角等车辆状态参数的客观精确测量，故通常只能由驾驶员通过很好、较好、中等、较差和很差来主观评价，迄今为止国内还没有一种公认的客观定量评价汽车操纵稳定性的好方法。在技术上，汽车运动安全性能评价的难点是汽车运动轨迹、速度、加速度、角速率等汽车运动状态的实时动态测量。传统上，国外一直沿用采用价格昂贵的铺装类似数字化仪的磁感应导线网的专用运动安全性试验场地。国内上世纪五六十年代的实车场地试验中，通常采用残迹法测量汽车运动轨迹，但其存在着残迹测量时间长、多重试验轨迹的场合难以判断，以及潮湿路面上不能使用等缺点。后采用测试汽车重心运动轨迹的方法，即利用陀螺仪和五轮仪测量出汽车的角位移(或角速率)和速度或加速度在汽车坐标系的分量，经过积分获得汽车的速度和重心轨迹，该方法存在由于采用积分算法使得零漂等误差被积累导致测量误差大、试验重复性差等缺点。由于上述缺陷，当前国内汽车操纵稳定性评价标准避开了车辆侧向速度及精确轨迹等因素。目前，国外学者开始重点探索开展了采用精密全球定位系统GPS加上精密惯性测量单元(IMU)等先进测试技术，准确实时解算汽车位移、速度、加速度的算法研究，可以成功应用于汽车侧向速度、侧偏角的精确测量，本专利技术对该方法的核心技术进行深入研究，研制了汽车运动状态测量系统，用于进一步提出一种新的评价汽车运动安全性能的客观系统，希望从根本上解决汽车操纵稳定性等运动安全性能评价的试验问题，并在汽车行业推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于RTKDGPS和高精度IMU的汽车性能场地试验测试的完备汽车运动状态测量系统。它用于在汽车操纵稳定性等性能场地试验时实时测量、记录、显示汽车运动前向、侧向、垂直三个方向的速度、运动轨迹、加速度、绕三个方向的旋转角速率以及汽车的俯仰角、侧倾角、横摆角等汽车运动状态信息，并可由汽车运动前向、侧向速度比值进一步得到汽车质心的侧偏角，可为建立高精度的汽车操纵稳定性等性能评价标准提供一种新的测量系统。本专利技术研究的汽车运动状态测量系统实现依据是INS/GPS组合导航原理，下面对其进行简要介绍。惯性导航系统INS(Inertial Navigation System)是一种完全自主的确定载体运动状态的新型系统。它通常由线加速度计测得运载体的线加速度，然后积分得到速度，位移，同时与使用陀螺仪测量得到的刚体角速度信息一起得到完整的运载体状态信息，通常应用于飞机、航天飞船、导弹、轮船等定位导航领域。惯性导航系统有着采用率高、不受外界环境干扰影响、无信号丢失、低成本，短时间内具有稳定状态等优点，但它也有其自身的缺点，如定位的状态、偏差的方差由于传感器噪声和传感器校准误差而增加等。故其单独使用时通常只适用于短时导航应用。全球定位系统(Global Navigation System)是一种全天候24小时提供物体在地球坐标系下三维坐标、速度等信息的导航定位系统。近年来随着差分RTK等技术的不断发展，GPS定位精度越来越高，使得用其来获取高精度汽车状态信息成为可能；但其同时存在更新频率低、卫星信息易被障碍物阻挡、易产生多路径效应等各种不足，使其单独使用无法满足汽车导航等高可靠性应用的要求。RTK GPS(real time kinematics differential GPS)是一种基于载波相位观测值的实时动态定位技术。在RTK作业模式下，参考站通过数据链-电台，将其观测值及站点的坐标信息用电磁信号发送给移动站。移动站不仅接收来自参考站的数据，自身也要采集GPS卫星信号观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，瞬时地给出精度为厘米级的点定位坐标。INS/GPS组合导航系统由于综合惯性导航系统(Inertial Navigation System)和全球定位系统(Global Navigation System)两类系统的优点，并且克服了各自的缺点，因而构成了一种性能优良的组合导航方式，在航空、航海、导弹制导等方面有着广泛的应用。INS/GPS组合通常采用卡尔曼滤波方法。滤波是指把污染信号里的噪声尽可能地消除掉，从中分离出所需要的信号，由带有噪声的状态方程和观测方程去推断系统的状态。卡尔曼滤波是在时域内实现最优的递推滤波方法，它的特点是不要求保存过去的测量数据。当新的数据测得之后，根据新的数据和前一时刻的各个量估计值，借助系统本身的状态转移方程，按照一套递推公式，即可算出新的各个量估计值。卡尔曼滤波方法可以根据初始状态的误差估计和有限的观测数据，逐步计算出汽车的实时状态的最优估计。随着近年来在微机电系统Micro-Electro-Mechanical System(MEMS)技术方面的突破性进展，体积小，价格低，高性能的MEMS加速度计得到了大批量生产，特别适合应用于像车辆导航测试这样的低成本，中等性能的车载应用领域。本系统采用的高精度惯性测量单元(IMU)即由MEMS加速度计与光纤陀螺构成。实现本专利技术的具体技术方案是一种完备汽车运动状态测量系统，它由高精度GPS接收机、高精度惯性测量单元IMU、嵌入式专用处理系统以及相应接口组成，高精度GPS接收机和高精度惯性测量单元IMU采集的原始数据经各自接口一起送入嵌入式专用处理系统，在其上运行全球定位系统GPS数据坐标变换、预处理模块、惯性导航系统INS算法模块、改进卡尔曼滤波融合算法软件，实时记录显示及通过接口向上位计算机提供加速度、角速率、车体速度、位移、姿态高精度的汽车运动状态。所述的高精度GPS接收机采用基于实时动态差分载波相位技术的高精度GPS接收机。的高精度惯性测量单元IMU由MEMS加速度计与光纤陀螺构成。所述的预处理模块主要包括惯性传感器标定与误差建模、系统初始状态的确定和原始信号预滤波。所述的INS算法模块，根据地面车辆系统低机动性的实际运行工况，采用计算效率较高的基于欧拉角法的INS算法。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种完备汽车运动状态测量系统，其特征在于系统由高精度ＧＰＳ接收机、高精度惯性测量单元ＩＭＵ、嵌入式专用处理系统以及相应接口组成，高精度ＧＰＳ接收机和高精度惯性测量单元ＩＭＵ采集的原始数据经各自接口一起送入嵌入式专用处理系统，在其上运行全球定位系统ＧＰＳ数据坐标变换、预处理模块、惯性导航系统ＩＮＳ算法模块、改进卡尔曼滤波融合算法软件，实时记录显示及通过接口向上位计算机提供加速度、角速率、车体速度、位移、姿态高精度的汽车运动状态。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：管欣，高镇海，闫冬，杨得军，张素民，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]