（车辆工程专业论文）基于gps及imu的汽车道路试验系统的研究.pdf

西华大学硕+ 学位论文基于g p s 及i m u 的汽车道路试验系统的研究车辆工程专业研究生李永生指导教师徐延海随着汽车工业的发展和车辆的普及，人们对汽车的各项性能也越来越关注。因此，汽车性能试验也受到了普遍重视，它可以为产品设计的正确性、结构的合理性、部件的可靠性和性能的优越性提供依据，而且随着试验方法和试验设备的不断完善，汽车道路试验己成为保证汽车产品质量，提高产品性能的重要手段。目前，汽车性能的测试方法主要有以下几种：计算机仿真分析、室内试验、和道路试验。计算机仿真分析是近年来新兴的一种测试手段，采用计算机软件来模拟和分析汽车的运动性能。由于模型建立的困难以及与实际状况的差别，因此误差难以控制；室内试验主要在转鼓试验台上进行，可以避免外界风、道路坡度的影响，但其功能有限，不能进行操纵稳定性方面的测试；道路试验是汽车设计过程中必须进行的试验，它通常在标准试验场上进行，能够较真实地反映汽车的各种性能。道路试验中较为常用的测试仪器是非接触式速度测试仪以及惯性测量单元，如加速度测量装置。非接触式速度测试仪的测试精度容易受到路面状况的影响，尤其是冰雪和积水路面。常规的惯性测量单元能够提供汽车性能测试的一些基本参数，如加速度等信息，经过推导后能够计算出车辆位移等动态参数，但其误差随时间的增加而迅速增大。科技的发展使得一些先进的测量方法和仪器逐渐应用于测试领域当中。全球定位系统( g p s ) 是一套全天候、全球性和高精度的导航定位系统，利用它可以方便地得到运动车辆的三维坐标，现在已有许多研究成果将其应用在汽车导航和测试领域。但是，它也存在着一定的不足，在复杂路段，如高建筑物、林荫大道、桥梁以及隧道等地区，容易造成信号丢失，即有“盲区”存西华大学硕士学位论文在，因此不可避免的会影响汽车性能的测试，因此有待进一步改进。本文将g p s 和i m u 的特点相结合，并应用到汽车性能测试当中，研制了基于g p s 及i m u 的汽车道路试验系统。该试验系统利用g p s 信号的便捷性得到车辆的轨迹、位移、速度等状态参数，同时，针对g p s “盲区”的影响，在g p s 短时间没有信号时利用i m u 得到汽车的动态参数，从而保证了汽车性能试验的顺利进行以及试验结果的可靠性和准确性。为了完成本次课题，主要进行了如下几方面的工作：( 1 ) g p s 及i m u 信号的分析和处理。通过对g p s 测量系统和i m u 惯性测量单元的研究，实现其与计算机的之间的通讯，能够分别得到汽车的行驶轨迹、位移、速度和姿态角、角速度、加速度等性能参数。( 2 ) 测试软件的编制。试验过程中要求同时获得来自g p s 和i m u 的信号，因此，两个采集过程必须同时进行。在此，利用l a b v i e w 的“多线程”功能，实现了g p s 和i m u 数据的实时、同步采集。( 3 ) 卡尔曼滤波器的应用。i m u 的测量结果经推导后可以获得其他汽车性能参数。然而，由于测量过程中存在误差，直接对测量结果进行运算会造成误差累积而迅速增大。因此，需要进行卡尔曼滤波，来有效地抑制发散，获得较好的结果。( 4 ) 测试系统的验证。为了说明所研制测试系统的正确性，进行了实车试验，对g p s 和i m u 测试系统的准确性和同步性进行了验证，并在三种不同的行驶状况下对无g p s 信号时的估计效果进行了分析。通过以上研究，研制出了基于g p s 及i m u 的测试系统，并能够运用到汽车道路试验中。此外，该系统能够较好地避免g p s “盲区”对汽车性t i 钡, 1 试造成的影响，为汽车动力性、制动性和操纵稳定性等试验项目的进行打下了基础。关键词：g p s ，i m u ，卡尔曼滤波，汽车性能测试，l a b v i e wi l西华大学硕士学位论文r e s e a r c ho nv e h i c l er o a dt e s ts y s t e mb a s e do ng p sa n di m uv e h i c l ee n g i n e e r i n gg r a d u a t e ：l iy o n g s h e n gs u p e r v i s o r ：x uy a n h a iw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ee n g i n e e r i n ga n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no fc a r s ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e o nt h eo t h e rh a n d ，i tg i v e sm o r ec h a l l e n g e st ov e h i c l ep e r f o r m a n c et e s t t h et e s to fv e h i c l ep e r f o r m a n c ec o u l dp r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o nt oa s s e s st h ec o r r e c t i o no fp r o d u c td e s i g n , t h ef e a s i b i l i t yo fs t r u c t u r el a y o u t , t h er e l i a b i l i t yo fp a r t sa n dt h ea d v a n t a g eo ft h ep r o d u c t n o w a d a y s ，v e h i c l ep e r f o r m a n c et e s th a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d sf o ra s s u r i n gt h eq u a l i t yo fp r o d u c t sa n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l e s 、析廿lt h ei m p r o v e m e n to ft e s tm e t h o d sa n de q u i p m e n t s t h e r ea r em a n yw a y st h a ta r ew i d e l yu s e di na u t o m o b i l ee n g i n e e r i n gf o rv e h i c l ep e r f o r m a n c et e s ts u c ha sc o m p u t e rs i m u l a t i o n , l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dr o a dt e s t c o m p u t e rs i m u l a t i o ni san e wa n a l y s i sm e t h o dd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h er e l a t i v es o f t w a r e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l ec a nb eo b t a i n e da n da n a l y z e d i tc a ng i v em o r ei n f o r m a t i o no fv e h i c l ep e r f o r m a n c ew i t hl e s sc o s t b e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t yo fm o d e l i n ga n dt h ed i f f e r e n c ew i ma c t u a lv e h i c l ep h y s i c a lp a r a m e t e r s ，t h ee r r o ri sh a r dt oc o n t r 0 1 l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ti sc a r r i e do u to nd r u mt e s t e ru n d e rd i f f e r e n tl o a dc a s e s b u ti tc a nn o td e a lw i t ht h ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y r o a dt e s ti sap r e l i m i n a r yp r o c e d u r ed u r i n ga u t o m o b i l er e s e a r c h i ti sc a r r i e do u to nt h ep r o v i n gg r o u n da n dc a ng i v em o r eu s e f u la n dv a l i di n f o r m a t i o no fv e h i c l ep e r f o r m a n c et h a no t h e r s t h em o s tc o i r u n o n l yu s e di n s m m a e n t si nr o a dt e s ta r en o n - c o n t a c tv e l o c i t ys e n s o ra n d1 1 1西华大学硕士学位论文一_ _ 一i n e r t i a lm e a s u r e m e n tu n i ts u c ha sa c c e l e r a t i o nm e a s u r i n gd e v i c e t h ea c c u r a c yo fv e l o c i t ys e n s o ri sd e p e n d e n to nr o a dc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l y , t h er o a dc o v e r e db ys n o wa i l dw a t e r t e c h n o l o g yd e v e l o p i n gm a k e si tp o s s i b l et ou s es o m ea d v a n c e di n 咖m e n t si nm e a s u r e m e n ta r e a g p si sa l la l l - t i m e ，g l o b a la n dh i g hp r e c i s i o np o s i t i o ns y s t e m t h ep o s i t i o no fv e h i c l ec a nb ed e c i d e dw i t hg p s n o wm a n yr e s e a r c hr e s u l t sh a v es h o w nt h a tg p sc a nb ew e l lu s e di nv e h i c l ep e r f o r m a n c et e s t i n ga r e a u n f o r t u n a t e l y , i ti se a s yt ol o s es i g n a lw h i l ep a s s i n gt h r o u g hc o m p l e xa r e as u c ha sl a r g eb u i l d i n g s ，b o u l e v a r d ，b r i d g e sa n dt u n n e l sw h i c ha r ec a l l e dd a r ka r e a v e h i c l ep e r f o r m a n c et e s tw i l lb ea f f e c t e db yt h ed a r ka r e aw h e nt h et e s ti sc 卸r r i e do u to nt h i sa r e a o nt h eo t h e rh a n d ，c o n v e n t i o n a li n e r t i a lm e a s u r e m e n tu n i tc a np r o v i d et h ed y n a m i cp a r a m e t e r so fv e h i c l ep e r f o r m a n c e ，f o re x a m p l e ，a c c e l e r a t i o n t h e s ep a r a m e t e r sc a nb eu s e dt oc a l c u l a t ed i s p l a c e m e n to fv e h i c l ei nt h en e x ts t e p b u tt h ee r r o rw i l li n c r e a s e sr a p i d l yb e c a u s eo ft h ea c c u m u l a t i v ee f f e c t s i nt h i sp a p e r , g p sa n di m ub o t ha r eu s e da c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t e r i s t i c sa n dav e h i c l ep e r f o r m a n c et e s ts y 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t ，v e l o c i t y ,h a n d l i n ga n g l e a n g u l a rv e l o c i t y , a c c e l e r a t i o na n ds oo nc a i lb ec a l c u l a t e dw i t ht h ei n f o r m a t i o no fv e h i c l ep o s i t i o n ( 2 ) m e a s u r e m e n tp r o g r a md e v e l o p i n g v e h i c l ep e r f o r m a n c et e s tr e q m r e sc o l l e c t i n gd a t af r o mg p sa n di m u t h e r e f o r e ，t h et w od a t aa c q u i s i t i o np r o c e d u r ei v西华大学硕士学位论文m u s tr u na tt h es a m et i m e w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h em u l t i t h r e a do fl a b v i e ws o f t w a r e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc a nb ef u l f i l l e d ( 3 ) a p p l i c a t i o no fk a l m a nf i l t e r v e h i c l ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc o u l db ee s t i m a t e dw i t ht h er e s u l to fi m u h o w e v e r , b e c a u s eo fa c c u m u l a t i o no fm e a s u r e m e me r r o r , t h ev a l u ew i l li n c r e a s er a p i d l yi fw ec a l c u l a t ed i r e c t l y s o ，k a l m a nf i l t e rm u s tb eu s e dt oc o n t r o li n s t a b i l i t ya n do b t a i nb e t t e rr e s u l t s ( 4 ) t h ev e r i f i c a t i o no ft h ed e v e l o p e dt e s ts y s t e m i no r d e rt oi l l u s t r a t et h ev a l i d a t i o no fs y n c h r o n i z a t i o na n da c c u r a c yo fd a t aa c q u i s i t i o n , a n dt h er e s u l to fk a l m a nf i l t e r , v e h i c l er o a dt e s tm u s tb ec a r r i e do u tw i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o i i s t h r o u g ht h ea b o v e m e n t i o n e dw o r k s ，m e a s u r i n gs y s t e mb a s e do ng p sa n di m uw a sd e v e l o p e da n dw a sa b l et ob eu s e di nv e h i c l er o a dt e s t i ti ss h o w nf r o mt e s tr e s u l t st h a ti tc a na v o i dt h e i n f l u e n c eo fd a r ka r e ao fg p so nv e h i c l ep e r f o r m a n c et e s t a l lo ft h e s eg i v em o r ei n f o r m a t i o nf o rt h er e s e a r c ho fv e h i c l ep e r f o r m a n c et e s ts u c h 嬲p o w e rp e r f o r m a n c e ，b r a k ep e r f o r m a n c e ，h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：g p s ，i m u ，k a l m a nf i l t e r , v e h i c l ep e r f o r m a n c et e s t ，l a b v i e wv西华大学硕+ 学位论文西华大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位论文或证书所使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明!学位论文作者澈。库y 月名日剔程名柙，户日、7 8西华人学硕士学位论文西华大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书；2 、不保密衫适用本授权毫。( 请在以上口内划)学位论文作者签名习睁日期：df y 、，7 口指导教师签名：日期7 9多甲f 1两华大学硕士学位论文1 绪论1 1 引言随着汽车工业的不断发展，汽车已逐渐普及，人们对汽车质量、性能的要求也越来越高。尽管在设计之初己对汽车的各个方面进行了周密的考虑，但仍需要经过科学而严格的试验来证明产品设计的正确性、结构的合理性、部件的可靠性和性能的优越性。因此，汽车性能试验方法和设施也在不断地发展和完善，并已成为保证汽车产品质量，提高产品性能的重要手段。而科学的试验方法和先进的测试仪器是能够准确进行汽车性能测试的重要前提。全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 是一套高精度的卫星定位系统【l 3 1 。利用它可以得到运动物体的空间位置坐标，其信号覆盖全球，不受用户数量限制，已成为军用、民用、导航和定位的主要技术。特别是近几年来高精度的实时动态定位技术r t k 的发展，使得g p s 迅速成为导航与定位的高效工具。惯性测量单元m m ( i n e r t i a lm e a s u r e m e n tu n i t ) 可以为运动物体提供实时的姿态信息，如姿态角、角速率、加速度等，并且它工作过程独立自主，不受外界环境干扰，被广泛应用在航空、航海、陆地导航等领域【4 5 1 。因此，g p s 和i m u 的结合可以用于汽车道路试验，获得汽车的位移、速度、加速度、姿态角、角速率等物理量，从而用于评价汽车的各种性能。但是，当汽车行驶在城市高楼区、林荫道时，g p s 卫星信号经常受到遮挡，即“盲区”的现象睁7 】，此时不能通过g p s 系统实现连续准确的定位。i m u 的测试结果经推导后能够对车辆的位移和速度进行计算，弥补g p s 的不足，但其误差随时间积累而发散【8 】。研究表明9 舢】，g p s 和i m u 的测试结果经过k a l m a n 滤波后，可以避免各自的缺点，提高测试系统的精度和稳定性。可见，基于g p s及i m u 的测试系统在汽车道路试验中的应用是一个发展趋势。1 2 汽车性能测试的研究历史与现状汽车性能试验发展到今天，已经进入了计算机仿真分析、室内试验与道路试验相结合，相互补充、相互验证，共同发展的阶段。三种汽车试验形式作为主要的技术手段，发挥各自优势，有效地缩短了汽车产品开发周期，提高了汽西华大学硕十学位论文车品质。计算机仿真分析即虚拟试验场v p g ( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ) 是美国工程技术合作公司( e t a ) 在对各大汽车厂商近2 0 年合作的工程咨询、技术服务中于1 9 9 5 年提出的。通过构制统一平台，简化建模过程，引入虚拟试验场，从而只需建立一个整车模型，就能够在汽车真实试验条件下，进行整车非线性虚拟样机仿真，达到动态参数设计的目的。包括：n v h 、疲劳寿命、道路载荷预测、整车、子系统和部件的动力学和运动学分析。并针对碰撞安全法规的要求，内置欧美碰撞安全法规和各种碰撞模型( 假人、壁障、安全带等) ，轻松进行碰撞安全仿真。v p g 以其易用性和专业性领导整个汽车c a e 行业的最新发展趋势。计算机仿真给汽车性能的分析带来了极大地便利，但同时也存在不足。由于建立的数字模型与实际模型有差别，不同的分析人员采取的分析方法也有所不同，因此，得到的仿真结果与与实际相比有一定得误差。室内试验主要在试验台上进行，如汽车底盘测功机等，可完成汽车动力性实验、经济性实验、可靠性实验以及汽车传动系统有关的专项实验，能检测汽车底盘输出功率、扭矩、车速、里程、加速时间、滑行距离等数据。吉林大学建成的动态模拟实验室设备先进，还可以进行人车闭环系统仿真与控制、汽车地面系统建模与仿真、汽车动力传动仿真与控制、车身虚拟设计与制造等方面的研究。室内试验能够较真实地模拟汽车的运动状态，降低了对试验场地的要求，但其仪器价格比较昂贵，维护费用高，且与汽车的实际运行状况有差别。道路试验是通过在标准的试验场进行实车试验，利用仪器和设备采集试验过程中的数据，并进行分析，以反应汽车的各种性能。道路试验是汽车设计、开发过程中必须进行的环节，因此受到了广泛的重视。美国道奇公司在1 9 1 5年最早建成椭圆形汽车跑道，1 9 2 4 年通用汽车公司建成了正规的密尔费德试车场，此外还有些国家试验场：如英国的汽车工业研究协会试验场，法国的汽车摩托车技术协会试验场，俄罗斯汽车和发动机研究所试验场，日本汽车研究所试验场等。目前，我国已经建成海南、定远、襄樊、通州、农安和安亭等七个汽车试验场，在试验场中，设置了不同等级的路面，来测试汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等。较早使用的试验仪器主要有：汽车性能综合测试仪、操纵稳定性测试仪等。而这些仪器的精度较低，且容易受到外界的干扰，因此，2西华大学硕十学位论文测试效果不太理想。随着汽车工业的飞速发展，道路状况的改善，行驶车速大幅度提高，使人们对汽车主动安全性的提高越来越关注，传统汽车道路试验仪器和试验方法已不适应于现代汽车的检测，汽车试验的试验方法与检测手段急需加强。近年来，随着无线电技术、微电子技术和光电技术的发展，车辆的导航定位技术发展较快，特别是g p s 技术、惯性测量技术的推广，使得其广泛应用在航海、航空、车辆导航定位领域。由这些仪器组成的测试系统具有精度高、抗干扰能力强( 通过组合) 的特点，能够获得较好的试验结果。目前，国外许多研究表明：g p s 和i m u 的组合系统能够用于汽车性能的测试，且通过k a l m a n滤波后可以提高测试系统的可靠性和精度 1 1 - 1 4 】。国内各科研机构和高校也在进行这方面的研究，并取得了一定得成果1 15 。1 8 j 。1 3 研究的目的和意义1 3 1 研究目的本次研究的主要目的是以现有的g p s 及i m u 设备为基础，根据汽车道路试验中需要测试的性能参数，编制出了基于g p s 及i m u 的汽车道路试验系统。该套测试系统能够实时、同步采集g p s 和i m u 的信号，经过处理后可以得到汽车的轨迹、速度、姿态角、角速率、加速度等物理量。此外，在g p s 出现“盲区 的情况下仍然可以利用i m u 对这些性能参数进行估计，以保证试验的顺利进行。1 3 2 研究意义尽管汽车性能分析有计算机仿真分析、室内实验等多种途径，但汽车道路试验仍然是评价汽车性能的重要手段，且在汽车的设计和开发过程中是不可缺少的。车辆的动力性、操纵稳定性、制动性的研究都是建立在实车场地试验的基础上的，其试验结果可以为汽车结构的改进、性能的优化提供重要的参考价值。因此，根据道路试验要求进行测试系统的开发也势在必行。科学的测试方法、先进的测量仪器以及出色的测试系统是取得正确试验结果的重要前提。g p s 测量系统具有全天候、精度高、实时性的优点，但卫星3西华大学硕士学位论文信息容易被障碍物遮挡，从而影响了信号的传播【1 9 2 3 】；惯性测量单元i m u 具有频率高、不受外界干扰的优点，但利用它直接进行运动物体状态估计时的误差随时间迅速增大，不能长时间使用 2 4 - 2 6 1 。本文结合了两个传感器的优点，将它们应用到汽车道路试验中进行汽车运动参数的测试。此外，为了弥补各自的不足，对i m u 的测试结果进行了k a l m a n 滤波。滤波后能够在卫星失去信号时对汽车的运动状态做出估计，且误差在一定范围内，从而有效地保证了试验的进行。可见，本次课题的研究内容具有较强的实用价值，为汽车道路试验的开展提供了条件。在此基础上，可以继续完成汽车动力性、制动性、操纵稳定性等试验项目的编制，以便对汽车的整车性能的评价提供依据。1 4 本文的主要工作内容本文采用了现有的g p s 接收机和惯性测量单元i m u ，主要研究了“基于g p s 及i m u 的汽车道路试验系统 ，主要工作内容如下：第一部分，基于多传感器的组合测试理论。主要是如何将g p s 全球定位系统的测试结果和i m u 惯性测量单元的结果结合到一起。首先，介绍了刚体动力学的基本知识和坐标转换原理。因为g p s 测量的结果是基于w g s 8 4 坐标系的，而i m u 是基于车辆坐标系的，必须进行坐标变换。其中包括w g s 8 4到空间大地坐标系的转换、空间大地坐标系到水平直角坐标系的转换、车体坐标系向当地水平坐标系的转换等；接下来，在将二者的测量结果转换至同一坐标系后就要进行k a l m a n 的滤波估计。因此，介绍了卡尔曼滤波原理、随机线性离散系统和随机线性连续系统的卡尔曼滤波方程。第二部分，汽车道路试验系统的硬件组成。根据道路试验中对汽车性能参数的需求，选择了相应型号的硬件设备。然后对g p s 和i m u 进行了简单的介绍，包括他们的硬件组成、测量原理、技术指标等。第三部分，汽车道路试验系统的软件研制。在此，通过对g p s 和i m u 采集数据的格式分析，得到了汽车的性能参数，然后将二者的采集过程结合到一起，实现了实时同步采集。最后在同步采集的基础上对来自两个传感器的数据进行k a l m a n 滤波，从而实现了在g p s 出现“盲区 时对汽车行驶状态的估计。4西华大学硕+ 学位论文第四部分，测试系统的实车验证。为了说明开发软件的实用性和准确性，进行了实车验证。首先通过其他传感器的对比试验，验证了g p s 和i m u 能够分别对汽车的行驶位置和姿态进行实时测量，然后对g p s 和i m u 整合后的测试系统进行试验，结果表明该套测试系统能够保持较好的实时性和同步性，满足测试系统的精度要求。最后为了验证无g p s 信号时，对汽车行驶状态估计的好坏，分别进行了直线路段试验、环绕路段试验和稳态回转试验。结果表明，在g p s 没有信号时，能够在短时间内利用i m u 对汽车行驶状态进行估计，且误差不大。从而证明了本套测试系统的实用性和可靠性。1 5 本章小结本章主要介绍了汽车性能测试的研究历史与现状，在此基础上针对以前的不足，提出了本课题的研究目的和意义，最后详细介绍了课题研究的步骤和主要工作内容。5西华大学硕士学位论文2 基于多传感器的组合测试理论2 1 引言汽车性能( 如：动力性、制动性和操纵稳定性) 的评价都是通过对道路试验中汽车运动参数的时间特性进行分析得到的，汽车运动性能参数包括位移、轨迹、速度、加速度、姿态角和角速度等。长期以来，这些参数都依靠多个单独的传感器进行测试，如五轮仪、非接触式测速仪、陀螺仪等，这样构成的测试系统只能分别进行数据采集，不能保证同步性，而且使用不方便，往往需要多台笔记本同时进行采集。针对以上不足，在此采用了多传感器组合测试的方式，利用g p s 获得汽车的位移、轨迹、速度等性能参数，惯性测量单元得到车辆的加速度、角速度和姿态角，在此基础上编制的测试系统能够同时采集两个传感器的信号。此外，鉴于g p s 短时间内丢失信号的弱点，而惯性测量单元则能实时提供相应的信息，因此在g p s 没有信号时，可以利用惯性测量单元的结果进行推导，得到汽车的轨迹和速度。但由于仪器的偏置误差，直接用物理推导会造成误差的累积，因此，必须利用k a l m a n 滤波算法进行估计。由于g p s 测量的空间位置是基于w g s 8 4 世界大地坐标系的，无法直接用于对汽车运动状态的描述，因此首先要转换到空间大地坐标系中，解算出车辆的经度、纬度、海拔，再利用高斯克吕格投影，得到汽车在当地水平坐标系( 东一北一天) 中的位移，从而进一步求出速度、加速度。惯性测量单元的结果是基于车体坐标系的，而车辆的位置、速度是相对于当地水平坐标系( 东一北一天) 的，因此根据刚体运动学中的坐标转化理论，要乘以方向余弦矩阵，转化到同一坐标系后才能进行k a l m a n 滤波。本章主要介绍了基于多传感器的组合测试理论，包括刚体运动学中的坐标转换理论、g p s 测量中的坐标系统和卡尔曼滤波理论等。2 2g p s 测量中的坐标系统及其变换g p s 全球定位系统用来对空间中某一点的位置进行测量，其测量结果是基于w g s 8 4 ( 世界大地坐标系8 4 ) 的，但在实际使用中，我们往往用空间大地坐标系和当地水平坐标系来描述一个运动物体的位置和运动，因此，需要6两华大学硕十学位论文在不同坐标系之间进行变换。2 2 1 常用坐标系统g p s 测量过程中主要用到的坐标系统【2 7 】如下：1 w g s 8 4 坐标系( e 系)w g s 8 4 坐标系是目前g p s 所采用的坐标系统，g p s 所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。w g s 8 4 坐标系统的全称是w o r l dg e o d i c a ls y s t e m 8 4( 世界大地坐标系一8 4 ) ，它是一个地心地固坐标系统。如图2 1 所示。窟k 、f i g 2 1w o r l dg l o b a ls y s t e r m 。8 4图2 - 1w g s 8 4 世界大地坐标系原点在地心；x 轴一指向平均格林尼治子午圈( 在赤道平面内)y 轴一垂直于x 和z 轴，并构成右手坐标系z 轴平行于平均地球自转轴2 大地坐标系大地坐标系是采用大地经度( l ) 、大地纬度( b ) 和大地高( h ) 来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离，表示形式：( b ，l ，h ) ，如图2 2 。7西华大学硕士学位论文f i g 2 - 2g e o d e t i cc o o r d i n a t es y s t e m图2 - 2 大地坐标系3 当地水平坐标系当地水平坐标系又称地理坐标系，这个坐标系类似于站心法线测量坐标系，是以参考椭球面( 当地水平面) 、法线为基准面和基准线的，相应的北是大地北，如图2 3 所示。f i g 2 3g e o g r a p h yc o o r d i n a t es y s t e m图2 - 3 地理坐标系原点在车体中心x 轴一沿参考椭球卯酉圈方向并指向东y 轴一沿参考椭球子午圈方向并指向北z 轴一沿参考椭球外法线方向4 高斯平面直角坐标系平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标( 空间直角坐标或空间大地坐标) 通过数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。投影变换的方法有很多，如u t m 投影、l a m b u d a 投影等，在我国采用的是高斯一克吕格投影，也称为高斯投影。可以看到，高斯平面直角坐标系与当地水平坐标系的8两华大学硕士学位论文x y 平面是重合的。2 2 2 不同坐标系之间的变换1 w g s 8 4 与空间大地坐标系之间的变换设空间一点p 在w g s 。8 4 世界大地坐标系中的坐标为( x ，y ，z ) ，它们亦可按下列方程式【2 8 1 变换成地心大地坐标系的经纬度和海拔高度( b ，l ，h ) ：l x = ( - i - h ) e o s b e o s l y = ( + h ) c o s b s i n 三( 2 1 )【z = n ( 1 一e 2 ) + h s i n b其中，各参数含义如下：n = - 7 竺鼍一，为卯酉圈的半径( 2 2 )l p 2s i n 2 be2：a2_b一2，为地球椭球偏心率(2-3e2 )= 一，为地坏椭坏倔心举)口此处a 为地球椭球长半轴，b 为地球椭球的短半轴。由式2 1 可以知道：k 咖( 妻)肚a r c 协赢y 2 五e 蒜n ( n + hq 圳y 2 +1 2)日：型墨：之一首先假定n - - a ，而进行迭代计算，先求出b ，最后确定h 。2 空间大地坐标系到高斯平面坐标系的变换为了实现由空间大地坐标系到高斯平面坐标系的变换，需要进行高斯克吕格投影变换【2 9 1 。( 1 ) 高斯克吕格投影分带按一定经差将地球椭球面划分成若干投影带，这是高斯投影中限制长度变形的最有效方法。分带时既要控制长度变形使其不大于测图误差，又要使带数9西华大学硕十学位论文不致过多以减少换带计算工作，据此原则将地球椭球面沿子午线划分成经差相等的瓜瓣形地带，以便分带投影。当投影区面积较小时，可以不考虑地球曲率的影响，把水准面当成平面看待。通常按经差6 度或3 度分为六度带或三度带，如图2 - 4 所示。我国通常采用6 。分带法，将全球分为6 0 个带。6 度带：以0 度子午线算起，每6 度为一带，第一带的中央子午线为东经3 度。3 度带：以东经1 度3 0 分开始，每隔3 度为一带，第一带的中央子午线为东经3 度。厂。、旷一l毒n k 瓢卅u 。架；9；7ji ：、，fff；：夕：l：?：!、中期咩娩l_ 1p3 1 6 。f i g 2 - 4g a u s s - k r u g e rp r o j e c t i o nd i s t r i b u t i o nz o n e s图2 - 4 高斯克吕格投影分布带( 2 ) 高斯克吕格投影公式设车辆在大地坐标系中的坐标为( b ，l ，h ) ，地球长短轴为a 、b ，经高斯一克吕格投影后可得到其在当地坐标系中的( x ，y ) ：x 咄+ 三。2 + 去( 5 - - t 2 + 鲫2 + 铆4 ) 。4+ 芴1 ( 6 1 5 8 f 2 + t 4 + 2 7 0 12 3 3 0 12 f 2 ) 。6 + 】( 2 - 5 )y = f e + 砜+ l ( 1 - t 2 + 12 ) n m 0 3 + i 嘉0 ( 5 1 8 t 2 + t 4 + 1 4 n2 5 8 ，2 r 12 ) a 协露+ ( 2 - 6 )式中：k 一高斯投影比例因子，k 。= 11 0西华大学硕士学位论文彳。一通过该点的平行圈所截的中央子午线距赤道的弧长x o = c o b c o sb ( c ls i nb + c 2s i n 3b + c 3s i n 5 召+ c 4s i n 7b )此处的c 。、c 。、c ：、c ，、c 。与点的位置无关，仅与椭球体本身有关。它们分别为：c o = a ( 1 - e 2 ) ( 1 + 詈“百4 5 山罴n 黑p s+ 4 3 6 5 9p - 。+ ! 竺! 垒! ! p - z + 三16 3 5 3 6l0 4 8 5 6c 1 = 口( 1 _ e 2 ) ( 3 e 2 + 蔷e 4 + 2 1 5 5 7 6 e 6 + 1 1 6 1 0 3 2 8 4 5p 8+ 兰塑p - 。+ 鱼2 i 鱼! ! 一- ：+ 2 7 6 0 6 1 5e14p一口一 一lc 2 = a ( h 2 蠼山罴“焉p 8+ 塑。+ 三! ! 三塑一：4 ，- 2 兰q 兰q 王p 4 - ，)+ 一p 。+ 一p 一一p 。3 2 7 6 85 2 4 2 8 82 0 9 7l5 2c 3 叫l 叫2l 3 5 + 蕊7 3 5 “黑一十三三1 2 三! p ：+ ! ! 堡q 垒! p 一+ 1一口j 一p 。 16 5 5 3 6 05 2 4 2 8 8c 4 一- - a ( 1 - e 2 ) 而3 1 5p s 十而6 2 3 7 矿+ 罴严+ ! 型三三p t + - 11 8 3 5 0 0 8其中p 为第一偏心率，p ：、i = 丽f = t a n b2 万萧a1 一p 2s i i l 2 占= m s 2 召一通过该点的卯酉曲率半径1 1西华大学硕士学位论文m o = ( 三一l o ) c o s b 2 a l c o s b ，l 0 为甲哭于午帝笠全发髓一纬度的偏移值，单位为m ，f e = 5 0 0 0 0 0 + 带号* 1 0 0 0 0 0 0上述高斯投影正算公式实际上是泰勒级数的展开式，式中( x ，y ) 已舍去了7 次以上高次项，子午线孤长x 。计算