具有运动感知能力的车轮力传感器设计与实现

摘要

车轮力传感器是用来获取车辆行驶过程中车轮所受力的专用设备，为汽车测试和研发提供了重要的参考依据，对车辆的性能分析和评价有着重要的作用。然而，根据牛顿第二定律可知，传感器自身的附加质量在加速度场的作用下会产生惯性力/力矩，对测量的数据造成惯性耦合误差。本文设计实现具有运动感知能力的车轮力传感器，不仅能获得车轮力数据，还能获得其自身的运动信息用于惯性耦合问题的研究。论文主要内容如下： （1）构建具有运动感知能力的车轮力传感器系统。硬件主要由C8051F021最小系统、电源模块、车轮力信号调理模块、惯性测量模块、蓝牙模块构成。车轮力信号调理模块对传感器输出的车轮力信号进行调理放大。惯性测量模块采集车轮力传感器的运动信息。蓝牙模块将下位机采集到的数据发送给上位机。软件方面，包括上、下位机软件设计和系统通信协议设计，下位机软件主要负责车轮力数据和传感器运动数据的获取与传输，上位机软件为电脑端界面软件，主要负责数据的保存、处理与显示。 （2）由于惯性测量模块测量时绕车轮中心旋转，且惯性模块的加速度计实际安装点与车轮中心不在同一点上，不可避免地会存在杆臂效应误差，因此本文对系统惯性测量模块的杆臂效应误差进行了研究，并设计实验方法测出杆臂长度补偿误差，校准所测量的加速度。 （3）车轮力传感器运动的角加速度对于惯性耦合问题研究十分重要，却不能通过本系统直接测量获得，因此本文使用了卡尔曼滤波算法根据惯性测量模块所测角速度估计出对应时刻的角加速度。与微分法求出的角加速度对比，卡尔曼滤波算法取得了较好的角加速度估计效果。 （4）对具有运动感知能力的车轮力传感器系统进行了一系列的实验与测试来验证系统的车轮动态测量精度、运动感知能力和对附加惯性载荷的解耦效果。首先通过车轮力的静态标定实验，建立了各通道输出数据和实际轮力之间的关系。然后进行了车轮力动态解算实验展示其对于动态车轮力的感知效果。接着进行了传感器运动感知方面的实验，主要进行了加减速实验和不同道路行驶实验，通过测得的实际数据展示其对于运动的感知能力。最后将本系统采集的数据用来进行惯性解耦，验证实际的附加惯性载荷解耦效果。

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