CN203848841U - 一种汽车姿态检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及汽车姿态检测技术领域，特别涉及一种汽车姿态检测装置，该装置的车身姿态检测系统采用四个三维加速度传感器，这四个三维加速度传感器的配置方式为：一个车身加速度传感器设置于车身的质心处，另外三个车身加速度传感器与车身的质心距离相等，且这三个车身加速度传感器与车身的质心的连线相互垂直，即采用正直角三菱锥的配置方式，利用这种配置方式以及三维加速度传感器能够检测三个维度的加速度的特性，结合无陀螺捷联惯性导航原理分别求解车身沿惯性坐标系的线加速度、角速度，进而通过数学处理求解其他姿态参量，从而可以计算出汽车的姿态数据，本实用新型具有传感器数量少，安装点比较少，有效降低了传感器的安装难度。

Description

一种汽车姿态检测装置

技术领域

本实用新型涉及汽车姿态检测技术领域，特别涉及一种汽车姿态检测装置。 

背景技术

汽车安全检测技术是近年来伴随着汽车技术的发展而发展的一门新兴技术，它是传感技术、故障诊断、计算机技术、通讯技术等诸多学科先进技术的融合，主要是利用固定装置把智能传感器安装在汽车车轮、车身部位，对与汽车运行安全技术指标进行快速检测，具有安装灵活、使用简单、成本低廉的特点。它不仅能提高汽车安全运行的技术保障能力和减少交通事故，而且对促进汽车工业及交通运输事业的发展有重大意义。开展汽车安全检测技术不仅是保证汽车安全行驶的重要手段，也是汽车运行安全检测技术发展趋势之一。 

目前，汽车安全检测技术中一个重要技术就是实时检测汽车的姿态，具体的，汽车的状态包括车身姿态检测和车轮姿态检测，车身状态检测包括前进加速度a_Bx、侧向加速度a_By、垂向加速度a_Bz、前进速度v_Bx、侧向速度v_By、垂向速度v_Bz、侧倾角φ_B、俯仰角θ_B、方向角ψ_B等9个参数；车轮姿态监测参数包括转速ω、切向加速度a_Txi、侧向加速度a_Tyi、横摆角β_i等四个参数。为了检测这些参数，一般采用在车轮和车身分别设置加速度传感器来实现。对于车身的检测，一般采用的检测系统包括陀螺捷联惯性导航系统和无陀螺捷联惯性导航系统，陀螺捷联惯性导航系统一般需要3个加速度计和3个陀螺组件分别测量汽车质心运动和转动情况，这种系统较为精确，但是由于陀螺组件工艺复杂，成本较高，因此不利于大规模普及。目前较为普及的是无陀螺捷联惯性导航系统，这种系统采用成本较低的加速度传感器代替陀螺仪组件，再通过一系列算法计算出汽车的各种姿态参数。目前，无陀螺捷联惯性导航系统的算法已经较为成熟，业内也有相应的书籍专门介绍这种系统，如哈尔滨工程大学出版社出版的《无陀螺捷联式惯性导航系统》。 

然而，在目前的无陀螺捷联惯性导航系统中，至少需要采用六个以上的加速度传感器(一般为六个)，对这些加速度传感器的配置方式(即各个传感器的安装位置)有多样，但是必须使这些加速度传感器的检测数据能够满足算法需求，最终才能够计算出各种姿态参数。对于六个的加速度传感器，一般采用三棱柱配置方式(即将六个加速度传感器配置于以汽车质心为中心的三棱柱的六个顶点上)，由于需要配置六个位置点，而且这六个位置点均必须与汽车质心之间必须满足一定的几何关系，因此给传感器寻找安装点并安装传感器具有较大难度。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种能够减少传感器数量，从而减少传感器安装点，降低安装难度的汽车姿态检测装置。 

本实用新型的目的通过以下技术方案实现： 

提供了一种汽车姿态检测装置，包括车身姿态检测系统，其特征在于：所述车身姿态检测系统包括四个车身加速度传感器，所述车身加速度传感器为三维加速度传感器，其中一个车身加速度传感器设置于车身的质心处，另外三个车身加速度传感器与车身的质心距离相等，且这三个车身加速度传感器与车身的质心的连线两两相互垂直。 

其中，存在一个车身加速度传感器与车身的质心的连线与汽车底盘垂直。 

其中，还包括车轮姿态检测系统，所述车轮姿态检测系统包括设置于轮毂的车轮加速度传感模组，所述车轮加速度传感模组为三维加速度传感模组。 

其中，所述车轮加速度传感模组设置于轮毂的轮辋表面。 

其中，所述三维加速度传感模组包括高G单轴加速度传感器和低G双轴加速度传感器，所述单轴高G单轴加速度传感器实时检测汽车车轮的径向加速度，所述低G双轴加速度传感器实时检测汽车车轮的侧向加速度和切向加速度。 

其中，所述三维加速度传感器是MMA7360型加速度传感器。 

本实用新型的有益效果：本实用新型提供了一种汽车姿态检测装置，该装置的车身姿态检测系统采用四个三维加速度传感器，这四个三维加速度传感器的配置方式为：一个车身加速度传感器设置于车身的质心处，另外三个车身加速度传感器与车身的质心距离相等，且这三个车身加速度传感器与车身的质心的连线相互垂直，即采用正直角三菱锥的配置方式，利用这种配置方式以及三维加速度传感器能够检测三个维度的加速度的特性，结合无陀螺捷联惯性导航原理分别求解车身沿惯性坐标系的线加速度、角速度，进而通过数学处理求解其他姿态参量，从而可以计算出汽车的姿态数据。与现有技术相比，本实用新型具有传感器数量少，安装点比较少，有效降低了传感器的安装难度。 

附图说明

利用附图对本实用新型作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。 

图1为本实用新型一种汽车姿态检测装置的车身姿态检测系统的传感器分布示意图。 

图2为本实用新型一种汽车姿态检测装置的车身姿态检测系统的传感器参数示意图。 

图3为本实用新型一种汽车姿态检测装置的车轮姿态检测系统的布局示意图。 

在图1至图3中包括： 

1——车身加速度传感器Ⅰ、2——车身加速度传感器Ⅱ、3——车身加速度传感器Ⅲ、4——车身加速度传感器Ⅳ、5——轮辋、6——车轮加速度传感模组。 

具体实施方式

结合以下实施例对本实用新型作进一步描述。 

本实用新型一种汽车姿态检测装置的具体实施方式，如图1和图2所示，包括： 

提供了一种汽车姿态检测装置，包括车身姿态检测系统，其特征在于：所述车身姿态检测系统包括四个车身加速度传感器，所述车身加速度传感器为三维加速度传感器，其中车身加速度传感器Ⅰ1设置于车身的质心处，另外三个车身加速度传感器(车身加速度传感器Ⅱ2、车身加速度传感器Ⅲ3、车身加速度传感器Ⅳ4)与车身的质心距离相等，且这三个车身加速度传感器(车身加速度传感器Ⅱ2、车身加速度传感器Ⅲ3、车身加速度传感器Ⅳ4)与车身的质心的连线相互垂直，其中，车身加速度传感器Ⅳ4与车身的质心的连线与汽车底盘垂直，所述三维加速度传感器都是MMA7360型加速度传感器。 

利用这种配置方式以及三维加速度传感器能够检测三个维度的加速度的特性，结合无陀螺捷联惯性导航原理分别求解车身沿惯性坐标系的线加速度、角速度，进而通过数学处理求解其他姿态参量，从而可以计算出汽车的姿态数据。具体的计算过程如下： 

首先，为了便于描述，引入惯性坐标系(i系)和机体坐标系(b系)坐标系。i系即地心惯性坐标系，其原点取在地球中心O_e处(不参与地球自转)，并习惯上将Z_i轴选在沿地球自转轴指向北方的方向上，X_i轴、Y_i轴在地球赤道平面内与Z_i轴组成右手坐标系，记作OX_iY_iZ_i(简称i系)。适合当研究载体在地球附近运动情况使用。b系(即机体坐标系)是固连在载体上的坐标系，其原点在汽车的质心，X轴指向载体纵轴方向(即载体前方)，Y轴指向载体横轴方向(即载体左方)，Z轴向上与X轴、Y轴构成右手坐标系。 

(一)车身加速度(a_Bx,a_By,a_Bz)的计算： 

对于车身加速度传感器的安装点P_m(m＝I,II,III,IV)点参考坐标示意图，一方面P_m点选i系为绝对运动基准参考坐标系，另一方面选b系为相对运动参考坐标系，b系以i系作牵连转动。 

设P_m点相对于i系、b系的矢径分别为b系相对于i系的矢径为那么有： 

在i系中，求(1)式对时间一阶导数： 

表示车身b系相对i系转动，引起P_m点相对于惯性坐标i系的牵连速度，可得： 

P_m点相对于i系加速度： 

由于加速度传感器固定安装于车身P_m点不动，则有： 

设加速度输出信号A_n(n＝1,2,…,12)的敏感方向为θ_n，相对于b系的矢径为 (上标“b”表示在车身b系投影)，Ω为角速度的斜对称矩阵；为角加速度的斜对称矩阵，则有： 

在任意三维空间N＝[n_xn_yn_z]^T，斜对称矩阵满足如下关系： 

$\mathrm{\Ω}\·N=\left[\begin{array}{ccc}0& {-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b& 0& {-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b\\ {-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{n}_x\\ n_y\\ n_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b{n}_z-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b{n}_y\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibz}}^b{n}_x-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b{n}_z\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ibx}}^b{n}_y-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iby}}^b{n}_x\end{array}\right]={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ib}}\·N$

令M₁＝[(r×θ_n)^Tθ_n ^T]， $M_2={\left[\begin{array}{c}{-\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ny}}{r}_{\mathrm{ny}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{nz}}{r}_{\mathrm{nz}}\\ {-\mathrm{\θ}}_{\mathrm{nx}}{r}_{\mathrm{nx}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{nz}}{r}_{\mathrm{nz}}\\ {-\mathrm{\θ}}_{\mathrm{nx}}{r}_{\mathrm{nx}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{nr}}{r}_{\mathrm{ny}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{nz}}{r}_{\mathrm{ny}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ny}}{r}_{\mathrm{nz}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{nz}}{r}_{\mathrm{nx}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{nx}}{r}_{\mathrm{nz}}\\ {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ny}}{r}_{\mathrm{nx}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{nx}}{r}_{\mathrm{ny}}\end{array}\right]}^T,$ θ_n ^T＝[θ_nxθ_nyθ_nz]，r_n＝[r_nxr_nyr_nz]^T (8) 

$A_n=[{\stackrel{\·\·}{R}}_i+{\mathrm{\Ω\Ωr}}_n+{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}r}_n]\·{\mathrm{\θ}}_n={{\mathrm{\θ}}_n}^T{\stackrel{\·\·}{R}}_i+{(r_n\×{\mathrm{\θ}}_n)}^T{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{ib}}^b+{{\mathrm{\θ}}_n}^T{\mathrm{\Ω}}^2{r}_n\left[\begin{array}{cc}{(r_n\×{\mathrm{\θ}}_n)}^T& {{\mathrm{\θ}}_n}^T\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{ib}}^b\\ {\stackrel{\·\·}{R}}_i\end{array}\right]+{{\mathrm{\θ}}_n}^T{\mathrm{\Ω}}^2{r}_n---\left(9\right)$

传感单元安装点为P_m(m＝I,II,III,IV)分别分布在直接坐标系的原点、三个坐标轴上，且三个坐标轴上单元到原点的距离相等，那么A_n(n＝1,2,…,12)安装位置、及A_n敏感轴方向(即图中传感单元(I,II,III,IV)箭头所指方向)的表达式分别为： 

$[r_1......r_{12}]=l\left[\begin{array}{cccccccccccc}0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0\end{array}\right]$

$[{\mathrm{\θ}}_1......{\mathrm{\θ}}_{12}]=\left[\begin{array}{cccccccccccc}0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 1\\ 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\end{array}\right]---\left(10\right)$

如果车身传感单元I所在坐标系原点选在车身中心，这时有如果坐标原点选在车身中心，有(a_ix,a_iy,a_iz)＝(a_ox,a_oy,a_oz)，即车身加速度等于传感单元I三维加速度。 

设P_m点质量为m、受到万有引力及非万有引力分为F_g和F_s，万有引力加速度及非万有引力加速度分别为g_m和f，由牛顿第二定律，则： 

其中g_m＝g+ω_ie×(ω_ie×R)，得到 $a_{\mathrm{ox}}={\stackrel{\·\·}{R}}_{\mathrm{ix}}+g_{\mathrm{mx}},a_{\mathrm{oy}}={\stackrel{\·\·}{R}}_{\mathrm{iy}}+g_{\mathrm{my}},a_{\mathrm{oz}}={\stackrel{\·\·}{R}}_{\mathrm{iz}}+g_{\mathrm{mz}},$ 即坐标原点选在车身中心，有(a_ix,a_iy,a_iz)＝(a_ox-g_mx,a_oy-g_my,a_oz-g_mz)。 

求取车身(a_ix,a_iy,a_iz)后，由b系→g系的转换矩阵就可计算出车身(a_Bx,a_By,a_Bz)它为车身沿地理坐标g系的加速度，即： 

$\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{Bx}}\\ a_{\mathrm{By}}\\ a_{\mathrm{Bz}}\end{array}\right]=C_b^g\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{ix}}\\ a_{\mathrm{iy}}\\ a_{\mathrm{iz}}\end{array}\right]---\left(12\right)$

对车身(a_Bx,a_By,a_Bz)积分，可得到车身速度一定精度的(v_Bx,v_By,v_Bz)。 

(二)、车身速度(v_Bx,v_By,v_Bz)的计算 

基于车身传感单元安装点P_m(m＝I,II,III,IV)处的比力方程，由式(1)有： 

在i系中求导得：

在g系中求导得：

代入(11)：

若车身传感单元安装点P_I所在坐标系原点处在车身中心，P_I点相对于b系的矢径为 有：

展开得到求解车身三维速度(v_Bx,v_By,v_Bz)。 

(三)车身姿态角(φ_B,θ_B,ψ_B)的计算 

设车身静止状态下ψ_B(t₀)＝0，那么车身初始姿态角[φ_B(t₀),θ_B(t₀),ψ_B(t₀)]可得到： 

$\left[\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{ox}}\\ a_{\mathrm{oy}}\\ a_{\mathrm{oz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\φ}}_B\left(t_0\right)& \sin {\mathrm{\φ}}_B\left(t_0\right)\sin {\mathrm{\θ}}_B\left(t_0\right)& -\sin {\mathrm{\φ}}_B\left(t_0\right)\cos {\mathrm{\θ}}_B\left(t_0\right)\\ 0& \cos {\mathrm{\θ}}_B\left(t_0\right)& \sin {\mathrm{\θ}}_B\left(t_0\right)\\ \sin {\mathrm{\φ}}_B\left(t_0\right)& -\cos {\mathrm{\φ}}_B\left(t_0\right)\sin {\mathrm{\φ}}_B\left(t_0\right)& \cos {\mathrm{\φ}}_B\left(t_0\right)\cos {\mathrm{\θ}}_B\left(t_0\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ g\end{array}\right]$

$\⇒[{\mathrm{\φ}}_B\left(t_0\right),{\mathrm{\θ}}_B\left(t_0\right),{\mathrm{\ψ}}_B\left(t_0\right)]=[\arcsin \left(\frac{a_{\mathrm{oy}}}{g}\right),-\arctan \left(\frac{a_{\mathrm{ox}}}{a_{\mathrm{oz}}}\right),0]---\left(19\right)$

设斜对称矩阵为Ω_B，由于车身角速度(ω_Bx,ω_By,ω_Bz)引起姿态矩阵态变化，姿态矩阵方程为： 

${\stackrel{\·}{C}}_b^g=C_b^g{\mathrm{\Ω}}_B\⇒\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{\·}{C}}_{11}& {\stackrel{\·}{C}}_{12}& {\stackrel{\·}{C}}_{13}\\ {\stackrel{\·}{C}}_{21}& {\stackrel{\·}{C}}_{22}& {\stackrel{\·}{C}}_{23}\\ {\stackrel{\·}{C}}_{31}& {\stackrel{\·}{C}}_{32}& {\stackrel{\·}{C}}_{33}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}0& {-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Bz}}& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{By}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Bz}}& 0& {-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Bx}}\\ {-\mathrm{\ω}}_{\mathrm{By}}& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Bx}}& 0\end{array}\right]---\left(21\right)$

设表示车身坐标b系到地理坐标g系转动的四元数共轭四元数为则用四元数表示的姿态矩阵为： 

$\·C_b^g=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{q_0}^2+{q_1}^2-{q_2}^2-{q_3}^2& 2(q_0{q}_3+q_1{q}_2)& 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)\\ 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& {q_0}^2-{q_1}^2+{q_2}^2-{q_3}^2& 2(q_0{q}_1+q_2{q}_3)\\ 2(q_0{q}_2+q_1{q}_3)& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)& {q_0}^2-{q_1}^2-{q_2}^2+{q_3}^2\end{array}\right]---\left(22\right)$

令则四元数微分方程为： 

考虑到误差存在，式(2-23)解出四元数难以满足四元数正交性故需对含有误差四元数作归一化。设含有误差四元数则归一化处理后的四元数为： 

求出[q₀(t),q₁(t),q₂(t),q₃(t)]后，最终确定出各元素并利用有关元素解出车身姿态角度： 

$[{\mathrm{\φ}}_B\left(t\right),{\mathrm{\θ}}_B\left(t\right),{\mathrm{\ψ}}_B\left(t\right)]=[{-\tan }^{-1}\left(\frac{C_{31}}{C_{33}}\right),{\sin }^{-1}\left(C_{32}\right),{\tan }^{-1}\left(\frac{C_{12}}{C_{22}}\right)]---\left(25\right)$

至此，车身的所有姿态参数均已求出。 

本还包括车轮姿态检测系统，如图3所示，所述车轮姿态检测系统包括设置于轮毂的车轮加速度传感模组6，所述车轮加速度传感模组6为三维加速度传感模组，具体的，所述车轮加速度传感模组6设置于轮毂的轮辋5表面。该三维加速度传感模组包括高G单轴加速度传感器和低G双轴加速度传感器，所述单轴高G单轴加速度传感器实时检测汽车车轮的径向加速度，所述低G双轴加速度传感器实时检测汽车车轮的侧向加速度和切向加速度。 

通过车轮姿态检测系统的三维加速度传感模组可以有效的检测轮胎的各个姿态参数，同时，将所述车轮加速度传感模组6设置于轮毂的轮辋5表面，不仅可以利用轮胎对轮辋5的压力固定车轮加速度传感模组6，使车轮加速度传感模组6被固定得更加牢固，而且检测数据更加准确，进一步的，采用高G单轴加速度传感器和低G双轴加速度传感器匹配使用，由于普通汽车的前进加速度(即切向加速度)和轮毂上侧向加速度小于1g，因此采用低G双轴加速度传感器即可满足这两者要求，而对于精度要求高的径向加速度则采用一个高G单轴加速度传感器单独检测，相比于采用三维加速度传感器可有效降低了传感器的使用成本，降低平台的整体成本。 

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。 

Claims (6)

1.一种汽车姿态检测装置，包括车身姿态检测系统，其特征在于：所述车身姿态检测系统包括四个车身加速度传感器，所述车身加速度传感器为三维加速度传感器，其中一个车身加速度传感器设置于车身的质心处，另外三个车身加速度传感器与车身的质心距离相等，且这三个车身加速度传感器与车身的质心的连线两两相互垂直。

2.如权利要求1所述的一种汽车姿态检测装置，其特征在于：其中一个车身加速度传感器与车身的质心的连线与汽车底盘垂直。

3.如权利要求1所述的一种汽车姿态检测装置，其特征在于：还包括车轮姿态检测系统，所述车轮姿态检测系统包括设置于轮毂的车轮加速度传感模组，所述车轮加速度传感模组为三维加速度传感模组。

4.如权利要求3所述的一种汽车姿态检测装置，其特征在于：所述车轮加速度传感模组设置于轮毂的轮辋表面。

5.如权利要求3所述的一种汽车姿态检测装置，其特征在于：所述三维加速度传感模组包括高G单轴加速度传感器和低G双轴加速度传感器，所述单轴高G单轴加速度传感器实时检测汽车车轮的径向加速度，所述低G双轴加速度传感器实时检测汽车车轮的侧向加速度和切向加速度。

6.如权利要求1所述的一种汽车姿态检测装置，其特征在于：所述三维加速度传感器是MMA7360型加速度传感器。