CN102853968A - 车轮加载弯矩检测系非正交测量误差修正方法 - Google Patents

Abstract

车轮加载弯矩检测系非正交测量误差修正方法属于电子信号处理技术领域。现有技术须借助专门的高精度辅助系统来建立试验环境。本发明先就加载弯矩检测值(x′，y′)做相关运算，再确定非正交误差角

然后由修正矩阵修正加载弯矩检测值(x′，y′)中的非正交误差，得到修正后的加载弯矩检测值即修正值(x，y)。再将该修正值作为车轮旋转弯曲疲劳试验机加载控制的反馈量控制弯矩加载。本发明无须借助专门的高精度辅助系统来建立试验环境，在理论上能够完全消除非正交测量误差，并且该方法具有与现有技术相当的修正精度。

Description

车轮加载弯矩检测系非正交测量误差修正方法

技术领域

本发明涉及一种车轮加载弯矩检测系非正交测量误差修正方法，使用车轮旋转弯曲疲劳试验机对车轮进行弯曲疲劳试验，采用本发明之方法能够提高车轮加载弯矩精度，属于电子信号处理技术领域。

背景技术

车轮旋转弯曲疲劳试验机是一种为车轮提供动态弯矩，模拟汽车在行驶中车轮所承受的动态载荷的试验设备，其试验方法如下：两个弯矩检测传感器安装在加载臂上，构成正交检测系。弯矩加载电机旋转带动偏心质量块回转，为试验车轮提供激励，通过加载臂为试验车轮提供加载弯矩，由正交检测系实时检测试验车轮加载弯矩值，并输送至控制器，控制器将该检测值作为反馈量通过调节弯矩加载电机转速控制试验机加载弯矩值。如果反馈量小于给定弯矩，则弯矩加载电机加速旋转，反之，弯矩加载电机减速旋转，实现车轮旋转弯曲疲劳试验的闭环控制。但是，由于弯矩检测传感器安装误差等原因，正交检测系存在非正交测量误差，反馈的弯矩圆椭圆化，加大了车轮旋转弯曲疲劳试验机加载弯矩控制误差，造成了被测车轮的某个方向疲劳破坏加速，同时也降低了对车轮弯曲疲劳性能评价的一致性。按照中国国家标准规定，源自非正交原因造成的车轮加载弯矩误差不超过±2.5％。因此，必须对车轮旋转弯曲疲劳试验机车轮加载弯矩非正交测量误差进行修正。现有技术采用建立特定环境方法来解决非正交测量误差修正问题。如专利号为201010192636.2、名称为“三轴矢量传感器及两轴矢量传感器的标定补偿方法”的一件中国专利公开了一种方案，该方案涉及一种两轴矢量传感器的标定补偿方法，该方法通过建立矢量传感器的误差修正数学模型，选取某一已知准确测量点作为两轴矢量传感器标定的理论值，标定补偿矢量传感器的测量结果。再如一篇发表在《水雷战与舰船防护》2009年2月第17卷第1期第53～55页，题目为“三轴传感器正交性误差分析及测量方法研究”的文献公开了一种利用三轴转台来修正磁传感器三轴非正交性误差的方法，所述三轴转台须具有较高的三轴垂直度和较小的角度误差，同时还必须产生一个磁场强度均匀且恒定的磁场。所述两项现有技术存在的问题一是都需要借助专门的高精度辅助系统来建立试验环境，提供非正交误差修正的理论值，二是由于对传感器非正交误差修正精度的要求越来越高，建立试验环境的难度和成本也越来越高。

发明内容

本发明其目的在于，借助现有车轮旋转弯曲疲劳试验机控制器，以纯粹的数学手段修正车轮加载弯矩检测系非正交测量误差，为此我们提出本发明之车轮加载弯矩检测系非正交测量误差修正方法，与现有技术相比，该方法无须借助专门的高精度辅助系统来建立试验环境，只是根据车轮加载弯矩检测值确定非正交测量误差修正矩阵，由车轮旋转弯曲疲劳试验机控制器先行修正该检测值中的非正交误差，再将修正后的检测值即修正值作为试验机弯矩加载控制的反馈量控制弯矩加载，本方法与现有技术具有相当的修正精度。

本发明之修正方法其特征在于，先就加载弯矩检测值(x′，y′)做相关运算，再确定非正交误差角

式(1)中：R_x′y′(0)为x′方向加载弯矩检测值和y′方向加载弯矩检测值无延时的互相关运算值，R_x′x′(0)为x′方向加载弯矩检测值无延时自相关运算值，R_y′y′(0)为y′方向加载弯矩检测值无延时自相关运算值，x′方向和y′方向为弯矩非正交检测系的方向轴；

然后由修正矩阵

修正加载弯矩检测值(x′，y′)中的非正交误差，得到修正后的加载弯矩检测值即修正值(x，y)：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]---\left(3\right)$

式(2)中：σ_x′和σ_y′分别为x′方向和y′方向加载弯矩检测值幅值。

本发明之修正方法其效果在于，车轮加载弯矩检测系非正交误差修正前弯矩圆(应力圆)半径误差δ_r′为：

${\mathrm{\δ}}_{r^{\′}}=\frac{{r^{\′}}_M-{r^{\′}}_m}{{r^{\′}}_M+{r^{\′}}_m}\×100\%---\left(4\right)$

其中：

车轮加载弯矩检测系非正交误差修正后弯矩圆半径误差δ_r为：

${\mathrm{\δ}}_r=\frac{|{\mathrm{\σ}}_{x^{\′}}-{\mathrm{\σ}}_{y^{\′}}|}{{\mathrm{\σ}}_{x^{\′}}+{\mathrm{\σ}}_{y^{\′}}}\×100\%---\left(5\right)$

由式(4)和式(5)可知，修正前的弯矩圆半径误差δ_r′是非正交测量误差角

的函数，修正后的弯矩圆半径误差δ_r与非正交测量误差角无关，说明本发明之非正交测量误差修正方法在理论上能够完全消除非正交测量误差，见图3所示。

可见，本发明之修正方法无须借助专门的高精度辅助系统来建立试验环境，只是根据车轮加载弯矩检测值确定非正交测量误差修正矩阵，并将修正方法编成程序(见图4所示)植入车轮旋转弯曲疲劳试验机控制器，由车轮旋转弯曲疲劳试验机控制器先行修正该检测值中的非正交误差，再将修正后的加载弯矩检测值即修正值作为试验机加载控制的反馈量控制弯矩加载。由于本发明之非正交测量误差修正方法在理论上能够完全消除非正交测量误差，因此，所述的修正值(x，y)实际上等于在弯矩理想正交检测系xOy中的加载弯矩检测值。并且该方法具有与本说明书背景技术部分所述两项具体现有技术相当的修正精度。

本发明之方法先就加载弯矩检测值做相关运算，能够减少以弯矩检测传感器检测噪声和车轮旋转弯曲疲劳试验机振动噪声为主要噪声源对非正交误差角计算精度的影响。

附图说明

图1是现有车轮旋转弯曲疲劳试验机结构及试验方法示意图。图2是现有车轮旋转弯曲疲劳试验机车轮加载弯矩检测系示意图。图3是采用本发明之方法修正车轮加载弯矩检测系非正交误差之前与之后的弯矩圆，该图兼作摘要附图。图4是本发明之修正方法程序框图。

具体实施方式

1、车轮旋转弯曲疲劳试验机结构及试验方法

见图1所示，该试验机由x′方向弯矩检测传感器2、加载臂3、弯矩加载电机4、偏心质量块5、机架6、y′方向弯矩检测传感器7和控制器8组成。弯矩加载电机4旋转带动偏心质量块5旋转，为试验车轮1提供激励，通过加载臂3为试验车轮1提供加载弯矩，由x′方向弯矩检测传感器2和y′方向弯矩检测传感器7实时检测试验车轮1加载弯矩大小，并将加载弯矩检测值(x′，y′)通过电缆传送给控制器8，控制器8修正该检测值中的非正交误差得到修正值(x，y)，将该修正值作为试验机加载控制的反馈量，通过电缆控制弯矩加载电机4转速。如果反馈量小于给定弯矩，则弯矩加载电机4加速旋转，反之，弯矩加载电机4减速旋转，实现车轮旋转弯矩闭环控制。

2、就加载弯矩检测值(x′，y′)做相关运算

见图1、图2所示，由x′方向弯矩检测传感器2和y′方向弯矩检测传感器7建立x′Oy′弯矩检测系，该检测系由x′轴与y′轴构成，记为弯矩非正交检测系。由x轴、y轴构成的xOy系为相对于x′Oy′弯矩检测系的弯矩理想正交检测系。设x′轴与x轴重合，y′轴与y轴的夹角为x′Oy′弯矩检测系非正交误差角

由弯矩检测传感器的安装误差所引起。在x′Oy′弯矩检测系中，加载弯矩检测值(x′，y′)表示为：

式(6)中：σ_x′和σ_y′分别为x′方向和y′方向加载弯矩检测值幅值，N_x′和N_y′表示噪声，该噪声以弯矩检测传感器检测噪声和车轮旋转弯曲疲劳试验机振动噪声为主要噪声源，ω为加载弯矩角频率，

为加载弯矩初相位。

噪声N_x′和N_y′影响了非正交误差角

的准确计算。而相关运算是信号检测领域中常用的噪声滤波算法，该算法具有良好的去噪能力。因此，需要就加载弯矩检测值(x′，y′)，也就是式(6)做相关运算。

$R_{x^{\′}{x}^{\′}}\left(0\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{x}^{\′}\left(t\right)x^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

$R_{y^{\′}{y}^{\′}}\left(0\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{y}^{\′}\left(t\right)y^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(8\right)$

$R_{x^{\′}{y}^{\′}}\left(0\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{x}^{\′}\left(t\right)y^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(9\right)$

式(7)～(9)中：T为加载弯矩检测值(x′，y′)的周期。

3、非正交误差角

的计算

把式(7)、(8)和(9)代入式(1)得非正交误差角

4、修正加载弯矩检测值(x′，y′)

由修正矩阵(2)及式(3)修正加载弯矩检测值(x′，y′)中的非正交测量误差，得到修正后的加载弯矩检测值即修正值。

将上述修正过程编写为计算机程序并植入车轮旋转弯曲疲劳试验机控制器8，由车轮旋转弯曲疲劳试验机控制器8先行修正加载弯矩检测值(x′，y′)中的非正交误差，再将修正后的加载弯矩检测值即修正值(x，y)作为试验机弯矩加载控制的反馈量控制弯矩加载，所述计算机程序框图见图4所示。

修正矩阵(2)的推导过程如下：

由于本发明之非正交测量误差修正方法在理论上能够完全消除非正交测量误差，因此，所述的修正值(x，y)实际上等于在弯矩理想正交检测系xOy中的加载弯矩检测值。于是，在弯矩理想正交检测系xOy中，加载弯矩检测值也采用(x，y)表示，有：

式中：σ_x和σ_y分别为x方向和y方向加载弯矩检测值幅值，N_x和N_y表示噪声，ω为加载弯矩角频率，

为加载弯矩初相位。

由于加载弯矩为旋转矢量，且车轮旋转弯曲疲劳试验机制造后其力学特性基本稳定，因此，加载弯矩检测幅值和噪声分布与坐标系方位无关，即σ_x＝σ_x′，σ_y＝σ_y′，N_x＝N_x′，N_y＝N_y′；同时，由于本发明之修正方法针对的是加载弯矩检测系非正交测量误差的修正，因此，在不考虑噪声的情况下，将式(5)带入式(11)，得到加载弯矩检测值修正模型：

根据式(11)得到弯矩修正矩阵(2)。

在不考虑噪声情况下，车轮加载弯矩检测系非正交误差修正前弯矩圆半径r′为：

$r^{\′}=\sqrt{x^{\′2}+y^{\′2}}---\left(12\right)$

在不考虑噪声情况下，车轮加载弯矩检测系非正交误差修正后弯矩圆半径r为：

根据式(12)和式(13)绘制修正前后的弯矩圆图形，见图3所示，修正后弯矩圆用虚线表示，修正前的弯矩圆用实线表示。可见车轮加载弯矩检测系非正交测量误差经修正后，弯矩圆椭圆度减小，加载弯矩精度提高。

Claims (5)

1.一种车轮加载弯矩检测系非正交测量误差修正方法，其特征在于，先就加载弯矩检测值(x′，y′)做相关运算，再确定非正交误差角

式(1)中：R_x′y′(0)为x′方向加载弯矩检测值和y′方向加载弯矩检测值无延时的互相关运算值，R_x′x′(0)为x′方向加载弯矩检测值无延时自相关运算值，R_y′y′(0)为y′方向加载弯矩检测值无延时自相关运算值，x′方向和y′方向为弯矩非正交检测系的方向轴；然后由修正矩阵

修正加载弯矩检测值(x′，y′)中的非正交误差，得到修正后的加载弯矩检测值即修正值(x，y)：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right]---\left(3\right),$

式(2)中：σ_x′和σ_y′分别为x′方向和y′方向加载弯矩检测值幅值。

2.根据权利要求1所述的车轮加载弯矩检测系非正交测量误差修正方法，其特征在于，将加载弯矩检测值(x′，y′)通过电缆传送给车轮旋转弯曲疲劳试验机控制器(8)，控制器(8)修正该检测值中的非正交误差得到修正值(x，y)，将该修正值作为试验机加载控制的反馈量，通过电缆控制弯矩加载电机(4)转速。

3.根据权利要求1所述的车轮加载弯矩检测系非正交测量误差修正方法，其特征在于，所述弯矩非正交检测系由x′方向弯矩检测传感器(2)和y′方向弯矩检测传感器(7)建立的x′Oy′弯矩检测系，该检测系由x′轴与y′轴构成。

4.根据权利要求1或3所述的车轮加载弯矩检测系非正交测量误差修正方法，其特征在于，由x轴、y轴构成的xOy系为相对于x′Oy′弯矩检测系的弯矩理想正交检测系，设x′轴与x轴重合，y′轴与y轴的夹角为x′Oy′弯矩检测系非正交误差角

5.根据权利要求4所述的车轮加载弯矩检测系非正交测量误差修正方法，其特征在于，在x′Oy′弯矩检测系中，加载弯矩检测值(x′，y′)表示为：

式(6)中：σ_x′和σ_y′分别为x′方向和y′方向加载弯矩检测值幅值，N_x′和N_y′表示噪声，该噪声以弯矩检测传感器检测噪声和车轮旋转弯曲疲劳试验机振动噪声为主要噪声源，ω为加载弯矩角频率，

为加载弯矩初相位，就加载弯矩检测值(x′，y′)，也就是式(6)做相关运算：

$R_{x^{\′}{x}^{\′}}\left(0\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{x}^{\′}\left(t\right)x^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(7\right),$

$R_{y^{\′}{y}^{\′}}\left(0\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{y}^{\′}\left(t\right)y^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(8\right),$

$R_{x^{\′}{y}^{\′}}\left(0\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{x}^{\′}\left(t\right)y^{\′}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(9\right),$

式(7)～(9)中：T为加载弯矩检测值(x′，y′)的周期。

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