CN202885834U - 车辆运动状态检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种车辆运动状态检测装置。该装置包括：MEMS惯性传感器模块、轮速传感器接口电路模块、ARM微处理器模块、输出模块。所述装置由MEMS惯性传感器电路模块以及轮速传感器接口电路模块对车辆运动状态信息进行收集，然后由ARM微处理器对该运动状态信号进行融合处理，得到准确的车辆运动状态测定参数，可将其输出至相应的控制系统作为输入参数，或将信息传至上位机系统进行分析。本实用新型使得车辆的六自由度行驶姿态信息能够同时、准确得到处理，简化了检测系统的硬件电路结构，提高了车辆运动状态信息融合及处理能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及车辆运动状态检测领域，具体涉及一种车辆运动状态检测装置。
背景技术
为提高车辆的节能环保性、安全性和舒适性，车辆控制系统起到了越来越关键的作用。特别是制动控制、驱动控制、转向控制、悬架控制等电子控制子系统在车辆底盘技术中的广泛应用极大地改善了车辆的主动安全性。而车辆运动状态测定参数是车辆电子控制系统中极其重要的状态参数，是车辆底盘综合控制、操纵稳定性和主动安全性评价、标定和匹配的前提和基础。
目前各种电子控制子系统为直接或间接获取相应的运动状态参数都配置了相应的传感器，如ABS、TCS系统配备了轮速传感器，ESP系统配备了横摆角速度传感器、侧向加速度计等。另外，在各种车辆控制子系统及其集成控制系统的研发过程中所需的性能评价、标定、匹配以及测试等，还使用了较昂贵的非接触式光电五轮仪、惯性陀螺仪、GPS全球定位系统等车辆运动状态测量系统。这些现有的车辆运动状态测量系统都分别存在成本高、体积大、接口电路复杂等问题，并且单纯使用惯性陀螺仪会使其漂移误差随时间推移而累加，影响测量精度；而GPS全球定位系统的功效则在特殊环境如隧道、高层楼群，以及恶劣天气条件如太阳剧烈活动下，均会受到较大程度的影响，影响对车辆速度等运动状态的检测。
现有技术对于车辆纵向、侧向、垂向及横摆、侧倾、俯仰等运动状态是由不同的传感器分别测量而不是同时由同一传感器同时完成的，需要进行相应的车辆运动状态的信号进行较大幅度的调理及信息融合处理，从而会降低车辆运动状态测量的实时性，并且还会使测量系统的误差增大。同时，很多目前所应用的检测方案仍需要搭配A/D信号转换模块，对信号进行转换之后才能进行下一步的融合处理计算，进一步加大了硬件电路的复杂性，耗费了处理的时间。
发明内容
本实用新型旨在提供一种车辆运动状态检测装置，该车辆运动状态检测装置由MEMS惯性传感器和ARM微处理器搭配组成，具有体积小、灵敏度高，测定速度快等优点。
本实用新型所述的车辆运动状态检测装置，包括MEMS惯性传感器模块、轮速传感器接口电路模块、ARM微处理器模块、输出模块；所述MEMS惯性传感器模块用于收集车辆行驶时的运动状态信息，并将该运动状态信息通过SPI接口传送至ARM微处理器模块；所述轮速传感器接口电路模块用于收集车辆的轮速信息，并将轮速信息通过I/O接口传送至ARM微处理器模块；所述ARM微处理器模块用于对接收到的运动状态信息和轮速信息进行融合处理，得到车辆运动状态测定参数，将该车辆运动状态测定参数传送至输出模块。
所述轮速传感器接口电路模块包括轮速传感器和信号调理子模块；所述轮速传感器用于检测当前车辆运行的轮速得到原始轮速信息，并将原始轮速信息通过接口电路传送至所述信号调理子模块；所述信号调理子模块用于将接收到的原始轮速信息进行放大、整形、硬件滤波处理后得到轮速信息，并将轮速信息通过I/O接口传送至ARM微处理器模块。
所述ARM微处理器模块包括信号采集子模块、卡尔曼滤波子模块、参考车速计算子模块，信号融合处理子模块；所述信号采集子模块用于接收来自MEMS惯性传感器模块的运动状态信息与来自轮速传感器接口电路模块的轮速信息，并将接收到的信息传送至所述卡尔曼滤波子模块；所述卡尔曼滤波子模块用于将接收到的轮速信息与运动状态信息进行卡尔曼滤波处理，分别得到轮速信号与运动状态信号，将轮速信号传送至参考车速计算子模块，将运动状态信号传送至信号融合处理子模块；所述参考车速计算子模块用于对接收到的轮速信号进行计算处理，算出参考车速信号，并将参考车速信号传送至信号融合处理子模块；所述信号融合处理子模块用于将接收到的运动状态信号与参考车速信号进行融合处理，计算得到车辆的运动状态测定参数。
所述ARM微处理器模块还包括CAN通信子模块和USB通信子模块；所述输出模块包括CAN接口电路子模块和USB接口电路子模块；所述的CAN通信子模块用于将信号融合处理子模块计算出的车辆的运动状态测定参数转换为CAN数据流，并传送至CAN接口电路子模块；所述的USB通信子模块用于将信号融合处理子模块计算出的车辆的运动状态测定参数转换为USB数据流，并传送至USB接口电路子模块。
本实用新型所述的车辆运动状态检测装置的优选方案为：
所述车辆运动状态检测装置包括MEMS惯性传感器模块、轮速传感器接口电路模块、ARM微处理器模块、输出模块；
所述MEMS惯性传感器模块用于收集车辆行驶时的运动状态信息，并将该运动状态信息通过SPI接口传送至ARM微处理器模块；
所述轮速传感器接口电路模块包括轮速传感器和信号调理子模块；
所述ARM微处理器模块包括信号采集子模块、卡尔曼滤波子模块、参考车速计算子模块，信号融合处理子模块、CAN通信子模块和USB通信子模块；
所述输出模块包括CAN接口电路子模块和USB接口电路子模块；
所述轮速传感器检测当前车辆运行的轮速得到原始轮速信息，并将原始轮速信息通过接口电路传送至所述信号调理子模块；所述信号调理子模块将接收到的原始轮速信息进行放大、整形、硬件滤波处理后得到轮速信息，并将轮速信息通过I/O接口传送至ARM微处理器模块；
所述信号采集子模块接收来自MEMS惯性传感器模块的运动状态信息与来自轮速传感器接口电路模块的轮速信息，并将接收到的信息传送至所述卡尔曼滤波子模块；所述卡尔曼滤波子模块将接收到的轮速信息与运动状态信息进行卡尔曼滤波处理，分别得到轮速信号与运动状态信号，将轮速信号传送至参考车速计算子模块，将运动状态信号传送至信号融合处理子模块；所述参考车速计算子模块对接收到的轮速信号进行计算处理，算出参考车速信号，并将参考车速信号传送至信号融合处理子模块；所述信号融合处理子模块将接收到的运动状态信号与参考车速信号进行融合处理，计算得到车辆的运动状态测定参数；
所述的CAN通信子模块将信号融合处理子模块计算出的车辆的运动状态测定参数转换为CAN数据流，并传送至CAN接口电路子模块；所述的USB通信子模块将信号融合处理子模块计算出的车辆的运动状态测定参数转换为USB数据流，并传送至USB接口电路子模块；
所述的CAN接口电路子模块将获得的运动状态测定参数传输至与本检测装置相关联的各类车辆主动安全控制子系统； 所述的USB接口电路模块将获得的运动状态测定参数转移至载体或者传输至上位计算机。
所述MEMS惯性传感器模块集成了分别对应三个坐标轴的三个陀螺仪和三个加速度计，能够对车辆纵向、侧向、垂向运动的加速度以及横摆、侧倾、俯仰运动的角速度进行同时测定。
所述MEMS惯性传感器即微机电系统惯性传感器，狭义上是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机械元件和微电子于一体的微型器件、微型系统； 从广义上讲，微机电系统是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的集成微器件、微系统。微机电系统的特点是：体积小，重量轻，高度集成化与微型化。
本实用新型克服了现有车辆运动状态检测系统采用的MEMS惯性传感器可以在同一时间采集车辆在不同方向上的多个加速度和角速度并且具有误差修正功能，简化了信号融合处理的复杂性，提高了实时性和精确度，使得车辆的行驶姿态信息能够得到实时、准确、高效的处理。本实用新型应用轮速传感器用于收集车辆的轮速信息克服了GPS全球定位系统的易受环境影响的缺陷。同时，本实用新型利用高性能的ARM处理器拥有强大的运算和处理功能，大大提高了车辆行驶姿态信息整合、处理能力以及可控能力；且本实用新型传输MEMS惯性传感器的信息时，采用的是可编程SPI接口，便于控制数字滤波、采样率、电源管理、自检以及传感器状态与报警等特性，省掉了传统方案中A/D转换的模块，使得汽车的行驶姿态信息能够得到实时、准确、高效的处理。本实用新型具有体积小，灵敏度高，测定速度快，稳定性高等优点，克服了现有技术的不足。
本实用新型所述的MEMS惯性传感器优选六自由度的MEMS惯性传感器，该惯性传感器在空间三坐标轴上集成了三个陀螺仪和三个加速度计，可对汽车纵向、侧向、垂向运动的加速度以及横摆、侧倾、俯仰运动的角速度等信息同时进行采集。轮速传感器接口电路模块中的信号调理子模块对采集到的原始轮速信息进行放大、整形、硬件滤波处理，减少了原始轮速信息中的噪声，优化了原始轮速信息的波形，提高了对轮速信息提取的精度。ARM微处理器模块通过卡尔曼滤波子模块大大减小了惯性传感器测量中的随机偏移误差，为之后的融合处理提供良好的基础，信号融合处理子模块将接收到的运动状态信号与参考车速信号进行融合处理，计算得到车辆的运动状态测定参数，比如汽车纵向车速、侧向车速、横摆角、侧倾角及质心侧偏角等参数。本实用新型可以在同一时间内采集及处理汽车当前运动状态信息，使得汽车的六自由度运动状态信息能够同时、准确、及时得到处理，简化了检测系统的硬件电路结构，提高了汽车运动状态信息融合及处理能力。
本实用新型还可运用CAN接口和USB接口进行数据的转移和传输，CAN接口可以使本检测系统与各类车辆主动安全控制子系统相配合，增强了本检测系统的实用性，USB接口可以将检测数据转移至载体或者传送至上位机系统，便于计算机分析车辆运动状态数据，为车辆结构设计与分析提供重要参数。
附图说明
图1为本实用新型实施例所提供的车辆运动状态检测装置主模块的结构示意图
图2为本实用新型实施例所提供的车辆运动状态检测装置的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
如图1和图2所示，车辆运动状态检测装置包括MEMS惯性传感器模块、轮速传感器接口电路模块、ARM微处理器模块、输出模块；
MEMS惯性传感器模块采用六自由度惯性测量单元；轮速传感器接口电路模块包括轮速传感器和信号调理子模块；ARM微处理器模块包括信号采集子模块、卡尔曼滤波子模块、参考车速计算子模块，信号融合处理子模块、CAN通信子模块和USB通信子模块；输出模块包括CAN接口电路子模块和USB接口电路子模块。
轮速传感器传感器安装在车轮处，六自由度惯性测量单元与ARM微处理器处理模块安装在车辆质心处，三者之间通过相应数据线连接；当车辆启动运行后，MEMS惯性传感器模块收集汽车纵向、侧向、垂向运动的加速度以及横摆、侧倾、俯仰运动的角速度等信息，并将这些运动状态信息通过SPI接口传送至ARM微处理器模块；轮速传感器检测当前车辆运行的轮速得到原始轮速信息，并将原始轮速信息通过接口电路传送至所述信号调理子模块；所述信号调理子模块将接收到的原始轮速信息进行放大、整形、硬件滤波处理后得到轮速信息，并将轮速信息通过I/O接口传送至ARM微处理器模块；信号采集子模块接收来自MEMS惯性传感器模块的运动状态信息与来自轮速传感器接口电路模块的轮速信息，并将接收到的信息传送至所述卡尔曼滤波子模块；所述卡尔曼滤波子模块将接收到的轮速信息与运动状态信息进行卡尔曼滤波处理，分别得到轮速信号与运动状态信号，将轮速信号传送至参考车速计算子模块，将运动状态信号传送至信号融合处理子模块；所述参考车速计算子模块对接收到的轮速信号进行计算处理，算出参考车速信号，并将参考车速信号传送至信号融合处理子模块；所述信号融合处理子模块将接收到的运动状态信号与参考车速信号进行融合处理，计算得到车辆的运动状态测定参数；
CAN通信子模块将信号融合处理子模块计算出的车辆运动状态测定参数转换为CAN数据流，并传送至CAN接口电路子模块；USB通信子模块将信号融合处理子模块计算出的车辆运动状态测定参数转换为USB数据流，并传送至USB接口电路子模块；
CAN接口电路子模块将获得的运动状态测定参数传输至与本检测装置相关联的各类车辆主动安全控制子系统；
USB接口电路模块将获得的运动状态测定参数转移至载体，或者传输至上位计算机进行分析与评估。
Claims (7)
1.一种车辆运动状态检测装置，包括MEMS惯性传感器模块、轮速传感器接口电路模块、ARM微处理器模块、输出模块，其特征在于：
所述MEMS惯性传感器模块用于收集车辆行驶时的运动状态信息，并将该运动状态信息通过SPI接口传送至ARM微处理器模块；
所述轮速传感器接口电路模块用于收集车辆的轮速信息，并将轮速信息通过I/O接口传送至ARM微处理器模块；
所述ARM微处理器模块用于对接收到的运动状态信息和轮速信息进行融合处理，得到车辆运动状态测定参数，将该车辆运动状态测定参数传送至输出模块。
2.如权利要求1所述的车辆运动状态检测装置，其特征在于：所述MEMS惯性传感器模块集成了分别对应三个坐标轴的三个陀螺仪和三个加速度计。
3.如权利要求1所述的车辆运动状态检测装置，其特征在于：
所述轮速传感器接口电路模块包括轮速传感器和信号调理子模块；
所述轮速传感器用于检测当前车辆运行的轮速得到原始轮速信息，并将原始轮速信息通过接口电路传送至所述信号调理子模块；
所述信号调理子模块用于将接收到的原始轮速信息进行放大、整形、硬件滤波处理后得到轮速信息，并将轮速信息通过I/O接口传送至ARM微处理器模块。
4.如权利要求1所述的车辆运动状态检测装置，其特征在于：
所述ARM微处理器模块包括信号采集子模块、卡尔曼滤波子模块、参考车速计算子模块，信号融合处理子模块；
所述信号采集子模块用于接收来自MEMS惯性传感器模块的运动状态信息与来自轮速传感器接口电路模块的轮速信息，并将接收到的信息传送至所述卡尔曼滤波子模块；
所述卡尔曼滤波子模块用于将接收到的轮速信息与运动状态信息进行卡尔曼滤波处理，分别得到轮速信号与运动状态信号，将轮速信号传送至参考车速计算子模块，将运动状态信号传送至信号融合处理子模块；
所述参考车速计算子模块用于对接收到的轮速信号进行计算处理，算出参考车速信号，并将参考车速信号传送至信号融合处理子模块；
所述信号融合处理子模块用于将接收到的运动状态信号与参考车速信号进行融合处理，计算得到车辆的运动状态测定参数。
5.如权利要求4所述的车辆运动状态检测装置，其特征在于：
所述ARM微处理器模块还包括CAN通信子模块和USB通信子模块；
所述输出模块包括CAN接口电路子模块和USB接口电路子模块；
所述的CAN通信子模块用于将信号融合处理子模块计算出的车辆的运动状态测定参数转换为CAN数据流，并传送至CAN接口电路子模块；所述的USB通信子模块用于将信号融合处理子模块计算出的车辆的运动状态测定参数转换为USB数据流，并传送至USB接口电路子模块。
6.如权利要求1所述的车辆运动状态检测装置，其特征在于：
所述轮速传感器接口电路模块包括轮速传感器和信号调理子模块；
所述ARM微处理器模块包括信号采集子模块、卡尔曼滤波子模块、参考车速计算子模块，信号融合处理子模块、CAN通信子模块和USB通信子模块；
所述输出模块包括CAN接口电路子模块和USB接口电路子模块；
所述轮速传感器检测当前车辆运行的轮速得到原始轮速信息，并将原始轮速信息通过接口电路传送至所述信号调理子模块；所述信号调理子模块将接收到的原始轮速信息进行放大、整形、硬件滤波处理后得到轮速信息，并将轮速信息通过I/O接口传送至ARM微处理器模块；
所述信号采集子模块接收来自MEMS惯性传感器模块的运动状态信息与来自轮速传感器接口电路模块的轮速信息，并将接收到的信息传送至所述卡尔曼滤波子模块；所述卡尔曼滤波子模块将接收到的轮速信息与运动状态信息进行卡尔曼滤波处理，分别得到轮速信号与运动状态信号，将轮速信号传送至参考车速计算子模块，将运动状态信号传送至信号融合处理子模块；所述参考车速计算子模块对接收到的轮速信号进行计算处理，算出参考车速信号，并将参考车速信号传送至信号融合处理子模块；所述信号融合处理子模块将接收到的运动状态信号与参考车速信号进行融合处理，计算得到车辆的运动状态测定参数；
所述的CAN通信子模块将信号融合处理子模块计算出的车辆的运动状态测定参数转换为CAN数据流，并传送至CAN接口电路子模块；所述的USB通信子模块将信号融合处理子模块计算出的车辆的运动状态测定参数转换为USB数据流，并传送至USB接口电路子模块；
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7.如权利要求6所述的车辆运动状态检测装置，其特征在于：所述MEMS惯性传感器模块集成了分别对应三个坐标轴的三个陀螺仪和三个加速度计。
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