CN102621570B - 基于双全球定位和惯性测量的汽车动力学参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双全球定位和惯性测量的汽车动力学参数测量方法，属于汽车参数测试技术领域。在车体上设置两个全球定位模块和惯性测量模块，共同完成汽车的车体侧偏角β、车体由转向引起的侧向加速度a_y1、车体横摆角ψ、车体侧倾角

车体质心位置的横向加速度a_y1、车体质心位置纵向加速度a_X、车体质心位置的横摆角速度r、车体质心位置的侧倾角速度p的测量。将本发明方法测量的动力学参数用作为汽车防侧翻控制的参考变量，可以提高汽车运行的安全性。

Description

基于双全球定位和惯性测量的汽车动力学参数测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于双全球定位和惯性测量的汽车动力学参数测量方法，属于汽车参数测试技术领域。

背景技术

汽车运动状态信息的测量和采集是汽车操纵稳定性研究和设计的基本问题，也是实现汽车稳定性电子控制的必要条件。这就需要一种具有足够精度和置信度的、快速的、操作简便的、适用范围广的测量汽车运动状态重要参数的方法及装置。基于微机械传感器(以下简称MEMS)技术的惯性测量单元是一种用来测量运动体运动姿态的惯性传感器，它广泛应用于航空、航海以及陆地导航领域。

IMU具有自主性、抗干扰能力强、短期精度高等优点，缺点为陀螺固有漂移误差使其长期精度不高；GPS具有全天候、全球性和高精度导航或测姿、长期测量精度较高等优点，缺点为其误差不随时间积累系统信息更新率较低，易受电磁干扰，在复杂路段，如高建筑物、林荫大道、桥梁以及隧道等地区，容易造成信号丢失，即有“盲区”存在。因此将IMU与GPS进行组合测量来弥补各自缺点。GPS与IMU组合测量的优点有：能充分发挥GPS全天候、无误差累计、快速测姿、GPS信号能同时给予IMU实时反馈、不断的校正IMU测量的漂移偏差。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于双全球定位和惯性测量的汽车动力学参数测量系统，将已有的双GPS与IMU进行组合，共同完成汽车的车体侧偏角β、车体由转向引起的侧向加速度a_y1、车体横摆角ψ、车体侧倾角

车体质心位置的横向加速度a_y1、车体质心位置纵向加速度a_X、车体质心位置的横摆角速度r、车体质心位置的侧倾角速度p的测量；将上述动力学参数用做汽车防侧翻控制的参考变量，以期提高汽车运行的安全性。

本发明提出的基于双全球定位和惯性测量的汽车动力学参数测量方法，包括以下步骤：

(1)在车体顶部两侧水平布置两个全球定位模块，设全球定位模块的两根天线分别位于A、B两点，A、B两点之间的连线为基线，使基线AB的中点C与被测汽车车体的质心的连线垂直于地面，且基线AB与被测汽车车体的纵轴线垂直，并相对纵轴线对称；

(2)在汽车的质心位置布置一个惯性测量模块，该惯性测量模块测得车体的横向加速度测量值a_y′、车体的纵向加速度测量值a_X′、车体的横摆角速度测量值r′、车体的侧倾角速度测量值p′；

(3)全球定位模块接收跟踪卫星发送的卫星星历信息，卫星星历信息包括：卫星与全球定位模块之间的时钟差t₀、卫星的原子时钟差t_k、跟踪卫星与全球定位模块天线之间的距离ρ_k，根据卫星星历信息计算出跟踪卫星在大地坐标系中的位置坐标为：(x_Sk，y_Sk，z_Sk)，其中k为卫星数量k＝(4，5，6…11)，通过求解下列联立方程得到全球定位模块天线A、B两点在大地坐标系下的位置坐标(x，y，z)，x为经度、y为纬度、z为海拔高度：

$\sqrt{{(x_{\mathrm{sk}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{sk}}-y)}^2+{(z_{\mathrm{sk}}-z)}^2}+c(t_k-t_0)={\mathrm{\ρ}}_k,$ 其中：c为光速；

(4)建立一个高斯坐标系(x′，y′，z′)，设高斯坐标系中的x′轴水平朝东，y′轴水平朝北，z′轴垂直水平面向上，两个全球定位模块通过高斯投影法，分别将各自的天线A、B两点在大地坐标系下的位置坐标转换为在高斯坐标系中的位置坐标A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)，并输出A、B两点位置坐标A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)和A点速度矢量v_A；

(5)设置一个数据转换计算模块，两个全球定位模块分别将两天线的位置坐标A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)以及A处速度矢量v_A通过各自的串口同时发送给数据转换计算模块，数据转换计算模块接收A、B两点的上述位置和A点速度矢量信息，并根据从两根天线接收的信息进行计算，得到车体的侧偏角β、车体的转向横向加速度a_y1、车体的横摆角ψ、车体侧倾角

其中，车体的侧偏角

u和v分别是v_C投影到车体纵轴和横轴得到的被测汽车车体在水平面内的纵向速度和横向速度，车体的横向加速度是a_y＝a_y1+a_y2，车体的转向横向加速度是

车体的侧倾横向加速度是a_y2，车体的横摆角

车体侧倾角

C点速度v_C＝v_A+v_CA，C点相对A点的相对速度为

r为车体的横摆角速度，由惯性测量模块测得的车体横摆角速度r′经解算模块校正后发送给数据转换计算模块，d为A、B两点之间的距离；数据转换计算模块将上述计算得到车体的侧偏角β、车体的转向横向加速度a_y1、车体的横摆角ψ、车体侧倾角

发送给解算模块；

(6)设置一个解算模块，惯性测量模块将上述测量得到的车体的横向加速度测量值a_y′、车体的纵向加速度测量值a_X′、车体的横摆角速度测量值r′、车体的侧倾角速度测量值p′发送给解算模块，解算模块利用卡尔曼滤波方法，校正上述惯性测量模块测量得到的车体的横向加速度测量值a_y′、车体的纵向加速度测量值a_X′、车体的横摆角速度测量值r′、车体的侧倾角速度测量值p′，得到校正后的车体的横向加速度a_y、车体的纵向加速度a_X、车体的横摆角速度r、车体的侧倾角速度p，解算模块根据上述车体的转向横向加速度a_y1及车体的横向加速度a_y，计算出车体的侧倾横向加速度：a_y2＝a_y-a_y1；

(7)解算模块将所得到的汽车动力学参数包括车体的侧偏角β、车体的横摆角ψ、车体的侧倾角

车体的侧倾横向加速度a_y2、车体的纵向加速度a_X、车体的横摆角速度r、车体的侧倾角速度p经局域网总线接口输出用作汽车防侧翻控制的动力学参数输入量。

本发明提出的基于全球定位和惯性测量的汽车动力学参数测量方法，相对于已有的GPS与IMU组合测量方式，具有以下优点：

1、本发明提出的基于全球定位和惯性测量的汽车动力学参数测量方法，测量精度高，其中的双GPS与IMU组合后测量误差要远小于已有的单GPS与IMU组合测量的方案，位置精度保证在2cm内，数据更新频率为5Hz；同时，测量过程中数据的计算量小，计算方便。

2、本发明硬件上采用微机械惯性测量模块+双高精度GPS模块(2cm位置偏差)组成组合传感器，完成对汽车姿态进行测量并计算得到动力学参数。最终得到的动力学参数包括车体侧偏角β、车体由转向引起的侧向加速度a_y1、车体质心位置的横向加速度a_y2、车体侧倾引起的横向加速度a_y2、车体横摆角ψ、车体侧倾角

车体质心位置纵向加速度a_X、车体质心位置的横摆角速度r、车体质心位置的侧倾角速度p，解决了单一GPS与IMU测量动力学参数单一，精度不高的问题。

3、本发明解决了汽车转向引起的横向加速度与侧倾引起的侧向加速度耦合在一起无法直接测量的难题。

4、利用本发明方法的系统，具有较低的成本，抗干扰能力强，利用IMU的短期高精度弥补GPS系统易受干扰、信号易失锁等缺点，同时借助GPS信息进一步对IMU进行误差漂移补偿，大大加强了应用于汽车动力学参数测量过程中测量系统的稳定性。

3、本发明测量方法可以增加测量系统的余度，以后可实现微机械惯性测量模块与多个高精度GPS模块组合进行测量的方案；增强系统适应动态的能力，并使整个测量系统获得优于局部系统的精度；提高了空间和时间的覆盖范围，实现连续、实时测量。

附图说明

图1是本发明方法中两个全球定位模块与惯性测量模块安装位置示意图。

图2是本发明方法中车体在高斯坐标系中的水平位置示意图。

图3是本发明方法中车体在高斯坐标系中的垂直位置示意图。

图4是用于本发明方法的测量系统结构示意图。

图1-图4中，1是两个全球定位模块，2是惯性测量模块，3是道路倾角，4是路面，5是车体，6是前轮，7是车体纵轴及横轴，8是后轮。A是两个全球定位模块在车体左侧安装位置；B是两个全球定位模块在车体右侧安装位置；C-AB连线位于车体质心上方的中点位置。

具体实施方式

本发明提出的基于双全球定位和惯性测量的汽车动力学参数测量方法，包括以下步骤：

(1)在车体顶部两侧水平布置两个全球定位模块，设全球定位模块的两根天线分别位于A、B两点，A、B两点之间的连线为基线，使基线AB的中点C与被测汽车车体的质心的连线垂直于地面，且基线AB与被测汽车车体的纵轴线垂直，并相对纵轴线对称；

(2)在汽车的质心位置布置一个惯性测量模块，该惯性测量模块测得车体的横向加速度测量值a_y′、车体的纵向加速度测量值a_X′、车体的横摆角速度测量值r′、车体的侧倾角速度测量值p′；

(3)全球定位模块接收跟踪卫星发送的卫星星历信息，卫星星历信息包括：卫星与全球定位模块之间的时钟差t₀、卫星的原子时钟差t_k、跟踪卫星与全球定位模块天线之间的距离ρ_k，根据卫星星历信息计算出跟踪卫星在大地坐标系中的位置坐标为：(x_Sk，y_Sk，z_Sk)，其中k为卫星数量k＝(4，5，6…11)，通过求解下列联立方程得到全球定位模块天线A、B两点在大地坐标系下的位置坐标(x，y，z)，x为经度、y为纬度、z为海拔高度：

$\sqrt{{(x_{\mathrm{sk}}-x)}^2+{(y_{\mathrm{sk}}-y)}^2+{(z_{\mathrm{sk}}-z)}^2}+c(t_k-t_0)={\mathrm{\ρ}}_k,$ 其中：c为光速；

(4)建立一个高斯坐标系(x′，y′，z′)，设高斯坐标系中的x′轴水平朝东，y′轴水平朝北，z′轴垂直水平面向上，两个全球定位模块通过高斯投影法，分别将各自的天线A、B两点在大地坐标系下的位置坐标转换为在高斯坐标系中的位置坐标A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)，并输出A、B两点位置坐标A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)和A点速度矢量v_A；

(5)设置一个数据转换计算模块，两个全球定位模块分别将两天线的位置坐标A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)以及A处速度矢量v_A通过各自的串口同时发送给数据转换计算模块，数据转换计算模块接收A、B两点的上述位置和A点速度矢量信息，并根据从两根天线接收的信息进行计算，得到车体的侧偏角β、车体的转向横向加速度a_y1、车体的横摆角ψ、车体侧倾角

其中，车体的侧偏角u和v分别是v_C投影到车体纵轴和横轴得到的被测汽车车体在水平面内的纵向速度和横向速度，车体的横向加速度是a_y＝a_y1+a_y2，车体的转向横向加速度是车体的侧倾横向加速度是a_y2，车体的横摆角车体侧倾角

C点速度v_C＝v_A+v_CA，C点相对A点的相对速度为

r为车体的横摆角速度，由惯性测量模块测得的车体横摆角速度r′经解算模块校正后发送给数据转换计算模块，d为A、B两点之间的距离；数据转换计算模块将上述计算得到车体的侧偏角β、车体的转向横向加速度a_y1、车体的横摆角ψ、车体侧倾角

发送给解算模块；

(6)设置一个解算模块，惯性测量模块将上述测量得到的车体的横向加速度测量值a_y′、车体的纵向加速度测量值a_X′、车体的横摆角速度测量值r′、车体的侧倾角速度测量值p′发送给解算模块，解算模块利用卡尔曼滤波方法，校正上述惯性测量模块测量得到的车体的横向加速度测量值a_y′、车体的纵向加速度测量值a_X′、车体的横摆角速度测量值r′、车体的侧倾角速度测量值p′，得到校正后的车体的横向加速度a_y、车体的纵向加速度a_X、车体的横摆角速度r、车体的侧倾角速度p，解算模块根据上述车体的转向横向加速度a_y1及车体的横向加速度a_y，计算出车体的侧倾横向加速度：a_y2＝a_y-a_y1；

(7)解算模块将所得到的汽车动力学参数包括车体的侧偏角β、车体的横摆角ψ、车体的侧倾角

车体的侧倾横向加速度a_y2、车体的纵向加速度a_X、车体的横摆角速度r、车体的侧倾角速度p经局域网总线接口输出用作汽车防侧翻控制的动力学参数输入量。

下面结合本发明测量系统示意图详细介绍本发明的一个实施例：

将双GPS按照图1位置布置，图1中，1是两个全球定位模块，2是惯性测量模块，3是道路倾角，4是路面，5是车体，6是前轮，7是车体纵轴及横轴，8是后轮。A是两个全球定位模块在车体左侧安装位置；B是两个全球定位模块在车体右侧安装位置；C-AB连线位于车体质心上方的中点位置。在汽车车体质心处上方顶部两侧水平布置两个全球定位模块1，布置时尽量与被测汽车车体5的纵轴线方向垂直并相对纵轴线对称，定义两天线位置分别为A、B两点，两个全球定位系统之间的直线距离，即基线AB应尽量等于车体宽度，基线AB中点为C，则C点位置位于车体质心位置上方垂直位置。在汽车的质心位置布置一个惯性测量模块2；

首先将两全球定位模块各自完成与卫星的对准实时读取跟踪到的卫星星历数据。全球定位模块通过卫星星历信息计算出被跟踪到的卫星在WGS-84坐标系下的位置坐标。如图2及图3所示，在水平坐标系中x轴水平朝东，y轴水平朝北，z轴垂直水平面向上。OGXGyG为高斯水平直角坐标系。数据处理控制单元根据输入算法建立高斯水平直角坐标系，设水平坐标系中的x轴水平朝东，y轴水平朝北，z轴垂直水平面向上，在已知两天线间距离的前提下，数据处理控制单元根据卫星星历数据采用高斯投影法计算得到A、B处天线在大地坐标系中的位置，即经度、纬度、海拔高度及A处速度矢量v_A。随后两数据处理控制单元分别将两天线的位置信息、A处速度信息通过各自的串口发送给数据转换计算模块。

数据转换计算模块首先将两数据处理控制单元传输的数据进行根据两天线处在水平直角坐标系中的位置坐标A及B及A处速度矢量v_A进行计算：

设C点速度为v_C，C点相对A点得相对速度为v_CA，其中r为车体横摆角速度，由惯性测量模块测得并由解算模块滤波补偿处理后发送给数据转换计算模块。由刚体动力学可知：可求得C点速度为v_C，将v_C对车体纵轴和横轴投影得到被测汽车车体在水平面内质心的纵向速度u、侧向速度v，从而得到车体质心上方C点位置侧偏角为β。由上述车体在水平面内质心的纵向速度u、侧向速度v、车体横摆角速度r，计算得到车体转向横向加速度a_y1，由上述两天线A、B在水平直角坐标系中的坐标求得到车体的横摆角及侧倾角。

数据转换计算模块将上述求得的车体侧偏角β、车体转向横向加速度a_y1、车体横摆角ψ、车体侧倾角

发送给解算模块。

惯性测量模块通过内部两轴加速度计测得车体的横向加速度a_y′及车体的纵向加速度a_X′，通过两轴角速度计测得车体的横摆角速度r′及车体的侧倾角速度p′。同时惯性测量模块将上述参量进行滤波处理后发送至解算模块；

解算模块将惯性导航的导航误差和内部陀螺漂移误差、加速度计的零偏误差作为状态变量，根据两全球定位模块通过数据转换计算模块发送的两天线处的位置及速度信息作为量测变量，用状态方程和量测方程来描述组合系统的动态特性。利用解算模块中构造的卡尔曼滤波器估计出组合系统状态变量的最优值，根据上述误差的最优估值更新测量值横向加速度a_y′及车体的纵向加速度a_X′，通过两轴角速度计测得车体的横摆角速度r′及车体的侧倾角速度p′得到车体的横向加速度a_y、车体的纵向加速度a_X、车体的横摆角速度r、车体的侧倾角速度p。同时解算模块将车体的横摆角速度r发送给数据转换计算模块以供计算。

惯性测量模块测得的车体横向加速度a_y包括车体转向横向加速度a_y1以及车体侧倾横向加速度a_y2即，a_y＝a_y1+a_y2解算模块根据计算得到的a_y1及惯性测量模块测量得到的a_y进行侧倾横向加速度的解耦。解算模块将上述计算得到的汽车动力学参数信息包括车体侧偏角β、车体转向横向加速度a_y1、车体横摆角ψ、车体侧倾角

车体侧倾横向加速度a_y2、车体的纵向加速度a_X、车体的横摆角速度r、车体的侧倾角速度p经局域网总线接口输出以用作汽车防侧翻控制的动力学参数输入量。

本发明方法的一个实施例中，全球定位模块可以采用Novatel公司的DL-V3，数据转换计算模块可以采用北京易诚成电子工程技术有限公司的SSI-UART，解算模块可以采用英飞凌公司的XC164CS模块，惯性测量模块可以采用VectorNAV公司的VN-100。

最后应该说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照具体的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于双全球定位和惯性测量的汽车动力学参数测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)在车体顶部两侧水平布置两个全球定位模块，设全球定位模块的两根天线分别位于A、B两点，A、B两点之间的连线为基线，使基线AB的中点C与被测汽车车体的质心的连线垂直于地面，且基线AB与被测汽车车体的纵轴线垂直，并相对纵轴线对称；

(2)在汽车的质心位置布置一个惯性测量模块，该惯性测量模块测得车体的横向加速度测量值a_y′、车体的纵向加速度测量值a_X′、车体的横摆角速度测量值r′、车体的侧倾角速度测量值p′；

(3)全球定位模块接收跟踪卫星发送的卫星星历信息，卫星星历信息包括：卫星与全球定位模块之间的时钟差t₀、卫星的原子时钟差t_k、跟踪卫星与全球定位模块天线之间的距离ρ_k，根据卫星星历信息计算出跟踪卫星在大地坐标系中的位置坐标为：(x_Sk，y_Sk，z_Sk)，其中k为卫星数量k＝(4，5，6…11)，通过求解下列联立方程得到全球定位模块天线A、B两点在大地坐标系下的位置坐标(x，y，z)，x为经度、y为纬度、z为海拔高度：

其中：c为光速；

(4)建立一个高斯坐标系(x′，y′，z′)，设高斯坐标系中的x′轴水平朝东，y′轴水平朝北，z′轴垂直水平面向上，两个全球定位模块通过高斯投影法，分别将各自的天线A、B两点在大地坐标系下的位置坐标转换为在高斯坐标系中的位置坐标A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)，并输出A、B两点位置坐标A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)和A点速度矢量v_A；

(5)设置一个数据转换计算模块，两个全球定位模块分别将两天线的位置坐标A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)以及A处速度矢量v_A通过各自的串口同时发送给数据转换计 算模块，数据转换计算模块接收A、B两点的上述位置和A点速度矢量信息，并根据从两根天线接收的信息进行计算，得到车体的侧偏角β、车体的转向横向加速度a_y1、车体的横摆角ψ、车体侧倾角 

其中，车体的侧偏角 

u和v分别是v_C投影到车体纵轴和横轴得到的被测汽车车体在水平面内的纵向速度和横向速度，车体的横向加速度是a_y＝a_y1+a_y2，车体的转向横向加速度是 

车体的侧倾横向加速度是a_y2，车体的横摆角 车体侧倾角 

C点速度v_C＝v_A+v_CA，C点相对A点的相对速度为 

r为车体的横摆角速度，由惯性测量模块测得的车体横摆角速度r′经解算模块校正后发送给数据转换计算模块，d为A、B两点之间的距离；数据转换计算模块将上述计算得到车体的侧偏角β、车体的转向横向加速度a_y1、车体的横摆角ψ、车体侧倾角 

发送给解算模块；

(6)设置一个解算模块，惯性测量模块将上述测量得到的车体的横向加速度测量值a_y′、车体的纵向加速度测量值a_x′、车体的横摆角速度测量值r′、车体的侧倾角速度测量值p′发送给解算模块，解算模块利用卡尔曼滤波方法，校正上述惯性测量模块测量得到的车体的横向加速度测量值a_y′、车体的纵向加速度测量值a_x′、车体的横摆角速度测量值r′、车体的侧倾角速度测量值p′，得到校正后的车体的横向加速度a_y、车体的纵向加速度a_X、车体的横摆角速度r、车体的侧倾角速度p，解算模块根据上述车体的转向横向加速度a_y1及车体的横向加速度a_y，计算出车体的侧倾横向加速度：a_y2＝a_y-a_y1；

(7)解算模块将所得到的汽车动力学参数包括车体的侧偏角β、车体的横摆角ψ、车体的侧倾角 

车体的侧倾横向加速度a_y2、车体的纵向加速度a_X、车体的横摆角速度r、车体的侧倾角速度p经局域网总线接口输出用作汽车防侧翻控制的动力学参数输入量。 

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