CN112407048A - 一种方向盘转角及扭矩的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方向盘转角及扭矩的测量系统，可实现方向盘的转角及扭矩的测量，步骤简洁、结构简单且误差较小。本发明增加了辅助方向盘，其通过连接轴与汽车方向盘固连，代替汽车方向盘控制转向；在辅助方向盘的中心位置安装第二加速度传感器，以测量辅助方向盘在转动时的加速度数据；在与车身水平面平行的地板平面上安装第一加速度传感器；第二处理单元通过有线连接第二加速度传感器和扭矩传感器的数据，再通过无线通信模块发送给第一处理单元；第一处理单元无线接收来自第二处理单元的加速度数据和扭矩数据；从第一加速度传感器获取车身的加速度数据；采用上述加速度数据计算出汽车方向盘的转角，而方向盘扭矩直接采用扭矩传感器测量数据。

Description

一种方向盘转角及扭矩的测量系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是设计一种方向盘转角及扭矩的测量系统。

背景技术

汽车电子控制系统的不断发展，越来越多的基于方向盘转动角度或者驾驶员意图的控制系统得到广泛应用，如自动泊车系统、车身电子稳定系统等等。汽车方向盘转角及扭矩传感器的作用是测量方向盘的转动角度和扭矩，是汽车电子控制系统的重要部件之一。

传统的角度传感器有电位器式、光电式、磁电式、霍尔式等，这些传感器或结构复杂、成本高，或抗干扰性能差，且对于平台的安装精度要求较高，整个系统的体积较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种方向盘转角及扭矩的测量系统，能够实现方向盘的转角及扭矩的测量，而且步骤简洁、结构简单并且误差较小。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种方向盘转角及扭矩的测量系统，包括：辅助方向盘、第一加速度传感器、第二加速度传感器、扭矩传感器、第一处理单元和第二处理单元；

辅助方向盘，通过连接轴与汽车方向盘固连，代替汽车方向盘控制转向；辅助方向盘平面与汽车方向盘平面平行，所述连接轴的轴线与汽车方向盘转轴重合；

第一加速度传感器，安装在与车身水平面平行的地板平面上，安装点与辅助方向盘中心的连线垂直于该地板平面，用于测量车身的加速度数据；

第二加速度传感器，安装在所述辅助方向盘的中心位置，用于测量辅助方向盘在转动时的加速度数据；

扭矩传感器，安装在所述连接轴上，用于测量辅助方向盘的输入扭矩；

第一处理单元，用于通过无线通信模块接收来自第二处理单元的加速度数据和扭矩数据；从第一加速度传感器获取车身的加速度数据；并用来第一处理单元和第二处理单元的加速度数据计算出汽车方向盘的转角α；方向盘扭矩直接采用所述扭矩数据；

第二处理单元，设置在辅助方向盘上，通过有线连接所述第二加速度传感器和扭矩传感器的数据，再通过无线通信模块发送给第一处理单元。

优选地，所述第二处理单元包括2个信号调理模块、2个A/D采集模块、运算模块和无线通信模块；信号调理模块连接A/D采集模块；运算模块连接A/D采集模块和无线通信模块。

优选地，所述第一处理单元由信号调理模块、A/D采集模块、运算模块、无线通信模块、USB数据通信模块和CAN数据通信模块组成；信号调理模块连接A/D采集模块；运算模块连接A/D采集模块、无线通信模块、USB数据通信模块和CAN数据通信模块。

优选地，该系统进一步包括外部分析模块，用于从第一处理单元获取第一加速度传感器、第二加速度传感器和扭矩传感器的测量数据、汽车方向盘转角计算结果，进一步进行分析。

优选地，所述第一加速度传感器至少为单轴加速度计，将有效测量轴记为Ya轴；Ya轴的测量方向是车身坐标系的Y方向，车身坐标系的Y方向指向车身一侧；

所述第二加速度传感器至少为两轴加速度计，将有效测量轴记为Xc轴和Yc轴；Xc轴和Yc轴位于辅助方向盘所在平面内；当辅助方向盘转角为0度时，Xc轴与方向盘坐标系的X轴重合，当辅助方向盘转动时，Xc轴随之转动，与方向盘坐标系的X轴的夹角记为α；

第二处理单元计算方向盘转角α的公式为：

根据y1_a的取值，判断方向盘的旋转方向：

当y1_a<0时，方向盘顺时针旋转；

当y1_a>0时，方向盘逆时针旋转；

当y1_a＝0时，方向盘旋转方向无法判定；

其中，y1_a为第一加速度传感器的Ya轴所测加速度数据；x2_c和y2_c分别为第二加速度传感器的Xc轴和Yc轴所测加速度数据。

优选地，所述加速度传感器1安装在穿过辅助方向盘中心垂线与所述地板平面的相交位置。

优选地，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器为MEMS三轴加速度传感器。

有益效果：

(1)本发明所提出的测量系统，由安装在辅助方向盘上的加速度传感器及扭矩传感器测得相关信号，通过无线方式传递给处理单元。同时，安装在车身上的加速度传感器获得车辆运动加速度，也传递给处理单元。处理单元利用接收的传感器数据计算出方向盘转角α和扭矩。本发明能够实现方向盘的转角及扭矩的测量，而且步骤简洁、结构简单并且误差较小。

(2)两个处理单元之间数据进行无线信号传输，避免了有线传输的冗杂和易受到外界如车辆震动等干扰的问题。

(3)传感器的分散布置以及无线数据传递的特点，使得其空间利用率高，具有很大的灵活性。

附图说明

图1是本发明实施例中方向盘转角及扭矩的测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中方向盘转角及扭矩的测量系统的组成框图；

图3是转向结构及其三个坐标系的示意图；

图4是acc1在a坐标系和b坐标系映射的对应关系示意图；

图5是acc1在b坐标系和c坐标系映射的对应关系示意图；

其中，101-辅助方向盘，102-汽车方向盘，104-方向盘安装平面，103-汽车方向盘转向柱，105-地板平面，106-扭矩传感器，107-第二加速度传感器，108-第一加速度传感器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种方向盘转角及扭矩的测量系统，设计了一套安装在汽车方向盘上的辅助测量系统，利用两个加速度传感器采集的数据，实现汽车方向盘转角的测量，采用一个扭矩传感器实现方向盘扭矩的测量。

本发明需要两个加速度传感器，在以下实施例中均采用MEMS(Micro electromechanical system)三轴加速度计，其他类型的三轴加速度计也适用于本方法。MEMS加速度计，尺寸大大缩小，而且重量小、功耗低、线性度好，被广泛应用于航空航天、医学、汽车工业等各个领域。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，所以具有很高的性价比。因此，利用MEMS三轴加速度传感器代替传统的方向盘转角传感器，不仅结构简单，而且成本低，性能稳定，占用空间小，具有很好的性价比。

利用MEMS三轴加速度传感器测量汽车方向盘转角需要解决的问题是构建基于加速度传感器的测量系统，减小误差以及验证其具体的测量原理，同时加入测量扭矩的测量模块，构成完整的测量系统。

图1为本发明方向盘转角及扭矩的测量系统，如图1所示，该系统包括辅助方向盘、第一MEMS三轴加速度传感器108、第二MEMS三轴加速度传感器107、扭矩传感器、第一处理单元和第二处理单元。

其中，辅助方向盘、第二MEMS三轴加速度传感器107、第二处理单元和扭矩传感器可以集成为一个附加设备，安装在待测汽车方向盘上，用于获得两个测量数据，通过无线方式传递到第一处理单元中。第一MEMS三轴加速度传感器108和第一处理单元之间相连接，第一MEMS三轴加速度传感器108采集的传感器数据可以通过无线或有线的方式传递到第一处理单元中，当然有线方式可以避免增加通讯模块。而附加模块通过无线方式传输数据，可以避免线路对方向盘转动的干扰。最终，所有传感数据均汇集到第一处理单元进行处理，得到所需的方向盘转角及扭矩。

具体来说，如图2所示，辅助方向盘101通过连接轴与汽车方向盘102固连，代替汽车方向盘使用，辅助方向盘与汽车方向盘102的转动方向一致。辅助方向盘的连接轴与汽车方向盘转向柱103的中心轴线重合，为MEMS三轴加速度传感器2和扭矩传感器提供安装平台。

第二MEMS三轴加速度传感器107，安装在所述辅助方向盘101的中心位置，用于测量汽车方向盘在转动时的加速度数据。辅助方向盘101所在平面与汽车方向盘102所在平面平行，如图中均与方向盘安装平面104平行。

第一MEMS三轴加速度传感器108，安装在与车身水平面平行的地板平面105上，安装点与辅助方向盘中心的连线垂直于该地板平面，用于测量车身的加速度数据。

扭矩传感器106，安装在辅助方向盘101与汽车方向盘102的连接轴上，用于测量辅助方向盘的输入扭矩，同时也是汽车方向盘的输入扭矩。

第一处理单元，用于通过无线通信模块接收来自第二处理单元的数据，并从第一MEMS三轴加速度传感器108获取汽车运动时车身的加速度数据，利用两个加速度传感器的加速度数据得出方向盘转角α；方向盘扭矩直接采用扭矩传感器的测量数据。本实施例中，如图2所示，第一处理单元可以由信号调理模块、A/D采集模块、运算模块(单片机)、无线通信模块、USB数据通信模块和CAN数据通信模块组成，信号调理模块调理后的数据经A/D转换输入运算模块进行处理，来自第二处理单元的数据通过无线通信模块接收后发给运算模块处理。

第二处理单元，设置在辅助方向盘101上，可以在盘体上，也可以在连接轴上。通过有线连接采集第二MEMS三轴加速度传感器107和扭矩传感器的数据，通过无线通信模块发送给第一处理单元。本实施例中，第二处理单元可以由2个信号调理模块、2个A/D采集模块、运算模块(单片机)和无线通信模块组成。2个信号调理模块分别对应两个传感器，调理后的数据经A/D转换后输入运算模块进行处理，然后通过无线通信模块发出。

另外，该系统还可以进一步包括外部分析模块，通过USB数据通信模块或CAN数据通信模块从第一处理单元获取传感器的采集数据，方向盘转角和扭矩的计算结果，进一步进行分析。

整个测量系统的核心在于方向盘转角α的求解，因此下面针对方向盘转角求解方案进行推导和分析。同时，为了便于描述，以下将两个MEMS三轴加速度传感器简称为加速度计1和加速度计2。两个加速度计放置的位置如图3所示，其中，加速度计1安装在车身地板平面内，位于辅助方向盘中心垂线与地板平面相交的位置，加速度计2安装在辅助方向盘的中心位置。

图中有三个直角坐标系，分别记为车身坐标系(简称a坐标系)，方向盘坐标系(简称b坐标系)以及方向盘上加速度计坐标系(简称c坐标系)。其中，a坐标系对应坐标轴Xa、Ya和Za，Xa、Ya轴在地板平面内，Za轴垂直地面平面，Ya轴指向车体侧面。b坐标系对应坐标轴Xb、Yb和Zb，Xb、Yb轴在辅助方向盘平面内，Zb轴与方向盘转轴重合。坐标系c对应坐标轴Xc、Yc和Zc，Xc、Yc轴同样在辅助方向盘平面内，Zc轴与方向盘转轴重合。当辅助方向盘转角为0度时，Xc轴与Xb轴重合，当辅助方向盘转动时，Xc轴随之转动，与Xb轴的夹角记为α。三个坐标系的关系是：a坐标系和b坐标系都是相对于车身静止，相对于地面运动；c坐标系是相对于车身运动，相对于方向盘上加速度计静止。

a坐标系和b坐标系的关系：坐标轴Xa和Xb的夹角θ，Ya平行于Yb，Za和Zb的夹角θ。b坐标系和c坐标系的关系：坐标轴Xb和Xc的夹角α，Yb和Yc的夹角α，Zb平行于Zc。

表1为两个加速度计采集的加速度数据的字母表达。

表1

acc1	加速度计1安装位置的加速度值
		acc1<sub>a</sub>＝[x1<sub>a</sub> y1<sub>a</sub> z1<sub>a</sub>]<sup>T</sup>	acc1在a坐标系内的映射
acc1<sub>b</sub>＝[x1<sub>b</sub> y1<sub>b</sub> z1<sub>b</sub>]<sup>T</sup>	acc1在b坐标系内的映射
		acc1<sub>c</sub>＝[x1<sub>c</sub> y1<sub>c</sub> z1<sub>c</sub>]<sup>T</sup>	acc1在c坐标系内的
acc2	加速度计2安装位置的加速度值
		acc2<sub>c</sub>＝[x2<sub>c</sub> y2<sub>c</sub> z<sub>c</sub>]<sup>T</sup>	acc2在c坐标系内的映射
g	重力加速度

方向盘转角的求解依赖于两个MEMS三轴加速度传感器的测量值。假设加速度计1位置的加速度记为acc1，在a坐标系的映射acc1_a＝[x1_a y1_a z1_a]^T，在b坐标系的映射acc1_b＝[x1_b y1_b z1_b]^T，在c坐标系的映射acc1_c＝[x1_c y1_c z1_c]^T。测量值acc1在a坐标系和坐标系b映射的转换关系为：

其中，θ为方向盘旋转轴与车辆地板的夹角。

测量值acc1在b坐标系和c坐标系映射的转换关系：

假设加速度计2位置的加速度记为acc2，在c坐标系的映射acc2_c＝[x2_c y2_c z_c]^T。当忽略车辆的前后俯仰运动和左右翻滚运动的情况下，加速度计1的测量值acc1和加速度计2的测量值acc2在c坐标系的映射相等，即，

联立等式(1)、(2)和(3)，得

从等式(4)，得

其中，

从等式(5)，得

根据y1_a的取值，可以判断方向盘的旋转方向：

·当y1_a<0时，方向盘顺时针旋转；

·当y1_a>0时，方向盘逆时针旋转。

·当y1_a＝0时，方向盘旋转方向无法判定。另外，当车轮旋转没有引起车身的左右摇摆时，等式y1_a＝0成立。

从等式(4)，可以求得方向盘旋转轴与地板平面的夹角

由于方向盘旋转轴和地板平面的夹角是常数，不随方向盘旋转和车辆运动变化，可以选取车辆和方向盘静止，且方向盘旋转角为零，求解该夹角。

α＝0 (9)

其中，g为重力加速度。联立等式(4)、(8)和(9)，得

θ＝π/2-arctan(x2_c/z2_c)＝arctan(z2_c/x2_c) (10)

注意等式(10)，只有在车辆和方向盘静止状态成立。而，等式(7)在车辆和方向盘运动和静止状态都成立。

可见，通过公式(6)，根据两个传感器测得的加速度分量，可算出方向盘转角α，以及判定方向盘的旋转方向。

从公式(6)还可以看出，只需要y1_a、x2_c和y2_c三个量就可以计算得到方向盘转角α，因此无需两个加速度计均采用三轴加速度计，也不会影响方向盘转角的测量。根据所需物理量，出于节省成本考虑，加速度计1可以选择单轴加速度计或者两轴加速度计或者三轴加速度计，但只需用到其中一轴进行测量，该轴的测量方向即为图3中Ya轴的方向，也就是车身坐标系的Y方向，指向车身侧面。同理，加速度计2可以选择两轴加速度计或者三轴加速度计，但只需用到其中两轴进行测量，这两个轴的测量方向即为图3中Xc和Yc轴的方向，它们位于辅助方向盘所在平面内，当辅助方向盘转角为0度时，Xc轴与Xb轴重合，当辅助方向盘转动时，Xc轴随之转动，与Xb轴的夹角记为α。

综上所述，传统的角度传感器或结构复杂、成本高或抗干扰性能差，且对于平台的安装精度要求较高，整个系统的体积较大。本发明利用加速度传感器代替传统的方向盘转角传感器，结构简单，成本低，占用空间小，而且如果采用MEMS三轴加速度传感器还将具有功耗低，性能稳定的效果，具有很好的性价比。

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种方向盘转角及扭矩的测量系统，其特征在于，包括：辅助方向盘、第一加速度传感器、第二加速度传感器、扭矩传感器、第一处理单元和第二处理单元；

辅助方向盘(101)，通过连接轴与汽车方向盘(102)固连，代替汽车方向盘控制转向；辅助方向盘平面与汽车方向盘平面平行，所述连接轴的轴线与汽车方向盘转轴重合；

第一加速度传感器(108)，安装在与车身水平面平行的地板平面(105)上，安装点与辅助方向盘中心的连线垂直于该地板平面，用于测量车身的加速度数据；

第二加速度传感器(107)，安装在所述辅助方向盘的中心位置，用于测量辅助方向盘在转动时的加速度数据；

扭矩传感器(106)，安装在所述连接轴上，用于测量辅助方向盘的输入扭矩；

第一处理单元，用于通过无线通信模块接收来自第二处理单元的加速度数据和扭矩数据；从第一加速度传感器获取车身的加速度数据；并用来第一处理单元和第二处理单元的加速度数据计算出汽车方向盘的转角α；方向盘扭矩直接采用所述扭矩数据；

第二处理单元，设置在辅助方向盘(101)上，通过有线连接所述第二加速度传感器和扭矩传感器的数据，再通过无线通信模块发送给第一处理单元。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二处理单元包括2个信号调理模块、2个A/D采集模块、运算模块和无线通信模块；信号调理模块连接A/D采集模块；运算模块连接A/D采集模块和无线通信模块。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一处理单元由信号调理模块、A/D采集模块、运算模块、无线通信模块、USB数据通信模块和CAN数据通信模块组成；信号调理模块连接A/D采集模块；运算模块连接A/D采集模块、无线通信模块、USB数据通信模块和CAN数据通信模块。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括外部分析模块，用于从第一处理单元获取第一加速度传感器、第二加速度传感器和扭矩传感器的测量数据，以及汽车方向盘转角计算结果，进行进一步分析。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一加速度传感器至少为单轴加速度计，将有效测量轴记为Ya轴；Ya轴的测量方向是车身坐标系的Y方向，车身坐标系的Y方向指向车身一侧；

所述第二加速度传感器至少为两轴加速度计，将有效测量轴记为Xc轴和Yc轴；Xc轴和Yc轴位于辅助方向盘所在平面内；当辅助方向盘转角为0度时，Xc轴与方向盘坐标系的X轴重合，当辅助方向盘转动时，Xc轴随之转动，与方向盘坐标系的X轴的夹角记为α；

第二处理单元计算方向盘转角α的公式为：

根据y1_a的取值，判断方向盘的旋转方向：

当y1_a＜0时，方向盘顺时针旋转；

当y1_a＞0时，方向盘逆时针旋转；

当y1_a＝0时，方向盘旋转方向无法判定；

其中，y1_a为第一加速度传感器的Ya轴所测加速度数据；x2_c和y2_c分别为第二加速度传感器的Xc轴和Yc轴所测加速度数据。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加速度传感器1安装在穿过辅助方向盘中心垂线与所述地板平面(105)的相交位置。

7.如权利要求1至6任意一项所述的系统，其特征在于，所述第一加速度传感器和第二加速度传感器为MEMS三轴加速度传感器。

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