基于GPS及IMU的汽车道路试验系统的研究

【摘要】： 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,汽车道路试验已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(GPS)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GPS和IMU的特点相结合,并应用到汽车性能测试当中,研制了基于GPS及IMU的汽车道路试验系统。该试验系统利用GPS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GPS“盲区”的影响,在GPS短时间没有信号时利用IMU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)GPS及IMU信号的分析和处理。通过对GPS测量系统和IMU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GPS和IMU的信号,因此,两个采集过程必须同时进行。在此,利用LabVIEW的“多线程”功能,实现了GPS和IMU数据的实时、同步采集。 (3)卡尔曼滤波器的应用。IMU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GPS和IMU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GPS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GPS及IMU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GPS“盲区”对汽车性能测试造成的影响,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。