一種集成式慣性導(dǎo)航測量單元及相應(yīng)測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種集成式慣性導(dǎo)航測量單元及相應(yīng)測量方法，所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元包括：印制電路板、頻率選擇模塊、VN?200芯片、組合傳感器、三軸加速度計(jì)模塊、電源穩(wěn)壓模塊、內(nèi)部電源、電源轉(zhuǎn)換模塊以及單片機(jī)模塊。VectorNav?200輸出GPS信號，X、Y、Z三個(gè)方向的加速度和旋轉(zhuǎn)角速度。組合傳感器輸出橫擺角速度和側(cè)向加速度；三軸加速度計(jì)輸出X，Y，Z三個(gè)方向的加速度。單片機(jī)模塊將上述信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CAN信號。測量單元中設(shè)有互檢自檢和補(bǔ)償機(jī)制；并且可由所測得的車輛的縱向加速度計(jì)算出當(dāng)前道路坡度；單片機(jī)模塊中編程有插值算法，可由用戶設(shè)定CAN信號的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)與整車的通信。本發(fā)明精度高、集成度高、穩(wěn)定性好、適用范圍廣、數(shù)據(jù)可靠。
【專利說明】
-種集成式慣性導(dǎo)航測量單元及相應(yīng)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種集成式慣性導(dǎo)航測量單元及相應(yīng)測量方法，屬于電路技術(shù)和信號 處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息科技的高速發(fā)展，現(xiàn)代汽車日益強(qiáng)調(diào)智能化、網(wǎng)聯(lián)化和節(jié)能化。面對車內(nèi) 外嚴(yán)峻的使用環(huán)境，為滿足時(shí)代要求，汽車需裝載龐大和復(fù)雜的汽車電子系統(tǒng)。車載測量設(shè) 備作為車輛電控系統(tǒng)的主要控制依據(jù)，裝置集成度的高低W及數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性極為 重要。整車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(包括側(cè)傾角及角速度，俯仰角及角速度，橫擺角及角速度）、Χ、Υ、ΖΞ個(gè) 方向加速度運(yùn)些慣性參數(shù)和GPS位置信號是車輛主動(dòng)安全和智能交通控制的核屯、參量。與 此同時(shí)，若汽車能夠根據(jù)當(dāng)前道路坡度主動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出并變更變速箱檔位，那么 對于汽車的節(jié)能減排意義重大。
[0003] 傳統(tǒng)的慣性測量和GI^定位依舊分離開來，沒有形成集成式設(shè)計(jì)，并且采用單串行 方案，缺乏校驗(yàn)機(jī)制，單個(gè)部件的損壞將影響整個(gè)裝置的正常工作。而傳統(tǒng)的坡度識別方法 主要有條式水平儀和傾角儀兩種，前者尺寸較大，測量范圍小;后者不能實(shí)現(xiàn)加速情況下的 巧慢，應(yīng)用受限。
[0004] 中國發(fā)明專利CN201410635870.6公開了一種基于FPGA的微小慣性測量單元。由Ξ 軸MEMS加速度計(jì)模塊和巧螺儀模塊分別感知X、Y、ΖΞ個(gè)軸向的加速度和角速度;溫度傳感 器感知載體周圍的環(huán)境溫度;信號處理器將采集到的信號轉(zhuǎn)換成符合RS232協(xié)議的格式發(fā) 送出去。該發(fā)明由于WFPGA忍片作為系統(tǒng)信號處理器，減少了運(yùn)行周期和硬件誤差并有利 于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。但測量設(shè)備一旦出錯(cuò)無法自行糾正，將會給用戶帶來錯(cuò)誤信息，而且， 其也無法提供GPS信息。
[0005] 中國發(fā)明專利CN201410817721.1公開了一種車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模 塊和車載終端。數(shù)據(jù)采集模塊包括角速度傳感器、加速度計(jì)和輪胎轉(zhuǎn)速差傳感器，Ξ者通過 數(shù)據(jù)線連接USB口。該發(fā)明可通過車輛的角速度、加速度、輪胎轉(zhuǎn)速差和一系列計(jì)算，有效解 決衛(wèi)星失效時(shí)，車輛無法定位的情況。但由于包含車載終端，價(jià)格昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜，集成度不 局。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述問題，本發(fā)明希望提供一種精度高，穩(wěn)定性好，可靠性高的集成式慣性導(dǎo) 航測量單元及相應(yīng)測量方法。本發(fā)明希望該測量單元為用戶提供更準(zhǔn)確的檢測信息，并且 一旦系統(tǒng)中即便個(gè)別測量數(shù)據(jù)出錯(cuò)，也能輸出正確的結(jié)果，即便某個(gè)測量部件出錯(cuò)，能夠快 速準(zhǔn)確地判斷出出錯(cuò)部件并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[000引一種集成式慣性導(dǎo)航測量單元，其特征在于，所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元包括： 印制電路板、頻率選擇模塊、VN-200忍片、組合傳感器、Ξ軸加速度計(jì)模塊、電源穩(wěn)壓模塊、 內(nèi)部電源、電源轉(zhuǎn)換模塊w及單片機(jī)模塊，
[0009] 其中，所述VN-200忍片和組合傳感器分別安裝在所述印制電路板上；
[0010] 所述頻率選擇模塊用于基于用戶控制進(jìn)行通信頻率選擇；
[0011] 所述VN-200忍片用于測量所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元所安裝位置的GPS定位、 橫擺角速度、側(cè)向加速度W及X、Y、ΖΞ個(gè)方向的加速度；
[0012] 所述組合傳感器用于測量所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元所安裝位置的橫擺角速 度和側(cè)向加速度；
[0013] 所述Ξ軸加速度計(jì)模塊用于測量所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元所安裝位置的X、 Υ、ΖΞ個(gè)方向的加速度；
[0014] 所述內(nèi)部電源用于通過電源穩(wěn)壓模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊為測量單元供電；
[0015] 所述單片機(jī)模塊用于對所測得信號進(jìn)行檢測和補(bǔ)償。
[0016] 優(yōu)選地，所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元還包括:第一壓線端子、第二壓線端子、RS- 232串口驅(qū)動(dòng)模塊、連接器、按鍵開關(guān)、裡電池、接插件、CAN驅(qū)動(dòng)模塊、在線調(diào)試模塊W及報(bào) 警模塊。
[0017] 優(yōu)選地，所述VN-200忍片、組合傳感器、頻率選擇模塊、CAN驅(qū)動(dòng)模塊、Ξ軸加速度 計(jì)模塊、單片機(jī)模塊、在線調(diào)試模塊和報(bào)警模塊彼此直接或間接電氣相連;所述單片機(jī)模塊 接收并處理來自經(jīng)RS-232串口驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)換后的所述VN-200忍片的信號W及頻率選擇模 塊和Ξ軸加速度計(jì)模塊的信號;所述CAN驅(qū)動(dòng)模塊通過接插件和被測車輛的CAN網(wǎng)絡(luò)相連。
[0018] 另一方面，本發(fā)明提供一種利用所述的集成式慣性導(dǎo)航測量單元對車輛運(yùn)動(dòng)信息 的進(jìn)行測量的方法，其特征在于，所述方法包括：
[0019] 步驟1、檢測所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元的上電信號，當(dāng)檢測到上電信號時(shí)，利 用所述單片機(jī)模塊采集所述內(nèi)部電源的電壓和所述VN-200忍片的頭文件，當(dāng)所述內(nèi)部電源 的電壓低于預(yù)定闊值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，提示進(jìn)行電源充電或切換至外部蓄電池;如果所述 VN-200忍片的頭文件符合預(yù)定要求則轉(zhuǎn)至步驟2,否則發(fā)出報(bào)警信號；
[0020] 步驟2、設(shè)置所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元的CAN總線的信號輸出頻率；
[0021] 步驟3、所述單片機(jī)模塊分別接收來自所述VN-200忍片的ASCII碼形式的信號、組 合傳感器的CAN信號和Ξ軸加速度計(jì)模塊的二進(jìn)制碼形式的信號，當(dāng)所述單片機(jī)模塊部分 接收到或全部接收到上述Ξ種信號時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)中斷，并在中斷函數(shù)中將ASCII碼接收標(biāo)志 位ASCII_f lag賦1;否則，等待接收；
[0022] 步驟4、當(dāng)所述單片機(jī)模塊確定ASCII_f lag = 1時(shí)，跳出中斷，進(jìn)入到所述VN-200忍 片與所述組合傳感器的CAN信號或所述Ξ軸加速度計(jì)的二進(jìn)制信號對應(yīng)的ASCII碼解析函 數(shù)當(dāng)中；
[0023] 步驟5、根據(jù)接收到的ASCn碼，查找美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼表，得到對應(yīng)的十進(jìn)制 數(shù);根據(jù)所述組合傳感器的CAN協(xié)議和Ξ軸加速度計(jì)的二進(jìn)制代碼協(xié)議可得到對應(yīng)的十進(jìn) 制數(shù)；
[0024] 步驟6、將解析出來的ASCII碼按位權(quán)加和，獲得表征集成式慣性導(dǎo)航測量單元所 測得參數(shù)的狀態(tài)量；
[0025] 步驟7、對從所述VN-200忍片測得的數(shù)據(jù)W及從所述組合傳感器和Ξ軸加速度計(jì) 測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)歸一化；
[0026] 步驟8、對從所述VN-200忍片測得的數(shù)據(jù)W及從所述組合傳感器和Ξ軸加速度計(jì) 測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行互檢校驗(yàn)W及自檢校驗(yàn)，并根據(jù)步驟2設(shè)定的發(fā)送頻率進(jìn)行插值運(yùn)算，最終 WCAN信號的形式、按設(shè)定的頻率輸出校驗(yàn)后的測量數(shù)據(jù)。
[0027] 優(yōu)選地，所述步驟6包括：
[0028] 步驟6.1、根據(jù)所述組合傳感器測得的數(shù)據(jù)，解析出側(cè)向加速度N_ay和橫擺角速度 N_yawRate；
[0029] 步驟6.2、根據(jù)所述Ξ軸加速度計(jì)測得的數(shù)據(jù)解析出來自所述Ξ軸加速度計(jì)的縱 向加速度。_3^、側(cè)向加速度F_ay和垂向加速度F_az;
[0030] 步驟6.3、根據(jù)VN-200忍片測得的數(shù)據(jù)解析出側(cè)向加速度VN_ay、橫擺角速度VN_ yawRate、縱向加速度VN_ax和垂向加速度VN_az。
[0031 ] 優(yōu)選地，所述步驟8包括：
[0032] 將來自所述組合傳感器的側(cè)向加速度N_ay、橫擺角速度N_yawRate，來自所述Ξ軸 加速度計(jì)的縱向加速度。_3^、側(cè)向加速度F_ay和垂向加速度F_az與來自所述VN-200忍片的 側(cè)向加速度VN_ay、橫擺角速度VN_yawRate、縱向加速度VN_ax和垂向加速度VN_az分別作 差。
[0033] 在一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式中，所述步驟8包括：
[0034] 步驟8.1、分別判斷來自組合傳感器、Ξ軸加速度計(jì)和VN-200忍片的相同參數(shù)的差 值是否小于預(yù)定闊值；
[0035] 步驟8.2、如果所述差值小于預(yù)定互差闊值，則進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出；
[0036] 步驟8.3、如果所述差值大于等于所述預(yù)定互差闊值，則相應(yīng)的錯(cuò)誤標(biāo)志位自加1， 連續(xù)校驗(yàn)Ξ組，若Ξ組互差值皆大于預(yù)定互差闊值，則判定相應(yīng)參數(shù)測量出錯(cuò)；
[0037] 步驟8.4、對出錯(cuò)參數(shù)所設(shè)及的測量部件進(jìn)行自檢，所述自檢包括將來自不同測量 模塊的出錯(cuò)參數(shù)的當(dāng)前值與上一周期的歷史值分別進(jìn)行比對，求得對應(yīng)參數(shù)的自差值，判 定自差值是否小于自差闊值，如果所述自差值小于自差闊值，則判定相應(yīng)測量模塊運(yùn)行正 確，輸出該測量模塊的測量結(jié)果作為輸出；若每個(gè)測量模塊對應(yīng)的自差值均大于其自差闊 值，則判斷出錯(cuò)信號類型，若為加速度，則利用GI^信號求差分補(bǔ)償輸出；若為加速度外的其 它信號則報(bào)警并結(jié)束。
[0038] 在一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)方式中，所述方法還包括步驟9,所述步驟9包括：
[0039] 步驟9.1、獲取測量單元所安裝車輛的車速信號，并構(gòu)造 fifo先進(jìn)先出序列來存放 車速歷史數(shù)據(jù)Vi，V2，……，Vn+i，其中，η為表示數(shù)據(jù)數(shù)目的整數(shù)；
[0040] 步驟2、根據(jù)采集到的車速信號依次進(jìn)行差分，并用fifo先進(jìn)先出序列存儲整車加 速度曰1，曰2,……，an，然后采用中位值平均濾波法進(jìn)行濾波；
[0041] 步驟3、根據(jù)公??
夾得一系列坡度序列9i，92，……， 白η;
[0042] 步驟4、對步驟3所采集到的數(shù)據(jù)求平均值
，即可輸出當(dāng)前道路坡度。
[0043] 所述步驟9.2包括：
[0044] 步驟9.2.1、求fifo先進(jìn)先出加速度隊(duì)列al-an中的最大值amax和最小值amin;
[0045] 步驟9.2.2、求得最新加速度值曰日，計(jì)算
ap 就是平滑后的加速度值；
[0046] 步驟9.2.3、f i f 0循環(huán)移位，an=an-i，an-i = an-2，......，ai = ao;
[0047] 步驟9.2.4、重復(fù)步驟9.2.1。
[0048] 本發(fā)明由于采取W上技術(shù)方案，與現(xiàn)有測量單元相比，具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0049] 1、測量單元設(shè)有頻率選擇模塊，用戶可根據(jù)具體需求調(diào)節(jié)CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率；
[0050] 2、無需外接電源，設(shè)置電源穩(wěn)壓模塊，承受電壓范圍寬，可同時(shí)適配不同車型，并 且外圍連接簡單，安裝靈活；
[0051] 3、兼具慣性測量、GPS定位和道路坡度測量的功能，系統(tǒng)集成度高，可有效降低電 子系統(tǒng)的復(fù)雜度；
[0052] 4、數(shù)據(jù)測量更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠，并且，一旦系統(tǒng)中某個(gè)測量數(shù)據(jù)出錯(cuò)，能夠及時(shí) 發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)數(shù)據(jù)，并且輸出正確數(shù)據(jù);并且一旦某個(gè)部件測量出錯(cuò)能夠準(zhǔn)確地判斷出出錯(cuò)部 件并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償W及報(bào)警。
【附圖說明】
[0053] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的集成式測量單元的框架圖；
[0054] 圖2為集成式測量單元的慣性測量元件坐標(biāo)系圖；
[0055] 圖3為利用本發(fā)明的測量單元進(jìn)行慣性導(dǎo)航測量的流程圖；
[0056] 圖4為本發(fā)明的測量方法進(jìn)行校驗(yàn)補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D；
[0057] 圖5為車輛在坡道行駛時(shí)受力圖；
[0058] 圖6為加速度計(jì)算道路坡度流程圖；
[0059] 其中：1-印制電路板、2-壓線端子、3-壓線端子、4-M2.5螺栓、5-VectorNav-200 (VN-200)、6-RS-232串口驅(qū)動(dòng)模塊、7-電源穩(wěn)壓模塊，8-電源轉(zhuǎn)換模塊、9-連接器、10-按鍵 開關(guān)、11-裡電池、12-接插件、13-頻率選擇模塊、14-CAN驅(qū)動(dòng)模塊、15-Ξ軸加速度計(jì)模塊、 16-單片機(jī)模塊、17-在線調(diào)試模塊、18-報(bào)警模塊、19-組合傳感器、20-M6.0螺栓。
【具體實(shí)施方式】 [0060] 實(shí)施例1
[0061 ]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0062] 圖1為本實(shí)施例中的集成式慣性導(dǎo)航測量單元及相應(yīng)測量方法的整體框架圖。如 圖所示，在本實(shí)施例中，測量單元包括印制電路板1、壓線端子2、壓線端子3、M2.5螺栓4、 Vecto曲av-200 (VN-200 )5、RS-232串口驅(qū)動(dòng)模塊6、電源穩(wěn)壓模塊7、電源轉(zhuǎn)換模塊8、連接器 9、按鍵開關(guān)10、裡電池11、接插件12、頻率選擇模塊13、CAN驅(qū)動(dòng)模塊14、Ξ軸加速度計(jì)模塊 15、單片機(jī)模塊16、在線調(diào)試模塊17、報(bào)警模塊18、組合傳感器19、M6螺栓20。
[0063] 其中，Vecto礎(chǔ)av-200(VN-200)5和組合傳感器19分別通過]?2.5螺栓4和]\16螺栓20 固定在印制電路板1上，Ξ者為機(jī)械連接;VectorNav-200(VN-200)5和組合傳感器19的供電 線和信號線被壓緊在壓線端子2和壓線端子3上，實(shí)現(xiàn)與其它模塊的通信，Ξ者為電氣連接； 裡電池11的電源線和地線和連接器9電氣相連;連接器9與電源穩(wěn)壓模塊7和電源轉(zhuǎn)換模塊8 電氣相連；電源穩(wěn)壓模塊7與壓線端子2電氣相連;電源轉(zhuǎn)換模塊8與壓線端子3、RS-232串口 驅(qū)動(dòng)模塊6、頻率選擇模塊13、CAN驅(qū)動(dòng)模塊14、Ξ軸加速度計(jì)模塊15、單片機(jī)模塊16、在線調(diào) 試模塊17和報(bào)警模塊18電氣相連;接插件12和CAN驅(qū)動(dòng)模塊14電氣相連;單片機(jī)模塊16與壓 線端子2、壓線端子3、RS-232串口驅(qū)動(dòng)模塊6、頻率選擇模塊13、CAN驅(qū)動(dòng)模塊14、Ξ軸加速度 計(jì)模塊15、在線調(diào)試模塊17和報(bào)警模塊18電氣相連。
[0064] 所述印制電路板1為本發(fā)明電路和電子元器件的承載實(shí)體；
[0065] 所述壓線端子2焊接在印制電路板1上，一端從左到右依次連接組合傳感器19的地 線，CA化線，CANH線和12V電源線，另一端與印制電路板1相對應(yīng)的位置相連。實(shí)現(xiàn)組合傳感 器與印制電路板1的通信。
[0066] 所述壓線端子3也焊接在印制電路板1上，一端從左到右依次連接Vectortfev-200 (VN-200)5的供電線，RS232_T線，35232_1?線和地線，另一端與印制電路板1相對應(yīng)的位置相 連。實(shí)現(xiàn)VectorNav-200 (VN-200) 5與印制電路板1的通信。
[0067] 所述M2.5螺栓4與VectorNav-200(VN-200)5的安裝孔匹配，左右對稱各一個(gè)，通過 螺母將VectorNav-200 (VN-200) 5固連在印制電路板1上。
[0068] 所述Vectortfev-200(VN-200)5為美國Vectortfev科技公司推出的高精度9軸傳感 器，同時(shí)集成GPS接收器。額定工作電壓為5V。坐標(biāo)系方向如圖2所示。可輸出運(yùn)動(dòng)物體在X， Y，ΖΞ個(gè)方向的加速度、角速度、磁場強(qiáng)度和當(dāng)前位置;輸出數(shù)據(jù)類型為ASCn碼。
[0069] 所述RS-232串口驅(qū)動(dòng)模塊6包括MAX232AC沈和與引腳配合使用的0. luF陶瓷電容， 額定工作電壓為SVeVecto礎(chǔ)av-200(VN-200)5電平類型為RS-232電平，而單片機(jī)模塊16所 能處理的電平類型為TTL電平，RS-232串口驅(qū)動(dòng)模塊6負(fù)責(zé)進(jìn)行電平類型的轉(zhuǎn)換。
[0070] 所述電源穩(wěn)壓模塊7包括電源電壓穩(wěn)壓忍片LM2940-12V和輸入引腳的0.47UF陶瓷 電容和輸出引腳的22uF電解質(zhì)電容，乘用車蓄電池電壓為12V，商用車蓄電池電壓為24V，為 同時(shí)滿足不同車型的需求，此模塊可承受的輸入電壓范圍為5V-26V，輸出電壓為12V，并且 當(dāng)裡電池電量不足或者外接蓄電池電量不足時(shí)，輸出電壓可被錯(cuò)制在12V，保證集成式慣性 導(dǎo)航測量單元在低電壓時(shí)依舊可正常工作。
[0071] 所述電源轉(zhuǎn)換模塊8包括電源電壓轉(zhuǎn)換忍片化E4271-2G和外圍的電容和電阻。乘 用車蓄電池電壓為12V，商用車蓄電池電壓為24V。為滿足不同車型的使用需求，此模塊可承 受的輸入電壓為6V-40V，輸出電壓為5V。實(shí)現(xiàn)為額定工作電壓為5V模塊的穩(wěn)定供電。此外， 化E4271-2G提供抑制引腳INHW提供開關(guān)的功能，當(dāng)此引腳為低電平時(shí)，不能轉(zhuǎn)換電壓，ii 量單元不工作；當(dāng)引腳為高電平時(shí)，可正常轉(zhuǎn)換電壓，測量單元工作。
[0072] 所述連接器9為2針的母頭，可與裡電池的公頭相配合，將電源引入到印制電路板1 中。
[0073] 所述按鍵開關(guān)10包括兩個(gè)引腳，一端連接12V，一端連接上述電源電壓轉(zhuǎn)換忍片 TLE4271-2G的INH引腳，按鍵開關(guān)按下時(shí)，測量單元開始工作；否則，測量單元退出工作。
[0074] 所述裡電池11額定工作電壓為12V，為測量單元供電。
[0075] 所述接插件12自上至下信號依次為蓄電池的供電線，地線，CANH線和CA化線。
[0076] 其中，供電線和地線用于保障信號的穩(wěn)定。當(dāng)裡電池的電壓過低時(shí)，可連接車上的 蓄電池使測量單元正常工作。測量單元測量和轉(zhuǎn)換出來的CAN信號通過接插件12和整車的 CAN網(wǎng)絡(luò)相連。
[0077]所述頻率選擇模塊13由旋鈕開關(guān)和限流電阻組成。與單片機(jī)模塊的模塊轉(zhuǎn)換引腳 相連，共設(shè)置100監(jiān)，200監(jiān)，500監(jiān)和1000監(jiān)四個(gè)檔位，可供用戶根據(jù)需求選擇。
[007引所述CAN驅(qū)動(dòng)模塊14包括CAN驅(qū)動(dòng)忍片TLE6250G和外圍的電阻電容，接收來自單片 機(jī)模塊16經(jīng)采集和處理后的信號并將其轉(zhuǎn)換成CAN信號，通過CAN總線和CAN網(wǎng)絡(luò)通信。
[0079] 所述Ξ軸加速度計(jì)模塊15包括加速測量忍片F(xiàn)XAS21002和外圍的電阻和電容。坐 標(biāo)系方向如圖2所示。采用同步通信，可測量得到Χ,Υ,ΖΞ個(gè)方向的加速度。
[0080] 所述單片機(jī)模塊16采用Infineonie位單片機(jī)XC2765,包括濾波電路，復(fù)位電路和 晶振電路，單片機(jī)模塊16接收來自VectorNav-200 (VN200 )5，Ξ軸加速度計(jì)模塊15和組合傳 感器19的信號，并在軟件中統(tǒng)一將信號類型轉(zhuǎn)換為CAN信號。
[0081] 所述在線調(diào)試模塊17與英飛凌專用仿真器相連，進(jìn)行程序的燒錄和變量的在線觀 測與調(diào)試。
[0082] 所述報(bào)警模塊18設(shè)置發(fā)光二極管和蜂鳴器，和單片機(jī)的10 口相連，當(dāng)檢測到裡電 池電壓過低或者系統(tǒng)故障時(shí)可發(fā)出警告。
[0083] 所述組合傳感器19為兩軸的慣性傳感器，額定工作電壓為12V，坐標(biāo)系方向如圖2 所示。四個(gè)端口從左到右依次為地線GND，CANL，CANH，和供電線12V，可測得橫擺加速度和側(cè) 向加速度，信號類型為CAN信號。
[0084] 所述M6螺栓20和組合傳感器19的安裝孔適配，左右對稱各一個(gè)，和螺母配合可將 組合傳感器固定在印制電路板1上。
[0085] 為進(jìn)一步說明本發(fā)明的信息交互，下面列表對集成式慣性導(dǎo)航測量單元及相應(yīng)測 量方法中的信號流加 W說明：
[0086] 參見表1，集成式慣性導(dǎo)航測量單元及相應(yīng)測量方法信號流，其中包括器件名稱、 信號名稱和信號類型。
[0090] 所述Vector化v-200(VN-200)5為主，Ξ軸加速度計(jì)模塊15和組合傳感器19為輔，
[0087] 表1集成式慣性導(dǎo)航測量單元及相應(yīng)測量方法信號流 [008引
[0089] w達(dá)到相互校驗(yàn)和冗余設(shè)計(jì)的目的。
[0091] 為進(jìn)一步說明本發(fā)明專利的實(shí)施方式，將結(jié)合圖2詳細(xì)說明信號的解析和協(xié)議的 制定方法：
[0092] 步驟1、當(dāng)按鍵開關(guān)按下檢測到上電信號時(shí)，開始檢測單片機(jī)所采集到的蓄電池電 壓和VN200的頭文件，當(dāng)蓄電池電壓小于7V時(shí)紅色指示燈開始閃爍，提示裡電池需要充電或 切換至外部蓄電池；當(dāng)VN200的頭文件并非1VNISL"時(shí)白色指示燈閃爍，當(dāng)接收到正確的頭 文件時(shí)指示燈滅。否則程序開始正常運(yùn)行；
[0093] 步驟2、撥動(dòng)旋鈕開關(guān)，設(shè)置CAN信號的輸出頻率，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集到相應(yīng)的電 壓值時(shí)便會觸發(fā)相應(yīng)頻率的CAN信號發(fā)送函數(shù)；
[0094] 步驟3、當(dāng)單片機(jī)接收到ASCII碼時(shí)，產(chǎn)生中斷，并在中斷函數(shù)中將ASCII碼接收標(biāo) 志位ASCII_f lag賦1;否則，等待接收；
[00M] 步驟4、當(dāng)單片機(jī)檢測到ASCII_f lag= 1時(shí)，程序跳出中斷，轉(zhuǎn)至ASCII碼解析函數(shù) 中運(yùn)行。計(jì)數(shù)標(biāo)志自加1，當(dāng)計(jì)數(shù)標(biāo)志位處于所需變量的字節(jié)范圍時(shí)，將數(shù)值取出并保存在 一維數(shù)組當(dāng)中；否則，不取出數(shù)據(jù)，表2列出了所需數(shù)據(jù)的字節(jié)范圍；由于字符串的總長度為 164,因此當(dāng)計(jì)數(shù)標(biāo)志位大于164時(shí)，清零；
[0096] 表2所需數(shù)據(jù)字節(jié)范圍
[0097]
[009引
[0099] 步驟5、根據(jù)接收到的ASCn碼，查找美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼，可得到對應(yīng)的十進(jìn)制 數(shù)，并用一維數(shù)組記錄下來；
[0100] 步驟6、串口數(shù)據(jù)是按照位發(fā)送的，因此需將解析出來的ASCn碼按位權(quán)加和，可得 到如表2所示的各種信號；
[0101] 步驟7、如圖2所示，VectorNav-200(VN200)坐標(biāo)系的Y向和Z向與組合傳感器和Ξ 軸加速度計(jì)的相反，為了方便相互校驗(yàn)和檢測，需進(jìn)行坐標(biāo)的規(guī)一劃。在程序中對側(cè)向加速 度VN_ay，垂向加速度VN_az，橫擺角速度VN_yawRate取相反數(shù)即可；
[0102] 步驟8、定義所得狀態(tài)量的CAN協(xié)議，編寫CAN發(fā)送函數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號的采集和類型的 轉(zhuǎn)換；
[0103] 為進(jìn)一步說明本發(fā)明專利的互檢、自檢和補(bǔ)償機(jī)制，將結(jié)合圖3說明其設(shè)計(jì)流程：
[0104] 步驟1、當(dāng)檢測到上電信號時(shí)，單片機(jī)模塊檢測其接收端口是否接收到來自組合傳 感器的CAN數(shù)據(jù)，是，繼續(xù)運(yùn)行;否，監(jiān)測等待;與此同時(shí)，單片機(jī)也檢測是否接收到來自Ξ軸 加速度計(jì)的信號，是，繼續(xù)運(yùn)行;否，監(jiān)測等待；
[0105] 步驟2、當(dāng)接收到CAN數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生中斷，接收標(biāo)志CAN_flag賦1;同理當(dāng)串口接收到 8位二進(jìn)制數(shù)時(shí)，產(chǎn)生中斷，接收標(biāo)志Bina^_flag賦1;
[0106] 步驟3、檢測到標(biāo)志位變?yōu)?后，定義CAN解析函數(shù)，程序隨即轉(zhuǎn)入執(zhí)行，根據(jù)組合傳 感器的CAN協(xié)議通過移位和位與操作，解析出側(cè)向加速度N_ay和橫擺角速度N_yawRate;同 理，可解析出來自Ξ軸加速度計(jì)的縱向加速度F_ax、側(cè)向加速度F_ay和垂向加速度F_az;
[0107] 步驟4、將來自組合傳感器的N_ay、N_yawRate，來自Ξ軸加速度計(jì)的縱向加速度F_ ax、側(cè)向加速度F_ay和垂向加速度F_az與來自Ve C tor化V-200 (VN200)的側(cè)向加速度VN_ay、 橫擺角速度VN_yawRate、縱向加速度VN_ax、側(cè)向加速度VN_ay和垂向加速度VN_az分別作差 校驗(yàn)；
[0108] 步驟5、根據(jù)步驟4所得的互差開始進(jìn)行校驗(yàn)，編寫校驗(yàn)函數(shù)，當(dāng)差值小于所設(shè)定的 最大的互差闊值，說明測量單元運(yùn)行無誤，數(shù)據(jù)輸出；否則，相應(yīng)的錯(cuò)誤標(biāo)志位自加1，連續(xù) 校驗(yàn)Ξ組，若化ult_f lag大于所設(shè)的口限值，則判定測量單元有器件運(yùn)行出錯(cuò)；
[0109] 步驟6、當(dāng)互檢檢測到有錯(cuò)誤信號時(shí)，隨即開啟自檢機(jī)制W確定具體錯(cuò)誤位置。將 兩個(gè)相關(guān)信號的當(dāng)前值和上一周期的歷史數(shù)據(jù)作對比求得自差值。自差值若大于所設(shè)的自 差闊值，則判定正確;否則，判定錯(cuò)誤。若有一個(gè)出錯(cuò)，則輸出正確的;若兩個(gè)都出錯(cuò)，則判斷 出錯(cuò)信號類型，若為加速度，則通過GPS位置差分補(bǔ)償輸出加速度，若為其它，則報(bào)警結(jié)束；
[0110] 步驟7、根據(jù)所設(shè)定的發(fā)送頻率進(jìn)行插值，最終將信號發(fā)送到整車CAN網(wǎng)絡(luò)。
[0111] 本發(fā)明的測量單元及相應(yīng)測量方法還能夠提供車輛行駛的坡度信息。
[0112] 如圖5所示，車輛在坡道上行駛時(shí)所受力包括:設(shè)車輛的總質(zhì)量為m，道路坡度為Θ。 Ft-驅(qū)動(dòng)力、Ff-摩擦力、Fn-道路支持力、G-整車重力、Gsin0-車重沿坡道分量、GCOS0-車重 沿垂直坡道分量、atar-整車加速度。則車輛所受的平衡力方程如下：
[0113]
(1)
[0114] 對上式整理可得：gsin 目=VN_ax-acar (2)
[0115] 則道路坡度為：
^3；)
[0116] 其中g(shù)為重力加速度。
[0117] 為進(jìn)一步說明本發(fā)明專利的根據(jù)縱向加速度估算道路坡度的算法，將結(jié)合圖6說 明具體的計(jì)算過程：
[0118] 步驟1、從整車CAN網(wǎng)絡(luò)獲取車速信號，并構(gòu)造 fifo先進(jìn)先出序列來存放車速歷史 數(shù)據(jù)Vi，V2，……，Vn+i，η為表示數(shù)據(jù)數(shù)目的整數(shù)；
[0119] 步驟2、根據(jù)采集到的車速信號依次進(jìn)行差分，并用fifo先進(jìn)先出序列存儲整車加 速度曰1，曰2,……，an，然后采用中位值平均濾波法進(jìn)行濾波；
[0120] 步驟3、根據(jù)公式(3)可得到一系列坡度序列Θι，θ2,……，θη;
[0121] 步驟4、對步驟3所采集到的數(shù)據(jù)求平均
即可輸出當(dāng)前道路坡度。
[0122] 所述步驟2包括：
[0123] 步驟2.1、求fifo先進(jìn)先出加速度隊(duì)列ai -an中的最大值amax和最小值amin;
[0124] 步驟2.2、求得最新加速度值ao,計(jì)算
ap就 是平滑后的加速度值；
[012 引步驟 2.3、fifo 循環(huán)移位，an=an-i，an-i = an-2,......，ai = ao;
[0126] 步驟2.4、重復(fù)步驟2.1。
[0127] 雖然上面結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明的原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域技 術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明的示意性實(shí)現(xiàn)方式的解釋，并非對本發(fā)明包 含范圍的限定。實(shí)施例中的細(xì)節(jié)并不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制，在不背離本發(fā)明的精神和 范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均落在 本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種集成式慣性導(dǎo)航測量單元，其特征在于，所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元包括：印 制電路板、頻率選擇模塊、VN-200芯片、組合傳感器、三軸加速度計(jì)模塊、電源穩(wěn)壓模塊、內(nèi) 部電源、電源轉(zhuǎn)換模塊以及單片機(jī)模塊， 其中，所述VN-200芯片和組合傳感器分別安裝在所述印制電路板上； 所述頻率選擇模塊用于基于用戶控制進(jìn)行通信頻率選擇； 所述VN-200芯片用于測量所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元所安裝位置的GPS定位、橫擺 角速度、側(cè)向加速度以及X、Y、Z三個(gè)方向的加速度； 所述組合傳感器用于測量所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元所安裝位置的橫擺角速度和 側(cè)向加速度； 所述三軸加速度計(jì)模塊用于測量所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元所安裝位置的X、Y、Z三 個(gè)方向的加速度； 所述內(nèi)部電源用于通過電源穩(wěn)壓模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊為測量單元供電； 所述單片機(jī)模塊用于對所測得信號進(jìn)行檢測和補(bǔ)償。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式慣性導(dǎo)航測量單元，其特征在于，所述集成式慣性導(dǎo)航 測量單元還包括:第一壓線端子、第二壓線端子、RS-232串口驅(qū)動(dòng)模塊、連接器、按鍵開關(guān)、 鋰電池、接插件、CAN驅(qū)動(dòng)模塊、在線調(diào)試模塊以及報(bào)警模塊。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成式慣性導(dǎo)航測量單元，其特征在于，所述VN-200芯片、組 合傳感器、頻率選擇模塊、CAN驅(qū)動(dòng)模塊、三軸加速度計(jì)模塊、單片機(jī)模塊、在線調(diào)試模塊和 報(bào)警模塊彼此直接或間接電氣相連;所述單片機(jī)模塊接收并處理來自經(jīng)RS-232串口驅(qū)動(dòng)模 塊轉(zhuǎn)換后的所述VN-200芯片的信號以及頻率選擇模塊和三軸加速度計(jì)模塊的信號；所述 CAN驅(qū)動(dòng)模塊通過接插件和被測車輛的CAN網(wǎng)絡(luò)相連。4. 一種利用權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的集成式慣性導(dǎo)航測量單元對車輛運(yùn)動(dòng)信息 的進(jìn)行測量的方法，其特征在于，所述方法包括： 步驟1、檢測所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元的上電信號，當(dāng)檢測到上電信號時(shí)，利用所 述單片機(jī)模塊采集所述內(nèi)部電源的電壓和所述VN-200芯片的頭文件，當(dāng)所述內(nèi)部電源的電 壓低于預(yù)定閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，提示進(jìn)行電源充電或切換至外部蓄電池；如果所述VN-200 芯片的頭文件符合預(yù)定要求則轉(zhuǎn)至步驟 2,否則發(fā)出報(bào)警信號； 步驟2、設(shè)置所述集成式慣性導(dǎo)航測量單元的CAN總線的信號輸出頻率； 步驟3、所述單片機(jī)模塊分別接收來自所述VN-200芯片的ASCII碼形式的信號、組合傳 感器的CAN信號和三軸加速度計(jì)模塊的二進(jìn)制碼形式的信號，當(dāng)所述單片機(jī)模塊部分接收 到或全部接收到上述三種信號時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)中斷，并在中斷函數(shù)中將ASCII碼接收標(biāo)志位 ASCII_f lag賦1;否則，等待接收； 步驟4、當(dāng)所述單片機(jī)模塊確定ASCII_f lag= 1時(shí)，跳出中斷，進(jìn)入到所述VN-200芯片與 所述組合傳感器的CAN信號或所述三軸加速度計(jì)的二進(jìn)制信號對應(yīng)的ASCII碼解析函數(shù)當(dāng) 中； 步驟5、根據(jù)接收到的ASCII碼，查找美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼表，得到對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)； 根據(jù)所述組合傳感器的CAN協(xié)議和三軸加速度計(jì)的二進(jìn)制代碼協(xié)議可得到對應(yīng)的十進(jìn)制 數(shù)； 步驟6、將解析出來的ASCII碼按位權(quán)加和，獲得表征集成式慣性導(dǎo)航測量單元所測得 參數(shù)的狀態(tài)量； 步驟7、對從所述VN-200芯片測得的數(shù)據(jù)以及從所述組合傳感器和三軸加速度計(jì)測得 的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)歸一化； 步驟8、對從所述VN-200芯片測得的數(shù)據(jù)以及從所述組合傳感器和三軸加速度計(jì)測得 的數(shù)據(jù)進(jìn)行互檢校驗(yàn)以及自檢校驗(yàn)，并根據(jù)步驟2設(shè)定的發(fā)送頻率進(jìn)行插值運(yùn)算，最終以 CAN信號的形式、按設(shè)定的頻率輸出校驗(yàn)后的測量數(shù)據(jù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟6包括： 步驟6.1、根據(jù)所述組合傳感器測得的數(shù)據(jù)，解析出側(cè)向加速度N_ay和橫擺角速度N_ yawRate； 步驟6.2、根據(jù)所述三軸加速度計(jì)測得的數(shù)據(jù)解析出來自所述三軸加速度計(jì)的縱向加 速度F_ax、側(cè)向加速度F_ay和垂向加速度F_az; 步驟6.3、根據(jù)VN-200芯片測得的數(shù)據(jù)解析出側(cè)向加速度VN_ay、橫擺角速度VN_ yawRate、縱向加速度VN_ax和垂向加速度VN_az。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟8包括： 將來自所述組合傳感器的側(cè)向加速度~_87、橫擺角速度N_yawRate，來自所述三軸加速 度計(jì)的縱向加速度F_ax、側(cè)向加速度F_ay和垂向加速度F_az與來自所述VN-200芯片的側(cè)向 加速度VN_ay、橫擺角速度VN_yawRate、縱向加速度VN_ax和垂向加速度VN_az分別作差。
【文檔編號】G01C21/16GK105823484SQ201610355456
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】李亮, 張曉宏
【申請人】清華大學(xué)