CN104061943B - 车辆速度与里程辅助测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆速度与里程辅助测量系统及其测量方法，所述测量系统包括车辆驱动轮、辅助轮、测量元件、弹性支架、车辆支架、辅助轮转轴合页、辅助轮转轴，弹性支架的一端固定安装在车辆支架上，弹性支架的另一端利用自身弹性压在辅助轮转轴上，辅助轮转轴的一端通过辅助轮转轴合页安装在车辆支架上并可绕辅助轮转轴合页旋转，辅助轮转轴的另一端安装有辅助轮，弹性支架的弹性保持辅助轮与车辆驱动轮的随动性接触，测量元件安装在辅助轮转轴上。本发明能在不改变原有系统结构的基础上，间接地、精确地测量轮式结构车辆的里程与速度信息，该系统结构简单、实用方便、精度高。

Description

车辆速度与里程辅助测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量系统，特别是涉及一种车辆速度与里程辅助测量系统及其测量方法。

背景技术

在对电动车、电动轮椅等车辆进行精确控制时，必需测量得到车辆行驶速度或里程信息。一般情况下，在这些车辆的驱动电机上，通过安装编码器或霍尔传感器可以获取到车轮的旋转速度与旋转圈数的数据，基于这些数据可以获得车辆的行驶速度和里程。但在多数的车辆上并没有编码器或者霍尔传感器等设备，这就需要用间接的方法来采集、获取。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种车辆速度与里程辅助测量系统及其测量方法，其能在不改变原有系统结构的基础上，间接地、精确地测量轮式结构车辆的里程与速度信息，该系统结构简单、实用方便、精度高。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种车辆速度与里程辅助测量系统，其特征在于，其包括车辆驱动轮、辅助轮、测量元件、弹性支架、车辆支架、辅助轮转轴合页、辅助轮转轴，弹性支架的一端固定安装在车辆支架上，弹性支架的另一端利用自身弹性压在辅助轮转轴上，辅助轮转轴的一端通过辅助轮转轴合页安装在车辆支架上并可绕辅助轮转轴合页旋转，辅助轮转轴的另一端安装有辅助轮，弹性支架的弹性保持辅助轮与车辆驱动轮的随动性接触，测量元件安装在辅助轮转轴上。

优选地，所述弹性支架具有弹性，使辅助轮与车辆驱动轮保持接触。

优选地，所述测量元件是编码器或霍尔传感器。

优选地，所述编码器是增量式编码器。

优选地，所述编码器是绝对式编码器。

优选地，所述测量元件检测辅助轮的转动，用于测量辅助轮的转数信息。

本发明还提供一种车辆速度与里程辅助测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法采用如上所述的车辆速度与里程辅助测量系统，所述测量方法包括以下步骤：步骤一，采集得到辅助轮的转数；步骤二，计算出辅助轮的旋转速度；步骤三，根据辅助轮与驱动轮的半径关系，得到驱动轮的旋转速度；步骤四，再通过车辆的运动学模型，计算出车辆的速度和里程信息。

优选地，所述步骤一是以时间间隔通过采集测量元件数据。

优选地，所述车辆是轮椅。

本发明的积极进步效果在于：本发明能在不改变原有系统结构的基础上，间接地、精确地测量轮式结构车辆的里程与速度信息，该系统结构简单、实用方便、精度高。

附图说明

图1为本发明车辆速度与里程辅助测量系统的结构示意图。

图2为本发明车辆速度与里程辅助测量系统的测量方法的流程图。

图3为本发明使用的轮椅运动学模型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明车辆速度与里程辅助测量系统其包括车辆驱动轮1、辅助轮2、测量元件3、弹性支架4、车辆支架5、辅助轮转轴合页6、辅助轮转轴7，弹性支架4的一端固定安装在车辆支架5上，弹性支架4的另一端利用自身弹性压在辅助轮转轴7上，辅助轮转轴7的一端通过辅助轮转轴合页6安装在车辆支架5上并可绕辅助轮转轴合页6旋转，辅助轮转轴7的另一端安装有辅助轮2，弹性支架4的弹性保持辅助轮2与车辆驱动轮1的随动性接触，车辆驱动轮1带动辅助轮2转动，测量元件3安装在辅助轮转轴7上，测量元件检测辅助轮的转动，用于测量辅助轮的转数信息，通过采集安装在辅助轮轴上的测量元件采集的数据，间接得到车辆的速度和里程信息。弹性支架具有弹性，使辅助轮与车辆驱动轮保持接触，适当的弹性力大小保证了辅助轮与车辆驱动轮的随动性接触，保证测量的精度。测量元件是编码器或霍尔传感器。编码器可以是增量式编码器或绝对式编码器。

如图2所示，本发明车辆速度与里程辅助测量系统的测量方法采用车辆速度与里程辅助测量系统，其包括以下步骤：步骤一，采集得到辅助轮的转数；步骤二，计算出辅助轮的旋转速度；步骤三，根据辅助轮与驱动轮的半径关系，得到驱动轮的旋转速度；步骤四，再通过车辆的运动学模型，计算出车辆的速度和里程信息。

如图3所示，轮椅后方两个驱动轮上分别安装本发明涉及的辅助测量系统，其中，r_L′、r_R′为左、右辅助轮半径，ω′_L、ω′_R为左、右辅助轮的旋转速度，r_L、r_R为轮椅左、右轮动轮半径，b为左右驱动轮的轮间距，ω_L、ω_R为轮椅左、右驱动轮的旋转速度，υ为轮椅直行速度，ω为轮椅自身旋转速度。(x，y，θ)为轮椅在世界坐标系下的坐标(里程)和朝向角。

利用本发明辅助测量系统测量双轮差动轮椅的里程与速度的具体步骤如下：

步骤1、采集得到辅助轮的转数

采集得到辅助轮的转数是以时间间隔T，采集左、右两辅助测量系统上的测量元件数据(比如编码器数据)，采集到左轮测量元件数据的读数记为C_L，右轮测量元件数据的读数记为C_R。

步骤2、计算得出左、右辅助轮转速

根据步骤1得到的测量元件数据C_L和C_R，计算得出左辅助轮旋转速度为ω′_L、右辅助轮旋转速度为ω′_R。

步骤3、得出驱动轮转速

根据步骤2得到的左辅助轮旋转速度为ω′_L、右辅助轮旋转速度为ω′_R，再根据辅助轮和驱动轮的半径关系，可得到左右驱动轮的转速，如下式(1)：

步骤4、得出轮椅速度和里程信息

根据步骤3得到的轮椅左、右驱动轮的旋转速度，再根据驱动轮半径、轮间距等信息，可计算出轮椅直行速度和自身旋转速度，如下式(2)：

轮椅的里程信息就是轮椅的坐标(里程)(x,y)和轮椅的朝向θ。

根据上述得到的当前时刻k轮椅的实际线速度υ_k和角速度ω_k，采用增量式算法，得到从k时刻至k+1时刻(时间间隔T)的轮椅里程与朝向的增量(Δx,Δy,Δθ)，如下式(3)：

对上述过程迭代便可得出当前时刻的里程信息，如下式(4)：

根据时间间隔T的采样信息Δx，Δy，Δθ，则可得下式(5)：

其中k表示第k个采样时刻，T表示采样周期，x_k，y_k表示k时刻轮椅的坐标，θ_k表示k时刻轮椅的朝向，v_k表示k时刻轮椅直行速度，ω_k表示k时刻轮椅自身旋旋速度。通过增量式算法，可以得到轮椅k+1时刻的坐标与朝向，从而不断更新里程信息。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种车辆速度与里程辅助测量系统，其特征在于，其包括车辆驱动轮、辅助轮、测量元件、弹性支架、车辆支架、辅助轮转轴合页、辅助轮转轴，弹性支架的一端固定安装在车辆支架上，弹性支架的另一端利用自身弹性压在辅助轮转轴上，辅助轮转轴的一端通过辅助轮转轴合页安装在车辆支架上并可绕辅助轮转轴合页旋转，辅助轮转轴的另一端安装有辅助轮，弹性支架的弹性保持辅助轮边缘与车辆驱动轮侧面的接触，测量元件安装在辅助轮转轴上；

所述弹性支架具有弹性，使辅助轮边缘与车辆驱动轮侧面保持接触；所述测量元件是编码器或霍尔传感器；所述编码器是增量式编码器或绝对式编码器；所述测量元件检测辅助轮的转动，用于测量辅助轮的转数信息。

2.一种车辆速度与里程辅助测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法采用如权利要求1所述的车辆速度与里程辅助测量系统，所述测量方法包括以下步骤：步骤一，采集得到辅助轮的转数；步骤二，计算出辅助轮的旋转速度；步骤三，根据辅助轮与驱动轮的半径关系，得到驱动轮的旋转速度；步骤四，再通过车辆的驱动轮的运动学模型，计算出车辆的速度和里程信息；其中，所述车辆是轮椅；

其中，运动学模型采用以下四个公式：

$\left[\begin{array}{c}v\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{r}_R/2& r_L/2\\ r_R/b& -r_L/b\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_R\\ {\mathrm{\ω}}_L\end{array}\right]$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x=T{v}_{k}cos({\mathrm{\θ}}_k+T{\mathrm{\ω}}_k/2)\\ \mathrm{\Δ}y=T{v}_{k}sin({\mathrm{\θ}}_k+T{\mathrm{\ω}}_k/2)\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=T{\mathrm{\ω}}_k\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}=x_k+\mathrm{\Δ}x\\ y_{k+1}=y_k+\mathrm{\Δ}y\\ {\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_k+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}=x_k+T{v}_{k}cos({\mathrm{\θ}}_k+T{\mathrm{\ω}}_k/2)\\ y_{k+1}=y_k+T{v}_k\sin ({\mathrm{\θ}}_k+T{\mathrm{\ω}}_k/2)\\ {\mathrm{\θ}}_{k+1}={\mathrm{\θ}}_k+T{\mathrm{\ω}}_k\end{array}\right.$

其中k表示第k个采样时刻，T表示采样周期，x_k，y_k表示k时刻轮椅的坐标，θ_k表示k时刻轮椅的朝向，v_k表示k时刻轮椅直行速度，ω_k表示k时刻轮椅自身旋旋速度。

3.根据权利要求2所述的车辆速度与里程辅助测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤一是以时间间隔通过采集测量元件数据。