CN104386126A - 一种确定履带车辆实际转向半径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定履带车辆实际转向半径的方法，包括以下步骤：建立测试装置，所述装置为包括基准站和移动站的GPS测试装置；获取被测车辆的实际转向半径数据，启动被测车辆，使被测车辆按照规定的转向半径转向，同时启动测试装置；重复上述步骤，并记录实际转向时的数据参数；对采集的数据进行拟合实际转向轨迹处理，输出结果。本发明申请利用GPS测试装置记录数据，软件处理数据，提高了效率和准确性，可广泛的应用于各种履带式车辆。

Description

一种确定履带车辆实际转向半径的方法

技术领域：

本发明涉及一种确定履带车辆实际转向半径的方法，更具体涉及一种基于GPS测试数据确定履带车辆实际转向半径的方法。

背景技术：

近来，履带车辆在军事领域中发挥重要作用。在履带式车辆转向的研究中，履带车辆转向时由于履带接地段的滑动，两侧履带接地段转向极均发生横向偏移，致使车辆实际转向半径较之按理论速度计算的转向半径要大。转向半径试验测试的目的：准确获得履带车辆转向时的实际转向半径，用于验证计算模型。目前，最常见的方法主要是在车辆上安装水箱及喷水装置，通过向地面喷射水柱，并记录喷水位置处的转向轨迹。这种计算方法需要测量地面上的轨迹，测量过程中会产生各种误差，结果并不精确。

目前国内学术界关于履带式车辆转向的研究，大多数是在履带-地面附着力矩理论基础上的延伸，例如吴运耕在《试谈双履带行走装置的转弯理论和功率计算》一文中，忽略履带长宽比与转弯力和转弯阻力矩之间的关系的基础上，讨论了履带转弯运动学中绝对回转瞬心点和相对回转瞬心点的问题，指出相对回转瞬心点的概念是履带能够转弯的力学基础。程军伟在《履带车辆转向分析》中通过对打滑条件下的履带车辆转向分析，导出了履带牵引力、转向阻力矩、转向半径等的表达式。Tran Dang Thai在《Numericalanalysis to predict turning characteristics of suspension trackedvehicle》对刚性悬挂的履带式车辆在软地面上的转弯问题进行了数值分析，计算出此情况下履带的下沉量、滑转率以及转弯半径，具有较高的可信度。Paul Ayers在《Modeling of terrain impact caused by tracked vehicles》中分析了不同军用履带车辆在不同转弯半径下车辙的分布情况。

本发明以履带车辆转向为研究对象，进行实车试验，提出一种基于GPS测试数据计算履带车辆实际转向半径的方法，以克服上述问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种确定履带车辆实际转向半径的方法，该方法能够准确、实时的记录能够测到的履带车辆转向过程中的经纬度坐标、车辆行驶速度以及航向角等参数。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种确定履带车辆实际转向半径的方法，包括以下步骤：

(1)建立测试装置；

(2)获取被测车辆的实际转向半径数据；

(3)记录实际转向时的数据参数；

(4)对采集的数据进行拟合实际转向轨迹处理。

本发明提供的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，所述测试装置为GPS测试装置，包括基准站和移动站。

本发明提供的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，所述基准站包括接收机控制器1、分别与所述控制器相连的电台天线、GPS接收天线和PC机；所述基准站用于产生差分数并通过电台向移动站播发，记录GPS原始定位信息，通过电台接收移动站测试数据，并通过PC机监控软件实时显示。

本发明提供的另一优选的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，所述移动站设置在被测车辆上，包括接收机控制器2、分别为所述接受机控制器连接的惯量单元、GPS接收天线和电台天线；所述移动站用于接收基准站播发的差分数，发送至GPS/INS组合导航定位系统GPS接收机，接收GPS/INS组合导航定位系统发送的GPS原始数据并记录，接收GPS/INS组合导航定位系统发送的实时位置、速度和姿态数据进行解析和组包，记录并通过电台传回基准站。

本发明提供的再一优选的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，所述接收机控制器包括GPS接收板卡、数传电台模块、ARM控制单元和DC稳压电源模块。

本发明提供的又一优选的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，所述步骤(2)中的获取数据过程为：启动被测车辆和所述测试装置，被测车辆按照规定的转向半径转向；直到完成需要的不同转向半径的数据参数采集。

本发明提供的又一优选的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，所述参数包括履带车辆转向过程中的经纬度坐标、车辆行驶速度以及航向角等参数。

本发明提供的又一优选的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，所述步骤(4)中的数据处理通过对全球经纬度坐标的差分运算获得车辆的转向轨迹；并根据运动速度及航向角计算转向轨迹。

本发明提供的又一优选的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，所述转向轨迹横、纵坐标的通过下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{i+1}=X_i+\frac{V_{G_i}}{f_G}\·\cos (\mathrm{\π}-{\mathrm{\ψ}}_i)\\ Y_{i+1}=Y_i+\frac{V_{G_i}}{f_G}\·\sin (\mathrm{\π}-{\mathrm{\ψ}}_i)\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(1\right)$

式中：X_i为前一个测试数据的横坐标；Y_i为前一个测试数据的纵坐标；表示GPS测试数据移动站安装点处的车辆行驶速度，单位为m/s；ψ_i表示航向角，单位为度；f_G表示GPS测试数据数据采样频率，单位为Hz；下标i表示第i个测试数据；n表示为测试数据点数。

本发明提供的又一优选的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，所述步骤(4)中的轴向轨迹通过最小二乘圆拟合法进行转向轨迹的圆拟合；得到的拟合圆半径即为GPS测试装置移动站安装点到车辆瞬时转向中心的距离R。

本发明提供的又一优选的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，所述最小二乘圆拟合法的拟合步骤为：

设每段圆弧圆心坐标为(A，B)，半径为R，圆弧与非圆曲线上各点(x_i,y_i)的偏差值e_i，i＝1,…,n，则

e_i＝(A-x_i)²+(B-y_i)²-R²          (2)

则非圆曲线上n个点的偏差值的平方和E表达如下：

$E=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[{\left({A-x}_i\right)}^2+{\left({B-y}_i\right)}^2-R^2]}^2---\left(3\right)$

取E对A、B、R的偏导数等于零：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\left({A-x}_i\right)}^3+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[(A-x_i){(B-y_i)}^2]-R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(A-x_i)=0$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\left({B-y}_i\right)}^3+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{(A-x_i)}^2(B-y_i)]-R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(B-y_i)=0---\left(4\right)$

$[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left({A-x}_i\right)}^2+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(B-y_i)}^2]-n{R}^2=0$

求解出A、B和R；

履带车辆的实际转向半径R_S和实际相对转向半径ρ_S表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_s=\sqrt{R^2-d_1^2}-d_2\\ {\mathrm{\ρ}}_s=\frac{\sqrt{R^2-d_1^2}-d_2}{B}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，d₁、d₂分别为GPS测试数据移动站安装点距车辆几何中心的纵向和横向距离，B为履带中心距。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明能够准确、实时的记录能够测到的履带车辆转向过程中的经纬度坐标、车辆行驶速度以及航向角等参数；

2、本发明的可靠性和精确性高且操作简单，省时省力；

3、本发明得出的转向半径更加接近实际值；

4、本发明能够准确获得履带车辆转向时的实际转向半径，用于验证计算模型；

5、本发明对于测试履带车辆转向性能和实际与理论的对比研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明最小二乘圆拟合法过程图；

图2为本发明的基准站分系统结构示意图；

图3为本发明的移动站分系统示意图；

图4为本发明的数据拟合车辆行驶轨迹示意图；

图5为本发明的转向轨迹拟合示意图；

图6为本发明的稳态转向半径为33.59m示意图；

图7为本发明的稳态转向半径为5.72m示意图；

图8为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-8所示，本例的发明确定履带车辆实际转向半径的方法，包括以下步骤：

(1)建立测试装置；

(2)获取被测车辆的实际转向半径数据；

(3)记录实际转向时的数据参数；

(4)对采集的数据进行拟合实际转向轨迹处理。

所述测试装置为GPS测试装置，包括基准站和移动站，如图2-3所示；所述基准站包括接收机控制器1、分别与所述控制器相连的电台天线、GPS接收天线和PC机；所述PC机为笔记本电脑，所述GPS接受天线设置在脚架上，所述基准站用于产生差分数并通过电台向移动站播发，记录GPS原始定位信息，通过电台接收移动站测试数据，并通过PC机监控软件实时显示。

所述移动站设置在被测车辆的炮塔顶部上，包括接收机控制器2、分别为所述接受机控制器连接的SPANFSAS惯量单元、GPS接收天线和电台天线；所述移动站用于接收基准站播发的差分数，发送至GPS/INS组合导航定位系统GPS接收机，接收GPS/INS组合导航定位系统发送的GPS原始数据并记录，接收GPS/INS组合导航定位系统发送的实时位置、速度和姿态数据进行解析和组包，记录并通过电台传回基准站。所述基准站和移动站通过24VDC电池供电，由于通过基准站和移动站双套装置进行数据解析，因而具有较高的测试精度。

所述接收机控制器包括GPS接收板卡、数传电台模块、ARM控制单元和DC稳压电源模块。

所述步骤(2)中的参数为按照GPS测试装置设定的频率记录履带车辆以各种不同的理论半径进行转向的参数；通过启动被测车辆，使被测车辆按照规定的转向半径转向，同时启动数据采集系统。并重复该步骤，直到完成需要的不同转向半径的数据采集。

履带车辆实际转向半径由GPS测试数据计算得到，所述参数包括履带车辆转向过程中的经纬度坐标、车辆行驶速度以及航向角等参数。

所述步骤(4)中的数据处理通过对全球经纬度坐标的差分运算获得车辆的转向轨迹；并也可根据运动速度及航向角计算转向轨迹。

所述转向轨迹横、纵坐标的通过下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{i+1}=X_i+\frac{V_{G_i}}{f_G}\·\cos (\mathrm{\π}-{\mathrm{\ψ}}_i)\\ Y_{i+1}=Y_i+\frac{V_{G_i}}{f_G}\·\sin (\mathrm{\π}-{\mathrm{\ψ}}_i)\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(1\right)$

式中：X_i为前一个测试数据的横坐标；Y_i为前一个测试数据的纵坐标；表示GPS测试数据移动站安装点处的车辆行驶速度，单位为m/s；ψ_i表示航向角，单位为度；f_G表示GPS测试数据数据采样频率，单位为Hz；下标i表示第i个测试数据；n表示为测试数据点数。

采用最小二乘圆拟合法进行转向轨迹的圆拟合，得到的拟合圆半径即为GPS测试装置移动站安装点到车辆瞬时转向中心的距离R。

最小二乘圆拟合法具体步骤如下：

设近似圆弧的每段圆弧圆心坐标为(A，B)，半径为R，圆弧与非圆曲线上各点(x_i,y_i)的偏差值e_i(i＝1,…,n)，则

e_i＝(A-x_i)²+(B-y_i)²-R²(2)

则非圆曲线上n个点的偏差值的平方和E表达如下：

$E=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[{\left({A-x}_i\right)}^2+{\left({B-y}_i\right)}^2-R^2]}^2---\left(3\right)$

为使E达到最小值，取E对A、B、R的偏导数等于零，展开为：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\left({A-x}_i\right)}^3+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[(A-x_i){(B-y_i)}^2]-R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(A-x_i)=0$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\left({B-y}_i\right)}^3+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{(A-x_i)}^2(B-y_i)]-R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(B-y_i)=0---\left(4\right)$

$[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left({A-x}_i\right)}^2+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(B-y_i)}^2]-n{R}^2=0$

联立求解出A、B和R。

由图1所示，履带车辆的实际转向半径R_S和实际相对转向半径ρ_S表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_s=\sqrt{R^2-d_1^2}-d_2\\ {\mathrm{\ρ}}_s=\frac{\sqrt{R^2-d_1^2}-d_2}{B}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，d₁、d₂分别为GPS测试数据移动站安装点距车辆几何中心的纵向和横向距离，B为两侧履带中心距。

如图4所示。从其行驶轨迹中选取车辆处于稳态转向状态下的6个等半径圆弧段，利用这些圆弧对应的时间段，由试验直接测试采集到的信号进行初步的处理，得到这些圆弧段所对应的拟合等半径圆，数据处理结果如表1所示。图5是基于GPS记录的关于圆弧1的数据用软件进行的转向轨迹拟合，蓝色的是GPS测试装置采集到的数据，红色的是根据GPS采集到的数据进行的拟合，从图中来看，拟合效果很好，能够准确的获得履带车辆实际过程中的转向半径。以稳态转向半径分别为33.59m(圆弧5)和5.72m(圆弧6)为例，其结果如图6-7所示。

表1 试验数据初步处理结果

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)建立测试装置；

(2)获取被测车辆的实际转向半径数据；

(3)记录实际转向时的数据参数；

(4)对采集的数据进行拟合实际转向轨迹处理。

2.如权利要求1所述的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：所述测试装置为GPS测试装置，包括基准站和移动站。

3.如权利要求2所述的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：所述基准站包括接收机控制器1、分别与所述控制器相连的电台天线、GPS接收天线和PC机；所述基准站用于产生差分数并通过电台向移动站播发，记录GPS原始定位信息，通过电台接收移动站测试数据，并通过PC机监控软件实时显示。

4.如权利要求3所述的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：所述移动站设置在被测车辆上，包括接收机控制器2、分别为所述接受机控制器连接的惯量单元、GPS接收天线和电台天线；所述移动站用于接收基准站播发的差分数，发送至GPS/INS组合导航定位系统GPS接收机，接收GPS/INS组合导航定位系统发送的GPS原始数据并记录，接收GPS/INS组合导航定位系统发送的实时位置、速度和姿态数据进行解析和组包，记录并通过电台传回基准站。

5.如权利要求4所述的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：所述接收机控制器包括GPS接收板卡、数传电台模块、ARM控制单元和DC稳压电源模块。

6.如权利要求1所述的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的获取数据过程为：启动被测车辆和所述测试装置，被测车辆按照规定的转向半径转向；直到完成需要的不同转向半径的数据参数采集。

7.如权利要求6所述的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：所述参数包括履带车辆转向过程中的经纬度坐标、车辆行驶速度以及航向角参数。

8.如权利要求7所述的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的数据处理通过对全球经纬度坐标的差分运算获得车辆的转向轨迹；并根据运动速度及航向角计算转向轨迹。

9.如权利要求8所述的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：所述转向轨迹的横、纵坐标是通过下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{i+1}=X_i+\frac{V_{G_i}}{f_G}\·\cos (\mathrm{\π}-{\mathrm{\ψ}}_i)\\ Y_{i+1}=Y_i+\frac{V_{G_i}}{f_G}\·\sin (\mathrm{\π}-{\mathrm{\ψ}}_i)\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(1\right)$

式中：X_i为前一个测试数据的横坐标；Y_i为前一个测试数据的纵坐标；表示GPS测试数据移动站安装点处的车辆行驶速度，单位为m/s；ψ_i表示航向角，单位为度；f_G表示GPS测试数据数据采样频率，单位为Hz；下标i表示第i个测试数据；n表示为测试数据点数。

10.如权利要求9所述的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的轴向轨迹通过最小二乘圆拟合法进行转向轨迹的圆拟合；得到的拟合圆半径即为GPS测试装置移动站安装点到车辆瞬时转向中心的距离R。

11.如权利要求10所述的一种确定履带车辆实际转向半径的方法，其特征在于：所述最小二乘圆拟合法的拟合步骤为：

设每段圆弧圆心坐标为(A，B)，半径为R，圆弧与非圆曲线上各点(x_i,y_i)的偏差值e_i，i＝1,…,n，则

e_i＝(A-x_i)²+(B-y_i)²-R²         (2)

则非圆曲线上n个点的偏差值的平方和E表达如下：

$E=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[{\left({A-x}_i\right)}^2+{\left({B-y}_i\right)}^2-R^2]}^2---\left(3\right)$

取E对A、B、R的偏导数等于零：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\left({A-x}_i\right)}^3+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[(A-x_i){(B-y_i)}^2]-R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(A-x_i)=0$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\left({B-y}_i\right)}^3+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{(A-x_i)}^2(B-y_i)]-R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(B-y_i)=0---\left(4\right)$

$[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left({A-x}_i\right)}^2+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(B-y_i)}^2]-n{R}^2=0$

求解出A、B和R；

履带车辆的实际转向半径R_S和实际相对转向半径ρ_S表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_s=\sqrt{R^2-d_1^2}-d_2\\ {\mathrm{\ρ}}_s=\frac{\sqrt{R^2-d_1^2}-d_2}{B}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，d₁、d₂分别为GPS测试数据移动站安装点距车辆几何中心的纵向和横向距离，B为履带中心距。