CN103057543A - 一种基于车载gps的汽车侧偏角估计方法及硬件 - Google Patents

Abstract

一种基于车载GPS的汽车侧偏角估计方法及硬件，该硬件系统包括：车载GPS信号接收机，GPS信号采集模块，车轮角速度传感器，角速度信号采集模块，侧偏角估算微处理器；车轮角速度传感器包括左后轮角速度传感器、右后轮角速度传感器；车载GPS接收机与GPS信号采集模块用总线连接，车轮角速度传感器与角速度采集模块用总线连接，GPS信号采集模块与侧偏角估算微处理器用总线连接，角速度信号采集模块与侧偏角估算微处理器用总线连接。采用本发明所提出的估计方法，对于安装有ABS和车载GPS的汽车，仅需要在ECU中植入一个简单的程序即可实现GPS安装点处的侧偏角的估算，降低了经济成本，方法简便易行。

Description

一种基于车载GPS的汽车侧偏角估计方法及硬件

技术领域

本发明涉及一种基于车载GPS的侧偏角估计方法及硬件，可以作为陆上轮式车辆稳定性控制中质心侧偏角估计的参考，提高陆上轮式车辆的行驶稳定性，属于汽车电子控制领域。 

背景技术

在稳定性控制算法中，通常采用横摆角速度和质心侧偏角作为其控制参考量。其中，横摆角速度可以通过稳定性系统集成的横摆角速度传感器直接测量，但质心侧偏角难以低成本直接测量得到，需要通过测量其它车辆运动状态参量(转向盘转角、侧向加速度、横摆角速度等)并利用估算方法进行估计。因此，进行质心侧偏角估计的方法成为稳定性控制研究中的重点。 

专利CN 1862232 B中需要用到ESP中的方向盘转角传感器来辅助质心侧偏角的估计，对于未配置ESP系统的汽车，该方法有一定的局限性。专利CN 102009653A中用到的传感器较多，且其估计算法需要用到扩展卡尔曼滤波，算法较复杂。专利CN 102416956A中需要较多的参数来估计质心侧偏角，且需要GPS/INS或双GPS天线系统来采集信号。 

本专利，在充分的考虑经济性与实用性基础上，在配置GPS和ABS的汽车上通过简单的运算即可得出GPS安装点处的侧偏角。 

发明内容

本发明是为了提出一种经济实用的基于车载GPS的侧偏角估计方法及硬件。 

本发明所需的硬件设备包括：车载GPS信号接收机，GPS信号采集模块，车轮角速度传感器，角速度信号采集模块，侧偏角估算微处理器；车轮角速度传感器包括左后轮角速度传感器、右后轮角速度传感器；将车载GPS信号接收机与GPS信号采集模块通过总线连接，车轮角速度传感器与角速度传感器采集模块通过总线连接，GPS信号采集模块与侧偏角估算微处理器通过总线连接，角速度信号采集模块与侧偏角估算微处理器通过总线连接。 

本发明所提出的基于车载GPS的侧偏角估计方法包括： 

车载GPS信号接收机结合GPS信号采集模块可以得到其当前位置信息，也就得到了GPS安装点A处的位置信息，通过对位置信息的差分可以得到安装点A处的速度V_GPS；再者要测量出车载GPS信号接收机安装点A距离右后轮中心点所在车身纵向平面的距离d；从角速度信号采集模块分别得到左后轮的角速度ω_l和右后轮的角速度ω_r。 

由下式(1)，(2)式可以分别得到左后轮车轮中心点F沿车轮纵向平面的速度为V_wl，右后轮车轮中心点F沿车轮纵向平面的速度为V_wr，其中后轮的滚动半径为r； 

V_wl＝rω_l                (1) 

V_wr＝rω_r            (2) 

由式(3)可以得到车载GPS信号接收机的安装点A沿车身纵向平面的速度，其中后轮轮距为B₁； 

$V_{w1}=(1-\frac{d}{B_1})V_{\mathrm{wr}}+\frac{d}{B_1}{V}_{\mathrm{wl}}---\left(3\right)$

将(1)(2)式带入(3)得 

$V_{w1}=(1-\frac{d}{B_1})r{\mathrm{\ω}}_r+\frac{d}{B_1}r{\mathrm{\ω}}_l---\left(4\right)$

由式(5)可以得到车载GPS信号接收机的安装点A处的侧偏角β′ 

${\mathrm{\β}}^{\′}=\arccos \frac{V_{w1}}{V_{\mathrm{GPS}}}---\left(5\right).$

本发明所提供的基于车载GPS的侧偏角估计方法及硬件，对于配有ABS制动防抱死系统和车载GPS信号接收机的汽车不需要额外增加硬件，系统中包括的侧偏角估算微处理器就是汽车中一般的电控系统(例如行车电脑、电控燃油喷射系统、ABS、ESP)中的ECU，只需要将估算程序植入上述的ECU中即可。 

本发明所得出的GPS安装点处的侧偏角，其不需要限定GPS的安装位置，最终得到的结果虽然不一定是质心侧偏角，但是可以作为质心侧偏角的参考值，而且GPS安装点离质心点越近，本发明所得到的侧偏角越接近质心侧偏角，由式(5)可以看出β′的精度取决于由GPS位置信号差分得到的V_GPS、两后轮的角速度、两后轮轮胎的滚动半径。V_GPS的精度很高，由角速度传感器得到的两后轮的角速度大小很精确，车轮的滚动半径在转弯时变化不大。所以本发明所得到的GPS安装点处的侧偏角精度较高。 

附图说明

图1是本发明基本组成框架示意图； 

图2是根据刚体平面运动基本规律得到的四轮汽车运动学关系示意图； 

图3是本发明的硬件结构示意图； 

图4是本发明的程序的基本执行步骤。 

具体实施方式

下面对具体实施步骤进一步说明： 

一种基于车载GPS的汽车侧偏角估计方法及硬件，如图1所示，包括：车载GPS信号接收机，GPS信号采集模块，车轮角速度传感器，角速度信号采集模块，侧偏角估算微处理器；车轮角速度传感器包括左后轮角速度传感器、右后轮角速度传感器；将车载GPS信号接收机与GPS信号采集模块通过总线连接， 车轮角速度传感器与角速度传感器采集模块通过总线连接，GPS信号采集模块与侧偏角估算微处理器通过总线连接，角速度采集模块与侧偏角估算微处理器通过总线连接；角速度信号采集模块和GPS信号采集模块分别将采集到的信号通过总线传递到侧偏角估算微处理器中，由微处理器结合一定的估计方法进行运算，得出GPS安装点处的侧偏角。 

图2中四轮汽车运动学关系示意图，其中符号的含义如下： 

P——根据理论力学中刚体平面运动的基本规律，考虑轮胎侧偏特性之后得到的汽车运动瞬心的位置； 

A——车载GPS信号接收机的安装点； 

F——左后轮的中心点； 

G——右后轮的中心点； 

B——车载GPS信号接收机的安装点A所在车身纵平面与直线FG的相交点； 

D——从P点向车身的纵轴线引垂线PD的垂足； 

E——直线PD与左后轮车轮中心点F所在车身纵平面的相交点； 

C——直线PD与右后轮车轮中心点G所在车身纵平面的相交点； 

d——车载GPS信号接收机的安装点A与右后轮车轮中心点G所在车身纵平面的距离； 

α_rl——左后轮的轮胎侧偏角； 

α_rr——右后轮的轮胎侧偏角； 

B1——后轮轮距； 

r——后轮的滚动半径； 

V_GPS——车载GPS信号接收机的安装点A处的速度； 

V_rl——左后轮车轮中心点F的速度； 

V_wl——左后轮车轮中心点F沿车轮纵向平面的速度即沿点F所在车身纵向平面的速度； 

V_rr——右后轮车轮中心点F的速度为； 

V_wr——右后轮车轮中心点G沿车轮纵向平面的速度即沿点G所在车身纵向平面的速度； 

V₁——B点的速度为； 

V_wl——沿B点所在车身纵向平面的速度； 

另外： 

ω_l——左后轮角速度传感器采集得到左后轮的角速度； 

ω_r——右后轮角速度传感器采集得到右后轮的角速度； 

V_GPS——车载GPS信号采集模块得到的位置信息通过差分所得的行驶速度的大小数值； 

1根据理论力学中刚体平面运动的基本规律，由式(1)、(2)式可以得到左后轮车轮中心点F沿车轮纵平面方向的速度为V_wl，右后轮车轮中心点G沿车轮纵平面方向的速度为_Vwr 

V_wl＝rω_l             (1) 

V_wr＝rω_r             (2) 

2设汽车的横摆角速度为ω，则 

V_rl＝|PF|ω           (3) 

V₁＝|PB|ω            (4) 

V_rr＝|PG|ω           (5) 

|PF|＝|PE|/cosα_rl    (6) 

|PB|＝|PH|/cosα₁     (7) 

|PG|＝|PC|/cosα_rr    (8) 

V_wl＝V_rlcosα_rl      (9) 

V_wl＝V₁ cosα₁        (10) 

V_wr＝V_rr cosα_rr      (11) 

由(3)-(11)可得 

V_wl＝|PE|ω           (12) 

V_wl＝|PH|ω           (13) 

V_wr＝|PC|ω           (14) 

由(12)-(14)可以知道做平面运动的物体上任何两点的速度在这两点连线上的分量相等，可得 

$V_{w1}=(1-\frac{d}{B_1})V_{\mathrm{wr}}+\frac{d}{B_1}{V}_{\mathrm{wl}}---\left(15\right)$

将(1)，(2)式带入(15)得 

$V_{w1}=(1-\frac{d}{B_1})r{\mathrm{\ω}}_r+\frac{d}{B_1}r{\mathrm{\ω}}_l---\left(16\right)$

3已经得到的V_wl，即是车载GPS信号接收机的安装点A沿车身纵向平面的速度，因为平面运动的物体上任何两点的速度在这两点连线上的分量相等。由已经得到的V_GPS，可以得到车载GPS信号接收机的安装点A处的侧偏角为 

${\mathrm{\β}}^{\′}=\arccos \frac{V_{w1}}{V_{\mathrm{GPS}}}---\left(17\right)$

一种基于车载GPS的汽车的侧偏角估计方法及硬件，所述的车载GPS信号接收机即为用于导航和定位的GPS接收机，GPS信号采集模块即为用于导航和定位的GPS信号采集模块。 

一种基于车载GPS的汽车的侧偏角估计方法及硬件，所述的左后轮角速度传感器、右后轮角速度传感器即为ABS系统中的左后轮角速度传感器、右后轮角速度传感器；所述的角速度信号采集模块即为ABS系统的角速度信号采集模块。 

一种基于车载GPS的汽车的侧偏角估计方法及硬件，所述的侧偏角估算微处理器，对于配有ECU的汽车，侧偏角估算微处理器即为汽车已经配置的ECU。 

对于植入侧偏角估算微处理器中的程序执行步骤如下(见附图3)： 

首先将估算程序中将要用到的汽车的参数包括车载GPS信号接收机的安装点A与右后轮车轮中心点G所在车身纵向平面的距离d、后轮轮距为B1、后轮的滚动半径为r预先存储到存储器中。 

1.开始执行侧偏角估算程序； 

2.从存储器中读取参数：车载GPS信号接收机的安装点A与右后轮车轮中心点G所在车身纵向平面的距离d、后轮轮距为B1、后轮的滚动半径为r； 

3.从角速度采集模块中读取左后轮的角速度ω_l，和右后轮的角速度ω_r，从车载GPS信号采集模块中读取安装点A处速度的大小数值V_GPS； 

4.根据式(16)计算得到车载GPS信号接收机的安装点A沿车身纵向平面的速度V_wl； 

5.根据式(17)计算得到车载GPS信号接收机的安装点A处的侧偏角； 

6.输出计算所得侧偏角数值。 

7.返回步骤3，并重复执行步骤3-6。 

Claims (5)

1.一种基于车载GPS的汽车侧偏角估计方法及硬件，其特征在于：将车载GPS信号接收机与GPS信号采集模块通过总线连接，车轮角速度传感器与角速度采集模块通过总线连接，GPS信号采集模块与侧偏角估算微处理器通过总线连接，角速度采集模块与侧偏角估算微处理器通过总线连接；车轮角速度传感器包括左后轮角速度传感器、右后轮角速度传感器。 

2.根据权利要求1所述的基于车载GPS的汽车的侧偏角估计方法及硬件，其特征在于：不需要外加硬件设备，对于配有GPS接收机用于导航和定位的汽车，权利要求1所述的车载GPS信号接收机即为用于导航和定位的GPS接收机；权利要求1所述的GPS信号采集模块即为用于导航和定位的GPS信号采集模块。

3.根据权利要求1所述的基于车载GPS的汽车侧偏角估计方法及硬件，其特征在于：不需要外加硬件设备，对于配有ABS的汽车，权利要求1所述的左后轮角速度传感器、右后轮角速度传感器即为ABS系统中的左后轮角速度传感器、右后轮角速度传感器；权利要求1所述的角速度信号采集模块即为ABS系统的角速度信号采集模块。 

4.根据权利要求1所述的基于车载GPS的汽车侧偏角估计方法及硬件，其特征在于：不需要外加硬件设备，对于配有ECU的汽车，权利要求1所述的侧偏角估算微处理器即为汽车已经配置的ECU。 

5.一种对应于权利要求1所述硬件系统的汽车侧偏角估计方法，其特征在于：车载GPS信号接收机结合GPS信号采集模块可以得到其当前位置信息，也就得到了GPS安装点A处的位置信息，通过对位置信息的差分可以得到安装点A处的速度V_GPS；再者要测量出车载GPS信号接收机安装点A距离右后轮中心点所在车身纵向平面的距离d；从左后轮角速度传感器采集得到左后轮的角速度ω_l，从右后轮角速度传感器采集得到右后轮的角速度ω_r； 

由下式(1)，(2)式可以分别得到左后轮车轮中心点F沿车轮纵向平面的速度为V_wl，右后轮车轮中心点F沿车轮纵向平面的速度为V_wr，其中后轮的滚动半径为r； 

V_wl＝rω_l        (1) 

V_wr＝rω_r        (2) 

由式(3)可以得到车载GPS信号接收机的安装点A沿车身纵向平面的速度，其中后轮轮距为B₁； 

将(1)(2)式代入(3)得 

由式(5)可以得到车载GPS信号接收机的安装点A处的侧偏角β′ 

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