車載姿態(tài)測量系統(tǒng)的開發(fā)

 汽車運動狀態(tài)信息的測量和采集是汽車操縱穩(wěn)定性研究和設(shè)計的基本問題，也是實現(xiàn)汽車電子控制及輔助駕駛系統(tǒng)的必要條件。這就需要一種具有足夠精度和置信度的、快速的、操作簡便的和適用范圍廣的測量汽車運動狀態(tài)的方法[1]。本文研究設(shè)計了一種基于可編程邏輯陣列(FPGA)的捷聯(lián)式車載汽車姿態(tài)實時測量系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有體積小、使用方便、成本低廉等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由傳感器組模塊、數(shù)據(jù)采集卡、便攜式計算機、電源等組成，系統(tǒng)硬件如圖1所示。

1.1 微慣性測量單元(MIMU)

自主設(shè)計的微慣性測量單元。由2個ADXL203型雙向加速度計和3個ADXRS150型角速度陀螺組成，要求3個角速度陀螺安裝在3個正交平面上，其敏感軸相互垂直，組成測量體的三維坐標系，2個雙向加速度計安裝在另外2個面上(剩下的1個面作為MIMU與汽車的安裝固定平面)。為了保證加速度計的敏感軸也組成三維坐標系，要求測量垂向加速度的2個敏感軸相互平行(由于本MIMU在垂向測量了2次，因此在數(shù)據(jù)采集階段垂向加速度取兩者的均值)。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是基于FPGA控制和USB2.0接口的采集卡，它可實時對6路模擬信號進行不間斷的采集，輸入信號幅度范圍是0~5 V，AD轉(zhuǎn)換位數(shù)為16位，單通道采樣率為250 kS/s，所使用的USB傳輸方式為高速塊傳輸，應用FPGA作為采集的控制單元，并采用USB總線供電，移動性好，內(nèi)置信號連接，可以滿足車載測量實時性和精準性的需求[2]。圖2為該數(shù)據(jù)采集卡的組成框圖。

2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件兩部分，其流程如圖3所示。本系統(tǒng)采用Visual Basic 2005語言編程實現(xiàn)，依次實現(xiàn)信號采集、初始信號濾波、姿態(tài)角解算、Kalman濾波融合、結(jié)果的顯示和存儲等功能。

3 實車試驗

為了檢驗該汽車運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的效果，進行了實車試驗。試驗時將MIMU固定于汽車質(zhì)心位置處，并且保證傳感器所組成的測量坐標系平行于車體坐標系，加速度計正向指向相應的坐標軸的正向，陀螺儀的分布和坐標軸一致，測量給定軸的旋轉(zhuǎn)角速度，旋轉(zhuǎn)的正方向由右手定則確定[3]。在完成MIMU的安裝、系統(tǒng)接線、傳感器的標定和軟件的初始化設(shè)置等工作后即可開展實車道路試驗。圖4是試驗采集得到并經(jīng)初始濾波后的汽車6自由度運動信號。圖5是試驗得到的汽車姿態(tài)角變化曲線。圖6為進一步試驗得到的汽車姿態(tài)角估計誤差曲線，從圖中可以看出，由于引入Kalman濾波融合算法[4]，使得姿態(tài)角估計誤差小于0.5°，滿足了汽車運動姿態(tài)測量的精度要求，說明本測量系統(tǒng)的可行性。

本文研究了捷聯(lián)式車載姿態(tài)測量系統(tǒng)。自主設(shè)計了微慣性測量單元(MIMU)和基于USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集卡，并應用Visual Basic 2005開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，最后通過實車道路試驗驗證了本實時測量系統(tǒng)的可行性。另外，此系統(tǒng)具有體積小、使用方便、成本低廉等優(yōu)點。如果通過選取精度更高的MEMS傳感器和采用更為高效的實時預測方法，可以進一步地提高系統(tǒng)的預測精度。