CN103884514A - 一种多功能机动车测量仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种多功能机动车测量仪及检测方法，属于汽车电子技术中的车载故障诊断系统，主要由二部分组成，第一部分为车轮姿态采集器，主要由MEMS微机械惯性导航模块、微处理器、无线蓝牙发送模块、采用专用夹具与车轮固定组成，每一个车轮安装一个车轮姿态采集器，第二部分为便携式主机仪表，主要由无线蓝牙车轮信号接收模块、车载姿态传感器、踏板力采集模块、微处理器、GPS通信模块、3G/GPRS通信模块、显示器、打印机、车载电源、车载电源充电器组成。利它在使用上具有安全、准确、方便、高效显著特点，对于维护道路交通秩序，预防和减少交通事故具有重要意义。

Description

一种多功能机动车测量仪及检测方法

技术领域：

本发明属于汽车电子技术中的车载故障诊断系统，具体是机动车在道路试验过程中，通过惯性导航、GPS、3G/GPRS通信技术，测量出机动车各种技术性能的便携式仪表。

背景技术：

机动车的制动性能是机动车的重要性能之一，它直接关系到机动车的行驶安全。同时，良好的制动性能也是提高机动车速度的前提，没有良好、可靠的制动性能作为保障，机动车的高速行驶便无从谈起。随着汽车工业的迅速发展，越来越多的新技术尤其是电子技术被应用于汽车制动系统中。如ABS（防抱死制动系统）、EBD（电子制动力分配）和ESP（电子稳定程序）等制动系统已经成为现代汽车的标准配置。而ABS可以提高汽车制动过程中的操纵稳定性和缩短制动距离，从而有效地保障汽车安全性，是提高汽车主动安全性的首要途径，它已成为汽车的必配项目。

在国标GB7258《机动车运行安全技术条件》、GB18565《营运车辆综合性能要求和检测方法》和GB21861《机动车安全检验项目和方法》技术要求中，由于没有一种功能完备、价格低廉的国产ABS防抱死制动系统的检测设备，国标7258只是提及这方面的要求，没有强制要求各个机动车检测机构配备，是目前各个安检机构设备配备方面的缺陷。所以，无论从汽车生产厂到机动车安全检测机构都迫切需要一种简单、通用的ABS防抱死制动系统的检测仪器，方便地对机动车制动性能进行检测，禁止机动车制动性能不合格的车辆在交通道路上行驶。

由于台式制动试验台的局限性，特别在主车与挂车制动时序，主车与挂车ABS制动协调时间的测量，目前没有也很好的测量仪器。

市场已有便携式制动性能测试仪，只能满足对机动车制动力的一般要求，不能完成汽车制动防抱死ABS性能的车轮滑移率的测量，不能测量出各个车轮的协调时间，更不能对牵引车与挂车制动协调时间、制动时序的测量。

由于市场上便携式制动性能测试仪采用的是加速度传感器进行测量，车轮因制动问题发生跑偏时，由于分力的作用，在测量车辆因刹车不灵出现载荷横向转移时，不能测量载荷横向转移时的相对距离，还会造成制动减速度合格与否的误判。

国内广泛应用的悬架特性检测方法有跌落式、压车体式、共振式、平板制动式四种，GB18565《营运车辆综合性能要求和检测方法》中规定设计车速不小于100km/h，轴质量不大于1500kg的客、货车辆,应测量悬架特性，但没有对大于1500kg的车辆提出悬架测量的要求，在现实中，汽车新产品测评，不同载荷下的车辆悬架特性测评，不同道路的悬架特性测评，都需要一种悬架测试仪表来测量，本发明提出一种采用车载姿态传感器，对跌落式、压车体式测量方法进行量化，从而得出悬架特性测量的具体评价指标，这种方法可以不受场地限制，可以根据车辆载荷变化，得出不同的悬架特性，有利对车辆悬架特性的整体研究。

在操纵稳定性道路试验中，路面不平会使汽车产生一定的振动，在某种条件下，路面激起的振动与汽车共有振动频率激起共振时，会影响汽车与地面的附着系数，对汽车安全性造成一定的安全隐患，因此，在此道路试验时测量汽车行驶过程中的三维方向振动信息具有很重要的意义。

国内前轮转角测量装置有汽车前轮转向角检验台和四轮定位二类，检测站通常使用汽车前轮转向角检验台进行前轮转向角的测量，由于操作过程中，检测台需要轮胎定位，转向盘定位困难等缺陷，操作麻烦、费时、数据易出错等缺陷，本发明提出一种采用车载姿态传感器，将其固定在前转向轮，通过测量轮胎角度的方法，来测量前轮最大转向角、转向实时同步性，这种方法可以不受场地限制，特别适应于前双转向轮的测量。

随着微电子技术的飞快发展，市场上出现了价格低廉的姿态传感器，姿态传感器是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据。姿态传感器可广泛嵌入到航模无人机，机器人，机械云台，车辆船舶，地面及水下设备，虚拟现实，人体运动分析等需要自主测量三维姿态与方位的产品设备中。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种多功能机动车测量仪及检测方法，采用MEMS微机械惯性导航，卡尔曼滤波等技术通过对机动车每一个车轮安装一个车轮姿态采集器，分别测量出每一个车轮的平均减速度（MFDD）制动协调时间、制动初速度、制动距离、滑移率、制动协调时间、制动时序、坡度、最大转向角、转向角同步性、制动踏板力、悬架特性来判断整车制动性能，提供了一种比较廉价的多功能机动车测量仪表。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

一种多功能机动车测量仪及检测方法由二部分组成，第一部分为车轮姿态采集器，如图1所示，主要由MEMS微机械惯性导航模块、微处理器、无线蓝牙发送模块、采用专用夹具与车轮固定组成，每一个车轮安装一个车轮姿态采集器。

第二部分为便携式主机仪表，如图2所示，主要由无线蓝牙车轮信号接收模块、车载姿态传感器、踏板力采集模块、微处理器、GPS通信模块、3G/GPRS通信模块、显示器、打印机、车载电源、车载电源充电器组成。

其中车轮姿态采集器中的MEMS微机械惯性导航模块、车载姿态传感器包含包含三轴陀螺仪、三轴加速度计（即IMU），三轴电子罗盘，温度传感器等传感器，可以用来测量汽车车体、车轮在三维空间中的角速度和加速度，通过内嵌的低功耗处理器输出校准过的角速度，加速度，磁数据等，由此可以换算出车辆的速度、距离、位移等，通过改进的汽车运动状态卡尔曼滤波器算法进行数据融合，实时输出以四元数、欧拉角等表示的零漂移三维运动姿态数据，满足高动态情况下的汽车运动姿态测量。

踏板力采集模块由压力传感器、信号放大器、微处理器、无线蓝牙模块组成，如图3所示，其功能是固定在机动车制动踏板上，当操作人员踩刹车时，踏板力采集模块自动将踏板力的压力数据、踩踏板时间，通过无线蓝牙传送给便携式主机仪表，为后续测量提供数据。

一种多功能机动车测量仪及检测方法，具体包括以下方法步骤，首先车轮姿态采集器固定在每一个车轮的任意位置上，将便携式主机仪表的车载姿态传感器、GPS用吸盘固定好，踏板力计固定到刹车踏板上，输入车轮半径数据，根据国标对不同车辆测试的初速度要求，启动车辆，当车辆初速度达到国标要求时，急踩刹车，至车辆完全停止后，便携式主机仪表在刹车的整个过程中，自动采集各个车轮姿态采集器发出的车轮姿态，即车轮的高性能三维运动姿态，计算出机动车平均减速度（MFDD）、制动协调时间、制动初速度、制动距离、制动时序。

除上述制动性能测量外，对带ABS防抱死制动性能的车辆，按照汽车在制动过程中，车轮会相对于路面发生滑移，滑移成分在车辆纵向运动中所占的比列可以由滑移率来表示，滑移率λ的定义为：

$\mathrm{\λ}=\frac{v-\mathrm{r\ω}}{v}\×100\%$

V：车辆速度(m/s)

r：车轮半径(m)

ω：车轮转速(弧度/s)₁

根据车轮的高性能三维运动姿态，输入车轮半径数据，就可计算出ABS制动性能的滑移率，以及各轮ABS工作时的车速临界点、每个车轮加减速度、轮速变化频率等数据，从而动态评价ABS制动性能的数据。

本发明的有益效果是：利用价格低廉的姿态传感器，研发一种多功能含机动车平均减速度（MFDD）制动协调时间、制动初速度、制动距离、制动时序、机动车防抱死ABS制动性能、悬架特性、最大转向角等的便携式仪表成为可能，该仪表的研发可以方便地对机动车制动性能进行全方位测量，在机动车安全性能检测机构推广使用、完善机动车检测站对机动车制动性能的检测能力，加强对车辆的源头进行监督和管理。它在使用上具有安全、准确、方便、高效显著特点，对于维护道路交通秩序，预防和减少交通事故具有重要意义。

附图说明：

图1车轮姿态采集器原理图；

图2便携式主机仪表结构图；

图3踏板力计电结构图；

图4车轮姿态采集器与便携式仪表安装示意图；

图5测量最大转向角与转向同步性车轮姿态采集器安装示意图；

图6跌落式测量悬架特性车轮姿态采集器安装示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

1、机动车制动性能测试

如图4所示，首先车轮姿态采集器固定在每一个车轮的任意位置上，将便携式主机仪表的车载姿态传感器、GPS用吸盘固定好，踏板力计固定到刹车踏板上，输入车轮半径数据，根据国标对不同车辆测试的初速度要求，启动车辆，当车辆初速度达到国标要求时，急踩刹车，至车辆完全停止后，便携式主机仪表在刹车的整个过程中，自动采集各个车轮姿态采集器发出的车轮姿态，即车轮的高性能三维运动姿态，计算出机动车平均减速度（MFDD）、制动协调时间、制动初速度、制动距离、制动时序。

除上述制动性能测量外，对带ABS防抱死制动性能的车辆，按照汽车在制动过程中，车轮会相对于路面发生滑移，滑移成分在车辆纵向运动中所占的比列可以由滑移率来表示，滑移率λ的定义为：

$\mathrm{\λ}=\frac{v-\mathrm{r\ω}}{v}\×100\%$

V：车辆速度(m/s)

r：车轮半径(m)

ω：车轮转速(弧度/s)₁

根据车轮的高性能三维运动姿态，输入车轮半径数据，就可计算出ABS制动性能的滑移率，以及各轮ABS工作时的车速临界点、每个车轮加减速度、轮速变化频率等数据，从而动态评价ABS制动性能的数据。

对二轴以上的车辆，如载货汽车、牵引车、挂车可根据车轮的多少，在每一个车轮固定车轮姿态采集器，在急踩刹车制动时，记录刹车踏板时间，并实时采集各个车轮姿态采集器制动状态时间，可计算出载货汽车、挂车之间的制动时序，特别适用于牵引车与挂车制动性能的测量。

在车辆某一侧出现制动失灵时，车辆将出现刹车跑偏现象，根据车轮的高性能三维运动姿态，车轮姿态采集器实时测量出偏移角度，通过计算机积分处理测量出车轮相对偏移距离。

2.道路路试

由于采用了GPS导航模块，不受场地限制，环境适应力强，在无遮挡情况下可在湿滑路面、夜晚及阴雨天等复杂条件下完成，可实际路面进行测量，在长距离道路试验时，根据测量车辆的车轮数量，任意增加、减车轮姿态采集器，在行驶的全过程中，便携式主机仪表实时采集车轮姿态采集器、车载车载姿态传感器、GPS导航模块信号，通过微处理器完成上述制动性能的项目测试，并根据GPS+车载姿态传感器计算出机动车车速，横摆角速度、质心侧偏角、车身侧倾角等操纵稳定性数据，并可统计出行驶里程，全过程的行驶轨迹、行驶过程中踩制动的频次，制动状况下的坡度情况、储能状况测量、车轮跑偏数据。

3.机动车转向角测试

将车辆开到转向盘或相对平面且摩擦系数小的平台上，用一至三个车轮姿态采集器固定在车辆前轮的任意（或相对呈120°）位置上，如图5A所示，通过方向盘向左转动，将前轮先向左转到最大位置，便携式主机仪表先采集前轮左最大转向角，然后，将方向盘向右转动，将前轮向右转到最大位置，便携式主机仪表再采集前轮右最大转向角，如图5B所示。

便携式主机仪表根据车轮的高性能三维运动姿态，通过对车轮角度采用积分处理，可以测量最大转向角、转向实时同步性。

使用一个车轮姿态传感器固定在车轮上，车轮姿态传感器应尽量靠近地面固定，避免车轮转动时车轮自身垂直方向角度变化造成的误差，如需要高精度测量，则应在车轮上安装三个相对120°的车轮姿态传感器，通过三个车轮姿态传感器的修正达到精确测量最大转向角、转向实时同步性的目的。

由于每个车轮对应安装相应的车轮姿态采集器，前双转向轮的测量可以增加车轮姿态传感器来实现测量。

4.机动车悬架系统测试

国内广泛应用的悬架特性检测方法有跌落式、压车体式、共振式、平板制动式四种，主要采用国内共振式、平板制动式二种方法进行测量，跌落式、压车体式由于测量数据，全凭人工经验，不能有效的评价汽车悬架装置的工作性能。

跌落式、压车体式车轮接地性指数可以表征悬架装置的工作性能，车轮接地性指数表明了悬架装置在汽车行驶中确保车轮与路面相接触的最小能力。汽车行驶中，所有车轮的接地性指数是不一样的，这是因为各轮悬架装置工作性能不一、各轮承受载荷不一、各轮气压不一等原因造成的。如果在检测台上，人为使各轮承受的载荷和轮胎气压一致，那么，车轮接地性指数就主要决定于悬架装置的工作性能。因此，完全可以用车轮接地性指数评价悬架装置的工作性能。

实例1：（跌落试验）

将车载姿态传感器安装到需要测量悬架特性的相应位置上方，在车辆前安装一个跌落试验的台架，车辆缓慢开到跌落试验台上，依靠车辆惯性，自由跌落；或先通过举升装置将汽车升起一定高度，然后突然松开支撑机构，车辆落下产生自由振动。用测量车载姿态传感器采集车体振幅数据，得出悬架特性曲线，评价汽车悬架装置的工作性能。

实例2：（压车体式试验）

本发明提出一种采用车载姿态传感器车辆悬架特性方法，用车载姿态采集器固定在车体的任意位置上，人工用便携压力表对车辆相应部位进行施压，当压力达到指定压力后，突然松开，由车载姿态传感器测量车辆频率逐步衰减的过程，可测量出车身振动曲线的变化，由微处理器计算出悬架特性，出这种方法可以不受场地限制，可以得出不同的悬架特性，有利对车辆悬架特性的整体研究。

如需测量车辆每一个车轮的悬架特性，可将姿态传感器固定在每一个车轮的悬架点上，分别测量每一个车轮姿态传感器振动频率，可计算出每个车轮的悬架特性。

5.机动车振动加速度的测量

在操纵稳定性道路试验中，路面不平会使汽车产生一定的振动，在某种条件下，路面激起的振动与汽车共有振动频率激起共振时，会影响汽车与地面的附着系数，对汽车安全性造成一定的安全隐患，通过GPS导航模块记录车辆行驶轨迹、车速，车载姿态传感器记录车辆加速度、角速度振动频率，可以分析车辆在不同路面的共振频率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种多功能机动车测量仪，其特征在于：由二部分组成，第一部分为车轮姿态采集器，主要由MEMS微机械惯性导航模块、微处理器、无线蓝牙发送模块、采用专用夹具与车轮固定组成，每一个车轮安装一个车轮姿态采集器。 

第二部分为便携式主机仪表，主要由无线蓝牙车轮信号接收模块、车载姿态传感器、踏板力采集模块、微处理器、GPS通信模块、3G/GPRS通信模块、显示器、打印机、车载电源、车载电源充电器组成。 

2.根据权利要求1中所示的一种多功能机动车测量仪，其特征在于：所述的车轮姿态采集器中的MEMS微机械惯性导航模块、车载姿态传感器包含包含三轴陀螺仪、三轴加速度计（即IMU），三轴电子罗盘，温度传感器等传感器。 

3.根据权利要求1中所示的一种多功能机动车测量仪，其特征在于：所述的踏板力采集模块由压力传感器、信号放大器、微处理器、无线蓝牙模块组成。

4.一种多功能机动车测量仪检测方法，具体包括以下方法步骤，首先车轮姿态采集器固定在每一个车轮的任意位置上，将便携式主机仪表的车载姿态传感器、GPS用吸盘固定好，踏板力计固定到刹车踏板上，输入车轮半径数据，根据国标对不同车辆测试的初速度要求，启动车辆，当车辆初速度达到国标要求时，急踩刹车，至车辆完全停止后，便携式主机仪表在刹车的整个过程中，自动采集各个车轮姿态采集器发出的车轮姿态，即车轮的高性能三维运动姿态，计算出机动车平均减速度（MFDD）、制动协调时间、制动初速度、制动距离、制动时序。 

除上述制动性能测量外，对带ABS防抱死制动性能的车辆，按照汽车在制 动过程中，车轮会相对于路面发生滑移，滑移成分在车辆纵向运动中所占的比列可以由滑移率来表示，滑移率λ的定义为： 

V：车辆速度(m/s) 

r：车轮半径(m) 

ω：车轮转速(弧度/s)₁

根据车轮的高性能三维运动姿态，输入车轮半径数据，就可计算出ABS制动性能的滑移率，以及各轮ABS工作时的车速临界点、每个车轮加减速度、轮速变化频率等数据，从而动态评价ABS制动性能的数据。 

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