CN108801136A - 一种车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，所述方法包括以下步骤：选择车辆模型顶部中轴线上的点进行标记，记录标记点的高度信息；栅格激光器于实验平台正上方垂直照射，建立激光图像的网格坐标系、实际坐标系；将获取的多个标记点的网格坐标数据转换到实际坐标系下；对车辆模型的侧偏位移和偏转角度进行估计；对车辆侧偏速度和偏转速度进行估计。本发明能较精准地对车辆模型的侧偏位移和偏转角度进行估计，对车辆模型的位置进行追踪，算法简单，具有可行性。

Description

一种车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法

技术领域

本发明涉及运输工具地面动力学实验领域，尤其涉及一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法。

背景技术

各类运输工具(以下简称车辆)，比如(有人及无人驾驶)轿车、货车(含各种类型的挂车)、列车的行驶，以及飞机的地面滑行，都必须保证其稳定性，否则后果是灾难性的。因此，车辆的稳定性实验是车辆动力学实验的重要环节，对于保证车辆安全运行有重要的价值。由于真实车辆稳定实验代价较高，基于车辆缩比模型的动力学实验也经常得到重视。

车辆稳定性实验是研究车辆失稳临界速度的一种实验方法。车辆稳定性实验中，车身侧偏位移和偏转角度作为描述车辆失稳状态的重要参数，具有非常重要的研究价值。由于侧偏位移和偏转角度的变化耦合，利用加速度传感器和角度传感器进行测量，需要复杂的校正运算才能获得两个参数的估计。

发明内容

本发明提供了一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，本发明能较精准地对车辆模型的侧偏位移和偏转角度进行估计，对车辆模型的位置进行追踪，算法简单，具有可行性，详见下文描述：

一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，所述方法包括以下步骤：

1)选择车辆模型顶部中轴线上的点进行标记，记录标记点的高度信息；

2)栅格激光器于实验平台正上方垂直照射，建立激光图像的网格坐标系、实际坐标系；

3)将获取的多个标记点的网格坐标数据转换到实际坐标系下；

4)对车辆模型的侧偏位移和偏转角度进行估计；对车辆侧偏速度和偏转速度进行估计。

其中，所述栅格激光器为n×n正方形栅格激光器。

进一步地，所述方法在步骤2)与步骤3)之间还包括：

摄像机对栅格激光器照射的皮带平台进行实时拍照，对采集的照片进行处理，确定标记点的网格坐标。

进一步地，所述将获取的多个标记点的网格坐标数据转换到实际坐标系下具体为：

x(u,w)＝c₀u(b-h)

y(u,w)＝c₀w(b-h)

其中，u,w为标记点的网格坐标；h为标记点的高度；b为激光器距皮带平台的高度，c₀为当激光器距皮带平台单位长度时每个激光网格的长度；激光网格在皮带平台上的覆盖面积为c₀bn×c₀bn。

其中，所述对车辆模型的侧偏位移和偏转角度进行估计具体为：

1)车辆的侧偏位移用质心位置标记点B在y方向的位移量表示；

2)车辆的偏转角度用过质心标记点的中轴线的偏转角度表示。

另一实施例，一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，所述方法用于铁路列车，所述方法包括：选择车辆模型顶部中轴线作为标记线，将标记线离散成多个标记点；建立网格坐标系与实际坐标系；摄像机对皮带平台进行拍照，计算机分别对多个标记点的网格坐标进行识别，并获取多个标记点在实际坐标系下的位置信息；

选择任意两个标记点，对两点之间的距离进行估计；对两点连线的偏转角度进行估计。

另一实施例，一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，所述方法包括：

步骤2)中所述的栅格激光器在此也可用平行线激光器代替；

选择车辆左右两个位于同一水平位置的边界点进行标记，使两点连线垂直于车辆中轴线，并测量标记点距皮带平台的高度；

摄像机对实验过程中的车辆模型进行拍照，计算机对标记点检测，记录车辆模型未发生失稳时的标记点在w方向的网格坐标、以及车辆发生失稳时标记点在w方向的网格坐标；

通过激光器的参数信息、标记点的高度信息、未发生失稳以及发生失稳时的网格坐标，获取车辆的侧偏位移、偏转角度。

上述实施例中，

所述车辆的侧偏位移表示为：

所述车辆的偏转角度表示为：

其中，w_A0、w_B0为车辆模型未发生失稳时的标记点在w方向的网格坐标；w_A、w_B为车辆发生失稳时标记点在w方向的坐标。

另一实施例，一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，所述方法包括：

在车辆稳定性试验平台的皮带上做出平行的标记线；

对车辆模型进行标记，并记录两标记点之间的距离；

摄像机对实验过程中的车辆模型进行拍照，计算机对获得的图片进行检测，得到标记点的坐标信息；

根据标记点的高度信息、标记点的坐标信息、以及标记线的间距获取车辆的侧偏位移、偏转角度。

上述实施例中，

所述车辆的侧偏位移表示为：

所述车辆的偏转角度表示为：

其中，d为标记线间距，e为标记点间距。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明利用激光网格对皮带平台进行标记，计算机从摄像机摄取的图像中提取标记点网格坐标信息，并转化为实际坐标，得到标记点的位置信息；

2、本发明能较精确的估计车辆模型的侧偏位移和偏转角度；

3、本发明能够对车辆模型的位置进行实时定位；

4、本发明提供另外一种车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，仅需确定车辆模型沿侧偏方向的一维坐标信息w，算法更简单；

5、本发明提供另外一种车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，采用直接在皮带平台上做标记线的方式，不使用激光器，成本低廉；

6、本发明所采用的激光器可为可见光，也可为不可见光，可为网格激光器也可为点阵激光器；

7、本发明采用激光网格对皮带平台进行标记，激光源的亮度高、线型细，准直性好，标记方式灵活可控，方便后续处理。

附图说明

图1为一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法的流程图；

图2为车辆模型标记点示意图；

图3为激光网格在实际坐标系下的示意图；

图4是铁路列车模型的测量方法示意图；

图5为一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法的另一流程图；

图6为车辆模型横向位移及姿态确定方法的另一示意图；

图7为一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法的另一流程图；

图8为车辆模型横向位移及姿态确定方法的另一示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例提供了一种车辆稳定性试验中车辆模型侧偏位移和偏转角度的估计方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：根据实验需求，选择车辆模型顶部中轴线上的点进行标记，记录标记点的高度信息h；

102：栅格激光器于实验平台正上方垂直照射，建立激光图像的网格坐标系、实际坐标系；

103：将获取的多个标记点的网格坐标数据转换到实际坐标系下；

104：对车辆模型的侧偏位移和偏转角度进行估计；

105：对车辆侧偏速度和偏转速度进行估计。

其中，步骤102中的栅格激光器具体为：n×n正方形栅格激光器。

进一步地，在步骤102之后，步骤103之前，该方法还包括：

摄像机对栅格激光器照射的皮带平台进行实时拍照，对采集的照片进行处理，确定标记点的网格坐标。

进一步地，步骤103中的将获取的多个标记点的网格坐标数据转换到实际坐标系下具体为：

x(u,w)＝c₀u(b-h)

y(u,w)＝c₀w(b-h)

其中，u,w为标记点的网格坐标；h为标记点的高度；b为激光器距皮带平台的高度，c₀为当激光器距皮带平台单位长度时每个激光网格的长度。

激光网格在皮带平台上的覆盖面积为c₀bn×c₀bn。

进一步地，步骤104中的对车辆模型的侧偏位移和偏转角度的估计具体为：

1)车辆的侧偏位移可用质心位置标记点B在y方向的位移量表示，即y_B；

其中，由于车辆稳定性中主要是为了观察车辆在y方向的侧偏量，且x方向车辆的位置变化微小，可忽略不计，因此用车辆质心位置标记点在y方向的位移量表示。

2)车辆的偏转角度可用过质心标记点的中轴线的偏转角度表示。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤104能较精确的对车辆稳定性实验中车辆模型的侧偏位移和偏转角度进行估计，算法简单，具有可行性。

实施例2

下面以普通汽车为例，并结合图2-图3、计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

本发明实施例以50×50正方形栅格的激光器为例，对本方法进行分析，该型号激光器于距皮带平台高度b位置垂直照射时，形成的图像每个网格的边长为0.0078b。

具体实现时，本发明实施例对上述栅格的数量，网格边长、标记点的选择等不做限制，仅以上述数值为例进行说明。

201：选择标记点，记录标记点的高度信息h；

如图2所示，选择汽车模型上的A、B、C三点进行标记，并测量三点的高度值记为h_A、h_B、h_C。其中，A、B、C为汽车顶部中轴线上的三点。

202：如图3所示，以50×50正方形栅格中心O为原点，建立网格坐标系ouw，其中，u为网格节点的横坐标，表示该节点位于激光网格的第u行；w为网格节点的纵坐标，表示该节点位于激光网格的第w列。以正方形栅格中心O为原点，建立实际坐标系Oxy。

203：摄像机和激光器于车辆模型位的正下方垂直照向皮带平台，实验过程中，摄像机对激光器照射的皮带平台进行实时拍照，计算机对采集的照片进行处理，检测到标记点的网格坐标；将获取的网格坐标数据转换到实际坐标系下。

具体的，将步骤203中的网格坐标转换到实际坐标系下，根据下式进行转换：

x(u,w)＝0.0078u(b-h)

y(u,w)＝0.0078w(b-h)

其中，h为标记点的高度；b为激光器距皮带平台的高度。

204：对车辆的侧偏位移和偏转角度的估计；

汽车的侧偏位移可用B点在y方向的位移量表示，即y_B；

AB的偏转角度为

BC的偏转角度为

取两者的平均作为侧偏角度的估计

205：对车辆侧偏速度和偏转速度进行估计；

从车辆发生失稳时开始计时，取t₀,t₁…t_i个时刻，摄像机拍摄每个时刻车辆模型位置信息的照片。计算得到任意两个时刻车辆模型的平均侧偏速度和偏转速度。

2051：对车辆的侧偏速度进行估计；

车辆模型t_i时刻质心位置B在y方向的位移为y_Bi，t_j时刻的位移为y_Bj。车辆任意两个时刻内的平均侧偏速度可表示为

2052：对车辆的偏转速度进行估计；

车辆模型t_i时刻的偏转角度为θ_Bi，t_j时刻的偏转角度为θ_Bj。车辆任意两个时刻内的平均偏转角度可表示为：

综上所述，本发明实施例通过激光网格对位置信息进行标记，在试验车辆上选择合适的标记点，通过分析得到车辆任意时刻的侧偏位移和偏转角度，算法简单，具有可行性；不仅可用于整车的台架实验，也可用于车辆缩比模型的实验。

实施例3

下面以铁路列车为例，并结合图4、计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

301：如图4所示，选择标记点，记录标记点的高度信息h；

对于铁路列车，选择铁路列车模型顶部中轴线作为标记线，并测量铁路列车模型标记线距地面的高度值h。根据实验精度要求，将标记线离散成多个标记点{C₁,C₂,C₃…C_n}。

302：建立网格坐标系与实际坐标系；

其中，具体的建立步骤参见实施例2中的步骤202，本实施例对此不做赘述。

303：摄像机对皮带平台进行拍照，计算机分别对{C₁,C₂,C₃…C_n}点的网格坐标进行识别，并利用公式得到{C₁,C₂,C₃…C_n}在实际坐标系下的位置信息。

其中，上述公式为实施例2中步骤203中的计算公式，本实施例对此不做赘述。

303：选择任意两个标记点C_i、C_j，对两点之间的距离进行估计；对两点连线的偏转角度进行估计。

其中，上述对偏转角度进行估计采用实施例2中步骤204中的公式进行估计计算，本实施例对此不做赘述。

综上所述，本发明实施例通过激光网格对位置信息进行标记，在试验铁路列车上选择合适的标记点，通过分析得到任意时刻的侧偏位移和偏转角度，算法简单，具有可行性；不仅可用于整车的台架实验，也可用于车辆缩比模型的实验。

上述实施例2和3中的方法适用于任何类型车辆，飞机等位置及姿态的确定，更具一般性，在此基础上，下面针对普通车辆，如轿车，货车等具有部分水平顶面的车辆，提出另外两种侧偏位移和偏转角度的测量方法，详见实施例4和5。

实施例4

本发明实施例提供另一种车辆模型横向位移及姿态确定方法，具体实施时可根据实际车辆模型选择合适的方法进行估计，也可分别使用该方法与实施例2、3中所述方法对车辆模型的侧偏位移和偏转角度进行估计，取两者的平均作为最终估计值，提高结果精度，参见图5，该方法包括以下步骤：

其中，本实施例采用的激光器可为网格激光器，也可为等距平行线激光器。

401：如图6所示，选择车辆左右两个位于同一水平位置的边界点进行标记，使两点连线垂直于车辆中轴线，并测量标记点距皮带平台的高度；

402：摄像机对实验过程中的车辆模型进行拍照，计算机对标记点检测，记录车辆模型未发生失稳时的标记点在w方向的网格坐标w_A0、w_B0；车辆发生失稳时标记点在w方向的坐标w_A、w_B；

403：车辆的侧偏位移可表示为(c₀＝0.0078)：

404：车辆的偏转角度可表示为：

综上所述，本发明实施例通过激光网格对位置信息进行标记，测量标记点距皮带平台的高度，通过分析得到任意时刻的侧偏位移和偏转角度，算法简单，具有可行性；不仅可用于整车的台架实验，也可用于车辆缩比模型的实验。

实施例5

同实施例1-4所述方法不同，本发明实施例提供另一种车辆模型横向位移及姿态确定方法，该方法不使用激光器，因而成本更低，但相比于激光标记，无法实现精度可调，不具有灵活性，参见图7。

如图8所示，在车辆稳定性试验平台的皮带上画出平行的标记线，平行线间距为d，摄像机对皮带平台进行拍摄，使该相机能清晰的识别所拍摄区域的标记线。

501：对车辆模型进行标记，并记录两标记点之间的距离e；

其中，具体对车辆模型标记的过程参见实施例4中的步骤401，本发明实施例对此不做赘述。

502：摄像机对失稳状态下的车辆模型进行拍照(认为未失稳时车辆模型的侧偏位移和偏转角度都是零)，计算机对标记线进行检测，得到标记点的坐标信息w_A、w_B；

503：车辆的侧偏位移可近似表示为：

504：车辆的偏转角度可近似表示为：

具体实施时，可对车辆的轮廓线或选择其他特征点进行标记，任意标记点的位移可表示为y＝d·w。

综上所述，本发明实施例通过在皮带上做出平行的标记线，记录两标记点之间的距离，通过分析得到任意时刻的侧偏位移和偏转角度，算法简单，具有可行性；不仅可用于整车的台架实验，也可用于车辆缩比模型的实验。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)选择车辆模型顶部中轴线上的点进行标记，记录标记点的高度信息；

2)栅格激光器于实验平台正上方垂直照射，建立激光图像的网格坐标系、实际坐标系；

3)将获取的多个标记点的网格坐标数据转换到实际坐标系下；

4)对车辆模型的侧偏位移和偏转角度进行估计；对车辆侧偏速度和偏转速度进行估计。

2.根据权利要求1所述的一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，其特征在于，所述栅格激光器为n×n正方形栅格激光器。

3.根据权利要求1所述的一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，其特征在于，所述方法在步骤2)与步骤3)之间还包括：

摄像机对栅格激光器照射的皮带平台进行实时拍照，对采集的照片进行处理，确定标记点的网格坐标。

4.根据权利要求1所述的一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，其特征在于，所述将获取的多个标记点的网格坐标数据转换到实际坐标系下具体为：

x(u,w)＝c₀u(b-h)

y(u,w)＝c₀w(b-h)

其中，u,w为标记点的网格坐标；h为标记点的高度；b为激光器距皮带平台的高度，c₀为当激光器距皮带平台单位长度时每个激光网格的长度；激光网格在皮带平台上的覆盖面积为c₀bn×c₀bn。

5.根据权利要求1所述的一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，其特征在于，所述对车辆模型的侧偏位移和偏转角度进行估计具体为：

1)车辆的侧偏位移用质心位置标记点B在y方向的位移量表示；

2)车辆的偏转角度用过质心标记点的中轴线的偏转角度表示。

6.一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，其特征在于，所述方法用于铁路列车，所述方法包括：

选择列车模型顶部中轴线作为标记线，将标记线离散成多个标记点，记录标记点的高度信息；建立网格坐标系与实际坐标系；

摄像机对皮带平台进行拍照，计算机分别对多个标记点的网格坐标进行识别，并获取多个标记点在实际坐标系下的位置信息；

选择任意两个标记点，对两点之间的距离进行估计；对两点连线的偏转角度进行估计。

7.一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，其特征在于，所述方法包括：

选择车辆左右两个位于同一水平位置的边界点进行标记，使两点连线垂直于车辆中轴线，并测量标记点距皮带平台的高度；

摄像机对实验过程中的车辆模型进行拍照，计算机对标记点检测，记录车辆模型未发生失稳时的标记点在w方向的网格坐标、以及车辆发生失稳时标记点在w方向的网格坐标；

通过激光器的参数信息、标记点的高度信息、未发生失稳以及发生失稳时的网格坐标，获取车辆的侧偏位移、偏转角度。

8.根据权利要求7所述的一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，其特征在于，

所述车辆的侧偏位移表示为：

所述车辆的偏转角度表示为：

其中，w_A0、w_B0为车辆模型未发生失稳时的标记点在w方向的网格坐标；w_A、w_B为车辆发生失稳时标记点在w方向的坐标。

9.一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，其特征在于，所述方法包括：

在车辆稳定性试验平台的皮带上做出平行的标记线；

对车辆模型进行标记，并记录两标记点之间的距离；

摄像机对实验过程中的车辆模型进行拍照，计算机对获得的图片进行检测，得到标记点的坐标信息；

根据标记点的高度信息、标记点的坐标信息、以及标记线的间距获取车辆的侧偏位移、偏转角度。

10.根据权利要求9所述的一种在车辆稳定性实验中车辆模型横向位移及姿态确定方法，其特征在于，

所述车辆的侧偏位移表示为：

所述车辆的偏转角度表示为：

其中，d为标记线间距，e为标记点间距。