CN110595688A - 车辆三维质心检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆三维质心检测方法，包括以下步骤：针对车辆在运动中受质心位置影响其平稳性问题，从原理上推论复杂几何体的重心计算公式，建立数学模型；根据建立的数学模型，以车辆四个轮子与地面接触点作为测点，以测点建立坐标位置，检测受力点处的受力大小，以三维坐标的力矩矢量为“0”原理，推出重心三维坐标位置计算公式并建立质心检测模型，给出测力点和坐标取值；利用传感器采集车辆行走运行中的各种参数，各种参数采集后同时传给计算机，计算机根据质心检测模型检测出的质心位置以及采集的各种参数输出控制信号对车辆行走运行各部件进行调整，实现车辆的稳态行驶。本发明基本可满足实际使用要求和设计目标。

Description

车辆三维质心检测方法

技术领域

本发明涉及一种车辆三维质心检测方法。

背景技术

目前高速公路车辆的速度提升，对于车辆在动力学稳定性和平稳性方面的要求越来越高，如何在设计、制造、实际车辆运行中控制和判定及保证有一个合理的重心是十分重要的。车辆的设计、载物、高速离心曲线运动都会形成非对称结构和质量不均，这些因素都会造成重心偏离物体的几何中心，这在车辆高速行驶时是极其危险的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种算法简单、检测可靠的车辆三维质心检测方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种车辆三维质心检测方法，包括以下步骤：

步骤一：针对车辆在运动中受质心位置影响其平稳性问题，从原理上推论复杂几何体的重心计算公式，建立数学模型；

步骤二：根据建立的数学模型，以车辆四个轮子与地面接触点作为测点，以测点建立坐标位置，检测受力点处的受力大小，以三维坐标的力矩矢量为“0”原理，推出重心三维坐标位置计算公式并建立质心检测模型，给出测力点和坐标取值；

步骤三：利用传感器采集车辆行走运行中的各种参数，各种参数采集后同时传给计算机，计算机根据质心检测模型检测出的质心位置以及采集的各种参数输出控制信号对车辆行走运行各部件进行调整，实现车辆的稳态行驶。

上述车辆三维质心检测方法，所述步骤一具体步骤为：

记车辆四个车轮与地面接触点为a、b、c、d，假设E点为车辆物体的质心三维位置点，以b、c所在方向为坐标X轴，以a、b所在方向为坐标Y轴，以垂直于a、b、c、d所在平面方向为坐标Z轴建立车辆三维直角坐标系，则：

根据静力学的平衡公式计算质心，得到数学模型为：

式中:Mi为第i个零部件的质量；

Mo为车辆整车的质量；

Xi为车辆三维直角坐标系中，第i个零部件的质心在X方向的坐标值；

Yi为车辆三维直角坐标系中，第i个零部件的质心在Y方向的坐标值；

Zi为车辆三维直角坐标系中，第i个零部件的质心在Z方向的坐标值；

Xo为车辆三维直角坐标系中，车辆整车的质心在X方向的坐标值；

Yo为车辆三维直角坐标系中，车辆整车的质心在Y方向的坐标值；

Zo为车辆三维直角坐标系中，车辆整车的质心在Z方向的坐标值。

上述车辆三维质心检测方法，所述步骤二具体步骤为：

基于静力学的力矩平衡原理，采用分坐标计算法可较快计算检测三维直角坐标系中车辆整车质心坐标：

2-1)在车辆整车X0Y二维坐标系中，利用杠杆原理：G为车辆整车总质量，分别以cd轴点为支点，提升ab轴点并测出施力大小F1；再以ab轴点为支点，提升cd轴点并测出施力大小F2；再测出ab轴和cd轴间距离X，则:

由F1/F2＝X1/X2＝X1/(X-X1) (2)

得出X1＝F1*X/(F1+F2) (3)

X2＝X-X1 (4)；

X1为车辆质心到ab轴的距离，X2为车辆质心到cd轴的距离；

2-2)由同样原理分别以bc轴点为支点，提升ad轴点并测出施力大小F3；再以ad轴点为支点，提升bc轴点并测出施力大小F4；再测出ad轴与cb轴间距离Y，则：

得出Y1＝F3*Y/(F3+F4) (5)

Y2＝Y-Y1 (6)

Y1为车辆质心到cb轴的距离，Y2为车辆质心到ad轴的距离；

由式(3)、(4)、(5)、(6)即可算出车辆整车质心在X0Y坐标系中坐标；

2-3)在三维坐标系中还缺Z轴方向坐标，在Y0Z二维坐标系中采用静态平衡力矩原理计算Z轴坐标值：

稍微提ab轴升高h并形成车辆倾斜角α；

X1、X2已由(3)(4)式得出；

X为车辆首末两轴的轴距，X＝X1+X2；G为车辆整车的总质量；

令车辆整车质心到ab轴心和cd轴心连线的垂直距离为Z2，根据静力状态下的∑Mi力矩矢量和为“0”原理，计算出Z2：

∑Mi＝G*(Z2+X1)-F1*X*cosα＝0 (7)

得出：Z2＝(F1*X*cosα/G-X1)/tngα (8)

最终推出：X1＝F1*X/(F1+F2) (9)

Y1＝F3*Y/(F3+F4) (10)

Z2＝(F1*X*cosα/G-X1)/tngα Z1＝Z-Z2 (11)

由于上述计算是以轴心计算出车辆整车质心到ab轴心和cd轴心连线的垂直距离为Z2的，实际离地质心为Z2+r，r为车轮半径；

质心位置X1、Y1、Z1按此方法计算出后，就确定了车辆质心所在的三维位置点。

上述车辆三维质心检测方法，所述步骤三中，对车辆行走运行各部件进行调整包括在弯形路道行驶的速度控制过程：

绕定心弯道行驶时除了受重力外还受离心力作用，不同质心分布的车载物体车辆，在绕定心弯道行驶的限速极限是不同的，弯形路道行驶安全性的判定计算依据力矩平衡原理推出，在坐标系ZOX中，质心离地高Z＝Z2+R，车辆做高速绕定心弯道行驶时，以cd支点构成平衡力矩∑Mi＝0

G1*X2-G2*Z2≥0 (12)

G2＝2G1*V/(Rg) (13)

其中G1为车辆受重力；G2为车辆离心力；g为重力加速度；R为高速绕定心弯道行驶时的圆弧半径；V为绕定心弯道行驶时的速度；

得出V≤X2*R*g/2 (14)

即高速绕定心弯道行驶时的车辆速度必须小于一定值，当圆弧半径越大时允许速度越大，否则速度越小；质心离地越高时允许速度越大，否则速度越小。

上述车辆三维质心检测方法，所述步骤三中，对车辆行走运行各部件进行调整包括在斜面路道行驶的最大倾斜角α°控制过程：

倾斜路面运动车辆的重力分为垂直路面的压力f2和路面平行的推力f1，推理和压力也形成一对平衡力矩，斜面路道行驶安全性的判定计算也是依据力矩平衡原理推出：

坐标系ZOX中，质心离地高Z＝Z2+r，车辆在倾斜路面行驶时，以cd支点构成平衡力矩∑Mi＝0

f1＝G1*sinα f2＝G1*cosα

∑Mi＝f2*X2–f1*Z1≥0

G1*cosα*X2–G1*sinα*Z1≥0

α≤arc ctg Z1/X2

Z2为车辆质心高度；X2为车辆质心偏离几何重心量；

即车辆在倾斜路面行驶时的平稳性不仅与车辆质心高度有关，质心越高倾斜角度极限越小，否则越大；而且与车辆质心偏离几何重心量也相关，偏离一方倾斜角度极限小，另一方倾斜角度极限大。

本发明的有益效果在于：本发明首先针对车辆在运动中受质心位置影响其平稳性问题，从原理上推论复杂几何体的重心计算公式，建立数学模型；然后根据建立的数学模型，以车辆四个轮子与地面接触点作为测点，以测点建立坐标位置，检测受力点处的受力大小，以三维坐标的力矩矢量为“0”原理，推出重心三维坐标位置计算公式并建立质心检测模型，给出测力点和坐标取值，为车辆设计、制造、维修和检测提供准确参数，方便重心偏离物体的几何中心时进行配重；最后利用传感器采集车辆行走运行中的各种参数，各种参数采集后通过RS485总线同时传给计算机，计算机根据质心检测模型检测出的质心位置以及采集的各种参数输出控制信号对车辆行走运行各部件进行调整，实现车辆的稳态行驶。本发明基本可满足实际使用要求和设计目标。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明中建立的数学模型示意图。

图3为本发明中采用分坐标计算法计算X轴、Y轴坐标值的示意图。

图4为本发明中采用静态平衡力矩原理计算Z轴坐标值的示意图。

图5为本发明中车辆在弯形路道行驶的速度控制示意图。

图6为本发明中车辆在斜面路道行驶的最大倾斜角控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种车辆三维质心检测方法，包括以下步骤：

步骤一：针对车辆在运动中受质心位置影响其平稳性问题，从原理上推论复杂几何体的重心计算公式，建立数学模型。

步骤一中数学模型的推导过程为：

如图2所示，记车辆四个车轮与地面接触点为a、b、c、d，假设E点为车辆物体的质心三维位置点，以b、c所在方向为坐标X轴，以a、b所在方向为坐标Y轴，以垂直于a、b、c、d所在平面方向为坐标Z轴建立车辆三维直角坐标系，则：

根据静力学的平衡公式计算质心，得到数学模型为：

∑Mi*Xi＝Mo*Xo Xo＝∑Mi*Xi/Mo

∑Mi*Yi＝Mo*Yo Yo＝∑Mi*Yi/Mo (1)

∑Mi*Zi＝Mo*Zo Zo＝∑Mi*Zi/Mo

式中:Mi为第i个零部件的质量；

Mo为车辆整车的质量；

Xi为车辆三维直角坐标系中，第i个零部件的质心在X方向的坐标值；

Yi为车辆三维直角坐标系中，第i个零部件的质心在Y方向的坐标值；

Zi为车辆三维直角坐标系中，第i个零部件的质心在Z方向的坐标值；

Xo为车辆三维直角坐标系中，车辆整车的质心在X方向的坐标值；

Yo为车辆三维直角坐标系中，车辆整车的质心在Y方向的坐标值；

Zo为车辆三维直角坐标系中，车辆整车的质心在Z方向的坐标值。

步骤二：根据建立的数学模型，以车辆四个轮子与地面接触点作为测点，以测点建立坐标位置，检测受力点处的受力大小，以三维坐标的力矩矢量为“0”原理，推出重心三维坐标位置计算公式并建立质心检测模型，给出测力点和坐标取值。

基于静力学的力矩平衡原理，采用分坐标计算法可较快计算检测三维直角坐标系中车辆整车质心坐标：

2-1)如图3所示，在车辆整车X0Y二维坐标系中，利用杠杆原理：G为车辆整车总质量，分别以cd轴点为支点，提升ab轴点并测出施力大小F1；再以ab轴点为支点，提升cd轴点并测出施力大小F2；再测出ab轴和cd轴间距离X，则:

由F1/F2＝X1/X2＝X1/(X-X1) (2)

得出X1＝F1*X/(F1+F2) (3)

X2＝X-X1 (4)

X1为车辆质心到ab轴的距离，X2为车辆质心到cd轴的距离；

2-2)由同样原理分别以bc轴点为支点，提升ad轴点并测出施力大小F3；再以ad轴点为支点，提升bc轴点并测出施力大小F4；再测出ad轴与cb轴间距离Y，则：

得出Y1＝F3*Y/(F3+F4) (5)

Y2＝Y-Y1 (6)

Y1为车辆质心到cb轴的距离，Y2为车辆质心到ad轴的距离；

由式(3)、(4)、(5)、(6)即可算出车辆整车质心在X0Y坐标系中坐标；

2-3)在三维坐标系中还缺Z轴方向坐标，在Y0Z二维坐标系中采用静态平衡力矩原理计算Z轴坐标值：

以Y0Z二维坐标系为例，如图4所示，稍微提ab轴升高h并形成车辆倾斜角α；

X1、X2已由(3)(4)式得出；

X为车辆首末两轴的轴距，X＝X1+X2；G为车辆整车的总质量；

令车辆整车质心到ab轴心和cd轴心连线的垂直距离为Z2，根据静力状态下的∑Mi力矩矢量和为“0”原理，计算出Z2：

∑Mi＝G*(Z2+X1)-F1*X*cosα＝0 (7)

得出：Z2＝(F1*X*cosα/G-X1)/tngα (8)

最终推出：X1＝F1*X/(F1+F2) (9)

Y1＝F3*Y/(F3+F4) (10)

Z2＝(F1*X*cosα/G-X1)/tngα Z1＝Z-Z2 (11)

由于上述计算是以轴心计算出车辆整车质心到ab轴心和cd轴心连线的垂直距离为Z2的，实际离地质心为Z2+r，r为车轮半径；

质心位置X1、Y1、Z1按此方法计算出后，就确定了车辆质心所在的三维位置点。这个位置点就确定了车辆在行驶中的多种控制参数，这种方法为车辆的安全管理提供了可操作的量化指标。

步骤三：利用传感器采集车辆行走运行中的各种参数，各种参数采集后同时传给计算机，计算机根据质心检测模型检测出的质心位置以及采集的各种参数输出控制信号对车辆行走运行各部件进行调整，实现车辆的稳态行驶。

下面以两种状态说明质心位置对车辆行驶参数的影响：

1)运动车辆在弯形路道行驶的速度控制过程：

绕定心弯道行驶时除了受重力外还受离心力作用，不同质心分布的车载物体车辆，在绕定心弯道行驶的限速极限是不同的，弯形路道行驶安全性的判定计算依据力矩平衡原理推出，如图5所示，在坐标系ZOX中，质心离地高Z＝Z2+R，车辆做高速绕定心弯道行驶时，以cd支点构成平衡力矩∑Mi＝0

G1*X2-G2*Z2≥0 (12)

G2＝2G1*V/(Rg) (13)

其中G1为车辆受重力；G2为车辆离心力；g为重力加速度；R为高速绕定心弯道行驶时的圆弧半径；V为绕定心弯道行驶时的速度；

得出V≤X2*R*g/2 (14)

即高速绕定心弯道行驶时的车辆速度必须小于一定值，当圆弧半径越大时允许速度越大，否则速度越小；质心离地越高时允许速度越大，否则速度越小。

2)运动车辆在斜面路道行驶的最大倾斜角α°控制过程：

倾斜路面运动车辆的重力分为垂直路面的压力f2和路面平行的推力f1，推理和压力也形成一对平衡力矩，斜面路道行驶安全性的判定计算也是依据力矩平衡原理推出：

如图6所示，坐标系ZOX中，质心离地高Z＝Z2+r，车辆在倾斜路面行驶时，以cd支点构成平衡力矩∑Mi＝0

f1＝G1*sinα f2＝G1*cosα

∑Mi＝f2*X2–f1*Z1≥0

G1*cosα*X2–G1*sinα*Z1≥0

α≤arc ctg Z1/X2

Z2为车辆质心高度；X2为车辆质心偏离几何重心量；

即车辆在倾斜路面行驶时的平稳性不仅与车辆质心高度有关，质心越高倾斜角度极限越小，否则越大；而且与车辆质心偏离几何重心量也相关，偏离一方倾斜角度极限小，另一方倾斜角度极限大。

车辆质心的位置检测计算法可广泛运用于高速公路进口点安检、车辆出厂安检合格判定等运用场合。如果利用压力传感器、485总线即可实现测出物体三维坐标系中标质心快速确定坐标位置。这种方法为车辆设计、制造、维修和检测提供准确参数，方便重心偏离物体的几何中心时进行配重，使行驶车辆处于安全状态。

Claims (5)

1.一种车辆三维质心检测方法，包括以下步骤：

步骤一：针对车辆在运动中受质心位置影响其平稳性问题，从原理上推论复杂几何体的重心计算公式，建立数学模型；

步骤二：根据建立的数学模型，以车辆四个轮子与地面接触点作为测点，以测点建立坐标位置，检测受力点处的受力大小，以三维坐标的力矩矢量为“0”原理，推出重心三维坐标位置计算公式并建立质心检测模型，给出测力点和坐标取值；

步骤三：利用传感器采集车辆行走运行中的各种参数，各种参数采集后同时传给计算机，计算机根据质心检测模型检测出的质心位置以及采集的各种参数输出控制信号对车辆行走运行各部件进行调整，实现车辆的稳态行驶。

2.根据权利要求1所述的车辆三维质心检测方法，其特征在于，所述步骤一具体步骤为：

记车辆四个车轮与地面接触点为a、b、c、d，假设E点为车辆物体的质心三维位置点，以b、c所在方向为坐标X轴，以a、b所在方向为坐标Y轴，以垂直于a、b、c、d所在平面方向为坐标Z轴建立车辆三维直角坐标系，则：

根据静力学的平衡公式计算质心，得到数学模型为：

式中:Mi为第i个零部件的质量；

Mo为车辆整车的质量；

Xi为车辆三维直角坐标系中，第i个零部件的质心在X方向的坐标值；

Yi为车辆三维直角坐标系中，第i个零部件的质心在Y方向的坐标值；

Zi为车辆三维直角坐标系中，第i个零部件的质心在Z方向的坐标值；

Xo为车辆三维直角坐标系中，车辆整车的质心在X方向的坐标值；

Yo为车辆三维直角坐标系中，车辆整车的质心在Y方向的坐标值；

Zo为车辆三维直角坐标系中，车辆整车的质心在Z方向的坐标值。

3.根据权利要求1所述的车辆三维质心检测方法，其特征在于，所述步骤二具体步骤为：

基于静力学的力矩平衡原理，采用分坐标计算法可较快计算检测三维直角坐标系中车辆整车质心坐标：

2-1)在车辆整车X0Y二维坐标系中，利用杠杆原理：G为车辆整车总质量，分别以cd轴点为支点，提升ab轴点并测出施力大小F1；再以ab轴点为支点，提升cd轴点并测出施力大小F2；再测出ab轴和cd轴间距离X，则:

由F1/F2＝X1/X2＝X1/(X-X1) (2)

得出X1＝F1*X/(F1+F2) (3)

X2＝X-X1 (4)；

X1为车辆质心到ab轴的距离，X2为车辆质心到cd轴的距离；

2-2)由同样原理分别以bc轴点为支点，提升ad轴点并测出施力大小F3；再以ad轴点为支点，提升bc轴点并测出施力大小F4；再测出ad轴与cb轴间距离Y，则：

得出Y1＝F3*Y/(F3+F4) (5)

Y2＝Y-Y1 (6)

Y1为车辆质心到cb轴的距离，Y2为车辆质心到ad轴的距离；

由式(3)、(4)、(5)、(6)即可算出车辆整车质心在X0Y坐标系中坐标；

2-3)在三维坐标系中还缺Z轴方向坐标，在Y0Z二维坐标系中采用静态平衡力矩原理计算Z轴坐标值：

稍微提ab轴升高h并形成车辆倾斜角α；

X1、X2已由(3)(4)式得出；

X为车辆首末两轴的轴距，X＝X1+X2；G为车辆整车的总质量；

令车辆整车质心到ab轴心和cd轴心连线的垂直距离为Z2，根据静力状态下的∑Mi力矩矢量和为“0”原理，计算出Z2：

∑Mi＝G*(Z2+X1)-F1*X*cosα＝0 (7)

得出：Z2＝(F1*X*cosα/G-X1)/tngα (8)

最终推出：X1＝F1*X/(F1+F2) (9)

Y1＝F3*Y/(F3+F4) (10)

Z2＝(F1*X*cosα/G-X1)/tngα Z1＝Z-Z2 (11)

由于上述计算是以轴心计算出车辆整车质心到ab轴心和cd轴心连线的垂直距离为Z2的，实际离地质心为Z2+r，r为车轮半径；

质心位置X1、Y1、Z1按此方法计算出后，就确定了车辆质心所在的三维位置点。

4.根据权利要求3所述的车辆三维质心检测方法，其特征在于，所述步骤三中，对车辆行走运行各部件进行调整包括在弯形路道行驶的速度控制过程：

绕定心弯道行驶时除了受重力外还受离心力作用，不同质心分布的车载物体车辆，在绕定心弯道行驶的限速极限是不同的，弯形路道行驶安全性的判定计算依据力矩平衡原理推出，在坐标系ZOX中，质心离地高Z＝Z2+R，车辆做高速绕定心弯道行驶时，以cd支点构成平衡力矩∑Mi＝0

G1*X2-G2*Z2≥0 (12)

G2＝2G1*V/(Rg) (13)

其中G1为车辆受重力；G2为车辆离心力；g为重力加速度；R为高速绕定心弯道行驶时的圆弧半径；V为绕定心弯道行驶时的速度；

得出V≤X2*R*g/2 (14)

即高速绕定心弯道行驶时的车辆速度必须小于一定值，当圆弧半径越大时允许速度越大，否则速度越小；质心离地越高时允许速度越大，否则速度越小。

5.根据权利要求4所述的车辆三维质心检测方法，其特征在于，所述步骤三中，对车辆行走运行各部件进行调整包括在斜面路道行驶的最大倾斜角α°控制过程：

倾斜路面运动车辆的重力分为垂直路面的压力f2和路面平行的推力f1，推理和压力也形成一对平衡力矩，斜面路道行驶安全性的判定计算也是依据力矩平衡原理推出：

坐标系ZOX中，质心离地高Z＝Z2+r，车辆在倾斜路面行驶时，以cd支点构成平衡力矩∑Mi＝0

f1＝G1*sinα f2＝G1*cosα

∑Mi＝f2*X2–f1*Z1≥0

G1*cosα*X2–G1*sinα*Z1≥0

α≤arc ctg Z1/X2

即车辆在倾斜路面行驶时的平稳性不仅与车辆质心高度有关，质心越高倾斜角度极限越小，否则越大；而且与车辆质心偏离几何重心量也相关，偏离一方倾斜角度极限小，另一方倾斜角度极限大。