CN103968976B - 一种车轮运动状态矢量检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车轮运动状态矢量检测系统，包括力‑惯性测量组、信号传输组、连接轴；力惯性测量组和信号传输组之间通过连接轴连接；所述的信号传输组包括固定板、轴承、信号传输电路板、光电编码器、信号传输组壳体、壳体盖板；所述的连接轴贯穿信号传输组壳体和壳体盖板，连接轴通过轴承分别与信号传输组壳体和壳体盖板连接，信号传输电路板和光电编码器设置于信号传输组壳体内，固定板设置于信号传输组壳体上，并固定该信号传输组壳体。本发明提供一种具有力‑运动解耦的车轮状态监测系统与方法，可实时测量单个车轮所受的六维力/力矩，六维速度和六维加速度，共十八维车轮运动状态信号。

Description

一种车轮运动状态矢量检测系统和方法

技术领域

本发明属于汽车电子与智能监测领域，尤其涉及一种力-运动解耦的车轮状态监测系统，具体涉及车轮运动状态监测系统的结构组成与集成设计；同时还涉及多维力-运动信号的解耦方法，主要是对汽车行驶中车轮六维力信号的惯性误差去除，从而精确得到十八个自由度的车轮力-运动信号。

背景技术

汽车行驶是车轮与路面相互作用的结果，车轮的力和运动由路面输入，从根本上反映了汽车自身状态，在道路试验和智能交通中，具有无可替代的意义。具体来说，车轮在运动过程中一共存在十八维状态矢量，包括六维力/力矩(纵向力，侧向力，垂直力，侧倾力矩，驱动/制动扭矩，横摆力矩，简称F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z)，六维速度/角速度(纵向速度，侧向速度，垂直速度，纵向角速度，侧向角速度，垂直角速度，简称V_x，V_y，V_z，W_x，W_y，W_z)，六维加速度/角加速度(纵向加速度，侧向加速度，垂直加速度，纵向角加速度，侧向角加速度，垂直角加速度，简称a_x，a_y，a_z，α_x，α_y，α_z)。

早期的车轮传感器仅对转速进行测量。从20世纪70年代起，美国通用公司最早进行了车轮力/力矩传感器(Wheel Force Transducer,WFT)的研究，目前美、德、日以及中国均已有类似的产品。但由于WFT安装在高速旋转的车轮上，车辆进行运动，传感器存在滚动和平动两种方式，因而其测量始终处于一个运动场中。由牛顿惯性定律可知，运动场中的加速度矢量将会给WFT传感器带来附加的惯性力/力矩，使得实际测量的车轮力存在惯性分量叠加，导致WFT传感器的精度降低。因此，要提高车轮力测量准确性，必须从中剔除惯性力/力矩，即实现力-运动解耦。近年来，伴随着以MEMS为代表的运动传感器的发展，国外发达国家已经研发出兼具力和运动信号组合测量的装置与解耦技术，可同时检测并分离出车轮的速度，加速度以及力信号。我国在这方面的技术还处于理论阶段，主要在WFT传感器的开发，对于实现力-运动解耦的车轮多维监测技术还是空白；在汽车性能测试和道路试验中，往往采用借鉴国外参数或者经验方法，难有定量数据分析的设备和方法，且在实际中仍存在很多问题：

(1)进口设备的价格昂贵，不利于降低成本；

(2)采用的标准不同，不适合我国的技术标准；

(3)核心关键解耦技术实施封锁，不利于国产测试设备和车辆的自主研发。

因而，研发具有自主产权的系统和设装，以满足汽车公司和试验场对于车轮力-运动的测量技术的需求，对我国的汽车工业具有重要的意义。

现有技术中，ZL200320110714.5专利公开了一种汽车车轮多维力测量装置，是一种汽车行驶工况下车轮受力状态的实时测量装置；ZL200320110713.0公开了一种车轮多维力传感器，是一种汽车行驶工况检测系统中的力传感器；ZL201220102243.2和ZL201210071761.7公开了一种测量车轮六维力的传感器，由安装在车轮上的随着转动的旋转部分和与车辆本身相对静止的非旋转部分组成，能够实时测量单个车轮的六维力信号。然而，上述专利在实际应用还存在非常多的不足：

1、均为一般性的WFT传感器，仅是针对车轮所受的多维力测量，自由度最多为六，未涉及车轮速度和加速度等运动量测量，未能全面的反映车轮运动状态。

2、汽车以及车轮运动具有惯性，车轮力传感器测得的六维力信号中含有非常大的惯性力因素影响，测量输出中的误差较大。例如在汽车刹车和制动过程中，由于惯性而产生的动态力也将反映在其传感器的测量结果中，严重影响了测量精度。

3、WFT传感器的力信号解耦仅仅依靠车轮一维旋转角度获得，在实际的汽车测试中，通常还需结合其他的外部传感器如运动传感器，位移传感器等，未有集成的系统设备和方法，且此时的数据分析为离线处理。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种实现力-运动解耦的车轮状态监测系统与方法，实时测量单个车轮所受的六维力/力矩，六维速度/角速度以及和六维加速度/角加速度，共十八维车轮运动状态矢量信号。

技术方案：本发明的一种的车轮运动状态矢量检测系统，包括力-惯性测量组、信号传输组、连接轴；惯性测量组和信号传输组之间通过连接轴连接；所述的信号传输组包括固定板、轴承、信号传输电路板、光电编码器、信号传输组壳体、壳体盖板；所述的连接轴贯穿信号传输组壳体和壳体盖板，连接轴通过轴承分别与信号传输组壳体和壳体盖板连接，信号传输电路板和光电编码器设置于信号传输组壳体内，固定板设置于信号传输组壳体上，并固定该信号传输组壳体；所述的力-惯性测量组包括弹性体、惯性传感器、结构壳体、车轮内的改制轮辋、焊接法兰、内法兰、惯性传感器和采集电路板，所述的惯性传感器和采集电路板设置于结构壳体内，所述的弹性体还设置有刚性外环、刚性内环和六维车轮力传感器，所述的刚性内环由内法兰固定至至车轮的驱动半桥，所述的刚性外环通过焊接法兰固定至改制轮辋，所述六维车轮力传感器通过探测弹性体的形变测量得到六维车轮力；所述的六维车轮力传感器和惯性传感器的信号传送至采集电路板，所述的采集电路板将信号传送至信号传输电路板，所述的光电编码器的信号传输至信号传输电路板。

所述的力-惯性测量组件为六维WFT传感器和惯性传感器构成的组合式测量方法，用于测量车轮所受的十二维力-运动信号，实现信号的采集，调理和发送。整个结构组件主要由六维WFT车轮力传感器，三维MEMS陀螺仪，三维MEMS加速度计，采集电路板以及内置电源组成，固定于一个结构壳体内，可随车轮一起旋转。其中，WFT传感器用于测量车轮所受的六维力/力矩信号(F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z)，当汽车行驶时，地面-车轮的力加载到WFT的应变梁上并使之变形，粘贴在应变梁上的电阻应变片感受这种变形而产生阻值变化，再由组桥电路将其转变为弱的差动电压信号，通过采集板卡上的信号调理电路将该模拟电压信号滤波、放大，并经采集板卡上的微型控制器(Micro Control Unit,MCU)的A/D接口转换为数字信号缓存。与此同时，包含MEMS陀螺仪和MEMS加速度的惯性传感器，用于检测车轮的六维运动信号——三维角速度(W_x，W_y，W_z)和三维加速度(a_x，a_y，a_z)，该单元精确的安装于采集板卡所处的轮心位置处，可对车轮运动进行测量，并直接输出六维运动的数字信号。

在本发明一个较佳的实例中，采用由应变梁，刚性内环和刚性外环组成的轮辐对称式WFT弹性体(如图4)，该结构由弹性合金材料制成的一体式结构，其材料抗拉强度不小于980Mpa，屈服强度不小于840MPa，经表面热处理后，可承受很大的载荷又在弹性变形范围内；

在本发明一个较佳的实例中，采用美国InvenSense公司的MPU-6050惯性测量单元，该单元集成了三轴MEMS陀螺仪，三轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器，芯片尺寸小(4mm×4mm×0.9mm)方便集成，采用无引线方形封装，可承受最大10000g的冲击，寄存器之间通信采用400kHz的I2C接口，且读取和中断可用20MHz的SPI，以满足需要高速传输的应用。该传感器还存在可控测量范围，陀螺仪为±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速度计为±2，±4，±8，±16g，能够精确跟踪快速和慢速的运动，通过陀螺仪和加速度计各自的16位ADC，可将测量的模拟量转化为数字量输出，完全满足汽车行驶工况下车轮力信号的精度补偿。

在本发明一个较佳的实例中，力-惯性测量组件的采集电路板设计为便于安装的环形结构，主要集成了一块具有高速处理能力和低功耗要求的微型控制器(单片机，MCU)，以及一个用于对十二维信号进行发射和接收的一体式无线数字芯片，通过MCU的总线接口实现对无线传输芯片的驱动，将十二维的数字信号发送出去。选用美国Silicon Labs公司的C8051F021单片机，该单片机采用流水线指令结构，8位ADC的可编程转换速率达500ksps，内核速度达25MIPS，22个矢量中断源，3.3V低电压工作，满足对力-运动信号的高速处理，选用美国Nodic公司的无线数字传输芯片nRF2401，工作于2.4GHz～2.5GHz的全球免申请(ISM)频率，具有250Kbps、1Mbps高速数据传输速率。整个力-惯性测量组的电气元件由一组内置电源供电，固定安装于采集模块壳体内部。

所述的信号传输组用于将十二维数字信号进行接收，编码，打包并通过总线上传至上位机，主要包括光电编码器，信号传输电路板，连接轴及其轴承组成，该组件通过连接轴一端固定于力-惯性测量模块结构壳体，另一端经过两对轴承可贯穿于传输模块内部，整个模块组由一块固定板连接于车身上的支座，即相对于车身静止。同样地，信号传输电路板的上也集成了一块MCU和一体式无线数字芯片，通过MCU控制和驱动无线芯片进行接收，并实现与上位机的通信，将编码同步的数字信号回传给上位机。

在本发明一个较佳的实例中，采用12位单圈绝对式光电编码器作为转角位置反馈元件，可将车轮的转角以脉冲的形式输出，转速正比于脉冲频率，转角值正比于脉冲个数，实现十二维力-运动信号的实时坐标转换和信号同步编码，该车体-车轮坐标转换关系与ZL201210077400相同；采用的MCU和无线芯片与力-惯性测量组采集电路板相配套；组块内部的电气件同样由一块内置电源供电，固定安装于传输壳体内表面。

进一步地，弹性体(5)上设置有应变梁，所述的六维车轮力传感器为设置在应变梁上的若干个电阻应变片，所述惯性传感器(10)包括MEMS三轴陀螺仪和MEMS三周加速度传感器。

进一步地，所述的上位机系统主要由车载采集机硬件与力-运动解耦程序组成，用于对信号模块发送的十二维信号依次进行接收和数字滤波，信号补偿，多维解耦，最后实时输出结果显示。车载采集机为插卡式结构，采用一主多从的分布式架构，各个从模块独立、并行的对十二维力-运动信号接收，通过内置的卡尔曼滤波器进行简单降噪处理，数据汇总到主模块存贮；力-运动解耦程序主要包括信号补偿算法和力-运动解耦算法，先通过信号补偿算法将测得的十二维力-运动信号补偿为十八维力-运动信号，再由力-运动解耦算法剔除惯性力/力矩的分量耦合，最后存贮并精确输出显示十八维力-运动信号。

进一步地，采集电路板上设置有无线数字芯片，所述的采集电路板将无线信号传输至信号传输电路板；所述的车轮运动状态矢量检测系统还包括上位机，所述的信号传输电路板上设置有无线数字芯片，信号传输电路板将无线信号传输至上位机。

进一步地，上位机采用如下方法处理接收到的信号：

(1)读取上位机主存贮模块接收的十二维力-运动信号——六维力/力矩F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z，三维角速度W_x、W_y、W_z和三维加速度a_x、a_y、a_z；。

(2)预先存储的车轮半径数据R，根据接收到的力-运动信号由以下两式计算得到三维速度V_x、V_y、V_z和三维角加速度α_x、α_y、α_z，并将力-运动信号、三维速度V_x、V_y、V_z和三维角加速度α_x、α_y、α_z，定义为输入信号S；

V_i＝RW_i；

a_i＝Rα_i；

(3)读取预先存储的标定矩阵G和根据有限元分析计算得到的材料属性及应变梁相关系数λ，计算得到修正矩阵K＝G-λΔF/S；

(4)根据计算得到的修正矩阵K计算得到真实车轮力F_R＝K·S。

该方法即为信号补偿算法，其步骤原理为：

(1).读取上位机主存贮模块接收的十二维力-运动信号——六维力/力矩(F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z)，三维角速度(W_x，W_y，W_z)和三维加速度(a_x，a_y，a_z)。

(2).实时补偿计算出剩余六维运动信号——三维速度(V_x，V_y，V_z)和三维角加速度(α_x，α_y，α_z)。根据理论力学的刚体定轴转动公式可知，转动刚体上任一点的线矢量与该点的角矢量成正比，即

V_i＝RW_i (1)

a_i＝Rα_i (2)

式中，i＝x,y,z为相应的坐标方向。当已知车轮的三维角速度W_i和三维加速度a_i，给定的车轮滚动半径R，即可补偿计算出剩余三维速度V_i和三维加速度α_i，例如某轻型小汽车采用型号的175/65-R14轮胎，其正常胎压下滚动半径为由标准手册可查到为284mm。

(3).将补偿得到的六维运动信号与原十二维力-运动信号共同打包，即对十八维力-运动信号进行缓存，以供后续处理。

所述的力-运动解耦算法为利用运动信号(加速度信号a_i和补偿的角加速度α_i)来对惯性耦合分量进行计算和估计，并在WFT测量的六维力信号中将该部分剔除。其具体原理和实现步骤如下：

(1).各单维惯性力/力矩分量的等效计算。

根据牛顿定律和转动惯量等效定律，车轮所受的各个六维惯性力遵从公式：

ΔF_i＝ma_i (3)

ΔM_i＝J_iα_i (4)

式中，ΔF_i为i方向惯性力，ΔM_i为i方向惯性力矩，m和J_i分别为车轮的质量和绕i轴的转动惯量(已知常量)。显然，由加速度信号a_i和角加速度信号α_i，可计算各方向上的惯性力/力矩ΔF_i和ΔM_i。因而，算法程序中第一步为实时读取上位机缓存的三维加速度和三维角加速度，由式(3-4)计算相应方向的惯性力/力矩并暂存。

(2).惯性耦合分量引起的误差剔除(即传递系数的修正)。

由多维传感器的基本原理，输出信号与敏感元件存在关系

F_O＝G·S (5)

由传感器上的敏感元件(应变片)感受外部作用(力/力矩)而产生输入信号S，经由一个传递矩阵G解耦和放大，可得到六维信号输出F_O。当输入S中叠加进一个误差分量ΔS(由惯性力/力矩引起)时，将导致输出信号F_O含有放大的误差分量ΔF_O，可设修正后的传递矩阵为K，则可得

F_R＝K·S＝FO-δF＝G·S-δF (6)

式中，F_R为六维力/力矩的真值，F_O为六维力/力矩的输出值，δF为有效惯性载荷误差。

由于动态标定的难以实现，系数G为静力标定得到，未考虑动态输出的惯性因素影响。通过对矩阵G进行修正可减小或剔除这个误差，从而提高精度，即为实现本发明所述的惯性解耦。则由式(6)可得修正后的传递系数为

K＝G-δF/S (7)

显然，δF与惯性力(ΔF或ΔM)的大小和弹性体的载荷分布相关。即

δF＝λ·ΔF

由材料力学的变形位移方程，可求得与材料属性以及应变梁尺寸相关的系数λ；而当求解复杂时，可采用有限元分析，使用ANSYS软件将该弹性体划分单元并计算系数λ。整理式(6)～(7)得

K＝G-λΔF/S (8)

在本发明一个较佳的实例中，如一个由8个应变梁组成WFT其应变片排布组桥与ZL200320110714.5相同，按照上述方法可给出λ值的计算和传递系数修正。该WFT各通道输出为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=G_1\[(s_5+s_6)-(s_{13}+s_{14})\]\\ F_y=G_2\[(s_{18}+s_{20}+s_{22}+s_{24})-(s_{26}+s_{28}+s_{30}+s_{32})\]\\ F_z=G_3\[(s_{17}+s_{29})-(s_{21}+s_{25})\]\\ M_x=G_4\[(s_{17}+s_{29})-(s_{21}+s_{25})\]\\ M_y=G_5\[(s_3+s_7+s_{11}+s_{15})-(s_4+s_8+s_{12}+s_{16})\]\\ M_z=G_6\[(s_{19}+s_{31})-(s_{23}+s_{27})\]\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，S为各应变输出值，下标为对应的应变片编号(如图4所示)。

利用材料力学求解该WFT的有效惯性载荷方法如下。例如，当x方向存在惯性力ΔF_x时，载荷由8个对称的应变梁共同承担，即

ma_x＝ΔF_x＝2f_A+4f_B+2f_C (10)

式中，f表示惯性力ΔF_x分担给各应变梁的载荷大小，下标A、B、C分别表示应变梁A(沿着x方向)、应变梁B(沿着x逆时针旋转45度方向)、以及应变梁C(z轴向)。由材料力学的胡克定律，可得变形位移方程

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δl}}_C=\frac{f_{C}l}{EA}\\ {\mathrm{\Δl}}_A=\frac{f_A{l}^3}{12EI}\\ {\mathrm{\Δl}}_B=\frac{f_{B}l}{2EA}+\frac{f_B{l}^3}{24EI}\end{array}\right.---\left(11\right)$

式中，Δl为应变梁沿着x方向的位移，l为应变梁的长度，EA和EI分别为与材料拉压刚度和弯曲刚度系数。由于WFT弹性体内外环均为刚性，由变形协调关系可知，

Δl_A＝Δl_B＝Δl_C (12)

联立式(11)～(12)，可得

$f_C=\frac{{\mathrm{Al}}^2}{12I}{f}_A=(\frac{1}{2}+\frac{{\mathrm{Al}}^2}{24I})f_B={\mathrm{\λma}}_x={\mathrm{\λ\ΔF}}_i---\left(13\right)$

若采用有限元分析，使用ANSYS软件可将该弹性体划分为49846个单元，刚性内环视为固支约束，惯性力/力矩由外环的安装孔均匀施加，通过分析各个应变梁在x方向的应力，可得到载荷分布，从而亦可给出系数λ。载荷分布系数回代入式(8)可得修正后系数K。

按照上述类似方法，同理也可得其余5维惯性力的修正后的传递系数。故算法程序中第二步为实时读取前步中惯性力/力矩(ΔF或者ΔM)，利用式(8)计算出当前时刻解耦的标定系数K。

(3).实现力-运动解耦的十八维车轮状态矢量信号输出。

将第二步修正后的系数K回代入式(5)可得到惯性解耦的六维力信号F_R，并于其余十二维运动信号一并输出显示。

同样地，本发明还包括一种车轮运动状态矢量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)读取上位机主存贮模块接收的十二维力-运动信号——六维力/力矩F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z，三维角速度W_x、W_y、W_z和三维加速度a_x、a_y、a_z；。

(2)预先存储的车轮半径数据R，根据接收到的力-运动信号由以下两式计算得到三维速度V_x、V_y、V_z和三维角加速度α_x、α_y、α_z，并将力-运动信号、三维速度V_x、V_y、V_z和三维角加速度α_x、α_y、α_z，定义为输入信号S；

V_i＝RW_i；

a_i＝Rα_i；

(3)读取预先存储的标定矩阵G和根据有限元分析计算得到的材料属性及应变梁相关系数λ，计算得到修正矩阵K＝G-λΔF/S；

(4)根据计算得到的修正矩阵K计算得到真实车轮力F_R＝K·S。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明提供一种具有力-运动解耦的车轮状态监测系统与方法，可实时测量单个车轮所受的六维力/力矩，六维速度和六维加速度，共十八维车轮运动状态信号。该装置利用从惯性测量单元得到的加速度/角加速度信息对WFT传感器的惯性影响进行解耦，补偿了运动信号，提高了WFT传感器的六维力测量精度。

附图说明

图1为本发明的车轮右手正交坐标系和十八维状态矢量图；

图2为本发明的装置结构组成图；

图3为本发明的系统原理示意图；

图4为本发明的传感器弹性体结构及其解耦电路组桥；

图5为本发明所述的传感装置-车体安装示意图

图6为本发明所述的信号补偿算法流程图

图7为本发明所述的力-运动解耦算法流程图。

图8为本发明所述的力-惯性测量组的电路框图。

图9为本发明所述的惯性传感器(MPU-60X0)与控制单元(MCU)的电路连接图

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示为本发明装置所测量的车轮右手正交坐标系，垂直于驱动半桥2的车轮1所在的旋转平面为车轮平面，坐标系的原点为O。所测量的十八维车轮运动矢量为三个坐标轴方向上相互垂直的力和力矩矢量，速度和角速度矢量，以及加速度和角加速度矢量：分别为纵向力F_x，侧向力F_y，垂直力F_z，侧倾力矩M_x,，驱动/制动扭矩M_y，横摆力矩M_z；纵向速度V_x，侧向速度V_y，垂直速度V_z，纵向角速度W_x，侧向角速度W_y，垂直角速度W_z；纵向加速度a_x，侧向加速度a_y，垂直加速度a_z，纵向角加速度α_x，侧向角加速度α_y，垂直角加速度α_z。所有矢量以沿着坐标轴方向、绕坐标轴逆时针旋转为正方向。

一种具有力-运动解耦的车轮状态实时监测系统与方法，其系统总体结构设计如图2所示，系统原理见图3。该系统主要包括力-惯性测量组18，信号传输组19和上位机三个部分，通过连接轴11和外部固定板13连接起来。

所述的力-惯性测量组18为六维WFT传感器和惯性传感器10构成的组合式测量方法，用于测量车轮所受的十二维力-运动信号，实现信号的采集，调理和发送。整个结构组件主要由六维WFT车轮力传感器，惯性传感器10，采集电路板9以及内置电源组成，固定于一个结构7壳体内，可随车轮一起旋转。其中，WFT传感器用于测量车轮所受的六维力/力矩信号(F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z)，当汽车行驶时，地面-车轮的力通过改制轮辋4上的焊接法兰3施加在弹性体5的刚性外环上，其刚性内环则由内法兰6螺栓连接于汽车的驱动半桥，弹性体5的应变梁表面粘贴的电阻应变片感受变形并产生阻值变化，再由组桥电路板8将其转变为弱的差动电压信号，通过采集电路板9上的信号调理电路将该模拟电压信号滤波、放大，并在采集电路板9上的微型控制器(Micro Control Unit,MCU)的A/D接口转换为数字信号缓存。与此同时，惯性传感器10内的MEMS陀螺仪和MEMS加速度，分别用于检测车轮的六维运动信号——三维角速度(W_x，W_y，W_z)和三维加速度(a_x，a_y，a_z)，该单元精确的安装于采集电路板9所处的轮心位置处，可对车轮运动进行测量，并直接输出六维运动的数字信号。

其中，六维WFT传感器采用由应变梁，刚性内环和刚性外环组成的轮辐对称式WFT弹性体，如图4所示为弹性体结构图及其应变片组桥，该结构由弹性合金材料制成的一体式结构，其材料抗拉强度不小于980Mpa，屈服强度不小于840MPa，经表面热处理后，可承受很大的载荷又在弹性变形范围内。

惯性传感器10为美国InvenSense公司的MPU-6050惯性传感器，该单元集成了三轴MEMS陀螺仪，三轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器，芯片尺寸小(4mm×4mm×0.9mm)方便集成，采用无引线方形封装，可承受最大10000g的冲击，寄存器之间通信采用400kHz的I2C接口，且读取和中断可用20MHz的SPI，以满足需要高速传输的应用。该传感器还存在可控测量范围，陀螺仪为±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速度计为±2，±4，±8，±16g，能够精确跟踪快速和慢速的运动，通过陀螺仪和加速度计各自的16位ADC，可将测量的模拟量转化为数字量输出，完全满足汽车行驶工况下车轮力信号的精度补偿。

力-惯性测量组件的采集电路板9设计为便于安装的环形结构，集成了一块具有高速处理能力和低功耗要求的MCU以及一个用于对十二维信号进行发射和接收的一体式无线数字芯片，通过MCU的总线接口实现对无线传输芯片的驱动，将十二维的数字信号发送出去。选用美国Silicon Labs公司的C8051F021单片机，该单片机采用流水线指令结构，8位ADC的可编程转换速率达500ksps，内核速度达25MIPS，22个矢量中断源，3.3V低电压工作，满足对力-运动信号的高速处理，选用美国Nodic公司的无线数字传输芯片nRF2401，工作于2.4GHz～2.5GHz的全球免申请(ISM)频率，具有250Kbps、1Mbps高速数据传输速率。整个力-惯性测量组的电气元件由一组内置电源供电，固定安装于采集模块壳体内部。

图8给出了力-惯性测量组的电路框图及其接口连接形式。六维力信号由A/D转换为数字信号，运动信号由MPU6050的12C接口通信，编码器则将角度信号通过串口输入，一块C8051F021作为控制控制器与无线发射器进行通信，并将信号发送出去，运动传感器MPU-60X0与C8051F02的管脚连接由图9所示，通过I2C总线方式，可满足惯性测量的需求。

所述的信号传输组19用于将十二维数字信号进行接收，编码，打包并通过总线上传至上位机，主要包括光电编码器15，信号传输电路板14，内置电源，连接轴11及其轴承12，传输模块壳体16及其壳体塑料盖17组成，该组件通过连接轴11一端固定于力-惯性测量模块结构壳体7，另一端经过两对轴承12可贯穿于传输模块内部，整个模块组由传输模块壳体16和壳体塑料盖17封装，并经一块固定板13连接于车身上的支座，即实现相对于车身的静止。同样地，信号传输电路板14也集成了一块MCU和一体式无线数字芯片，通过MCU控制和驱动无线芯片进行接收，并实现与上位机的通信，将编码同步的数字信号回传给上位机。采用12位单圈绝对式光电编码器作为转角位置反馈元件，可将车轮的转角以脉冲的形式输出，转速正比于脉冲频率，转角值正比于脉冲个数，实现十二维力-运动信号的实时坐标转换和信号同步编码，该车体-车轮坐标转换关系与ZL201210077400相同；采用的MCU和无线芯片与力-惯性测量组采集电路板相配套；组块内部的电气元件同样由一块内置电源供电，固定安装于传输壳体内表面。

所述的上位机系统主要由车载采集机硬件与力-运动解耦程序组成，用于对信号模块发送的十二维信号依次进行接收和数字滤波，信号补偿，多维解耦，最后实时输出结果显示。车载采集机为插卡式结构，采用一主多从的分布式架构，各个从模块独立、并行的对十二维力-运动信号接收，通过内置的卡尔曼滤波器进行简单降噪处理，数据汇总到主模块存贮；力-运动解耦程序主要包括信号补偿算法和力-运动解耦算法，先通过信号补偿算法将测得的十二维力-运动信号补偿为十八维力-运动信号，再由力-运动解耦算法剔除惯性力/力矩的分量耦合，最后存贮并精确输出显示十八维力-运动信号。

其中，结合信号补偿算法流程图6，其主要步骤为：

(1).读取上位机主存贮模块接收的十二维力-运动信号——六维力/力矩(F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z)，三维角速度(W_x，W_y，W_z)和三维加速度(a_x，a_y，a_z)。

(2).实时补偿计算剩余六维运动信号——三维速度(V_x，V_y，V_z)和三维角加速度(α_x，α_y，α_z)。根据理论力学的刚体定轴转动公式可知，转动刚体上任一点的线矢量与该点的角矢量成正比，即

V_i＝RW_i (2.1)

a_i＝Rα_i (2.2)

式中，i＝x,y,z为相应的坐标方向。当已知车轮的三维角速度W_i和三维加速度a_i，给定的车轮滚动半径R，即可补偿计算出剩余三维速度V_i和三维加速度α_i，例如小汽车采用型号的175/65-R14轮胎，其正常胎压下滚动半径可查标准手册可为284mm。

(3).将补偿得到的六维运动信号与原十二维力-运动信号一并输出并缓存，以供后续处理。

力-运动解耦算法为利用运动信号(加速度信号a_i和补偿的角加速度α_i)来对惯性耦合分量进行计算，并在测量的六维力信号中将该部分影响剔除。结合流程图7，其主要步骤如下：

(1).各单维惯性力/力矩分量的等效计算。根据牛顿定律和转动惯量等效定律，车轮所受的各个六维惯性力遵从公式：

ΔF_i＝ma_i (2.3)

ΔM_i＝J_iα_i (2.4)

显然，由加速度信号a_i和角加速度信号α_i，可计算各方向上的惯性力/力矩(ΔF_i或ΔM_i)的大小。

(2).惯性耦合分量引起的误差剔除。由多维传感器的基本原理，传感器上的敏感元件(应变片)感受外部作用(力/力矩)而产生输入信号S，当S中叠加进一个误差分量(由惯性力/力矩引起)时，将导致输出F_O含有放大的误差分量ΔF_O，则可得

F_R＝F_O-δF＝G·S-δF＝K·S (2.5)

式中，F_R为六维力/力矩的真值，F_O为六维力/力矩的输出值，δF为有效惯性载荷误差，G为标定矩阵，K为修正后矩阵。由于动态标定的难以实现，传递系数G为静力标定得到，未考虑动态输出的惯性因素影响。通过对矩阵G进行修正可减小或剔除这个误差，从而提高精度，即为实现惯性解耦。则由式(2.5)可得

K＝G-δF/S (2.6)

因而惯性解耦的关键步骤为有效惯性载荷δF的确认。显然，δF与惯性力(ΔF或ΔM)的大小和弹性体的载荷分布相关。即

δF＝λ·ΔF (2.7)

通过材料力学变形位移方程，λ为与材料属性以及应变梁尺寸相关的系数；而当求解复杂时，可采用有限元分析，使用ANSYS软件将该弹性体划分单元并计算系数λ。整理，得

K＝G-λΔF/S (2.8)

在本发明一个较佳的实例中，如一个由8个应变梁组成WFT其应变片排布组桥与ZL200320110714.5相同，通过按照有限元计算可给出λ值，同时回代入式(2.8)可求得修正的传递系数K。算法程序中，采用实时并行读取六维广义力F(t)信号和六维加速度/角速度信号(a_i(t)、α_i(t))，以提高处理速度，然后解算出实时修正的标定系数。

(3).力-运动解耦的十八维车轮状态矢量信号输出。将修正后的系数K回代入式(2.6)可得到惯性解耦的六维力信号F_R，并于其余十二维运动信号一并输出显示。

如图5所示为本发明所述的传感装置-车体安装示意图，上位机置于汽车驾驶室内，采用横置于汽车前盖的一杆做辅助固定支撑，下置两个吸盘或支撑座连接。结构壳体与端盖封装处均采用密封圈密封。

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。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (3)

1.一种的车轮运动状态矢量检测系统，其特征在于，包括力-惯性测量组(18)、信号传输组(19)、连接轴(11)；力-惯性测量组(18)和信号传输组(19)之间通过连接轴(11)连接；所述的信号传输组(19)包括固定板(13)、轴承(12)、信号传输电路板(14)、光电编码器(15)、信号传输组壳体(16)、壳体盖板(17)；所述的连接轴(11)贯穿信号传输组壳体(16)和壳体盖板(17)，连接轴(11)通过轴承(12)分别与信号传输组壳体(16)和壳体盖板(17)连接，信号传输电路板(14)和光电编码器(15)设置于信号传输组壳体(16)内，固定板(13)设置于信号传输组壳体(16)上，并固定该信号传输组壳体(16)；所述的力-惯性测量组(18)包括弹性体(5)、惯性传感器(10)、结构壳体(7)、车轮内的改制轮辋(4)、焊接法兰(3)、内法兰(6)和采集电路板(9)，所述的惯性传感器和采集电路板(9)设置于结构壳体(7)内，所述的弹性体(5)还设置有刚性外环、刚性内环和六维车轮力传感器，所述的刚性内环由内法兰(6)固定至至车轮的驱动半桥，所述的刚性外环通过焊接法兰(3)固定至改制轮辋(4)，所述六维车轮力传感器通过探测弹性体的形变测量得到六维车轮力；所述的六维车轮力传感器和惯性传感器(10)的信号传送至采集电路板(9)，所述的采集电路板(9)将信号传送至信号传输电路板(14)，所述的光电编码器(15)的信号传输至信号传输电路板(14)；

所述的采集电路板(9)上设置有无线数字芯片，所述的采集电路板(9)将无线信号传输至信号传输电路板(14)；所述的车轮运动状态矢量检测系统还包括上位机，所述的信号传输电路板上(14)设置有无线数字芯片，信号传输电路板(14)将无线信号传输至上位机；

所述的上位机采用如下方法处理接收到的信号：

(1)读取上位机主存贮模块接收的十二维力-运动信号——六维力/力矩Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，三维角速度Wx、Wy、Wz和三维加速度ax、ay、az；

(2)预先存储的车轮半径数据R，根据接收到的力-运动信号由以下两式计算得到三维速度Vx、Vy、Vz和三维角加速度αx、αy、αz，并将力-运动信号、三维速度Vx、Vy、Vz和三维角加速度αx、αy、αz，定义为输入信号S；

Vi＝RWi；

ai＝Rαi；i＝x,y,z为相应的坐标方向，车轮半径数据R

(3)读取预先存储的标定矩阵G和根据有限元分析计算得到的材料属性及应变梁相关系数λ，计算得到修正矩阵；

(4)根据计算得到的修正矩阵K计算得到真实车轮力FR＝K·S。

2.根据权利要求1所述的车轮运动状态矢量检测系统，其特征在于，所述的弹性体(5)上设置有应变梁，所述的六维车轮力传感器为设置在应变梁上的若干个电阻应变片，所述惯性传感器(10)包括MEMS三轴陀螺仪和MEMS三轴加速度传感器。

3.一种车轮运动状态矢量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)读取上位机主存贮模块接收的十二维力-运动信号——六维力/力矩F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z，三维角速度W_x、W_y、W_z和三维加速度a_x、a_y、a_z；

(2)预先存储的车轮半径数据R，根据接收到的力-运动信号由以下两式计算得到三维速度V_x、V_y、V_z和三维角加速度α_x、α_y、α_z，并将力-运动信号、三维速度V_x、V_y、V_z和三维角加速度α_x、α_y、α_z，定义为输入信号S，i＝x,y,z为相应的坐标方向，ΔF_i＝ma_i，m为车轮的质量；

V_i＝RW_i；

a_i＝Rα_i；

(3)读取预先存储的标定矩阵G和根据有限元分析计算得到的材料属性及应变梁相关系数λ，计算得到修正矩阵K＝G-λΔF/S；

(4)根据计算得到的修正矩阵K计算得到真实车轮力F_R＝K·S。