基于电子陀螺仪的汽车转角测量仪一次开发.pdf

制造艺及设备2023(9-10)24轻型汽车技术技术纵横基于电子陀螺仪的汽车转角测量仪一次开发孙亚军梁飞（南京依维柯汽车有限公司）摘要：当前汽车检测台测量转角时存在数种测量误差。本文分析了误差的产生来源，并提出利用电子陀螺仪测量空间转角的原理减少测量误差。该转角测量设备具有适应性好，精度高，使用方便等特点，适合整车厂汽车出厂检测使用。关键词：误差分析陀螺仪转角测量仪1引言汽车转角测量是出厂检测的重要环节。汽车最大转向角对汽车转弯半径等转弯性能有直接影响，影响汽车的安全行驶。汽车跑偏与否会体现在转向角检测中，合理的测量方式对工业生产有很大作用1-3。汽车出厂检测标准对精准的汽车转角测量提出了高要求4-5 。当前汽车检测台测量转角时存在诸多来源的测量误差。如何稳定减少这些误差是呕待研究的问题。针对转角测量误差带来的问题，本文利用电子陀螺仪测量空间转角的原理减少误差，从而使检测结果更趋近实际值。该二次开发的转角测量仪具有适应性好，精度高，人机工程更优等特点，适合整车厂汽车出厂检测使用。2汽车转向角测量误差分析汽车转向角测量如图1所示，浮动式汽车转向角测试台由可调节的稳定支架、角度测量单元、汽车车轮模拟单元、负荷加载单元组成。在测量过程中会产生如下误差：整车中轴线与设备中轴线的转向夹角1；测量过程中浮动盘非定轴转动产生的偏移角2；测量过程中轮胎与浮动盘之间的滑动偏角3;方向盘至转向器之间的传递误差4 o整车中轴线与设备中轴线在转向过程中产生夹角 ,=arctan(),其中y为汽车y轴方向偏D移量，D为汽车轴距。测量过程中浮动盘非定轴转动产生的偏移角0 2=arctan(-），其中x为汽车x轴方向Ix+H偏移量，H。传感器至轮胎底部高度。浮动盘平面双方向节连杆H。11传感器平面口x图1汽车转向角测量示意图测量过程中轮胎与浮动盘之间产生滑动偏252023(9-10)轻型汽车技术技术纵横角0 30方向盘至转向器之间的传递误差4=k，其中k为转角系数，口为转向器误差。测量总误差：0=&+,+0,+04=arctane(1)arctan()+6,+x+H3系统测量定量分析3.1的理论偏差范围，对测量值主要影响车辆轴距与测量时Y轴偏移量。车辆轴距越大,影响越小,车辆轴偏移量越大，导致的偏差越大，常用车型轴距为2800mm，代人得浮动盘Y轴方向极限偏移量15mm，得到，的理论偏差范围-0.31,0.313.2定量分析的大小2的大小为设备设计时确定，该高度越大2则越小,测量时X轴与Y轴偏移量同时发生，查浮动盘参数,Ho=326mm，允许Y轴偏移量为15mm,X轴偏移最大量为6 2 mm，代人公式得，-2.6Q22.6。其中X轴的偏移量对总体值的影响不大，贡献度约为0.13.3滑动偏角3的处理浮动盘与轮胎之间的滑动在雨天表现比较明显，可以通过改善外部环境来改进。且通过多次测量对比，能够明显看出打滑发生时的数值漂移，因而能够剔除该异常数据。3.4e4的成因及数值4的贡献度一般来源于转向器内产生的游隙，方向盘不对中等因素。根据公式4=k，这里以某合资企业欧胜系列中型客车为例,其中k为 16.8,I/10,则-0.6 4 0.6 3.5总结由上述计算公式可知，与符号相同，故将这两项进行合并，定义为偏移误差dev，该值范围为-2.91dev2.91，为汽车转向角测量误差的主要因素。与此对应3与4总体影响度为0.6，是汽车转向角测量误差的次要因素，且与浮动盘关系不大。在浮动盘进行转角测试时，不能实现定轴转动，必然会产生x与y，特别是y，对转角的测量产生较大影响。为避免该误差，本文对测量传感器进行优化。现阶段常规传感器是电位计、编码计等，转轴旋转时对应不同的测量值，则差值即为转角值。但y也会产生此测量差值，产生上述分析的误差值。为消除该测量误差，本文选择选用电子陀螺仪进行角度测量。该传感器测量角动量，使用单片机进行积分运算，得到物体转动的角度值，该测量计算值与口y无关，能消除y的测量偏差。4基于电子陀螺仪的改进4.1设备组成及特点（硬件清单如表1）1)设备利用高精度陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。2)采用先进的数字滤波技术，有效降低测量噪声，提高测量精度。3)模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态。4）模块内部自带电压稳定电路，工作电压3.3v5v，引脚电平兼容3.3V/5V的嵌人式系统，连接方便。5)检测流程智能引导，图形界面实时动态显示，可快速方便的完成整个检测过程（如图2 所示）。2023(9-10)26轻型汽车技术技术纵横方向盘向右转36.4141.36O启动LL-40.7RL-40.4LR36.84RR42.19图2汽车转向角实时运动6)检测完成后，数据自动存储在本地数据库，数据库采用微软SQLSERVER2008，存储量大，且有极高的安全性。7)采用新型陀螺仪传感器，不需要安装在转角滑动盘的中心位置，同时也减少了机械及累计误差。8)新系统集成到原Hoffmann系统，实现无缝对接。保留原有检测线联网系统对检测数据的存储、调取及打印。表1所需硬件清单序号名称1姿态传感器2启动按钮3信号传输线4工控机5中间继电器6电线控制线7电脑控制软件8电线动力线9显示器4.2改进测量法流程（如图4）1)整车测量时将前轮停放在一种带转轮的浮动盘上，系统需要有前轮对中装置，浮动盘。能实现车辆前轮的对中、滚动、前后左右摆动、顺时针逆时针转动。2)浮动盘上安装电子陀螺仪，该陀螺仪采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态，包括空间角度变化值，空间角加速度值等。如图3所示。图3浮动盘上安装电子陀螺仪3）陀螺仪的微处理器使用TTL或者RS232串口输出空间角度变化值量。4）上位计算机程序通过TTL电平量或者RS232串口获取微处理器的空间角度变化值，选启动检测设备消零购左方商盘取左转数徽取右转器四正四正保存数据健滑工位扫入V码，抓取转炖数摄数据评价：并发送至服务额图4改进测量法流程图272023(9-10)技术纵横轻型汽车技术取固定X-Y面（其它面同理）,计算Z轴转角的变化值，选用任意状态值为零点，逆时针偏转角为负角度，顺时针偏转角为正角度。在偏转过程中选取角度变化的最值作为最终测量值，得到汽车车轮转角偏转最大值，左右轮2 个传感器分别测量左转最大值和右转最大值。5)测量值的修正，在软件上进行标定。修=o+测(2)取第三方测量值作为修，则存在对应的测量值测。取两组值可计算出。，。系统保存该修正参数，正式测量时，新系统计算出修正后的测量值修作为结果输出。新旧两系统大量数据比对和市场考验，证明前述理论探索是正确且可实现的工程方案，在此仅10 组数据为例，如表2所示。表2新旧系统数据比对电子轮螺仪常规传感器变化值：777472741512797575741480827881121487878386141477757175161477757175161477777576121280767574151184878184131688878388145结论汽车出厂检测标准对精准的汽车转角测量提出了高要求。本文分析了汽车转向角测量存在的各种误差，提出采用电子陀螺仪的方式改进测量方式。降低销售市场抱怨的，部分车辆方向盘歪和跑偏问题，提升车友驾乘体验。该改进方式采用高精度陀螺仪、加速度计、地磁场传感器等硬件测量，系统通过修正参数将测量值转化为修正后的最终数值。通过验证，该测量方式能够有效减少浮动盘转动的测量误差。该转角测量设备具有适应性好，精度高，人机工程优等特点，适合整车厂汽车出厂检测使用。参考文献1谢伟丽农业机械转向自动控制技术及常用方案.农机使用与维修,2 0 19(8):2 8-2 9.2张志和，李华祥，李前等.采用永磁电机直接驱动方式的机车转向架.铁道机车车辆，2 0 2 0,4 0(03):39-42.3杜娟,李敏,金诚谦,印祥.拖拉机自动转向试验台研制.智慧农业业,2 0 19,1(0 2):8 5-9 3.4JF11412006汽车转向角检验台校准规范S.5GB/T34592一2 0 17 汽车转向盘转向力-转向角测量仪S.6韩素超,孙若男,张藏根,张继超,王昊苏,谷海燕，金龙.浮动式汽车转向角测试台校准方法工业计量,2 0 2 1,31(0 5):15-16.