夏澤斌，徐延海，吳 龍

多GPS架構(gòu)下汽車測試數(shù)據(jù)處理方法?

夏澤斌1，2，徐延海3，吳 龍1，2

(1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，三明 365004； 2.三明機(jī)械CAD工程研究中心，三明 365004；3.西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，成都 610039)

為提高應(yīng)用GPS技術(shù)的汽車測試中的效率和可靠性，本文中研究了一種采用多個GPS的汽車動態(tài)參數(shù)測量方法。為消除GPS定位誤差，提出了一種測試數(shù)據(jù)修正方法，有效地保證了多GPS之間的相對位置和汽車運(yùn)行軌跡的精確性。同時(shí)利用慣性測量單元同步測量汽車運(yùn)行中的橫擺角速度，并與GPS數(shù)據(jù)計(jì)算得到的橫擺角速度進(jìn)行對比。結(jié)果表明，兩者很好地吻合，說明所提出的動態(tài)數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算得到的汽車行駛軌跡和有關(guān)動態(tài)參數(shù)的精度滿足汽車性能道路試驗(yàn)要求。

汽車測試；多GPS；數(shù)據(jù)處理方法；橫擺角速度

前言

汽車在行駛過程中的動態(tài)參數(shù)是汽車主動安全控制、汽車故障診斷和汽車試驗(yàn)的必要因素[1－2]。目前主要利用慣性測量單元(intertial measurement unit，IMU)進(jìn)行汽車關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)的測量，為彌補(bǔ)IMU存在的隨機(jī)漂移和誤差累計(jì)，融入GPS數(shù)據(jù)通過卡爾曼算法對其進(jìn)行處理____[3－11]。_但這會使測試成本高昂，且測試過程復(fù)雜，因此有必要構(gòu)建一種簡易可行的測試方法。多GPS架構(gòu)基于單一GPS信號，具有全無誤差累積的特點(diǎn)，對汽車的運(yùn)行軌跡進(jìn)行精確測量，利用多GPS隨著汽車軌跡所采集的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理與計(jì)算得到汽車在運(yùn)行過程中的各種動態(tài)參數(shù)。

1 多GPS架構(gòu)與測試數(shù)據(jù)特點(diǎn)

1.1 多GPS架構(gòu)

車廂作為一個剛體，GPS天線布置在車廂頂部，通過測量車廂上3個點(diǎn)的坐標(biāo)，利用多GPS架構(gòu)與車廂的幾何關(guān)系，可以計(jì)算得到車廂的姿態(tài)角。GPS以一定的數(shù)據(jù)更新率實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過前后點(diǎn)的位置關(guān)系和時(shí)間差，計(jì)算得到汽車在運(yùn)動過程中的動態(tài)參數(shù)。本文中用3個GPS天線分別布置在車廂上同步采集這3個點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 3個GPS天線的布置圖

圖1 中，給每個GPS天線設(shè)置標(biāo)識碼，1，2和3分別為GPS1，GPS2和GPS3。圖中XY坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)系，X軸正向指向大地東向，Y軸正向指向大地北向。(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)和(X3，Y3，Z3)分別為3個GPS的坐標(biāo)。定義3個GPS前一點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(X1′，Y1′，Z1′)，(X2′，Y2′，Z2′)和(X3′，Y3′，Z3′)。3個GPS天線處測得的瞬時(shí)速度分別為v1，v2和v3，車廂縱軸線與大地坐標(biāo)系中X軸間的夾角為汽車行駛過程中的橫擺角θ，汽車質(zhì)心處的速度方向與X軸的夾角為汽車航向角?。其中GPS1與GPS2的連線垂直于汽車縱軸，3個GPS呈邊長為1m的正三角形。

1.2 測試數(shù)據(jù)特點(diǎn)

在GPS實(shí)際測量中存在誤差，GPS的定位誤差為1.8m，測量精度為0.06m[11]。其中，測量精度滿足汽車測試要求，可不予考慮；但其定位誤差會影響所測得的3個GPS的相對位置，因而導(dǎo)致所獲得的汽車運(yùn)行軌跡的誤差，必須進(jìn)行修正。

圖2為3個GPS測量得到的原始軌跡圖，圖中的三角形代表各時(shí)刻3個GPS的位置，而GPS1，GPS2和GPS3箭頭所指分別為3個GPS的軌跡。按照原來的布置，每個三角形本應(yīng)為邊長為1m的等邊三角形，即正三角形。但因GPS的定位誤差，引起三角形3個頂點(diǎn)相互位置的改變，使之不再是正三角形而需要修正。鑒于GPS定位誤差對所測得汽車行駛軌跡的影響機(jī)理比較復(fù)雜，為使修正方案可行，做出如下簡化:一是假定GPS定位誤差不影響所測GPS1點(diǎn)的位置和PGS1與PGS2連線的方向；二是假定GPS定位誤差對各三角形的影響相同。據(jù)此，測量數(shù)據(jù)修正原則為:每個三角形的點(diǎn)1 (GPS1)不動，底邊，即點(diǎn)1(GPS1)和點(diǎn)2(GPS2)的連線方向不變的條件下，調(diào)整點(diǎn)2和點(diǎn)3的位置，使之恢復(fù)為正三角形。

圖2 3個GPS測量原始軌跡圖

2 多GPS架構(gòu)下的數(shù)據(jù)修正方法

2.1 軌跡矯正算法

根據(jù)上述修正原則，具體修正步驟如圖3所示。

圖3 三角形修正

首先修正初始時(shí)刻的第1個三角形，其初始測得位置由圖中Δ123表示，其點(diǎn)1在坐標(biāo)系原點(diǎn)上。第1步:以點(diǎn)1為基準(zhǔn)，做一個底邊在X軸上、邊長為1的正三角形，即圖中的Δ1′2′3′。顯然，若設(shè)(X1p，Y1p)，(X2p，Y2p)和(X3p，Y3p)分別為點(diǎn)1′，2′和3′處的坐標(biāo)，則有

第2步:為使底邊的方向不變，須將Δ1′2′3′繞點(diǎn)1′逆時(shí)針轉(zhuǎn)回底邊與X軸的夾角θ。根據(jù)坐標(biāo)變換可得

式中:(Xz，Yz)為旋轉(zhuǎn)后三角形各點(diǎn)的坐標(biāo)值；θ為旋轉(zhuǎn)角度。至此，第1個三角形修正完畢，其各頂點(diǎn)坐標(biāo)的修正值為

然后，根據(jù)第2個假定，將各三角形3個頂點(diǎn)(實(shí)際上只有點(diǎn)2和點(diǎn)3須修正)坐標(biāo)值減去式(3)的修正值即可得到修正后的實(shí)際軌跡，如圖4所示。

圖4 修正后的軌跡圖

肉眼對比圖2與圖4可粗略看到，各三角形已從非正三角形修正為正三角形。根據(jù)所做的假定，可以認(rèn)為修正后的軌跡應(yīng)能正確反映真實(shí)軌跡，但有待下文驗(yàn)證。

2.2 多GPS架構(gòu)下橫擺角速度的計(jì)算方法

橫擺角速度是指汽車車身繞汽車坐標(biāo)系垂直向上的Z軸的旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)修正后的數(shù)據(jù)，可按式(4)計(jì)算橫擺角速度:

式中:γi為第i時(shí)刻的橫擺角速度；θi為第i時(shí)刻的汽車橫擺角；Δt為同一GPS測量數(shù)據(jù)兩點(diǎn)之間的時(shí)間差；(X1i，Y1i)和(X2i，Y2i)分別為i時(shí)刻測得的GPS1和GPS2初始坐標(biāo)值。

3 實(shí)車試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

GPS的布置如圖5所示。3個GPS天線分別以邊長為1m的等邊三角形布置在車頂，其中GPS1與GPS2的連線與汽車縱軸線垂直，GPS3處于汽車縱軸線上。IMU固定在車廂上的3個GPS中間位置，安裝須注意X軸正方向應(yīng)指向汽車前進(jìn)方向。

圖5 硬件平臺與GPS接收機(jī)連接圖

圖5 中:1－3為GPS天線，接收來自衛(wèi)星的微波信號轉(zhuǎn)換成電信號再傳送給接收機(jī)；4－6分別為1－3所對應(yīng)的GPS接收機(jī)，進(jìn)一步處理來自GPS天線的電信號，最終數(shù)據(jù)幀的格式輸出到端口供上位機(jī)使用；7－9為電源；10為上位機(jī)，有4個外接串口；11為IMU測量系統(tǒng)，與GPS同步采集數(shù)據(jù)。

其中GPS測試數(shù)據(jù)精度為0.06m，數(shù)據(jù)更新率為20Hz；IMU設(shè)備動態(tài)精度為1.5°，可重復(fù)性偏差小于0.3°/s，數(shù)據(jù)更新率為100Hz。實(shí)車試驗(yàn)場景如圖6所示。

圖6 實(shí)車試驗(yàn)

3.2 結(jié)果分析

參照汽車整車道路試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)，在平直混凝土或?yàn)r青路面上，布置標(biāo)樁5根，試驗(yàn)汽車以蛇形穿桿通過試驗(yàn)路段[12]。設(shè)置GPS基本參數(shù)，當(dāng)GPS信號顯示收到4顆衛(wèi)星以上時(shí)開始試驗(yàn)。

圖7為軌跡修正前后用3個GPS天線實(shí)時(shí)坐標(biāo)值計(jì)算得到的汽車橫擺角速度與IMU測量得到的橫擺角速度值對比。由圖可見，軌跡修正前用GPS坐標(biāo)值算得的汽車橫擺角速度與IMU測量值相差懸殊，而修正后兩者很好地吻合，最大偏差在5°/s以內(nèi)，滿足汽車測試的要求。這一方面驗(yàn)證了在確定數(shù)據(jù)修正原則時(shí)所做的假定的合理性和所采用的數(shù)據(jù)修正方法的可行性；另一方面也說明前言中提及IMU存在隨機(jī)漂移和誤差累積的缺陷在短程應(yīng)用中并不顯露而可以接受。

圖7 修正前后GPS計(jì)算和IMU測量的橫擺角速度

4 結(jié)論

基于汽車測試技術(shù)的需要，采用多GPS架構(gòu)，對汽車運(yùn)動軌跡進(jìn)行測量，通過數(shù)據(jù)處理對軌跡進(jìn)行修正，并通過實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了該方法的可靠性與可行性。

利用多GPS測量的汽車橫擺角速度與對應(yīng)的IMU測量數(shù)據(jù)一致性很好，最大偏差在5°/s以內(nèi)，滿足汽車測試的要求，避免了傳統(tǒng)測量方法帶來的安裝和誤差累計(jì)等困難，也驗(yàn)證了數(shù)據(jù)處理方法的可行性。

試驗(yàn)工況具有典型性，分析結(jié)果具有一定的參考價(jià)值，為今后GPS深入運(yùn)用于汽車測試領(lǐng)域提供了良好的基礎(chǔ)。該數(shù)據(jù)處理方法是直接對GPS系統(tǒng)提供的位置信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，適用于我國現(xiàn)已基本建成的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和其它全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

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Measured Data Processing Scheme in Vehicle Test with Multi-GPS Layout

Xia Zebin1，2，Xu Yanhai3＆Wu Long1，2
1.School of Mechanical＆Electronic Engineering，Sanming University，Sanming 365004；2.Sanming Engineering Research Center of Mechanical CAD，Sanming 365004；3.School of Transportation and Automobile Engineering，Xihua University，Chengdu 610039

To enhance the efficiency and reliability of vehicle test and measurement applying GPS technology，a vehicle dynamic parameter measurement method using multi-GPS is studied.For eliminating the positioning error of GPS，a measured data correction scheme is proposed，effectively ensuring the accuracy of relative position between multi-GPS and vehicle driving trajectory.Meanwhile，inertial measurement unit is utilized to synchronously measure vehicle yaw rate during driving，which is then compared with that calculated by GPS data.The results show that both results agree well with each other，demonstrating the high accuracy of vehicle driving trajectory and related dynamic parameters obtained by the data processing scheme proposed，meeting the requirements of road test on vehicle performance.

vehicle test；multi-GPS；data processing scheme；yaw rate

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.015

?福建省教育廳科技項(xiàng)目(JK2014047)、福建省教育廳科技項(xiàng)目(JAT160463)和三明學(xué)院科技項(xiàng)目(B201612)資助。

原稿收到日期為2015年12月28日，修改稿收到日期為2016年10月20日。

夏澤斌，講師，E-mail:xzb1833＠163.com。