CN100450840C - 一种车辆防侧翻惯性测量及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆防侧翻惯性测量及控制方法，该方法在静止状态下标定Z轴陀螺仪零偏，消除陀螺仪零偏重复性误差；利用Z轴陀螺仪测量的转速以及传统速度仪表测量的运动线速度计算车体的离心加速度a_a；利用X轴加速度计输出a_x计算重力加速度g在X轴分量g_x以及车体的倾角α；通过α计算重力加速度在Z轴分量g_z以及车辆所受到的合惯性加速度a_S与Z轴间的偏转角β，通过β与车辆准许最大临界倾角γ相除，计算车辆防侧翻安全系数S，判断S大小来计算控制指令。该方法采用后轮制动模式，利用Y轴加速度计监测制动力大小，并调节制动强度。该方法最大限度地避免了车辆侧翻，填补了基于惯性技术的车辆防侧翻控制系统的空白，适用于所有公路以及铁路交通工具。

Description

一种车辆防侧翻惯性测量及控制方法

技术领域

本发明涉及一种车辆防侧翻惯性测量及控制方法，可自主测量地面车辆在高速转弯时的运动参数，并计算车辆防侧翻安全系数，自动进行安全提示以及后轮制动操作，保障车辆安全行驶，可应用于所有公路以及铁路运动的车辆。

背景技术

一百多年来，汽车一直被认为是机械零部件的组合，直到最近二、三十年，才认为汽车是带有一些电子控制的机械装置。随着电子技术、测控技术和计算机技术日新月异的发展，汽车电子产品含量越来越高，提出了“ASV(先进安全车，advanced safety vehicle)”的概念。

ASV的驾驶是借助于车上的各种传感器、电脑和其他一些电子装置来实现的。通过ASV技术的研究最大限度地避免了事故的发生和减少伤害的程度。目前ASV技术主要包括安全预防技术、事故避免技术、损伤减小技术、碰撞后乘员伤害减轻和防护技术。所采取的技术手段将涉及到自动导航系统、速度控制系统、防滑控制系统、碰撞自动监测系统、驾驶员操作记录系统、乘员保护系统、碰撞识别系统等。在这些系统中，将大量用到惯性器件，有的则是微惯性测量系统与GPS等的组合使用，以上所述的ASV技术提高了车辆的性能和可操作性。但当车辆在路面以高速进行转弯时，由于重力以及离心力等惯性力的作用将导致车辆侧翻，极大地威胁了车辆及驾驶员的安全。为了防止车辆侧翻，目前主要有制动力分配(EBD)以及防侧翻总成等方法，其中动力分配方法是为了解决由于汽车制动时因轮胎与地面的摩擦力不同，产生打滑、倾斜和侧翻等问题而采取的一种措施。它的功能就是在汽车制动的瞬间，分别计算出四个轮胎摩擦力数值，然后通过调整制动装置，达到制动力与摩擦力(牵引力)的匹配，以保证车辆的平稳和安全。该方法主要解决汽车制动过程中导致的侧翻，并没有进行全程防侧翻运动监测，仅从制动控制方法上进行了改进，减小车辆侧翻的几率。防侧翻总成方法是将限制耳安装在车身侧面靠近顶部位置，限制耳通过铰链与钢片弹簧连接。该方法克服了当汽车在高速行驶过程中遇到急转弯或闪避时，由于高离心力的作用导致汽车侧翻的技术问题，有效防止了汽车侧翻。但该方法仅仅采用一种机械力平衡机构，结构复杂，成本高。不能进行车辆运动参数的测量，也不能发出控制命令。综上所述，目前防侧翻方法存在无法实时测量车辆的运动参数及安全系数，无法主动规避侧翻的缺陷。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服技术的不足，提供一种能够实时测量车辆的运动参数及侧翻安全系数，可以主动规避侧翻的车辆防侧翻惯性测量及控制方法。

本发明的技术解决方案为：一种车辆防侧翻惯性测量及控制方法，采用的装置包括MIMU和传统速度仪表，MIMU负责提供车体转弯角速度和X、Y轴方向加速度信息；传统速度仪表负责提供车体运动线速度，该方法的特点在于通过下列步骤实现：

(1)静止状态快速标定MIMU中Z轴MEMS陀螺仪零偏，消除陀螺仪零偏重复性误差；

(2)利用Z轴MEMS陀螺仪输出角速率ω与车载传统速度仪表测量的速度v计算车体的离心加速度a_a，a_a＝ω×v；

(3)利用X轴加速度计输出a_x计算重力加速度g在X轴分量g_x，根据g_x计算车体倾角α，α＝asin(g_x/g)；

(4)利用α计算重力加速度g在Z轴分量g_z，g_z＝gcos(α)，再求g_z的反三角函数得到合惯性加速度a_S与Z轴间的偏转角β，β＝atan(a_x/g_z)；

(5)通过β与车辆准许最大临界倾角γ间的比值确定防侧翻安全系数S，S＝β/γ，判断S大小决定控制指令c，c＝kS，k代表控制指令与安全系数之间的比例系数；

(6)根据控制指令控制后轮制动，制动过程中采用Y轴加速度计进行制动力监测，并实时自动调节制动强度。

本发明的原理是：利用MIMU中Z轴方向MEMS陀螺仪测量车体转弯角速度ω，利用传统速度仪表测量车体的运动线速度v，通过角速度与运动线速度合成计算离心加速度a_a，a_a＝ω×v；根据X轴加速度计测量值a_x以及离心加速度a_a计算重力加速度在X轴分量g_x，g_x＝a_x-a_a，通过反三角函数计算车体倾角α，α＝arcsin(g_x/g)；利用α确定车辆所受到合惯性加速度a_S与Z轴之间的偏转角β，β＝atan(a_x/gcos(α))；通过β与车辆准许最大临界倾角γ间的比值确定防侧翻安全系数S，S＝β/γ；判断S大小决定控制指令c，c＝kS；采用后轮制动模式，同时利用Y轴加速度计测量、控制制动强度，避免车辆侧翻。

本发明的优点在于：

(1)该发明可自主计算车辆防侧翻系数，自动发出提示信息以及执行制动控制指令，因此具有实时测量和可以主动规避侧翻的功能，同时提高了效率及自动化水平；

(2)本发明在静止状态快速标定MIMU中Z轴MEMS陀螺仪零偏，消除陀螺仪零偏重复性误差；

(3)采用的惯性测量单元由MEMS惯性器件组成，减小了系统的成本、体积、功耗，缩减了系统启动时间，提高了抗冲击能力；

(4)该发明所采用的装置可以与车载惯性系统复用，减少了系统成本；

(5)本发明的Y轴方向加速度计监测车辆制动力，可自动调控制动强度；

(6)本发明最大限度地避免事故的发生，适用于所有路面运动车辆。

附图说明

图1为本发明所采用的微惯性测量单元(MIMU)组成框图；

图2为微惯性敏感组合(MISA)构成示意图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明的解算原理示意图。

具体实施方式

本发明所采用的装置包括微惯性测量单元(MIMU)和传统速度仪表。其中MIMU如图1所示，主要包括惯性敏感组合(MISA)、数据采集与运算微处理机、电源，其中MISA构成示意图如图2所示，由1个Z轴方向MEMS陀螺仪、1个X轴方向MEMS加速度计以及1个Y轴方向MEMS加速度计通过正交设置而成，提供车体的转弯角速度和X、Y轴方向加速度信息；数据采集与运算微处理机采用DSP处理器，用于数据采集、运动参数解算以及生成控制指令；传统速度仪表负责提供车体运动线速度。本发明的具体实施步骤如图3所示：

(1)首先采用车载传统速度仪表(通过车轮转速计算车体运动线速度)测试车辆速度v，判断v是否为小于微小量ε(ε取传统速度仪表测量噪声值)，当v＜ε时，标定Z轴陀螺仪零偏，对陀螺输出数据清零，否则退出标定程序。

(2)MISA中Z轴方向MEMS陀螺仪敏感车体转弯角速度输出电压信号，采用DSP处理器采集MISA中惯性器件的输出，通过数据平滑及解算程序计算车体转弯角速度ω。当v＞ε时，由车体转弯角速度ω与运动线速度v可计算车体的离心加速度：

a_a＝ω×v                  (1)

(3)由图4所知，X轴方向加速度计测量值a_x包括车体重力加速度g在X轴方向分量g_x和离心加速度a_a：

a_x＝g_x+a_a＝gsin(α)+a_a      (2)

式中，α为车体的倾角。由式(2)可以计算重力加速度在X轴方向分量g_x：

g_x＝gsin(α)＝a_x-a_a                      (3)

根据反三角函数可以求得车体的倾角α：

$\mathrm{\α}=a\sin \left(\frac{a_x-a_a}{g}\right)---\left(4\right)$

(4)根据步骤(3)求得的车体的倾角α可计算重力加速度在Z轴分量g_z：

g_z＝gcos(α)                             (5)

通过a_a与g_z相除，然后求反正切函数计算车体受到的合惯性加速度a_S方向与Z轴间的偏转角β：

$\mathrm{\β}=a\tan \left(\frac{a_x}{g\cos \left(\mathrm{\α}\right)}\right)---\left(6\right)$

(5)通过β与车辆准许最大临界倾角γ间的比较计算车体侧翻的安全系数：

$S=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\γ}}---\left(7\right)$

式中，任意一种车辆的准许最大临界倾角γ可以根据车体的具体结构参数计算：

$\mathrm{\γ}=a\tan \left(\frac{L}{2H}\right)---\left(8\right)$

式中，L为车辆的轮距；H为车辆质心距地面的高度。

(6)S≥0.8为危险警告系数，系统开始发出提示信息，警告驾驶员不要加速或增大转弯速率；当S≥0.9为危险临界系数，并且a_y＞ε_a时(ε_a为微小量，取Y轴方向MEMS速度计输出噪声作为ε_a)，表示车辆处于侧翻危险临界状态，并有继续加速的趋势，此时根据安全系数计算控制指令：

c＝kS                    (9)

式中，k代表控制指令与安全系数之间的比例系数，控制指令自动启动制动装置，采用两后轮制动工作模式，保持前轮处于自由状态，减小侧翻力矩，从而更可靠地保障车辆的安全。制动过程中，利用Y轴方向加速度计测量值a_y监测车体的减速状况，计算制动力大小：

F_f＝ma_y                  (10)

式中，m代表车辆的质量，通过F_f与目标制动力F_o相比较，进而调节制动强度。当S＜0.8时，代表车辆处于防侧翻安全范围，取消制动命令，提示进入安全范围。至此，实现了车辆防侧翻的惯性测量及控制工作。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1、一种车辆防侧翻惯性测量及控制方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，静止状态快速标定MIMU中Z轴MEMS陀螺仪零偏，消除陀螺仪零偏重复性误差；

第二步，利用Z轴MEMS陀螺仪输出角速率ω与车载传统速度仪表测量的速度v计算车体的离心加速度a_a，a_a＝ω×v；

第三步，利用X轴加速度计输出a_x计算重力加速度g在X轴分量g_x，根据g_x计算车体倾角α，α＝asin(g_x/g)；

第四步，利用α计算重力加速度g在Z轴分量g_z，g_z＝gcos(α)，再求g_z的反三角函数得到合惯性加速度a_S与Z轴间的偏转角β，β＝atan(a_x/g_z)；

第五步，通过β与车辆准许最大临界倾角γ间的比值确定防侧翻安全系数S，S＝β/γ，判断S大小决定控制指令c，c＝kS，k代表控制指令与安全系数之间的比例系数；

第六步，根据控制指令控制后轮制动，制动过程中采用Y轴加速度计进行制动力监测，并实时自动调节制动强度。

2、根据权利要求1所述的一种车辆防侧翻惯性测量及控制方法，其特征在于：所述的防侧翻安全系数S≥0.8为危险警告系数，S≥0.9为危险临界系数。

3、根据权利要求1或2所述的一种车辆防侧翻惯性测量及控制方法，其特征在于：所述的第六步中制动过程中采用Y轴加速度计进行制动力监测，并实时自动调节制动强度的方法为：制动过程中，利用Y轴方向加速度计测量值a_y监测车体的减速状况，计算制动力大小：

F_f＝ma_y

式中，m代表车辆的质量，通过F_f与目标制动力F₀相比较，进而调节制动强度，当S＜0.8时，代表车辆处于防侧翻安全范围，取消制动命令，提示进入安全范围。

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