CN118149857A - 实时确定惯性测量单元的校准的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于实时确定惯性测量单元的校准的系统包括惯性测量单元和与惯性测量单元电子通信的处理器。道路绘图模块接收车辆纬度和车辆经度，并确定车辆的虚拟航向角。虚拟加速度模块接收车辆的虚拟航向角以及测量的车辆速度和航向角，并估计虚拟横向加速度和虚拟纵向加速度。相关性模块接收虚拟横向加速度、虚拟纵向加速度、校准的测量横向加速度和校准的测量纵向加速度。相关性模块确定虚拟横向加速度与校准的测量横向加速度之间的相关性，以及虚拟纵向加速度与校准的测量的纵向加速度之间的相关性。由相关性模块生成指示相关性结果的通知。

Description

实时确定惯性测量单元的校准的系统

技术领域

本发明总体上涉及轮胎估计系统。更具体地，本发明涉及采用安装在车辆、车轮和/或轮胎上的传感器的系统，其用于估计轮胎特性。具体地，本发明涉及一种用于实时确定安装在车辆、车轮和/或轮胎上的惯性测量单元的校准的系统，以确保惯性测量单元的测量准确。

背景技术

本领域已知多个轮胎支撑车辆，并且每个轮胎安装在可旋转地连接到车辆的悬架系统的车轮上。为了估计操作期间轮胎的特性，传感器已安装在车辆、车轮和/或轮胎上以监测或测量某些参数。这些测量的参数包括车辆或轮胎的加速度以及轮胎的旋转，这些参数在算法中用于估计诸如轮胎负载、轮胎磨损、轮胎变形、轮胎滑移、轮胎摩擦等特性。

加速度和旋转通常利用被称为惯性测量单元的惯性测量单元传感器来测量，惯性测量单元传感器可以安装在车辆上、车轮上和/或轮胎上。惯性测量单元测量其所安装的部件的加速度和旋转。因此，当惯性测量单元安装至车辆的车架时，其测量车辆的加速度，并且当其安装至车轮或轮胎时，其测量车轮或轮胎的加速度和/或旋转。

在本领域中，横向加速度、纵向加速度、垂直加速度和旋转经常由包括在远程信息处理控制单元中的惯性测量单元来测量。远程信息处理控制单元是一种连接到车辆的控制和通信系统，用于实现收集车辆和轮胎数据，并将数据传输到远程单元或云计算服务。虽然远程信息处理控制单元也可以安装到车轮或轮胎，但是为了方便起见，本文中将提及车载远程信息处理控制单元，并且应当理解，这样的提及包括安装在车轮和轮胎上的单元。

在许多情况下，远程信息处理控制单元中的惯性测量单元的轴线可能不与车辆的轴线对齐。例如，远程信息处理控制单元可能没有牢固地安装到车辆上，导致其移位，或者可能在车辆的行驶或装卸过程中发生脱位。远程信息处理控制单元可能已移至不同的车辆，或者惯性测量单元的校准可能已过时，这可能会随着时间的推移而出现测量误差。由于这些因素中的任何一个而导致惯性测量单元与车辆轴线未对准可能会对惯性测量单元的测量结果(包括加速度和旋转测量结果)的质量或精度产生负面影响，这进而可能不期望地降低使用这些测量结果的算法的精度。

因此，本领域需要一种提供惯性测量单元校准的实时确定的系统，以确保使用来自惯性测量单元的精确测量。

发明内容

根据本发明示例性实施例的一方面，提供了一种用于实时确定惯性测量单元的校准的系统。该系统包括安装在车辆、支撑车辆的轮胎以及其上安装有轮胎的车轮中的至少一者上的惯性测量单元。处理器与惯性测量单元电子通信。道路绘图模块与处理器电子通信，接收车辆纬度和车辆经度，并确定车辆的虚拟航向角。虚拟加速度模块与处理器电子通信，从道路绘图模块接收车辆的虚拟航向角，接收测量的车辆速度和测量的航向角，并且估计虚拟横向加速度和虚拟纵向加速度。相关性模块与处理器电子通信，从虚拟加速度模块接收虚拟横向加速度和虚拟纵向加速度，并且从惯性测量单元接收校准的测量横向加速度和校准的测量纵向加速度。相关性模块确定虚拟横向加速度与校准的测量横向加速度之间的相关性，以及虚拟纵向加速度与校准的测量的纵向加速度之间的相关性。由相关性模块生成通知来指示相关性的结果。

本发明提供以下技术方案：

1.一种用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，所述系统包括：

安装在车辆、支撑车辆的轮胎以及其上安装有轮胎的车轮中的至少一个上的惯性测量单元；

与惯性测量单元进行电子通信的处理器；

与处理器电子通信的道路绘图模块，所述道路绘图模块接收车辆纬度和车辆经度并确定车辆的虚拟航向角；

与处理器电子通信的虚拟加速度模块，所述虚拟加速度模块从道路绘图模块接收车辆的虚拟航向角并接收测量的车辆速度和测量的航向角，虚拟加速度模块估计虚拟横向加速度和虚拟纵向加速度；

与处理器电子通信的相关性模块，所述相关性模块从虚拟加速度模块接收虚拟横向加速度和虚拟纵向加速度，并从惯性测量单元接收校准的测量横向加速度和校准的测量纵向加速度，相关性模块确定虚拟横向加速度与校准的测量横向加速度之间以及虚拟纵向加速度与校准的测量纵向加速度之间的相关性；和

由相关性模块生成通知，所述通知指示相关性的结果。

2.根据方案1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，所述通知是在所述车辆运行时实时生成的。

3.根据方案1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，所述车辆纬度和车辆经度从全球定位系统单元获取。

4.根据方案1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，所述道路绘图模块与地图服务器电子通信。

5.根据方案4所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，所述道路绘图模块校正测量的车辆轨迹并根据地图服务器的数字地图生成增强的车辆轨迹。

6.根据方案1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，测量的车辆速度和测量的航向角从全球定位系统单元获得。

7.根据方案1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，所述惯性测量单元执行校准例程以生成校准的测量纵向加速度和校准的测量横向加速度。

8.根据方案1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，所述相关性模块根据所述虚拟纵向加速度和所述校准的测量纵向加速度之间的相关性生成纵向加速度相关系数。

9.根据方案8所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中当所述纵向加速度相关系数的量值高时，所述通知表明来自所述惯性测量单元的测量结果是准确的。

10.根据方案9所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，所述纵向加速度相关系数的高量值包括大约1的值。

11.根据方案8所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，当所述纵向加速度相关系数的量值低时，所述通知表明来自所述惯性测量单元的测量结果不准确。

12.根据方案11所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中所述纵向加速度相关系数的低量值包括大约零的值。

13.根据方案1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，所述相关性模块根据所述虚拟横向加速度和所述校准的测量横向加速度之间的相关性生成横向加速度相关系数。

14.根据方案13所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，当所述横向加速度相关系数的量值高时，所述通知表明来自所述惯性测量单元的测量结果是准确的。

15.根据方案14所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中所述横向加速度相关系数的高量值包括大约1的值。

16.根据方案13所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中，当所述横向加速度相关系数的量值低时，所述通知表明来自所述惯性测量单元的测量结果不准确。

17.根据方案16所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中所述横向加速度相关系数的低量值包括大约零的值。

18.根据方案1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中所述惯性测量单元被包括在远程信息处理控制单元中。

19.根据方案1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其中所述通知从所述处理器传输至所述车辆的电子控制系统。

附图说明

本发明将通过示例并参考附图进行描述，其中：

图1是利用本发明的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统的示例性实施例的车辆和轮胎的示意性透视图；

图2是与本发明的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统的示例性实施例结合使用的远程信息处理控制单元的示意性透视图；

图3是惯性测量单元的轴线与车辆的轴线未对准的图示；

图4是向基于云的服务器和向显示设备的数据传输的示意图；

图5是本发明的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统的示例性实施例的示意图；

图6是图5所示系统的一个方面的示意图；

图7是图5所示系统的一个方面的图形表示；和

图8是图5所示系统的另一个方面的图形表示。

在所有附图中，相似的标号指相似的部件。

定义

“轴向”和“轴向地”是指平行于轮胎旋转轴线的线或方向。

“CAN总线”或“CAN总线系统”是控制器局域网系统的缩写，它是一种车辆总线标准，其设计为允许微控制器和设备在没有主机的情况下在车辆内相互通信。

“周向”是指垂直于轴向方向沿着环形胎面的表面的周边延伸的线或方向。

“赤道中心面”是指垂直于轮胎旋转轴线并穿过胎面中心的平面。

“印迹”是指当轮胎旋转或滚动时，由轮胎胎面与平表面形成的接触区域或接触面积。

“内侧”是指当轮胎安装在车轮上并且车轮安装在车辆上时，轮胎最靠近车辆的一侧。

“横向”是指轴向方向。

“外侧”是指当轮胎安装在车轮上且车轮安装在车辆上时，轮胎距离车辆最远的一侧。

“径向”和“径向地”是指径向地朝向或远离轮胎的旋转轴线的方向。

“肋”是指胎面上的周向延伸的橡胶条，其由至少一个周向凹槽和第二个这样的凹槽或横向边缘限定，该条在横向上不被全深度凹槽分开。

“胎面元件”或“牵引元件”是指由具有相邻凹槽的形状限定的肋或块元件。

具体实施方式

参考图1至图8，本发明的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统的示例性实施例以10表示。特别参考图1，多个轮胎12支撑车辆14，每个轮胎安装在车轮16上，车轮16可旋转地连接到车辆的悬架系统(未示出)。虽然车辆14被描述为厢式货车，但本发明不限于此。本发明的原理可应用于其他车辆类别，例如客车、商用卡车、越野车辆等，其中车辆可以由比图1所示的轮胎更多或更少的轮胎12支撑。

为了估计每个轮胎12的特性，例如磨损、负载、滑移等，可以测量例如车辆14或轮胎的加速度等参数。加速度和旋转通常利用被称为惯性测量单元18的惯性测量单元传感器来测量，惯性测量单元传感器可以安装在车辆14上、车轮16上和/或轮胎20上。另外参考图2，惯性测量单元18可以被包括在远程信息处理控制单元20中，远程信息处理控制单元20能够收集数据并将数据传输到远程单元或云计算服务。虽然远程信息处理控制单元20可以安装至车辆14、车轮16或轮胎12，但为了方便起见，本文中应提及车载远程信息处理控制单元，并且应理解，这样的提及包括安装在车轮和轮胎上的单元。

惯性测量单元18优选地测量沿三个(3个)轴线的加速度和旋转，包括横轴Y、纵轴X和竖轴Z。为了方便起见，惯性测量单元18的基轴为在图3中的22处所示。惯性测量单元18的一个或多个轴线22，特别是当惯性测量单元被包括在远程信息处理控制单元20中时，可能不与车辆14的对应轴线对准。为了方便起见，车辆14的基轴被标示为24。举例来说，惯性测量单元18的基轴22被示出为与车辆14的基轴24以标示为θ度的量不对准。惯性测量单元18的轴线22与车辆14的轴线24的这种不对准可能会对惯性测量单元的加速度和旋转测量结果的精确度产生负面影响，这进而可能不期望地降低磨损、负载、滑动的精确度、以及使用这些测量结果的其他算法。

用于实时确定惯性测量单元18的校准的系统10提供测量结果的相关性以确保惯性测量单元的基轴22与车辆14的基轴24对准，以用于来自惯性测量单元的加速度和旋转的精确测量。

转向图4，用于实时确定惯性测量单元18的校准的系统10的各方面优选地在处理器26上执行。处理器26使得能够输入参数并执行将在下面描述的特定技术，所述特定技术存储在合适的存储介质中并且与处理器进行电子通信。处理器26可以安装在车辆14上，可以与车辆的电子控制系统28(例如车辆CAN总线系统)通信，和/或可以是基于云的服务器30中的远程处理器。

诸如天线的无线传输装置32可以将惯性测量单元18的加速度和旋转测量结果从远程信息处理控制单元20(图2)无线发送至处理器26。来自系统10的输出可以由天线34从处理器26无线传输到显示器或控制器装置36和/或到车辆14的电子控制系统28。

参考图5，用于实时确定惯性测量单元18的校准的系统10采用包括多个输入以将测量结果从惯性测量单元18的基轴22变换到车辆14的基轴24。在图5中，横向加速度(即沿着横轴Y(图1)的加速度)被指示为Ay，纵向加速度(即沿着纵轴X的加速度)被指示为Ax。

从全球定位系统(GPS)单元42接收车辆纬度38和车辆经度40，并将其输入到道路绘图模块44中。道路绘图模块44存储在处理器26上或与处理器26电子通信，进而与车辆的电子控制系统28(例如车辆CAN总线系统)进行电子通信。GPS单元42优选地还与车辆的电子控制系统28电子通信，从而能够将车辆纬度38和车辆经度40电子通信至道路绘图模块44。车辆纬度38和车辆经度40的每次通信或传输优选地接收时间戳，该时间戳是记录和/或发送车辆纬度38和车辆经度40的时间的数字标识。

另外参考图6，道路绘图模块44采用来自GPS单元42的多个车辆纬度38和车辆经度40坐标来确定车辆14的位置和测量轨迹46。道路绘图模块44优选地位于与包括数字地图50的地图服务器48进行电子通信。道路绘图模块44接收数字地图50并使用来自数字地图的道路信息来校正车辆14的测量轨迹46，根据需要进行插值以填充任何缺失的GPS点并生成增强轨迹52。道路绘图模块44使用增强轨迹52来确定车辆14在每个时间点的虚拟航向角54。

道路绘图模块44将虚拟航向角52输出到虚拟加速度模块56中。虚拟加速度模块56存储在处理器26上或与处理器26电子通信，处理器26又与车辆的电子控制系统28(例如车辆CAN总线系统)电子通信。测量的车辆速度58从GPS单元42或另一车辆传感器(例如速度计)获得。车辆14的测量航向角60也从GPS单元42或另一车辆传感器获得。因为GPS单元42还与车辆的电子控制系统28电子通信，所以测量的车辆速度58和测量的航向角60电子地传送至虚拟加速度模块56。测量的车辆速度58和测量的航向角60的每次通信或传输接收一个时间戳。

虚拟加速度模块56因此接收带时间戳的虚拟航向角54、测量的车辆速度58和测量的航向角60。因为加速度被计算为每时间变化的速度变化，所以虚拟加速度模块56根据多组带时间戳的虚拟航向角54、测量的车辆速度58和测量的航向角60计算加速度。虚拟航向角54和测量的航向角60能够实现估计虚拟横向加速度Ay和虚拟纵向加速度Ax。由虚拟加速度模块56估计的虚拟横向加速度Ay和虚拟纵向加速度Ax被输入到相关性模块62中，如下所述。

远程信息处理控制单元20中的惯性测量单元18可以输出带时间戳的未校准64的测量的纵向加速度Ax和横向加速度Ay。许多远程信息处理控制单元20和/或惯性测量单元18配备有用于惯性测量单元的校准例程66。优选地，执行校准例程66，从而产生来自惯性测量单元18的校准68的测量纵向加速度Ax和横向加速度Ay。校准68的测量纵向加速度Ax和横向加速度Ay被输入到相关性模块62中。

另外参考图7和图8，相关性模块62执行或确定由虚拟加速度模块56估计的虚拟横向加速度Ay和虚拟纵向加速度Ax与校准68的测量的纵向加速度Ax和横向加速度Ay之间的相关性70。更具体地，相关性70优选地包括纵向加速度相关性72和横向加速度相关性74，纵向加速度相关性72比较虚拟纵向加速度Ax和校准的测量的纵向加速度Ax，横向加速度相关性74比较虚拟横向加速度Ay和校准的测量的横向加速度Ay。

纵向加速度相关系数或质量指标76可由相关性模块62根据纵向加速度相关性72生成。同样，横向加速度相关系数或质量指标78可由相关性模块62根据横向加速度相关性74生成。纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78表明惯性测量单元18的轴线22与车辆14的轴线24的对准的质量。

如果纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78中的每一个的量值高，则存在良好的对准，并且可以信任惯性测量单元18的校准。在这种情况下，来自惯性测量单元18的加速度和旋转的测量结果可能是准确的，并且可以用于磨损、负载、滑动和其他算法。纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78中的每一个的量值可以被表示为输出曲线(图8)，或者被表示为线性表示(图5)，其中测量直线的斜率。举例来说，纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78中的每一个的高量值可以是一(1)或接近一(1)的值。

如果纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78中的每一个的量值低，则不存在良好的对准，并且惯性测量单元18的校准可能不可信。在这种情况下，来自惯性测量单元18的加速度和旋转的测量结果可能是不准确的，并且不应该用于磨损、负载、滑动和其他算法。举例来说，纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78中的每一个的低量值可以是零(0)或接近零(0)的值。

因为纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78是相关系数，所以正或负符号约定的分配是可选的，这可以简化系统10。可以采用符号约定来确定校准的质量并校正它。例如，如果纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78之一存在高量值，但该值为负，则该负值表明沿该轴线的校准可能偏移一百八十(180)度。在这种情况下，可能需要将符号从负切换为正以校正该校准。

如图5所示，系统10，特别是相关性模块62，基于纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78的量值生成电子标记或通知80。更具体地，如果纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78两者都具有高的量值，则电子通知80指示来自惯性测量单元18的加速度和旋转的测量结果是准确的并且可以被使用。如果纵向加速度相关系数76和横向加速度相关系数78之一或两者具有低量值，则电子通知80指示来自惯性测量单元18的加速度和旋转的测量结果可能不准确并且不应该被使用。返回到图4，来自系统10的输出，包括标志80，可以从处理器26传输到显示器或控制器装置36和/或到车辆14的电子控制系统28。

以这种方式，本发明的用于实时确定惯性测量单元18的校准的系统10提供了惯性测量单元的虚拟估计与实际测量的相关性70。相关性70确保惯性测量单元18的基轴22与车辆14的基轴24对准。当相关性70指示精确对准时，来自惯性测量单元18的加速度和旋转的测量结果可能是准确的，并且系统10提供通知80，它们可以用在算法中来估计诸如轮胎负载、轮胎磨损、轮胎变形、轮胎打滑、轮胎摩擦等特性。当相关性70指示缺乏对准时，来自惯性测量单元18的测量结果被指定为不太可能是准确的，并且系统10提供通知80：它们不应被用在估计算法中。系统10的相关性优选地在车辆14运行时实时执行。

本发明还包括一种用于实时确定惯性测量单元18的校准的方法。该方法包括根据上面给出的并且在图1至图8中示出的描述的步骤。

应当理解，上述用于实时确定惯性测量单元的校准的系统的结构和方法可以改变或重新布置，或者省略或添加本领域技术人员已知的部件或步骤，而不需要影响本发明的整体概念或操作。例如，电子通信可以通过有线连接或无线通信进行，而不影响本发明的整体概念或操作。这种无线通信包括射频(RF)和蓝牙通信。

已经参考优选实施例描述了本发明。其他人在阅读和理解本描述后将进行潜在的修改和变更。应当理解，所有这样的修改和改变都被包括在所附权利要求或其等同物中阐述的本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其特征在于，所述系统包括：

安装在车辆、支撑车辆的轮胎以及其上安装有轮胎的车轮中的至少一个上的惯性测量单元；

与惯性测量单元进行电子通信的处理器；

与处理器电子通信的道路绘图模块，所述道路绘图模块接收车辆纬度和车辆经度并确定车辆的虚拟航向角；

与处理器电子通信的虚拟加速度模块，所述虚拟加速度模块从道路绘图模块接收车辆的虚拟航向角并接收测量的车辆速度和测量的航向角，虚拟加速度模块估计虚拟横向加速度和虚拟纵向加速度；

与处理器电子通信的相关性模块，所述相关性模块从虚拟加速度模块接收虚拟横向加速度和虚拟纵向加速度，并从惯性测量单元接收校准的测量横向加速度和校准的测量纵向加速度，相关性模块确定虚拟横向加速度与校准的测量横向加速度之间以及虚拟纵向加速度与校准的测量纵向加速度之间的相关性；和

由相关性模块生成通知，所述通知指示相关性的结果。

2.根据权利要求1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其特征在于，所述通知是在所述车辆运行时实时生成的。

3.根据权利要求1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其特征在于，所述车辆纬度和车辆经度从全球定位系统单元获取。

4.根据权利要求1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其特征在于，所述道路绘图模块与地图服务器电子通信。

5.根据权利要求4所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其特征在于，所述道路绘图模块校正测量的车辆轨迹并根据地图服务器的数字地图生成增强的车辆轨迹。

6.根据权利要求1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其特征在于，测量的车辆速度和测量的航向角从全球定位系统单元获得。

7.根据权利要求1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其特征在于，所述惯性测量单元执行校准例程以生成校准的测量纵向加速度和校准的测量横向加速度。

8.根据权利要求1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其特征在于，所述相关性模块根据所述虚拟纵向加速度和所述校准的测量纵向加速度之间的相关性生成纵向加速度相关系数。

9.根据权利要求1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其特征在于，所述相关性模块根据所述虚拟横向加速度和所述校准的测量横向加速度之间的相关性生成横向加速度相关系数。

10.根据权利要求1所述的用于实时确定惯性测量单元的校准的系统，其特征在于，所述惯性测量单元被包括在远程信息处理控制单元中。