一种用于车轮六维力传感器的现场在轨式校准方法技术

本发明专利技术涉及一种用于车轮六维力传感器的现场在轨校准方法，包括：1、定义传感器的名义坐标系，在名义坐标系下，建立传感器在任意外力作用下的输入输出关系模型及误差模型；2、定义传感器的实际坐标系，并给出名义坐标系与实际坐标系间的旋转变换矩阵；3、在实际坐标系下，使用运动恢复形状法建立传感器的误差校准模型，获取可用于现场在轨校准的算法模型；4、利用车辆自重进行现场在轨的多组数据采集；5、求解代表传感器特性的形状矩阵；6、基于形状矩阵，得到由六轴电压计算六维负载的公式。本发明专利技术提供的校准方法以车辆自重作为已知负载，不需拆卸传感器或调整车轮负重就能完成。需拆卸传感器或调整车轮负重就能完成。需拆卸传感器或调整车轮负重就能完成。

【技术实现步骤摘要】
一种用于车轮六维力传感器的现场在轨式校准方法


[0001]本专利技术涉及一种车用六维力传感器技术，具体涉及一种用于车轮六维力传感器的现场在轨式校准方法，属于车辆或轮式移动机器人测控


技术介绍

[0002]在汽车工业领域，车轮力传感器是一种直接测量轮毂在动态条件下受力情况的有效工具，能够实时输出车轮与地面之间相互作用的六维力或力矩，可用于车辆动力学分析、道路载荷采集、轮胎动力学等。
[0003]通常，车轮力传感器的离线校准方式与常规的如用于机器人手腕的六维力传感器相类似，即，采用与额定或已知的外力加载(如标定台)，同时记录传感器的负载
‑
输出电压关系曲线，并根据最小二乘法求出传感器输入和输出间的数学模型(一般为校准矩阵)。然而，当传感器已被安装到车轮上，并随着车辆长期使用后，传感器内部应变弹性体的预应力漂移、路面激励和振动导致的传感器老化等因素使得原有的校准矩阵不再准确，往往需要对传感器进行定期校准。在汽车工业应用中，目前采用的方式还是将车轮和传感器卸下，并送回实验室或厂家重新标定并计算获取新的校准矩阵，时间和经济成本很高。因此，车轮力传感器的现场在轨校准技术变得十分必要。
[0004]现有技术中，CN201810996996.4公布了一种车轮力传感器的非线性解耦方法，该方法考虑到了传感器的非线性特性，将传感器的输入
‑
输出关系扩展为二次方程组，提升了精度，但该技术仍然属于离线校准方法； CN201910203990.1公布了一种车轮力测量系统及方法，该系统不仅能够输出车轮六轴力模拟信号，还集成了工况识别、实验状态判断、远程监控等功能，提高了利用车轮力测量系统进行台架试验的效率，但该技术主要是对车轮力的测量，未能提出车轮力传感器的校准方法； CN201821776577.1公布了一种用于车轮的测力装置和测力系统，该系统借助沿车轮径向分布的多个测力传感器组，实现了对车轮受力的实时和精确监控，但该技术是一种测量车轮力的系统装置，未能涉及车轮力传感器在轨校准。综上，现有技术大多为传感器输入输出模型的建立和车轮力测量系统的设计，尚且没有成熟的车轮力传感器在轨校准技术出现。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种用于车轮六维力传感器的现场在轨式校准方法，该方法以车辆自重作为已知负载，在低速匀速的情况下不需拆卸传感器或调整车轮负重就能完成校准，尤其适用于已经安装到车轮上的力传感器的定期校准工作，为保障汽车工业中车轮受力检测的准确度提供了重要手段。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种用于车轮六维力传感器的现场在轨式校准方法，包含如下步骤：
[0008]步骤一、定义六维力传感器的名义坐标系{W}：
[0009]以传感器自身的三个相互正交的测量轴为基准、中心为原点，定义固连在该传感
器上的名义坐标系{W}，定义符号i＝x，y，z表示任一坐标轴方向；
[0010]步骤二、在名义坐标系{W}下，建立传感器在任意外力作用下的输入输出关系模型及误差模型：
[0011]步骤2.1、建立传感器单个测量轴的输入输出关系模型，输入量是施加的外力，输出量为传感器的电压值；当传感器仅受到沿名义坐标系{W}、 i测量轴的外力时，其输出电压表述为：
[0012]u
i
＝u
i0
+b
i
f
i
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0013]公式(1)中，u
i
表示传感器i轴对应的输出电压，u
i0
为初始的零值偏差， f
i
为沿i轴的输入力大小，b
i
为u
i
随f
i
变化的斜率，它表征了应变灵敏度、材料刚度和放大器系数的叠加，{b
i
，u
i0
}统称为与传感器性质有关的标定系数；
[0014]步骤2.2、在名义坐标系{W}下，设有一任意大小和方向的外力f0作用在传感器之上，将步骤2.1所述的单测量轴模型扩展到三维空间的任意方向，同时建立传感器工作一段时间后，其内部性质发生变化后的误差模型，表述为：
[0015][0016]公式(2)中，为f0与坐标系{W}、i轴的夹角，则f0在i轴上的投影分量为u
′
i
表示传感器性质变化后的输出电压，{b
′
i
，u
′
i0
}表示传感器内部性质变化，标定系数{b
i
，u
i0
}发生偏移后的新标定系数；
[0017]步骤三、定义传感器的实际坐标系{P}，并给出名义坐标系{W}与实际坐标系{P}之间的旋转变换矩阵：
[0018]定义传感器实际位置上的坐标系为实际坐标系{P}，则由实际坐标系 {P}到原定义的名义坐标系{W}的变换矩阵表示为：
[0019][0020]公式(3)中，R
i
(
·
)代表绕i轴(i＝x，y，z)的旋转变换矩阵，角度α，β，γ分别表示坐标系{P}的x，y，z三个轴相对于坐标系{W}对应轴的转角，符号表示将矩阵中的各元素简记为r
uv
，u，v＝1，2，3，下标u，v表示各元素在变换矩阵中的位置；
[0021]步骤四、使用运动恢复形状法建立传感器的误差校准模型，以获取一种可用于在线校准的算法模型：
[0022]步骤4.1、根据步骤三所述的坐标变换矩阵将原坐标系{W}的输出电压变换至实际坐标系{P}下，即：
[0023][0024]公式(4)中为实际坐标系{P}下的六轴输出电压，u
′
＝[u
′
fx
，u
′
fy
，u
′
fz
，u
′
tx
，u
′
ty
，u
′
tz
]T
为名义坐标系{w}下的输出电压，其中为名义坐标系{w}下的输出电压，其中下标i＝x，y，z，t0表示外力f0对应的外力矩；
[0025]步骤4.2、力矩是力与力臂的线性组合，将步骤4.1所述的外力矩t0表示成：
[0026][0027]公式(5)中，f
i
、t
i
分别表示f0、t0在i轴上的投影分量，l
i
为f
i
在i轴上对应的力臂。
[0028]步骤4.3、将公式(5)代入公式(4)，将外部待测变量负载f0和姿态角与内部待求解的参数b
′
i
、u
′
i0
、u
′
i1
、r
uv
改写成解耦形式，表示为：
[0029]U
P
＝C
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于车轮六维力传感器的现场在轨式校准方法，特征在于：包含如下步骤：步骤一、定义六维力传感器的名义坐标系{W}：以传感器自身的三个相互正交的测量轴为基准、中心为原点，定义固连在该传感器上的名义坐标系{W}，定义符号i＝x,y,z表示任一坐标轴方向；步骤二、在名义坐标系{W}下，建立传感器在任意外力作用下的输入输出关系模型及误差模型：步骤2.1、建立传感器单个测量轴的输入输出关系模型，输入量是施加的外力，输出量为传感器的电压值；当传感器仅受到沿名义坐标系{W}、i测量轴的外力时，其输出电压表述为：u
i
＝u
i0
+b
i
f
i
(1)公式(1)中，u
i
表示传感器i轴对应的输出电压，u
i0
为初始的零值偏差，f
i
为沿i轴的输入力大小，b
i
为u
i
随f
i
变化的斜率，它表征了应变灵敏度、材料刚度和放大器系数的叠加，{b
i
,u
i0
}统称为与传感器性质有关的标定系数；步骤2.2、在名义坐标系{W}下，设有一任意大小和方向的外力f0作用在传感器之上，将步骤2.1所述的单测量轴模型扩展到三维空间的任意方向，同时建立传感器工作一段时间后，其内部性质发生变化后的误差模型，表述为：公式(2)中，为f0与坐标系{W}、i轴的夹角，则f0在i轴上的投影分量为u
′
i
表示传感器性质变化后的输出电压，{b
′
i
,u
′
i0
}表示传感器内部性质变化，标定系数{b
i
,u
i0
}发生偏移后的新标定系数；步骤三、定义传感器的实际坐标系{P}，并给出名义坐标系{W}与实际坐标系{P}之间的旋转变换矩阵：定义传感器实际位置上的坐标系为实际坐标系{P}，则由实际坐标系{P}到原定义的名义坐标系{W}的变换矩阵表示为：公式(3)中，R
i
(
·
)代表绕i轴(i＝x,y,z)的旋转变换矩阵，角度α,β,γ分别表示坐标系{P}的x,y,z三个轴相对于坐标系{W}对应轴的转角，符号表示将矩阵中的各元素简记为r
uv
，u,v＝1,2,3，下标u,v表示各元素在变换矩阵中的位置；步骤四、使用运动恢复形状法建立传感器的误差校准模型，以获取一种可用于在线校准的算法模型：步骤4.1、根据步骤三所述的坐标变换矩阵将原坐标系{W}的输出电压变换至实际坐标系{P}下，即：
公式(4)中为实际坐标系{P}下的六轴输出电压，u
′
＝[u
′
fx
,u
′
fy
,u
′
fz
,u
′
tx
,u
′
ty
,u
′
tz
]
T
为名义坐标系{W}下的输出电压，其中下标i＝x,y,z，t0表示外力f0对应的外力矩；步骤4.2、力矩是力与力臂的线性组合，将步骤4.1所述的外力矩t0表示成：公式(5)中，f
i
、t
i
分别表示f0、t0在i轴上的投影分量，l
i
为f
i
在i轴上对应的力臂；步骤4.3、将公式(5)代入公式(4)，将外部待测变量负载f0和姿态角与内部待求解的参数b
′
i
、u
′
i0
、u
′
i1
、r
uv
改写成解耦形式，表示为：U
P
＝C
·
F
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)公式(6)中，矢量矩阵其中子矩阵C
12
、C
21
均为3
×
3的零矩阵，3的零矩阵，矢量步骤4.4、将步骤4.3所述的公式(6)记为以下形式：u
P
＝S
·
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，符号S和n分别表示公式(6)等号右边的6
×
7矩阵和7维列向量，矩阵S组合了传感器内部所有待求解的标定参数，包括力臂l
i
也已嵌入其中，称为形状矩阵，向量n将传感器的外部负载表示为机器人运动学中齐次方阵的位置矢量，称为运动约束向量；公式(7)即为车轮六维力传感器单组数据测量的SFM校准模型；步骤4.5、将步骤4.4所述的单组数据测量校准模型扩展到多组数据测量模型，将公式(7)两边同时转置，得到：
(u
P
)
T
＝n
T
·
S
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)给定k组测量数据(u
P
,n)，将公式(8)中的(u
P
)
T
和n
T
扩展成矩阵的形式，得到：U
k
×6＝N
k
×7·
S
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)公式(9)中矩阵U和N的第i行元素分别对应第i组电压值和负载，i＝1,2,
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯李航，汪穗，蒋旭，肖迪，王东，张广明，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：