CN117007328B - 用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车辆碰撞测试技术领域，公开了一种用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，包括以下步骤，步骤1：在车辆上安装数个惯导，以用于测量车辆碰撞后的动态位移；所述惯导包括I号主惯导、II号主惯导和设于待测碰撞点的子惯导；步骤2：进行车辆碰撞测试；并获取车辆碰撞过程中惯导输出的加速度值，并计算得到惯导杆臂及惯导的角加速度估计值；步骤3：基于主惯导及子惯导杆臂、角加速度估计值，根据预设杆臂算法计算惯导的加速度补偿量；步骤4：基于加速度补偿量对各惯导输出的加速度值进行补偿。本发明能够有效抑制动态位移解算中的数据发散现象，提高动态位移解算精度，有助于提升车辆安全性能评估的准确度。

Description

用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法

技术领域

本发明涉及车辆碰撞测试技术领域，具体涉及一种用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法。

背景技术

车辆碰撞测试是评估车辆安全性能的重要试验项目。在车辆碰撞测试中，需要分析车辆及车辆上测试假人等受到碰撞冲击后，车辆及测试假人产生的整个运动过程，并对碰撞过程中及碰撞后试验样品(包括车辆和测试假人)的形变程度等进行评估。这就要求在碰撞试验中，精确采集到诸如测试假人特征位置三向动态移动量、方向盘三向动态侵入、踏板动态侵入等物理量。

现有的采集方法包括基于高速摄影的图像处理方法和拉线位移测量方法，但前者方案中目标点易受遮挡、参考点难以设定，可行度不高；后者方案中测量设备布置复杂，拉线易受干扰，采集精度较差。而还有少数采用惯导技术进行动态位移测算的方法，在可行度、布置简易度和采集精度上相较于前述方案均有所提升，但在实际应用中，惯导测得的数据易受到不同的碰撞工况影响而产生测量误差，会对动态位移的测量精准度造成较大负面影响。

发明内容

本发明意在提供一种用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，能够有效抑制动态位移解算中的数据发散现象，减少测量误差，提高动态位移解算精度，有助于提升车辆安全性能评估的准确度。

本发明提供的基础方案为：用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，包括以下步骤：

步骤1：在车辆上安装数个惯导，以用于测量车辆碰撞后的动态位移；所述惯导包括I号主惯导、II号主惯导和设于待测碰撞点的子惯导；

步骤2：进行车辆碰撞测试；并获取车辆碰撞过程中惯导输出的加速度值，并计算得到惯导杆臂及惯导的角加速度估计值；

步骤3：基于主惯导及子惯导杆臂、角加速度估计值，根据预设杆臂算法计算惯导的加速度补偿量；

所述预设杆臂算法为：

式中，Δ为惯导的加速度补偿量；ω为惯导输出的角速度值，γ为惯导处的杆臂，为惯导安装处的角加速度估计值；

步骤4：基于加速度补偿量对各惯导输出的加速度值进行补偿。

本发明的工作原理及优点在于：首先，在车辆上安装惯导以用于测量待测碰撞点的动态位移，测量方式简单且易于操作。再通过综合分析各惯导在运动过程(即碰撞过程)中的输出量，以获取惯导杆臂及惯导的角加速度值，再基于上述数值对加速度补偿量进行计算，以对原始输出的加速度值等进行补偿优化，进而消除原始输出的加速度值中的测量误差，有助于提高动态位移解算精度。

本发明用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，能够有效抑制动态位移解算中的数据发散现象，减少测量误差，提高动态位移解算精度，有助于提升车辆安全性能评估的准确度。重点在于：第一，本方案发现并解决了现有的基于惯导技术的位移测量方法中存在测量误差的关键原因。具体地，在实际碰撞测试中，当车辆在碰撞过程中出现车体绕某个或某几个旋转中心快速旋转的现象时，车辆会产生较大的垂向加速度及角加速度。此情况下，会导致惯导导航解算的目标点的动态位移在多方向上(主要为侧向)产生数据发散现象，进而形成测量误差。但由于此类现象的数据误差较不易于观测，且在常规碰撞工况下此类数据发散现象造成的测量误差相对较小，以致于现有方案中，均没有发现此测量误差，也没有对此误差进行处理。而本方案则发现了此测量误差，并设定了对应的优化方法，能够有效消除此误差。

第二，本方案中特设有两个主惯导，通过综合分析两个主惯导在碰撞过程中的输出量，即可准确定位车体旋转中心，进而准确计算得到惯导杆臂，进而准确计量得到惯导的角加速度估计值。进而基于预设杆臂算法换算得到加速度补偿量。整体方法流程简单，较易于操作。

第三，应用本方案可降低惯导布置难度，提高测试效率的同时，提高惯导测量方法的场景适应度。具体地，对于惯导本身而言，惯导的安装位置需与载体车辆的质心重合，以避免惯导的加速度计额外输出附加干扰加速度，形成测量误差，影响到惯导测量结果。但在实际应用中，由于需要测定不同的待测碰撞点、测定不同的车型，使得惯导安装位置往往难以与载体质心重合，以致于需要反复调校选择影响较小的安装位置，并需要安排额外的数据处理步骤。针对于此现象，本方案所计算得到的加速度补偿量能够同步对此测量误差进行补偿，进而可使得现有的具有较强的场景适应性。

附图说明

图1为本发明用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法实施例的方法流程示意图；

图2为本发明用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法实施例的位移发散示意图；

图3为本发明用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法实施例的杆臂估计示意图；

图4为本发明用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法实施例的跟踪微分器原理示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例基本如附图1所示：用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，包括以下步骤：

步骤1：在车辆上安装数个惯导，以用于测量车辆碰撞后的动态位移；所述惯导包括I号主惯导、II号主惯导和设于待测碰撞点的子惯导。

I号主惯导和II号主惯导均安装于不参与碰撞形变的车辆部位。具体地，所述I号主惯导和II号主惯导沿车体横轴平行安装于车体尾部的两点处，且两点之间间隔一间距L。

本实施例中，主要针对正面25％小偏置碰撞工况下的碰撞试验中的动态位移数据进行优化。

在此类存在偏置的碰撞工况下，特别是在正面25％小偏置碰撞工况下，车辆在碰撞过程中易于出现车体绕某个或某几个旋转中心快速旋转，产生较大的垂向加速度及角加速度的情况。此情况影响下，如附图2所示，会导致惯导导航解算的目标点动态位移在多方向上(主要为侧向)产生数据发散现象，会严重影响动态位移，特别是侧向动态位移的解算精度，导致碰撞测试精准度不高，对于车辆的安全性能评估准确度不高。针对此类工况，本优化方法的优化效果最为明显，采用本优化方法进行数据处理后，能够抑制数据发散现象，提高动态位移的解算精度。

为便于描述及理解，将I号主惯导的安装点设为A₁点，将II号主惯导的安装点设为A₂点；以I号主惯导作为车体坐标系(b0系)的原点，则A₁点的坐标为[0 0 0]^T，A₂点的坐标为[0 0 L]^T，如附图3所示。

步骤2：进行车辆碰撞测试；并获取车辆碰撞过程中惯导输出的加速度值和角速度值，并计算得到惯导杆臂及惯导的角加速度估计值；

具体地，两主惯导的杆臂估计如附图3所示，图中，γ₁为A₁点处的杆臂，γ₂为A₂点处的杆臂。所述主惯导杆臂其中，/>为车体旋转中心点的位置估值，且X＝[x₁，x₂…x_n]，/>X为在车辆碰撞过程中的不同时刻的车体旋转中心点位置解算值的集合，x_i为集合中第i个时刻的车体旋转中心点位置解算值；x_i＝G^-1b，b为两个主惯导输出的加速度之差，G为雅克比矩阵。

具体地，车体旋转中心点为车辆碰撞过程中车体旋转后，I号主惯导和II号主惯导所产生的向心干扰加速度所指向的同一点，并设车体旋转中心点的坐标为[x y z]^T。

在车辆碰撞过程中，I号主惯导和II号主惯导所输出的加速度分别为f¹和f²；具体地：

其中，和/>分别表示I号主惯导和II号主惯导的平动加速度；/>和/>分别表示I号主惯导和II号主惯导的转动加速度。

本实施例中，将车辆假设为刚体，则A₁、A₂两点处平动加速度相同，即将f¹和f²作差得：

I号主惯导和II号主惯导的转动加速度均包含切向干扰加速度和向心干扰加速度，根据杆臂相应误差计算公式可得：

两个主惯导输出的加速度之差b＝f¹-f²；

式中，ω₁、ω₂为I号主惯导和II号主惯导输出的角速度测量值，为角加速度，γ₁为A₁点处的杆臂，γ₂为A₂点处的杆臂；γ₁和γ₂可分别表示为γ₁＝[x y z]^T、γ₂＝[x y z-L]^T。

所述子惯导杆臂为其中，B₀为子惯导相对主惯导的初始空间位置；Δ(t_k)为任意时刻t_k的子惯导空间位置变化量。具体地，本实施例中，B₀通过预先测量主惯导与子惯导的相对位置得到。Δ(t_k)可通过惯导解算得到。

在计算惯导的角加速度估计值时，采用跟踪微分器对角加速度值进行计算。此处，相较于常规的差分估计方法，由于测量信号存在高频噪声，直接采用差分会对微分结果带来较大误差，本方案选择采用跟踪微分器进行估计，可减少高频噪声影响，达到较高的估计精度。

具体地，如附图4所示，采用跟踪微分器的离散形式对角加速度估计值进行计算：所述离散形式为：

h为滤波因子、r为速度因子、T为跟踪步长、u(k)为输入信号、x₁(k)为信号的跟踪输出，即为角速度跟踪值，x₁(k)＝ω；x₂(k)为信号微分的输出，即为角加速度估计值，

fst函数为跟踪微分器离散形式中采用的常规函数，具体地：

其中，δ＝rh，δ₀＝δh，y＝x₀-u+hx₂，

h和r为可调参数，h为输入信号噪声滤波参数；r为决定跟踪器快慢的参数。

步骤3：基于主惯导及子惯导杆臂、角速度估计值，根据预设杆臂算法计算惯导的加速度补偿量；

所述预设杆臂算法为：

式中，Δ为惯导的加速度补偿量；ω为惯导输出的角速度值，γ为惯导处的杆臂，为惯导安装处的角加速度估计值。

按照上式，代入各惯导对应的速度值和杆臂值，则可得到各惯导对应的加速度补偿量。

步骤4：基于加速度补偿量对各惯导输出的加速度值进行补偿。

以I号主惯导为例，在进行补偿时，按照以下补偿公式进行补偿：

式中，f¹为I号主惯导输出的加速度值，ω₁为I号主惯导输出的角速度值，γ₁为I号主惯导处的杆臂，为I号主惯导安装处的角加速度估计值。

步骤5：基于补偿后的惯导加速度值，采用惯性导航算法解算得到动态位移数据。

具体地，基于补偿后的惯导加速度值(包括加速度和角加速度)，通过惯性导航算法中的惯导预积分算法分别计算主惯导、子惯导碰撞后位移增量，对两者作差即得到所需相对位移，进而得到待测碰撞点的动态位移。此处采用的惯性导航算法和惯导预积分算法均为现有算法，在此不做展开说明。

本实施例提供的一种用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，基于正面25％小偏置碰撞工况下的碰撞试验中的动态位移数据分析，发现并解决了现有的基于惯导技术的位移测量方法中存在测量误差的关键原因，能够进一步提高碰撞试验，尤其是处于正面25％小偏置碰撞工况等特殊工况下的碰撞试验的位移测量精准度。通过加速度补偿量对各惯导输出的加速度值进行补偿，能够有效抑制动态位移解算中的数据发散现象，减少测量误差，提高动态位移解算精度，有助于提升车辆安全性能评估的准确度。并且，本方法对于惯导的安装要求较低，特设的双主惯导结构，使得测试时无需再准确调校惯导的安装位置，且无需预先测定车体旋转中心及惯导杆臂，基于双主惯导和子惯导自然测得的数据，即可完成对测量数据的安装误差和数据发散误差的双重补偿，实现测量精准度的提升，具有较强的场景适应性。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (8)

1.用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在车辆上安装数个惯导，以用于测量车辆碰撞后的动态位移；所述惯导包括I号主惯导、II号主惯导和设于待测碰撞点的子惯导；

步骤2：进行车辆碰撞测试；并获取车辆碰撞过程中惯导输出的加速度值，并计算得到惯导杆臂及惯导的角加速度估计值；

步骤3：基于主惯导及子惯导杆臂、角加速度估计值，根据预设杆臂算法计算惯导的加速度补偿量；

所述预设杆臂算法为：

式中，Δ为惯导的加速度补偿量；ω为惯导输出的角速度值，γ为惯导处的杆臂，为惯导安装处的角加速度估计值；

步骤4：基于加速度补偿量对各惯导输出的加速度值进行补偿。

2.根据权利要求1所述的用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，其特征在于，I号主惯导和II号主惯导均安装于不参与碰撞形变的车辆部位。

3.根据权利要求2所述的用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，其特征在于，所述I号主惯导和II号主惯导沿车体横轴平行安装于车体尾部的两点处，且两点之间间隔一间距L。

4.根据权利要求1所述的用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，其特征在于，在计算惯导的角加速度估计值时，采用跟踪微分器对角加速度估计值进行计算。

5.根据权利要求1所述的用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，其特征在于，采用跟踪微分器的离散形式对角加速度估计值进行计算：所述离散形式为：

其中，h为滤波因子、r为速度因子、T为跟踪步长、u(k)为输入信号、x₁(k)为信号的跟踪输出，即为角速度跟踪值，x₁(k)＝；x₂(k)为信号微分的输出，即为角加速度估计值，

6.根据权利要求1所述的用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，其特征在于，所述主惯导杆臂其中，/>为车体旋转中心点的位置估值，且X＝[x₁，x₂…x_n]，/> X为在车辆碰撞过程中的不同时刻的车体旋转中心点位置解算值的集合，x_i为集合中第i个时刻的车体旋转中心点位置解算值；x_i＝^-1b，b为两个主惯导输出的加速度之差，G为雅克比矩阵。

7.根据权利要求1所述的用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，其特征在于，所述子惯导杆臂为其中，B₀为子惯导相对主惯导的初始空间位置；Δ(t_k)为任意时刻t_k的子惯导空间位置变化量。

8.根据权利要求1所述的用于车辆碰撞测试的动态位移解算优化方法，其特征在于，还包括步骤5：基于补偿后的惯导加速度值，采用惯性导航算法解算得到动态位移数据。