基于GPS的汽车横摆角速度和侧偏角工程测试方法

基于GPS的汽车横摆角速度和侧偏角工程测试方法

2 9月 0年2 0

农业机械学报

第4卷第2 O期

基于 G S的汽车横摆角速度和侧偏角工程测试方法 * P张小龙1吴敏宋健马德贵2, 2( .华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 10 8; .徽农业大学工学院，合肥 2 0 3 ) 1清 004 2安 30 6

【摘要】面向汽车动力学控制系统产业化开发中的冬季试验和夏季试验，于 GP 基 S技术设计了汽车横摆角速度和侧偏角工程测试系统和测试精度验证系统，给出了具体的数据处理方法。阐述了两套系统的硬件设计、并试验方法，根据同步采集的试验数据对比分析了车身方位角、摆角速度和侧偏角的测量精度。结果表明：试系并横测

统定位能力较差，横摆角速度和侧偏角测量精度与验证系统接近，足汽车性能道路试验的要求。但满关键词：车汽道路试验系统横摆角速度侧偏角 GP S中图分类号： 2 0 7 U 7 .文献标识码： A

Eng ne r n s e h d f r M o o h c e Ya R a e a d i e i g Te t M t o o t r Ve i l w t n S d si i e lp Ang e Ba e n G PS Te hn l g l s d o c oo yZ a g Xioo g· h n a ln W u M i 2 S n in n o gJ a M a De u gi

( . tt yL br tr fAuo tv a e n eg 1 Sa eKe a o aoy o tmoieS ft a d En ry,T ig M i ri y sn h Unv st e y,Be ig 1 0 8,C ia On 0 04 hn 2 S h o fEn ie ig,An i rc lu a i ri . c ol o g ne n r hu iutr lUnv st Ag e y,Hee 2 0 3,C ia) f i 3 0 6 hn Ab t a t s r c

Th n i e rn ts s se e e g n e ig e t y t m a is a v nc d r cso e iia i n y tm we e e i n d o nd t d a e p e ii n v rfc to s se r d sg e f r mo o e il a t rv h ce y w r t n i e l n e a e a d sd si a gl

me s r me t b s d o t e GPS t c oo y whih p au e n ae n h e hn lg, c we e rp i a iy u i z d t h y tm a i i t ra u m e o diin ts sf rt n u t i1r s a c ft e rm rl tl e o t e s se tcw n e nd s m i rc n to e t o hei d s ra e e r h o h v h ce d n m i t b l y c nto y t m, i e.D S . Ad iin l e il y a csa i t o r ls se i . C d to al t e m a n d t o e sn e h d y, h i a a pr c s i g m t o s

we e as u o t r lo p tf rh.Th tucur so h wo s se n h e tme h d we e frty i to u e n e s r t e ft e t y t msa d t e t s t o r isl n r d c d id t i a d t n t e t s r o f t e il zm ut n l, t e y w n l eo iy a h i e l e al n he h e t e r ro he v h ce a i, h a ge h a a g e v lct nd t e sd si p a ge w e e c m p r tv l n lz d a c r i g t h a e g o ft s a a. Th e u t h we ha n l r o a a iey a ay e c o d n o t e s m r up o e td t e r s ls s o d t t

t e p sto i g e r ro h e ts se i r a e h n t e v rfc to y t m’,bu t e tp e iin h o iin n ro ft e ts y t m sg e t rt a h e iia in s se S tist s r cso o heya r t nd sd si r n g o g e me t h n so hev rfc to y t m .s h e t ft w ae a i e l a ei o d a r e ntwih t eo e ft e iia in s se p o t et ss s e c u d b m po e o h o o e ce r a y t s . y t m o l ee ly d f rt e

m t rv hil o d wa e t K e r s V e ce Ro d w a e ts s e, Ya r t, Si si n l, GPS y wo d hil, a y t s y t m w a e de l a g e p

引言汽车横摆角速度和侧偏角能够有效表征汽车行

采用 I Mu/ P G s组合测量的方式【 6。 I 5 Mu/ P -J G s组合测量设备价格昂贵，在使用前必须进行很好且的初始对准工作，便于现场快速安装使用。在不 D C产业化开发中， S有必要构建一套现场简易可行的汽车测试系统。本文基于 GP S全天候、无误差积

驶稳定性，是汽车动力学控制系统 DS C进行控制决策的主要依据[引。两个参数的传统测量方法依 ~

赖于惯性传感器，陀螺、如加速度计，了克服陀螺为的随机漂移和加速度计的初始偏置影响，在普遍现收稿日期： 0 8— 9—1修回日期： 0 8— 9— 5 20 0 0 2 0 0 2*

累、速测速定位的特点，快利用已有的 G S测量设 P备设计汽车横摆角速度和侧偏角测试系统。基于精

中国博士后科学基金项目(0 8 4 02 )清华大学一 2 0 0 3 49、中大集团博士后科学基金项目 (0 86 0 4 )安徽农业大学稳定与引进人才基金 2 23 0 17、项目(j0 7—1和安徽农业大学校长青年基金项目(0 7n1 ) y 0 2 ) 2 0 qr7

作者简介：小龙，士后，张博安徽农业大学讲师，主要从事汽车测试技术研究， - i snhn . h ma .o E ma: u sie1@g cm l z 1

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农

业

机

械

学

报

度更高的设备搭建验证系统，根据同步采集的试并验数据对测试系统的测试精度进行验证，析测试分方法的可靠性和可行性。

角速度精度是 0 0。1[ t .1( )1。 O

1测试系统与试验方法1 1测试系统 .测试系统结构如图 1所示， 2台 VB XⅢ、由 O

no vAt l e

P o a 3L1 2 rp kV L

r一一一一一一一一

,

1台 V c r rse t1台便携式计算机和电源等组 et ecn、 oC成。VB X 1是单天线系统， O I 1由英国 Rae gc司 cl i公 o研制的面向汽车测试

应用的仪器，主要特点是数其据更新速率高( 0 )集成有多路 A 1 0Hz、 D接口、供提

一强图 2验证系统结构框图

外部 C N通信接口、供基于内部数据的数字或 A提

Fi 2 Digr m ft e iia in s se g. a a o hev rfc to y t m

模拟信号接口给其他设备同步采集。其标称水平速度精度是 0 1k h . m/[ V c rC ecn是加拿大 。 et rse t oh mi h r G S公司研发的双天线定向仪器，以 e s ee P p 可

1 3试验方法 .

道路试验在北京沙河机场拖机道进行， 2套系统 7个车载 GP S天线布置如图 3所示。测试系统和验证系统共 6台设备独立工作，验数据处理依试赖各台设备记录的数据中的 GP,￣ SH I f' q同步。

以 2 的数据更新速率给出两天线基座连线 ( 0Hz基线)与真北方向的夹角，在基线长度为 2m时标称测 量精度为 0 1。1 E。 .0 ( )8 J

图 3车载设备 G S天线车顶布置图 PFi 3 Po iin alc ton o g. sto l a i fGPS n e naon t o a t n het h opoft e motr v h ce o e il

图 1测试系统结构框图Fi 1 Digr m het s y tm g. a a oft ets s e

12 VB 1线、 . OX 1天 1

3 6 V co rset主副天线、 . etrC ecn

4 R 3 0 . T 10

天线

57D、 . L—V T 3R 2天线

系统中 2台 VB I OX H由其自带的 C F卡记录数据， Vetr rse t而 co ecn须连接数据记录装置 ( C如便携式计算机 )通过串口实时记录数据。 1 2验证系统 .验证系统结构如图 2所示，由车载和基站两部分组成，括 3台加拿大 n v tl司的 G S接收包 oA e公 P机、台英国 O fr eh i lS lt n 1 xod T c nc oui s公司的 a o

拖机道为直线车道，约 1宽 4m。试验时进行了类似蛇形操纵稳定性试验的操作，充分激励汽以

车，其能够产生一定的横摆角速度和质心侧偏使角。

测试系统中的 2台 V

O I均可测量得到天 B XI I线处的水平速度及其速度方向，由于是单频单天线系统，只能工作在标准定位模式 ( P )其测速是基 SS,于 Do pe频移技术。根据刚体运动学理论，两 pl r在天线距离已知时可以求出车身天向横摆角速度。同

R 30 T 1 0仪器，及相应的数传电台和电源。其中以P o a—V 1 2和发送电台为基站部分，在试 rp k 3L L放

验场地某一高处固定不动，他为车载部分。其2台 DL—v T 3R 2均工作在 R K模式，过数 T通

理，验证系统中 2台 DL—V3R 2也可以测出车身 T天向横摆角速度，其是工作在 R K模式，有更但 T具高的稳定性和精度，用其可以对测试系统测量的利横摆角速度进行验证。 利用验证系统中的 R 3 0 T 1 0解算数据，方面一对车身天向横摆角速度进行进一步的验证，于横由摆角速度是由垂直陀螺直接测量得到，因此具有更高的精度；一方面对 Vetr rse t量得到的另 co ecn测 C

传电台接收来自基站的载波相位差分信号，实时并解算输出天线位置、度等信息，据更新速率是速数2。R 0Hz TK模式的标称定位精度是 1e+1p m m p ( )速度精度是 0 0 s 1』 1, .3m/ ( )9。RT 1 0是基 30于 I/ P MU G S组合测量的单 G S天线系统，够实 P能

时记录原始数据并实时输出解算结果，车身姿态、如 轨迹、度、角加速度等。RT 1 0标称的横摆速线/ 30

车身方位角进行验证。

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2数据处理与分析2 1小波滤波 .

的小波系数实现信号重构。经过多次调试， V OXⅢ速度数据小波降噪对 B采用下面的设定：波函数为 d 5进行 5层分解，小 b,

VB I供的速度数据含有一定的噪声成 OX 1提 1

降噪阈值函数选为 h usr, erue为最优预测变量阈值，阈值调整参数选为 ml,示对各层噪声分别进行 n表估计、整。在 Mal调 t b中使用的函数是 w e (。 a d n )

分，其包含的有用信

号频率较低，故利用小波分析对其进行滤波。小波降噪的实质是：首先对原始信号进行小波分解，然后对分解得到的高频信号小波系数采用阈值限定等方法进行抑制，最后利用处理后

图 4是一组数据处理结果，图中可以看出滤波后从曲线的变化趋势和局部特征都得到了很好的保留。

图 4 V O I始和小波滤波后速度曲线 B X I原 IF g 4 I i a a d wa e tf t d v lct u v s o OX 1 i . n t l n v l i e eo i c r e f i e l y VB 1

()原始数据曲线 a

( )波滤波后曲线 b小

2 2车体方位角对比分析 .测试系统中 R 3 0 T 10和 Vetr r cn均可测 co e et C s量得到车体方位角，了对比分析，为选择一段试验数据绘制图形如图 5所示。从图中可以看出，然轨虽

测量得到的车体方位角很接近。其中 Vetr co C ee t rsn的车体方位角是直接测量得到的， T 1 0 R 3 0的方位角是经 G s I P/ Mu组合测量解算得到的，二者的绝对误差在±0 5以内，以认为 Vetr .。可 c o

迹相差较大 (因为这两台设备都是单点定位 )但所，

C ecn的定向精度满足试验要求。 rse t

司:

5

Of a1

5

l O

东向位置 z/ m

图 5车体方位角测量曲线F g 5 C mp r t e a ay ig c r e fv h c o y h a ig a ge i . o a a i n lzn u v so e il b d e d n n l v e

()轨迹曲线 a

( )体方位角曲线 b车

2 3横摆角速度对比分析 .图 6是用于横摆角速度分析的试验轨迹曲线。

摆角速度数据绘制成曲线，图 7所示。试验时如 2台 V O I B X H天线间的距离是 0 8 . .5r 2台 D n L—V 3R 2天线间的距离是 0 7 5r,置时它们对应天 T .7放 n

进一步分析发现 D L—V T 3 R 2两天线间的测量距离误差在±2 5c以内，其标称的定位精度相 . m和符。而 VB ) I (x H的定位与其相差较大，差值变化且幅度较大，别是在大的转向时，以 VB X I的特所 O I I定位精

度不能满足汽车性能测试的需要。 基于同样的一组数据，由 2台 V O I 2台将 B X 1、 1 D V3R 2和 R 3 0 L— T T 10直接测量或计算得到的横

线间的连线尽量与车体纵轴垂直。以 VB X 1为例，摆角速度计算过程如下： O 1 1横 首先由 V c rC ecn得到车体的方位角， et r e t o s然后分别将 2个 V OX 1天线处的速度对车体纵轴投影 B 1 I得到】和 2则由刚体运动学理论得到，∞r 一 0 8 5r丁.

1 () 1

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业

机

械

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报

东向位置 z/ m() a

图 6试验轨迹曲线 Fi 6 Te tp t u v g. s a h c r e s

( )轨迹曲线 ( V3测得 ) ( )部放大图 a DL b局。

I∞

二

0二

3

3

蚓

躺拦

图 7横摆角速度曲线Fi 7 Cu v so h e ty w a e g. r e ft e t s a r t

( )横摆角速度曲线 a

()部放大图 b局

由图 7中可以看出， V O DL—V3R 由 B X m、 T2和 R 30 T 1 0分别测量得到的横摆角速度曲线总体趋势一致，拐点处出现不超过 5。/在 () s的误差，以可

B点处的侧偏角为aca ( y V r tn V/ ) () 2

基于与图 6相同的试验，制由 V O 绘 B X m数据

认为精度满足汽车性能测试的要求。 2 4汽车侧偏角对比分析 .图 8所示是计算 B点处侧偏角的计算方法。 A点为 VB X m的天线位置，点为 R 3 0 O B T 1 0的天线位置。C为汽车纵轴线，与正北方向的夹角 D它由 V c rC ecn测量得到。车体的横摆角速度 et rse t o∞,由 2台 VB XⅢ测量数据基于 2 3节的方法计 O .算得到。在 A已知的前提下，以计算得到 ' B B可 U, A其与的矢量和即为 B点处的速度矢量。将

计算得到的侧偏角与 R 1 0解算得到的侧偏角曲 T3 0线，图 9所示，中由 VB XⅢ数据计算得到的如其 O侧偏角数据经过了适当的小波滤波。由图中可以看出：两种方法得到的侧偏角曲线趋势一致，在汽车大的侧偏时二者差值明显，差值在 1以

内，以认但。可为基于 VB X I和 VetrC ecn的侧偏角测量 O l I co rse t

精度满足汽车性能测试的要求。

对汽车的纵轴和横轴投影即可得到和，则IC

堡

图 9侧偏角曲线对比分析Fi 9 Co pa ai ea l zng c r s g. m r tv nay i u ve o e cesd si n l fv hil ie l a ge p

3结论图 8汽车侧偏角计算方法示意图Fi 8 V e il i si n e ago ihm g. hce sde l a gl l rt p

( )于 DS 1基 C产业化开发过程中进行实车道路试验的需要，用 GP运 S技术设计了汽车横摆角速度

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张小龙等：于 G S的汽车横摆角速度和侧偏角工程测试方法基 P

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和侧偏角工程测试系统，通过实车试验数据分析并了该方法的可靠性和可行性。 () 2测试系统中 G S设备均工作在单点标准服 P

角速度和侧偏角与验证系统测量得到的对应数据一致性好，大偏差分别在 5。/和 1以内，以认最 ()s。可

为满足汽车道路性能试验的要求。从而避免了传统测量方法采用惯性传感器带来的安装、始对准等初不利于现场操作的困难。 ( )验工况具有典型性， 4试分析结果具有一定的参考价值。

务模式，直线定位精度一致性较好，其但在弯道定位能力较差。

() 3测试系统中 G S设备是基于 D p l频移 P o pe r原理测量的速度，有较高的精度。综合其与定向具 G S设备得到的汽车方位角， P计算得到的汽车横摆参1

考

文

献O 0 0

∞∞ 0 9 V nZ ne a a t A T,E hrt n rad R,L nefi ads n K,e a. C ss ms ee p n n eset e C .S E P pr 82 5 ed t 1 VD yt vl met dpr ci[] A ae 0 3, e d o a p v1 8. 99

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bhv rJ . S ei,2 0,2 ( ) 1~30 eai[] JAER v w 0 3 4 3:33 2 . o e7 8 9 l 0

R cl i Lmi d V O I10H i T V 3 2 2 M] 2 0 . ae g i t . B X l 0 zw t R K RL B R G[ . 0 7 oc e l h H mi h r G SIc C ecn et M or ihpr r neG Shaigadp si i d l M】 2 0 . e s ee P . rs t c r p n e v o OE badh ef mac P ed n oio n mo u[ . 0 7 g o n tn g e N vtln . L V a he[] 20 . oae Ic D— 3dt setM . 0 7 a O f dT cncl o t n i t .R etl n P esrmet yt sr na ( e . 8 1 1[ .

0 8 xo eh i l i s mid T i r aa dG Sm aue n s ms e maul R v 00 2 )M] 2 0 . r aSuo L e n i s e u

(接第 5页 )上60 0 40 0 20 0《 O20 0—

4结束语履带车辆转向模型是关于∞、以及 f、ea的 R b x m多输入多输出非线性系统，采用电子差速履带车辆转向转矩 A P D控制策略， NN I利用模拟神经网络在线训练，时更新控制系数，实实现转向转矩协调分配t/ s

40 0

—

60 0

和感应电动机的转矩控制，提高控制系统的鲁棒性。 不同转向工况的试验结果表明，用该策略可使电采子差速履带车辆获得良好的转向低速操控性和稳定性。考文献

图 1中心转向电动机转速和电流特性 3Fi 1 Cur e pe d n u r nt wo mo o s g. 3 v sofs e sa d c r e soft t ra eo rdisse rn tz r a u t e ig

参l

邹渊，逢春，承宁 .电传动履带车辆双侧驱动转速调节控制策略[]北京理工大学学报，0 7 2 ( )3 3 0 .孙张 J. 2 0,7 4:0~3 7Z u Yu n u e g h n o a,S n F n c u,Z a g Ch n n n h n e g ig.D a— t r d v n lc r r c e e i e s e d rg lt g c n r l tae y ul mo o r ig ee t c ta k d v h c p e—e u a i o to r t g i i l n s

I] J .Trna t n f e igI si t f c n lg,2 0, 7 4:0~3 7.(n C iee a sci so in nt ueo h oo y 0 7 2 ( ) 3 3 0 o Bj t Te i hn s )2

孙逢春，树勇，汾 .于转矩控制策略的电传动履带车辆驱动特性研究[]陈郭基 J .兵工学报， 07 2 ( ) 19 13 2 0,8 2:2~ 3 .S n F n c u,Ch n S u o g u egh n e h y n,Gu n.Ree r ho r i g p ro ma c s fe c r r n mis n ta k d v hde ae n oFe s a c n d i n e f r n e l ti ta s s i r c e

e i sb s d o v o e c o

tru ot l t t yJ . c r me t i 2 0,8 2:2~1 3 i C i s) oq e nr r e[] A t Ama na i 0 7 2 () 19 3 .( hn e c osa g a r, n e 陈树勇，孙逢春 .电传动履带车辆驱动系统建模与转向特性研究[]系统仿真学报， 06 8 1 ) 285 1 . J. 2 0,1 (0: 1~28 8Ch n S u o g S n F n c u e h y n, u e g h n.S u y 01mo ei g a d t r i g p ro ma c s f r ee ti d v rc e e i e p o us n t d 1 d l n u nn e r n e o lc r r e ta k d v h c r p l o " n f c i l i

s se J .J u n l fS se Smuain 0 6 8 1 ) 1 ytm【 j o r a o y tm i lt,2 0,1 ( O:28 5~28 8.(nC iee o 1 i hn s )4

闩清东，连第，毓芹， .克构造与设计 (册 ) M]北京：张赵等坦下[ .北京理工大学出版社，0 7 2 2 3 . 20:2~2 6ma i l o s gn u a n t ok J . c arn s 0 6 6 9:5 7 8 . n ua r i e r ew r[] Meh t i,2 0 .1 ( ) 7~5 7 p t un l o c

5 Th n T C, A h K . No i a D o r lt m p o e h o r l e or a e ofa e ne ai r i c lm u ce a h D n K nl ne r PI c nto o i r v t e c nto p r m nc x s p um tc a tf i s l f ia