專利名稱：完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于汽車運(yùn)動(dòng)安全性能評(píng)價(jià)場地試驗(yàn)的汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
汽車試驗(yàn)是幫助我們深入了解汽車在實(shí)際使用中各種現(xiàn)象的本質(zhì)及其規(guī)律，探討解決存在的問題以及驗(yàn)證解決問題的效果和程度，推動(dòng)其技術(shù)進(jìn)步的一種極為重要的方法，是保證產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力的重要手段。
汽車場地道路試驗(yàn)集中濃縮了汽車實(shí)際使用中各種各樣道路條件的典型道路工況，它與汽車室內(nèi)試驗(yàn)以及今年來流行的駕駛模擬器等虛擬試驗(yàn)手段相互驗(yàn)證、相互依存、相互補(bǔ)充，是全面檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)汽車運(yùn)動(dòng)安全性能和可靠性的一種最重要的手段。
汽車操縱穩(wěn)定性，指的是汽車在高速行駛下，接受駕駛員的控制能力及行駛方向的穩(wěn)定性。由于操縱穩(wěn)定性關(guān)系到車輛行駛的安全問題，所以倍受人們的關(guān)注。隨著車輛的行駛速度大幅提高，操縱穩(wěn)定性顯得更加重要，成為評(píng)價(jià)汽車運(yùn)動(dòng)安全性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。
我國汽車操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在20世紀(jì)80年代中期起草的，是當(dāng)時(shí)我國汽車專家多年研究的結(jié)晶，對(duì)我國汽車產(chǎn)品開發(fā)做出了重要的貢獻(xiàn)。但是，限于當(dāng)時(shí)的測試技術(shù)水平和當(dāng)時(shí)汽車工業(yè)主要以低速度的商用車為主的狀況，這些評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于中國汽車工業(yè)的現(xiàn)狀，不能滿足于當(dāng)前重點(diǎn)開發(fā)高速度的乘用車的開發(fā)要求。比如，當(dāng)前我國汽車操縱穩(wěn)定性駕駛員-汽車-環(huán)境閉環(huán)評(píng)價(jià)由于無法直接進(jìn)行車身側(cè)傾角、質(zhì)心側(cè)偏角等車輛狀態(tài)參數(shù)的客觀精確測量，故通常只能由駕駛員通過很好、較好、中等、較差和很差來主觀評(píng)價(jià)，迄今為止國內(nèi)還沒有一種公認(rèn)的客觀定量評(píng)價(jià)汽車操縱穩(wěn)定性的好方法。
在技術(shù)上，汽車運(yùn)動(dòng)安全性能評(píng)價(jià)的難點(diǎn)是汽車運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度、角速率等汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量。傳統(tǒng)上，國外一直沿用采用價(jià)格昂貴的鋪裝類似數(shù)字化儀的磁感應(yīng)導(dǎo)線網(wǎng)的專用運(yùn)動(dòng)安全性試驗(yàn)場地。國內(nèi)上世紀(jì)五六十年代的實(shí)車場地試驗(yàn)中，通常采用殘跡法測量汽車運(yùn)動(dòng)軌跡，但其存在著殘跡測量時(shí)間長、多重試驗(yàn)軌跡的場合難以判斷，以及潮濕路面上不能使用等缺點(diǎn)。后采用測試汽車重心運(yùn)動(dòng)軌跡的方法，即利用陀螺儀和五輪儀測量出汽車的角位移(或角速率)和速度或加速度在汽車坐標(biāo)系的分量，經(jīng)過積分獲得汽車的速度和重心軌跡，該方法存在由于采用積分算法使得零漂等誤差被積累導(dǎo)致測量誤差大、試驗(yàn)重復(fù)性差等缺點(diǎn)。由于上述缺陷，當(dāng)前國內(nèi)汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)避開了車輛側(cè)向速度及精確軌跡等因素。目前，國外學(xué)者開始重點(diǎn)探索開展了采用精密全球定位系統(tǒng)GPS加上精密慣性測量單元(IMU)等先進(jìn)測試技術(shù)，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)解算汽車位移、速度、加速度的算法研究，可以成功應(yīng)用于汽車側(cè)向速度、側(cè)偏角的精確測量，本發(fā)明對(duì)該方法的核心技術(shù)進(jìn)行深入研究，研制了汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)，用于進(jìn)一步提出一種新的評(píng)價(jià)汽車運(yùn)動(dòng)安全性能的客觀系統(tǒng)，希望從根本上解決汽車操縱穩(wěn)定性等運(yùn)動(dòng)安全性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)問題，并在汽車行業(yè)推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于RTKDGPS和高精度IMU的汽車性能場地試驗(yàn)測試的完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)。它用于在汽車操縱穩(wěn)定性等性能場地試驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)測量、記錄、顯示汽車運(yùn)動(dòng)前向、側(cè)向、垂直三個(gè)方向的速度、運(yùn)動(dòng)軌跡、加速度、繞三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)角速率以及汽車的俯仰角、側(cè)傾角、橫擺角等汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，并可由汽車運(yùn)動(dòng)前向、側(cè)向速度比值進(jìn)一步得到汽車質(zhì)心的側(cè)偏角，可為建立高精度的汽車操縱穩(wěn)定性等性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供一種新的測量系統(tǒng)。
本發(fā)明研究的汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)依據(jù)是INS/GPS組合導(dǎo)航原理，下面對(duì)其進(jìn)行簡要介紹。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS(Inertial Navigation System)是一種完全自主的確定載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的新型系統(tǒng)。它通常由線加速度計(jì)測得運(yùn)載體的線加速度，然后積分得到速度，位移，同時(shí)與使用陀螺儀測量得到的剛體角速度信息一起得到完整的運(yùn)載體狀態(tài)信息，通常應(yīng)用于飛機(jī)、航天飛船、導(dǎo)彈、輪船等定位導(dǎo)航領(lǐng)域。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有著采用率高、不受外界環(huán)境干擾影響、無信號(hào)丟失、低成本，短時(shí)間內(nèi)具有穩(wěn)定狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，但它也有其自身的缺點(diǎn)，如定位的狀態(tài)、偏差的方差由于傳感器噪聲和傳感器校準(zhǔn)誤差而增加等。故其單獨(dú)使用時(shí)通常只適用于短時(shí)導(dǎo)航應(yīng)用。
全球定位系統(tǒng)(Global Navigation System)是一種全天候24小時(shí)提供物體在地球坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)、速度等信息的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。近年來隨著差分RTK等技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS定位精度越來越高，使得用其來獲取高精度汽車狀態(tài)信息成為可能；但其同時(shí)存在更新頻率低、衛(wèi)星信息易被障礙物阻擋、易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)等各種不足，使其單獨(dú)使用無法滿足汽車導(dǎo)航等高可靠性應(yīng)用的要求。RTK GPS(real time kinematics differential GPS)是一種基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。在RTK作業(yè)模式下，參考站通過數(shù)據(jù)鏈-電臺(tái)，將其觀測值及站點(diǎn)的坐標(biāo)信息用電磁信號(hào)發(fā)送給移動(dòng)站。移動(dòng)站不僅接收來自參考站的數(shù)據(jù)，自身也要采集GPS衛(wèi)星信號(hào)觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，瞬時(shí)地給出精度為厘米級(jí)的點(diǎn)定位坐標(biāo)。
INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)由于綜合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System)和全球定位系統(tǒng)(Global Navigation System)兩類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并且克服了各自的缺點(diǎn)，因而構(gòu)成了一種性能優(yōu)良的組合導(dǎo)航方式，在航空、航海、導(dǎo)彈制導(dǎo)等方面有著廣泛的應(yīng)用。INS/GPS組合通常采用卡爾曼濾波方法。濾波是指把污染信號(hào)里的噪聲盡可能地消除掉，從中分離出所需要的信號(hào)，由帶有噪聲的狀態(tài)方程和觀測方程去推斷系統(tǒng)的狀態(tài)?？柭鼮V波是在時(shí)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的遞推濾波方法，它的特點(diǎn)是不要求保存過去的測量數(shù)據(jù)。當(dāng)新的數(shù)據(jù)測得之后，根據(jù)新的數(shù)據(jù)和前一時(shí)刻的各個(gè)量估計(jì)值，借助系統(tǒng)本身的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，按照一套遞推公式，即可算出新的各個(gè)量估計(jì)值?？柭鼮V波方法可以根據(jù)初始狀態(tài)的誤差估計(jì)和有限的觀測數(shù)據(jù)，逐步計(jì)算出汽車的實(shí)時(shí)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)。
隨著近年來在微機(jī)電系統(tǒng)Micro-Electro-Mechanical System(MEMS)技術(shù)方面的突破性進(jìn)展，體積小，價(jià)格低，高性能的MEMS加速度計(jì)得到了大批量生產(chǎn)，特別適合應(yīng)用于像車輛導(dǎo)航測試這樣的低成本，中等性能的車載應(yīng)用領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用的高精度慣性測量單元(IMU)即由MEMS加速度計(jì)與光纖陀螺構(gòu)成。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體技術(shù)方案是一種完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)，它由高精度GPS接收機(jī)、高精度慣性測量單元IMU、嵌入式專用處理系統(tǒng)以及相應(yīng)接口組成，高精度GPS接收機(jī)和高精度慣性測量單元IMU采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)各自接口一起送入嵌入式專用處理系統(tǒng)，在其上運(yùn)行全球定位系統(tǒng)GPS數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換、預(yù)處理模塊、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS算法模塊、改進(jìn)卡爾曼濾波融合算法軟件，實(shí)時(shí)記錄顯示及通過接口向上位計(jì)算機(jī)提供加速度、角速率、車體速度、位移、姿態(tài)高精度的汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
所述的高精度GPS接收機(jī)采用基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分載波相位技術(shù)的高精度GPS接收機(jī)。
的高精度慣性測量單元IMU由MEMS加速度計(jì)與光纖陀螺構(gòu)成。
所述的預(yù)處理模塊主要包括慣性傳感器標(biāo)定與誤差建模、系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定和原始信號(hào)預(yù)濾波。
所述的INS算法模塊，根據(jù)地面車輛系統(tǒng)低機(jī)動(dòng)性的實(shí)際運(yùn)行工況，采用計(jì)算效率較高的基于歐拉角法的INS算法。
所述的卡爾曼濾波融合算法，根據(jù)GPS接收機(jī)受短暫遮擋時(shí)定位精度降低的系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況特點(diǎn)，采用改進(jìn)的Sage-Husa自適應(yīng)KALMAN濾波算法來提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
本系統(tǒng)集成了車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序。
采用的時(shí)間同步、空間同步的提高系統(tǒng)精度的方法。
參閱圖1本系統(tǒng)由基于RTK差分GPS技術(shù)的高精度GPS接收機(jī)、由光纖陀螺和MEMS加速度計(jì)組成的高精度IMU、嵌入式專用處理系統(tǒng)以及相應(yīng)接口等組成，。
高精度GPS基準(zhǔn)站和移動(dòng)站接收機(jī)用來采集GPS原始三維導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，并通過專用接口提供給嵌入式專用處理系統(tǒng)；高精度慣性測量單元(IMU)由光纖陀螺和微型MEMS加速度計(jì)以及相應(yīng)處理電路和接口組成，可以提供高精度的與其固聯(lián)的車體運(yùn)動(dòng)的線加速度和角速率。
嵌入式專用處理系統(tǒng)作為系統(tǒng)的主處理計(jì)算機(jī)，在用于其上運(yùn)行GPS數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換、預(yù)處理、INS算法、改進(jìn)卡爾曼濾波融合算法等核心軟件方法，并可以實(shí)時(shí)記錄、顯示或通過接口向上位計(jì)算機(jī)提供加速度、角速率、車體速度、位移、姿態(tài)等高精度的汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
本系統(tǒng)具有以下有益效果1、本發(fā)明提供了一套能精確完備的測量運(yùn)動(dòng)軌跡等汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置和方法，用于對(duì)大量汽車性能場地試驗(yàn)進(jìn)行測量和記錄，并為建立高精度的汽車操縱穩(wěn)定性等性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供新設(shè)備和新方法。
2、根據(jù)汽車實(shí)際運(yùn)行工況的特點(diǎn)，采用基于歐拉角法的INS算法，降低了解算的復(fù)雜性。
3、采用改進(jìn)Sage-Husa自適應(yīng)Kalman濾波的融合算法，避免測量噪聲統(tǒng)計(jì)不穩(wěn)定帶來的濾波整體發(fā)散影響，同時(shí)又對(duì)難以精確給定的系統(tǒng)噪聲具有較好的容錯(cuò)性能，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
4、系統(tǒng)集成了車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控及后處理程序，對(duì)提高場地試驗(yàn)的效率很有益處。


圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 GPS相關(guān)坐標(biāo)系示意圖；圖3 GPS處理模塊流程圖；圖4 INS算法流程圖；圖5 改進(jìn)Sage-Husa自適應(yīng)KALMAN濾波流程圖；圖6 反饋式KALMAN融合算法示意圖；圖7 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖；圖8 車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控及后處理程序界面圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容及實(shí)施方式。
本發(fā)明提出的完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)是按以下步驟實(shí)現(xiàn)的1、GPS原始數(shù)據(jù)坐標(biāo)系變換參閱圖2在全球定位系統(tǒng)測量中主要涉及兩個(gè)坐標(biāo)系地心地固坐標(biāo)系(e系)和當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系(n系)等，它們之間的關(guān)系見圖2(λ、為n系坐標(biāo)原點(diǎn)的經(jīng)緯度)。GPS采集的原始數(shù)據(jù)是采用WGS-84坐標(biāo)系這一地心地固坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)，即GPS天線的相位中心的X，Y，Z坐標(biāo)。坐標(biāo)變換就是通過地心地固坐標(biāo)系e到當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系n(如圖2中地球表面切平面坐標(biāo)系，用北向N、東向E和向下方向D表示)的變換矩陣把e系下GPS原始數(shù)據(jù)變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系(即水平坐標(biāo)系n)下，GPS處理模塊參閱圖3所示。
2、IMU原始數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括慣性傳感器標(biāo)定與誤差建模、系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定和原始信號(hào)預(yù)濾波。系統(tǒng)使用的IMU內(nèi)部由三軸MEMS加速度計(jì)和三軸光纖陀螺組成，內(nèi)部集成了誤差補(bǔ)償模塊，測量的偏差較小，但為了精確測量車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須對(duì)其測量值中包含的誤差項(xiàng)進(jìn)行建模。其中陀螺用來測量車體相對(duì)于慣性系的旋轉(zhuǎn)角速度，INS中對(duì)其進(jìn)行積分求得車體的姿態(tài)角，其測量值中包含偏差和噪聲，積分包含兩部分額外誤差，一個(gè)是由噪聲v積分得到的隨機(jī)漂移，對(duì)其處理可以在Kalman濾波融合算法中對(duì)其進(jìn)行建模加以補(bǔ)償。另一部分為陀螺的偏差產(chǎn)生的與時(shí)間成比例的漂移角，陀螺的偏差b受周圍環(huán)境溫度、濕度等多因素影響且每次啟動(dòng)后都有微小的不同，但隨時(shí)間變化較為緩慢，處理方法是在每一次試驗(yàn)前，采集一段時(shí)間的零文件，取平均值加以去除。加速度計(jì)用來測量車體質(zhì)心的線加速度。測量值中同樣包含偏差和噪聲，也需要用與陀螺類似的方法加以處理。系統(tǒng)運(yùn)行初始時(shí)刻狀態(tài)由GPS處理模塊實(shí)時(shí)得到的初始位置和速度來確定。原始信號(hào)預(yù)濾波采用Elliptic方法IIR濾波器，為截至頻率為3HZ的低通濾波器。
3、基于歐拉角法的INS算法參閱圖4算法的關(guān)鍵是SAE中定義的車體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣的精確求解問題。在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)求解載體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)時(shí)，根據(jù)地面車輛系統(tǒng)低機(jī)動(dòng)性的實(shí)際運(yùn)行工況(車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)俯仰角θ通常不超過90度，可避免三角函數(shù)計(jì)算產(chǎn)生奇點(diǎn)的問題)采用歐拉角法求解車體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，這樣做到好處是降低了姿態(tài)矩陣的維數(shù)，提高了計(jì)算效率。具體算法流程。
4、基于改進(jìn)Sage-Husa自適應(yīng)Kalman濾波的融合算法參閱圖6系統(tǒng)采用的Kalman濾波融合算法采用反饋式松耦合方式，系統(tǒng)的狀態(tài)方程中狀態(tài)變量為15維，分別為3維位置、速度、姿態(tài)偏差，3個(gè)加速度偏差，以及3個(gè)陀螺儀漂移誤差。系統(tǒng)的觀測方程采用GPS處理模塊得到的導(dǎo)航坐標(biāo)系下的位置和速度與INS計(jì)算得到的導(dǎo)航系下位置、速度之差作為觀測，在通過Kalman濾波器實(shí)時(shí)估計(jì)出位置、速度等偏差后對(duì)INS的狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到實(shí)時(shí)修正提高測量精度的目的。
為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、魯棒性和完整性，針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行工況的實(shí)際情況(GPS接收機(jī)受短暫遮擋，定位精度降低，表現(xiàn)為誤差方差陣R的突變)，考慮使用一種改進(jìn)Sage-Husa自適應(yīng)KALMAN濾波算法。標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波由于給出的系統(tǒng)及測量噪聲與實(shí)際值之間存在差異，濾波容易發(fā)散。Sage-Husa等提出了一種在線實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)及測量噪聲的算法，該算法已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。算法關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)調(diào)整KALMAN濾波中的Q和R。本系統(tǒng)根據(jù)陀螺和GPS兩者信號(hào)的特點(diǎn)(一種是低頻誤差、慢變信號(hào)，一種是高頻誤差、快變信號(hào))，采用的改進(jìn)Sage-Husa自適應(yīng)KALMAN濾波只自適應(yīng)在線估計(jì)系統(tǒng)噪聲Q，而對(duì)于GPS系統(tǒng)的R噪聲陣則采用下面的方法進(jìn)行處理不超過門檻值時(shí)按照實(shí)時(shí)采集的R參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，發(fā)生突變超過門檻值時(shí)，則不信任GPS值，即R無窮大，不運(yùn)行KALMAN濾波修正環(huán)節(jié)，仍單獨(dú)由INS提高導(dǎo)航數(shù)據(jù)，直到GPS恢復(fù)，GPS接收機(jī)RTK FIX狀態(tài)被獲得，具體流程圖參閱圖5。
具體工作過程是實(shí)車試驗(yàn)時(shí)，把GPS移動(dòng)站接收機(jī)固定安裝在試驗(yàn)車上(如Novatel公司的RT2接收機(jī))，與固定在空曠高處的基準(zhǔn)站接收機(jī)構(gòu)成差分RTK高精度模式，在RTKFIX狀態(tài)下定位精度可以達(dá)到0.01m，速度精度0.03m/s，測量數(shù)據(jù)更新率20HZ。高精度IMU(如美國crossbow公司生產(chǎn)的VG700AA型)，采樣率為100HZ。
參閱圖7試驗(yàn)時(shí)，首先進(jìn)行GPS的初始化，當(dāng)GPS接收機(jī)跟蹤可見衛(wèi)星數(shù)達(dá)到4顆以上時(shí)，運(yùn)行GPS數(shù)據(jù)處理模塊，并記錄解算的位置、速度數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行INS算法模塊的初始化，當(dāng)初始化結(jié)束后，運(yùn)行INS算法模塊，測量并記錄每一時(shí)刻解算的車輛狀態(tài)。當(dāng)GPS采樣時(shí)刻到來時(shí)，運(yùn)行改進(jìn)Sage-Husa自適應(yīng)KALMAN濾波算法模塊，進(jìn)行車輛狀態(tài)誤差的反饋校正，從而得到高精度的車輛狀態(tài)信息，。
在實(shí)車試驗(yàn)時(shí)，為了方便系統(tǒng)運(yùn)行、提高系統(tǒng)的精度，考慮下面的改進(jìn)。
1、由于受空間布置的限制，IMU與GPS接收機(jī)在試驗(yàn)車上的安裝必然偏離汽車的重心，由剛體動(dòng)力學(xué)理論可知當(dāng)汽車在高速轉(zhuǎn)彎等工況時(shí)將產(chǎn)生較大的額外誤差，就要考慮把兩者測量數(shù)據(jù)向汽車重心轉(zhuǎn)化，即空間同步問題。可以通過測量兩者在車輛坐標(biāo)系下的坐標(biāo)根據(jù)剛體動(dòng)力學(xué)理論來進(jìn)行轉(zhuǎn)換校正。
2、由于GPS系統(tǒng)與INS系統(tǒng)分別采用自己的時(shí)鐘標(biāo)簽進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)，而兩者的融合必然涉及到兩者的時(shí)鐘的一致問題，即時(shí)間同步問題，否則汽車高速運(yùn)動(dòng)時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生較大的額外誤差。由于GPS采用的UTC時(shí)間是非常準(zhǔn)確的，故以其為基準(zhǔn)，通過GPS接收機(jī)每秒向嵌入式專用處理系統(tǒng)發(fā)出的1PPS秒脈沖來校正同步兩者的時(shí)鐘標(biāo)簽。
3、我們知道，汽車場地試驗(yàn)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理以達(dá)到更高的測量精度，但必須實(shí)時(shí)觀測一些關(guān)鍵狀態(tài)以監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的正確，為此系統(tǒng)集成了車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控及后處理程序，可以實(shí)時(shí)畫出了決定試驗(yàn)成敗的變量變化曲線，如發(fā)現(xiàn)問題立刻停止，重新試驗(yàn)，從而大大提高了工作效率，節(jié)約了試驗(yàn)的人力物力，同時(shí)也可以用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的后處理，程序界面參閱圖8。
權(quán)利要求
1.一種完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)由高精度GPS接收機(jī)、高精度慣性測量單元IMU、嵌入式專用處理系統(tǒng)以及相應(yīng)接口組成，高精度GPS接收機(jī)和高精度慣性測量單元IMU采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)各自接口一起送入嵌入式專用處理系統(tǒng)，在其上運(yùn)行全球定位系統(tǒng)GPS數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換、預(yù)處理模塊、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS算法模塊、改進(jìn)卡爾曼濾波融合算法軟件，實(shí)時(shí)記錄顯示及通過接口向上位計(jì)算機(jī)提供加速度、角速率、車體速度、位移、姿態(tài)高精度的汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的高精度GPS接收機(jī)采用基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分載波相位技術(shù)的高精度GPS接收機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的高精度慣性測量單元IMU由MEMS加速度計(jì)與光纖陀螺構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的預(yù)處理模塊主要包括慣性傳感器標(biāo)定與誤差建模、系統(tǒng)初始狀態(tài)的確定和原始信號(hào)預(yù)濾波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的INS算法模塊，根據(jù)地面車輛系統(tǒng)低機(jī)動(dòng)性的實(shí)際運(yùn)行工況，采用計(jì)算效率較高的基于歐拉角法的INS算法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述的卡爾曼濾波融合算法，根據(jù)GPS接收機(jī)受短暫遮擋時(shí)定位精度降低的系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況特點(diǎn)，采用改進(jìn)的Sage-Husa自適應(yīng)KALMAN濾波算法來提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)集成了車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于采用的時(shí)間同步、空間同步的提高系統(tǒng)精度的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于汽車運(yùn)動(dòng)安全性能評(píng)價(jià)場地試驗(yàn)的汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)。其目的在于提供一種基于RTKDGPS和高精度IMU的汽車性能場地試驗(yàn)測試的完備汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高精度GPS接收機(jī)、高精度慣性測量單元IMU、嵌入式專用處理系統(tǒng)以及相應(yīng)接口組成，高精度GPS接收機(jī)和高精度慣性測量單元IMU采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)各自接口一起送入嵌入式專用處理系統(tǒng)，在其上運(yùn)行全球定位系統(tǒng)GPS數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換、預(yù)處理模塊、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS算法模塊、改進(jìn)卡爾曼濾波融合算法軟件，實(shí)時(shí)記錄顯示及通過接口向上位計(jì)算機(jī)提供加速度、角速率、車體速度、位移、姿態(tài)高精度的汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
文檔編號(hào)G01C23/00GK1869630SQ20061001677
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月19日
發(fā)明者管欣, 高鎮(zhèn)海, 閆冬, 楊得軍, 張素民 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)