本發(fā)明涉及一種多軸車輛質(zhì)量及質(zhì)心位置動(dòng)態(tài)測量裝置及測量方法，屬車輛質(zhì)量及質(zhì)心位置動(dòng)態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，國內(nèi)外測量汽車質(zhì)心位置的方法主要有：重量反應(yīng)法、搖擺法、懸掛法、平臺(tái)支撐反力法以及零位法。但是以上這些都是在車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的測量方法，當(dāng)車輛處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)其質(zhì)心實(shí)際位置與測量值存在一定偏差，且這些測量方法多針對(duì)兩軸(四輪)小型車輛。對(duì)于具有彈簧懸掛系統(tǒng)的車輛，特別是對(duì)于載荷為流質(zhì)的大型多軸車輛，如消防車、混凝土攪拌車、壓裂車和固井車等，其質(zhì)心位置隨著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同而不斷變化。因此研究一種測量效率高、成本低的大型多軸車輛質(zhì)心動(dòng)態(tài)測量方法，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提供一種能夠方便、快捷地確定車輛在不同狀況下的質(zhì)量和質(zhì)心的位置，從而為車輛控制提供更為準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，使車輛的主動(dòng)控制效果明顯提高的多軸車輛質(zhì)量及質(zhì)心位置動(dòng)態(tài)測量裝置及測量方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種多軸車輛質(zhì)量及質(zhì)心位置動(dòng)態(tài)測量裝置；包括載荷傳感器、輪速傳感器，加速度傳感器、車身姿態(tài)傳感器和計(jì)算處理器；載荷傳感器、輪速傳感器，加速度傳感器和車身姿態(tài)傳感器分別與計(jì)算處理器連接；其特征在于：所述計(jì)算處理器包括單片機(jī)、信號(hào)采集模塊、輸出模塊、警報(bào)模塊、程序上傳/下載模塊、供電模塊以及分別于各個(gè)傳感器相連接的通訊接口；

所述載荷傳感器安裝于各車輪輪軸上，并用于測量車輛在啟動(dòng)之后整車質(zhì)量分布與各個(gè)車輪上的載荷；

所述輪速傳感器安裝于車輛前輪，用于測量車輛行駛速度；

所述加速度傳感器安裝于車輛底盤車架中心，用于測量車輛在行駛過程中的縱向加速度、側(cè)向加速度和垂向加速度；

所述車身姿態(tài)傳感器安裝于車輛底盤車架中心，用于測量車身的俯仰角、側(cè)傾角；

所述計(jì)算處理器在檢測到車輛當(dāng)前質(zhì)量與車輛本身質(zhì)量的差值大于車輛額定載荷的90％、以及當(dāng)前質(zhì)心位置嚴(yán)重偏離質(zhì)心原來位置時(shí)，計(jì)算處理器中的警報(bào)器閃爍并發(fā)出聲音提醒司機(jī)；

所述計(jì)算處理器在測量各個(gè)輪軸載荷與側(cè)向加速度a的同時(shí)并計(jì)算所有輪軸載荷中最大值與最小值的比值I＝F_max/F_min，當(dāng)I₁≤I≤I₂(根據(jù)車型不同，具體確定I₁和I₂，初步取I₁＝5，I₂＝10)或a大于車輛額定側(cè)向加速度的80％時(shí)，警報(bào)模塊中的警報(bào)器閃爍并發(fā)出聲音提醒司機(jī)。

上述測量裝置的測量方法包括以下步驟：

1)、首先，車輛在首次使用該系統(tǒng)時(shí)，需輸入車輛的固有參數(shù)，包括車輛輪軸個(gè)數(shù)n，車輛各個(gè)輪軸之間的軸距l(xiāng)₁,l₂...l_n以及各個(gè)輪軸中左輪與右輪間的輪距b₁,b₂...b_n；

2)、車輛點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，分布于各個(gè)輪軸的載荷傳感器開始測量車輛質(zhì)量；

3)、車輛開始移動(dòng)時(shí)，各個(gè)輪軸的載荷傳感器將測量數(shù)值上傳計(jì)算處理器，計(jì)算處理器結(jié)合車輛各個(gè)車輪之間的軸距及輪距數(shù)據(jù)，計(jì)算得到車輛質(zhì)心的縱向位置(質(zhì)心到前輪中心線的距離x)和橫向位置(質(zhì)心到左右輪中軸線的距離y)，即車輛的初始質(zhì)心位置；

4)、計(jì)算出車輛的初始質(zhì)心位置后，計(jì)算處理器通過初始質(zhì)心位置及加速度傳感器測得的加速度數(shù)據(jù)求出車輛質(zhì)心高度z：

5)、在計(jì)算出車輛質(zhì)心高度z后，各傳感器進(jìn)行下一次測量，測得最新的各輪軸載荷、車身角度及各方向加速度，將上一次計(jì)算所得質(zhì)心高度z帶入到計(jì)算公式中，以求得該次測量的車身縱向及橫向質(zhì)心位置；

6)、在計(jì)算出該次測量中車輛質(zhì)心縱向及橫向質(zhì)心位置后，各個(gè)傳感器再次進(jìn)行測量，測得最新的各輪軸載荷、車身角度及各方向加速度，將步驟5)計(jì)算所得質(zhì)心縱向及橫向質(zhì)心位置帶入到質(zhì)心高度計(jì)算公式中，即可求得該次測量的車身質(zhì)心高度。

所述車輛質(zhì)量及質(zhì)心縱向(x軸)及橫向(y軸)的初始位置計(jì)算公式為：

車輛車身俯仰角度θ和車身側(cè)傾角度的合角α(即車輛重力方向與地面夾角)為：

車輛質(zhì)量：

質(zhì)心到前輪(輪軸)中心線的距離：

質(zhì)心到左右輪中軸線的距離：當(dāng)y為正值時(shí)，質(zhì)心偏向左側(cè)，y為負(fù)值時(shí)，質(zhì)心偏向右側(cè)。

所述車輛質(zhì)心高度z的計(jì)算公式為：

所述車身縱向及橫向質(zhì)心位置的計(jì)算公式為：

質(zhì)心到前輪(輪軸)中心線的距離：

質(zhì)心到左右輪中軸線的距離：

所述步驟6)的車身質(zhì)心高度的計(jì)算公式為：

其中，車輛共有n個(gè)車軸，2≤n；

θ為車身俯仰角度；

為車身側(cè)傾角度；

F_(i,1),F_(i,2)分別為第i軸左輪和右輪載荷，1≤i≤n；

l_i為第i軸距第(i+1)軸的距離，1≤i≤n-1；

b_i為第i軸左輪到右輪距離，1≤i≤n；

a_x為車輛縱向(x軸)加速度；向前為正值；

a_y為車輛側(cè)向(y軸)加速度；向右為正值；

a_z為車輛垂向(z軸)加速度，向上為正值。

本發(fā)明的有益效果是：

1、該測量裝置中車輛質(zhì)量及質(zhì)心位置測量范圍不僅僅限于兩軸四輪車輛，可應(yīng)用于多軸車輛，該測量裝置對(duì)車輛狀態(tài)的評(píng)估計(jì)算，對(duì)車輛尤其是大型重載車輛的主動(dòng)控制意義顯著；

2、該測量裝置能夠動(dòng)態(tài)測量車輛質(zhì)量及質(zhì)心位置，為車輛控制提供更為準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，使車輛的主動(dòng)控制效果明顯提高；

3、該測量裝置通過載荷傳感器、車身姿態(tài)傳感器及車輛軸距、輪距數(shù)據(jù)，通過質(zhì)心位置動(dòng)態(tài)測量計(jì)算方法，可以準(zhǔn)確、快速確定車輛質(zhì)量和質(zhì)心位置。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2是車輛質(zhì)心縱向(x向)受力分析示意圖；

圖3是車輛質(zhì)心橫向(y向)受力分析示意圖；

圖4是車輛質(zhì)心垂向(z向)受力分析示意圖；

圖5是車輛側(cè)傾受力分析示意圖；

圖6是本發(fā)明質(zhì)心位置測量控制流程示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，該多軸車輛質(zhì)量及質(zhì)心位置動(dòng)態(tài)測量裝置；包括多個(gè)載荷傳感器、輪速傳感器，加速度傳感器、車身姿態(tài)傳感器和計(jì)算處理器；載荷傳感器、輪速傳感器，加速度傳感器和車身姿態(tài)傳感器分別與計(jì)算處理器連接。計(jì)算處理器包括單片機(jī)、信號(hào)采集模塊、輸出模塊、警報(bào)模塊、程序上傳/下載模塊、供電模塊以及分別于各個(gè)傳感器相連接的通訊接口。

該多軸車輛質(zhì)量及質(zhì)心位置動(dòng)態(tài)測量裝置的各載荷傳感器分別安裝于各車輪輪軸上，用于測量車輛在啟動(dòng)之后整車質(zhì)量分布與各個(gè)車輪上的載荷；

輪速傳感器安裝于車輛前輪，用于測量車輛行駛速度。

加速度傳感器安裝于車輛底盤車架中心，用于測量車輛在行駛過程中的縱向加速度a_x、側(cè)向加速度a_y和垂向加速度a_z。

車身姿態(tài)傳感器安裝于車輛底盤車架中心，用于測量車身的俯仰角、側(cè)傾角。

該測量裝置工作時(shí)，首先，車輛在首次使用時(shí)，需輸入車輛的固有參數(shù)，包括車輛輪軸個(gè)數(shù)n，車輛各個(gè)輪軸之間的軸距l(xiāng)₁,l₂...l_n以及各個(gè)輪軸中左輪與右輪間的輪距b₁,b₂...b_n；結(jié)合各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，可計(jì)算出車輛的質(zhì)量和質(zhì)心動(dòng)態(tài)位置；具體過程為：

車輛質(zhì)量計(jì)算：

當(dāng)車輛啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)啟動(dòng)，安裝于車輛每個(gè)車輪輪軸上的載荷傳感器測得的載荷值分別為F₁₁,F₁₂,F₂₁,F₂₂...F_n1,F_n2，車身姿態(tài)傳感器測出的車身俯仰角度θ，車身側(cè)傾角度可計(jì)算出車輛的總質(zhì)量M為：

車輛質(zhì)心初始位置計(jì)算：

如圖2和圖3所示，當(dāng)車輛剛開始啟動(dòng)時(shí)，測得各個(gè)輪軸的載荷值，結(jié)合車輛各個(gè)輪軸間的軸距及輪距，可以計(jì)算出車輛質(zhì)心的初始位置為：

質(zhì)心到前輪輪軸中心線的距離：

質(zhì)心到左右輪中軸線的距離：

其中，y為正值時(shí)，質(zhì)心偏向左側(cè)，y為負(fù)值時(shí)，質(zhì)心偏向右側(cè)。

當(dāng)車輛行駛后，如圖4和圖5所示，通過初始質(zhì)心位置及傳感器測得數(shù)據(jù)可求出其質(zhì)心高度為：

在計(jì)算出車輛質(zhì)心高度z后，各個(gè)傳感器進(jìn)行下一次測量，測得最新的各輪軸載荷、車身角度及各方向加速度，將上一次計(jì)算所得質(zhì)心高度z帶入到下列計(jì)算公式中，可求得該次測量的車身縱向及橫向質(zhì)心位置：

質(zhì)心到前輪(輪軸)中心線的距離：

質(zhì)心到左右輪中軸線的距離：

在計(jì)算出該次測量中車輛質(zhì)心縱向及橫向質(zhì)心位置后，各個(gè)傳感器進(jìn)行下一次測量，測得最新的各輪軸載荷、車身角度及各方向加速度，將上一次計(jì)算所得質(zhì)心縱向及橫向質(zhì)心位置帶入到質(zhì)心高度計(jì)算公式中，可求得該次測量的車身質(zhì)心高度。如此循環(huán)可以測得車輛質(zhì)心動(dòng)態(tài)位置(參見說明書附圖6)。通過該系統(tǒng)檢測計(jì)算出的車輛質(zhì)量和質(zhì)心動(dòng)態(tài)位置，可提供給車輛其他系統(tǒng)使用。當(dāng)車輛熄火時(shí)，該測量裝置停止工作。待車輛再次啟動(dòng)時(shí)，該測量裝置重新測量車輛質(zhì)量和質(zhì)心位置。

該測量裝置在車輛啟動(dòng)時(shí)，載荷傳感器測量各個(gè)輪軸的載荷，同時(shí)計(jì)算所有輪軸載荷中最大值與最小值的比值I＝F_max/F_min，當(dāng)I≥I₁(根據(jù)車型不同，具體確定I₁，初步取5)時(shí)，計(jì)算處理器中的警報(bào)器閃爍并發(fā)出聲音，同時(shí)為避免出現(xiàn)因道路不平引起車輪懸空導(dǎo)致警報(bào)器誤報(bào)，設(shè)置當(dāng)I≥I₂(根據(jù)車型不同，具體確定I₂，初步取10)時(shí)，警報(bào)器不響應(yīng)。

由于一般車輛正常行駛時(shí)側(cè)向加速度a≤0.4g，不同類型車輛略有區(qū)別。當(dāng)輪速傳感器2-1和2-2檢測到車輛正常行駛時(shí)，若加速度傳感器3測到車輛側(cè)向加速度a大于車輛額定側(cè)向加速度的80％時(shí)，警報(bào)器閃爍并發(fā)出聲音。

計(jì)算處理器在檢測到車輛當(dāng)前質(zhì)量與車輛本身質(zhì)量的差值大于車輛額定載荷的90％、以及當(dāng)前質(zhì)心位置嚴(yán)重偏離質(zhì)心原來位置時(shí)，計(jì)算處理器中的警報(bào)器閃爍并發(fā)出聲音提醒司機(jī)。

計(jì)算處理器在測量各個(gè)輪軸載荷與側(cè)向加速度a的同時(shí)并計(jì)算所有輪軸載荷中最大值與最小值的比值I＝F_max/F_min，當(dāng)I₁≤I≤I₂(根據(jù)車型不同，具體確定I₁和I₂，初步取I₁＝5，I₂＝10)或a大于車輛額定側(cè)向加速度的80％時(shí)，警報(bào)模塊中的警報(bào)器閃爍并發(fā)出聲音提醒司機(jī)。