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多维轮力传感器的静态解耦及信号去噪研究 朱卫东( 信号与信息处理) 指导教师：刘润华教授、刘广孚副教授 摘要 汽车运动是地面与车轮作用的结果，测量汽车行驶过程中车轮上各维 载荷的变化，对汽车整车和各分系统研究有重要意义。车轮力的测量是基 于多维轮力传感器g w t ) 关键技术实现的，提高w f t 的测量精度具有重要 的理论研究意义和工程应用价值。以提高w f t 的测量精度为目的，本文进 行了、f t 的静态解耦及信号去噪研究，完成的工作如下： ( 1 ) 在液压标定装置上完成了、1 叮静态标定试验。根据标定数据特点， 提出了小波变换进行粗大误差和随机误差的同步剔除方法；并利用该方法 对标定数据进行了滤波预处理，取得了很好的滤波效果。 ( 2 ) 假设w f t 为线性系统并对其进行显著性检验。针对标定w f t 时 不能真正意义上施加单维力的情况，提出了迭代法实现w f r 的静态线性解 耦，并进行了、丌耦合度分析。对实车道路试验数据的解耦表明：静态线 性解耦消除了w f t 系统线性耦合，提高了w f t 的测量精度。 ( 3 ) 为克服静态线性解耦的局限进行了静态非线性解耦研究。提出了基 于g a b p 网络的、杆t 静态非线性解耦方法，根据标定样本数据进行了仿 真试验，结果表明该方法具有可行性和有效性。该方法拓宽了解耦的思路。 ( 4 ) 分析了w f t 的信噪特征，确定小波变换作为w f t 信号的去噪方 法。用常规阈值法和改进的3 盯准则阈值法分别对w f t 信号进行了去噪， 结果表明：阈值去噪法对w f t 信号进行去噪能够取得很好的效果；在同样 的小波基和分解层次下3 盯准则阈值法的去噪效果优于常规阈值法。 关键词：多维轮力传感器，静态解耦，神经网络，去噪，小波变换 s t u d y o ns t a t i cd e c o u p l i n ga n ds i g n a ld e n o i s i n gf o r m u l t i a x i a lw h e e lf o r c et r a n s d u c e r z h u w e i d o n gr s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i ur u n h u aa n d a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i ug u a n g - f u a b s t r a c t t h em o v e m e n to fa u t o m o b i l ei sc a _ u s e db yt h em u t u a lf o r c ee f f e c tb e t w e e n t h eg r o u n da n dt h ew h e e l s , a n di ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et om e a s u r et h e m u l t i - a x i sw h e e lf o r c e sf o rr e s e a r c h i n ga u t o m o b i l ea n di t ss u b s y s t e m s t h e w h e e lf o r c e sf l f f em e a s u r e du s i n gam u t i a x i a lw h e e lf o r c eu a n s d u e , e r ( w f l ) a s t h ek e yt e c h n i q u e ，a n di ti sv a l u a b l ei nt h et h e o r yr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n st oi m p r o v et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o no fw 丌t h ep a p e rs t u d i e s s t a t i cd e c o u p l i n ga n ds i g n 山d e n o i s i n gw i t ht h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gt h e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o no fw f r t h em a i nr e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) t h es t a t i cc a l i b r a t i o nt e s t sa r ef i n i s h e du s i n gt h eh y d r a u l i cc a l i b r a t i o n d e v i c ef o rw f la c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a l i b r a t i o nd a t a , t h e p a p e rp r o p o s e st h em e t h o du s i n gt h ew a v e l e tt r a n s f o r mt oe l i m i n a t eg r o s se r r o r s a n dr a n d o me r r o r ss y n c h r o n o u s l y t h e nf i l t e r i n gp r e p r o c e s s i n gi sp e r f o r m e dt o t h ec a l i b r a t i o nd a t au s i n gt h ep r o p o s e dm e t h o d a n dg o o df i l t e r i n gr e s u l t sa r c a c h i e v e d c ) a s s u m i n gw 丌i s al i n e a rs y s t e m , t h ep a p e rd o e ss i g n i f i c a n c et e s t st o v e r i f yw f ts y s t e m 5l i n e a rh y p o t h e s i s c o n s i d e r i n gs i n g l ea x i sf o r c ec a n n o tb e p u to nw f t i n d e e dd u r i n gt h ec a l i b r a t i o nt e s t s ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r di t e r a t i v e m e t h o dt or e a l i z el i n e a rd e e o u p l i n g ，a n dt h e nc h a r a c t e r i s t i c so fc r o s s e o u p l i n g a r ea n a l y z e d d a t ao b t a i n e df r o ma c t u a ld r i v i n gc o n d i t i o n si nt h ea u t o m o b i l e r o a de x l ) e i i m e n ti sl i n e a r l yd e c o u p l e d , a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t l i n e a rd e c o u p l i n gf o r 哪e l i m i n a t e sl i n e a rc r o s s c o u p l i n ge r r o ra n di m p r o v e s t h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ( 3 ) t oo v e r c o m et h el i m i t a t i o n so fs t a t i cl i n e a rd e c o u p l i n g , s t a t i cn o n l i n e a r d e e o u p l i n go fw f t i ss t u d i e d t h ep a p e rp r o p o s e sas t a t i cn o n l i n e a rd e e o u p l i n g m e t h o db a s e do ng a - b pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h ee m u l a t i o nt e s sa l ed o n e u s i n gt h es a m p l ec a l i b r a t i o nd a t a , a n dt h ee m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e m e t h o di sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h ep r o p o s e dm e t h o dd e v e l o p si d e a so f d e c o u p l i n gf o rw f t ( 4 ) h a v i n ga n a l y z e dt h es i g n a l - t o - n o i s ec h a r a c t e r i s t i c so fw f t ，t h ep a p e r a d o p t st h ew a v e l e tt r a n s f o r ma s t h ed e n o i s i n gm e t h o d t h ec o n v e n t i o n a l t h r e s h o l dd e n o i s i n gm e t h o da n dt h ea m e l i o r a t e dt h r e s h o l dd e n o i s i n gm e t h o d b a s e d0 1 1t h e3 ( rr u l ea r cu s e di nd e n o i s i n gw 丌s i g n a l sr e s p e c t i v e l y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a to b v i o u se f f e c tc a nb eo b t a i n e d 心n gt h r e s h o l d d e n o s i n gm e t h o df o r 、肝ts i g n a l s a n d t h e i m p r o v e dt h r e s h o l dm e t h o d o u t p c r f o r l n st h ec o n v e n t i o n a lt h r e s h o l dm e t h o d f o rw f rs i g n a l sd e n o i s i n g u n d e rt h es a r f l ew a v e l e tf u n c t i o na n dd e c o m p o s e dw a v e l e tl e v e l s k e yw o r d s ：m u l t i - a x i a lw h e e lf o r c et r a n s d u c e r , s t a t i cd e c o u p l i n g ，n u e r a l n e t w o r k , d e n o i s i n g , w a v e l e tt r a n s f o r m 独创- 性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：卅年岁月3 f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学幸答名策z 粜 学生签名：查兰坠 导师签名：却j 型拿鸳 l 词年s i b 订年岁 f 月引日 月j ) 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题的背景与研究意义 目前，汽车工业为我国国民经济的支柱产业，是国家扶持和重点发展 的产业之一。国内汽车工业通过合资引进国际先进技术，缩短了与国外发 达国家的差距，并正从引进技术逐步向自主开发过渡i lj 。由机械部重点立项， 东南大学汽车工程学院为首研制具有我国自主知识产权的基于汽车车轮力 测试技术的汽车道路试验系统，它对于汽车设计、开发及性能评价都具有 重要意义 2 1 。 汽车道路试验系统中汽车车轮力测试关键技术为多维轮力传感器 ( w h e e lf o r c et r a n s d u c e r ，简称为w f n 技术【j 之j 。在汽车道路试验中，w f t 安装在车轮上，可以实时测量车轮在各个方向的受力，准确获得汽车行驶 过程中车轮上各维载荷的变化，对汽车整车和各分系统的研究有重要的用 途【2 j 。如p 1 ： ( 1 ) 研究汽车制动系统，进行a b s ( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 系统评价和 开发； ( 2 ) 评价汽车动态性能，如制动、加速、胎面磨损和计算机模型验证等； ( 3 ) 进行道路谱数据采集，利用测量数据和控制软件进行路谱再现，从 而实现对整车系统进行实验室道路模拟测试并进行性能的研究； ( 4 ) 汽车悬架特性动态测量； ( 5 ) 动态测量整车参数( 质心高度、转动惯量等) 。 考虑到实际空间和环境条件，w f t 通常采用结构紧凑、功能集成的一 体化弹性元件，即仅用一个结构复杂的弹性体再配以多个敏感元件来实现 多分力的测量。该结构设计存在维间耦合现象，即在某一方向的输出信号 中包含其它方向输入量的影响。从原理上讲，通过合理设计，在单一方向 力力矩作用下，只应在其对应通道上产生信号输出。但事实上，由于传感 器机械结构、转换原理以及加工、贴片工艺等因素影响其它通道输出不为 零，形成耦合干扰f w j 。维间耦合对传感器性能有较大影响，要迸一步提高 测量精度，就必须进行维间解耦。静态耦合是制约w f t 测量精度的一个主 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 要因烈町，因此对于、】l ，f t 的静态解耦研究至关重要。 由于干扰普遍存在，、f t 测试系统在测量车轮力信号的过程中会受到 各种干扰源的干扰，因此要对测量得到的车轮力信号进行去噪，剔除干扰 信号，提高后续车轮力数据分析的准确性。 本文依托东南大学汽车工程学院张为公教授负责的江苏省交通科学研 究计划项目车辆安全性能评价及检测装置研究( 项目编号；0 5 c 0 2 ) ，以 提高w f t 的测量精度和获取准确的车轮力信号为目的，对w 兀进行静态 解耦研究以及、盯t 信号去噪研究，该研究具有重要的理论意义和工程应用 价值。 1 2 国内外研究现状 w f t 作为汽车整车试验关键设备，在发达国家己获得广泛的研究和初 步的应用。国外从上世纪八十年代中期开始研究车轮力传感器。九十年代 初美国s h c 公司、德国h b m 公司和日本小野相继出现车轮扭矩传感器产 品，并组成道路试验系统投入使用，主要用于汽车传动系统、制动系统以 及发动机动力性研究，图1 1 、1 - 2 所示s h c 公司研制的车轮扭矩传感器 i j 。 图1 1 车轮扭矩传感器图1 2 传感器安装在车轮上 由于汽车车型开发和质量评价的需要，车轮受力测量和分析从一维( 扭 矩) 向多维发展，国外许多公司都在着手这方面的研究，如美国s h i m m e l s t e i na n dc o m p a n y 、d a t r o n 、m t s 、a t ii n d u s t r i a la u t o m a t i o n 、 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 m i c h i g a ns c i e n t i f i cc o r p o r a t i o n ：德国l b f 研究所、c o r r s y s 研究中心； 瑞士k i s t l e ri n s t r u m e n t 等，并已有部分转化为产品【1 1 1 9 。 美国m t s 公司在1 9 9 9 年3 月公布了用于测量汽车车轮载荷的车轮力 传感器的重要新闻，同时申请了该产品的专利，它可以测量汽车在行驶过 程中车轮上的六维作用力，该产品如图1 3 、1 4 所示【l 】【9 】。 图1 3m t s 公司s w i f t 产品图1 - 4 传感器装车图 瑞士k i s t l e ri n s t r u m e n t 研制成功无线信号传输( w i r e l e s ss i g n a l t r a n s m i s s i o n ) 式w f t ，该传感器可与专用车轮辋连接，如图1 - 5 所示，同 时每个传感器上还有用于测量温度的热电偶( t h e r m o c o u p l e ) 装置，传感器的 输出信息通过无线传输的方式发射到车内的接收装置【1 1 1 9 1 。 图i - 5k i s t l e r 仪器公司的无线式w f t 从国外资料上看，w f t 大多应用在轿车上，适用于单胎安装，需要制 作专用轮辋，通过应变片的合理布片和组桥，对多维力进行解耦，获得各 种动态载荷。目前国外w f r 技术的研究工作主要在弹性体的结构、布片和 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 组桥、解耦算法和多路信号非接触传输几个方面进行，该技术的发展趋势 是高精度、高频响和抗干扰【1 1 1 9 。国外的w f t 关键技术对我国严格保密【j l 。 在国内，对汽车w f t 的研究则刚刚起步，1 9 9 6 年机械部重点立项对车 轮力传感器及汽车道路数据采集系统进行研究，由东南大学与跃进汽车集 团共同承接，1 9 9 8 年完成了车轮扭矩单参数测试技术的研究并进行了应用， 取得了初步成果，以车轮扭矩传感器为核心的汽车道路测试系统于1 9 9 8 年 通过技术鉴定，该成果填补了国内在车轮力传感器方面的空白。图1 - 6 为轮 力传感器在汽车上的装配图【1j 。 图l - 6 车轮力传感器安装在车轮上图l 一7 六维轮力传感器在车装配图 2 0 0 0 年，由江苏省汽车工程重点实验室立项，东南大学课题组在原有 的一维车轮力传感器的基础上，开展多维轮力传感器的研究，并设计出能 对六维力信号进行近似解耦输出的六维轮力传感器。最新研制的六维轮力 传感器实车安装如图1 7 所示。 研制的汽车w f t 采用了结构解耦输出设计，但由于w f t 制造工艺、 传感器敏感元件位置偏差等不确定性因素的影响，仍然存在或多或少一定 耦合。耦合是多维系统固有现象，所以必须通过数据处理来弥补设计中的 不足。后续数据处理对信号测量非常关键，数据处理可大大提高传感器测 量精度。国内对汽车w f r 的解耦算法研究尚少，但在机器入领域对机械人 多维腕力传感器结构和解耦算法己进行了大量的研究，并取得了一些可喜 的成果1 1 1 1 8 1 9 ，这些成果对于汽车多维轮力传感器的解耦具有一定借鉴意义 和参考价值，目前对多维力传感器静态解耦研究的算法主要有： 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 ( 1 ) 静态线性解耦 哈尔滨工业大学的姜力在文献0 0 和【l l 】中提到了多维腕力传感器的静 态线性解耦，其算法就是在假设多分力传感器为线性系统的情况下，根据 标定数据利用最1 , - 乘法线性拟合获得传感器的耦合矩阵，最后根据耦合 阵计算出传感器感受到的力。 ( 2 ) 静态非线性解耦 文献 1 2 1 提出了基于模糊推理的多维传感器解耦算法。该方法是把多 维传感器看成一个黑箱系统，根据传感器的实际标定测量数据，利用人工 智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 方法中的模糊推理来建立多维传感器模型，并用 该模型进行解祸计算，该方法的解耦效果良好，且易于在计算机上实现。 它克服了用一般数学方法都很难精确建立传感器数学模型的困难，具有较 好的容错性和鲁棒性。该方法对动态解耦计算也适用。 文献 1 3 】提出了基于查询表的解耦方法。它利用黑箱系统原理，根据 系统的输入、输出数据，提出用查询表l u p ( l o o ku pt a b l e ) 组建多维系统 的耦合通道模型，然后再进行非线性解耦。l u p 建模的精度较高，特别是 当系统耦合通道之间的变化规律较为复杂时，l u p 模型的优势更加明显。 此外，由于计算机对表格具有快速检索功能，因此l u p 建模的动态响应较 快。 基于神经网络的静态非线性解耦 1 0 q l 】就是利用人工神经网络的自学习 能力和函数映射逼近能力来自动提取标定数据中所隐含的传感器维间耦合 关系得到该传感器的解耦模型，然后由此解耦模型可完成解耦。 合肥工业大学徐科军在文献 1 4 e o 提出了机器人多维腕力传感器的静 态非线性解耦方法。该方法是利用某一分量的正向输出力力矩值对该分量 在其它通道上产生的耦合信号进行多项式非线性拟合得到非线性解耦环节 名和五；再利用传感器的输入信号对解耦后的信号进行非线性拟合，得到 校正环节和如；利用拟合得到的非线性系数对传感器输出信号进行静态 非线性解耦并计算出各通道输出误差。解耦环节的阶次须根据实际确定。 中科院合肥智能所曾提出采用分段线性方法进行非线性解耦，该方法 参数过多、计算量过大无法实用【i 5 j 。 在、叮的设计中课题组研究了抗干扰，采取了信号数字传输的方法， 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 但是作为测试系统，在模拟信号采集的过程中难免会受到干扰，因此对w f t 信号的去噪研究非常重要。目前的信号去噪方法主要有： ( 1 ) 传统数字滤波 传统的数字滤波器如巴特沃思低通滤波和有限脉冲响应( f i r ) 低通滤 波，由于自身的局限性，其滤波效果都并不理想。巴特沃思低通滤波器是 非线性的滤波器。滤波后信号会产生一定的相移；f i r 低通滤波器是分段线 性相位的滤波器，它的滤波效果也不好【。 ( 2 ) 相干平均去噪法 相干平均去噪法主要用于稳定的信号，如果噪声是白噪声，那么它的 统计特性应该是零均值的，因此通过多次采样，并将采样到的信号进行加 和平均，由于白噪声的零均值特性，因此在加和平均的过程中被互相抵消， 从而可以达到去除噪声的目的。相干平均去噪法的原理比较简单，但是相 干平均需时较长，不能作动态提取，而且当各次记录中的信号没有对齐时 处理的结果也会产生低通模糊。 ( 3 ) 维纳滤波 维纳滤波是基于最小均方误差的基础上的维纳滤波器的设计，使其与 输入信号滤波后的输出在最小平方意义下与期望输出最佳逼近，寻求最小 均方误差的实质其实就是解维纳霍夫方程。维纳滤波的最大缺点是必须 用到无限过去的数据，不适用于实时处理 1 8 - 1 9 1 。 ( 4 ) 卡尔曼滤波 卡尔曼滤波是以最小均方误差为估计的最佳准则，来寻求一套递推估计 的算法，其基本思想是：采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻 的估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现时刻的估计 值。卡尔曼滤波要求系统噪声和量测噪声准确可知，这在实际应用中很难 满足1 1 9 1 。 ( 5 ) 小波变换去噪方法 传统的建立在傅立叶变换基础上的数字滤波方法和现有一些滤波方法 都有很大的局限性，受信号本身性态影响很大，有时会给信号本身带来很 大的畸变。尤其当信号的频带和噪声频带重叠的时候，传统滤波器显得无 能为力。近几年来，小波变换迅速发展起来成为去噪的有力工具。由于良 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 好的时频局部化特性，小波变换可以准确地抓住瞬时变化的信号的特征， 而通过多尺度变换，又可对信号进行“分层式”分析，在不同频带上观察 信号的演变与特征，其实质上就是将由各种不同频率成分组成的混合信号 分解到不同的频段上，从而有效地进行信噪分离。与传统的去噪法相比， 更适合于非平稳信号的滤波，且滤波效果优于传统的去噪法【2 0 l 。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题结合江苏省汽车工程重点实验室资助项目汽车车轮多维力传 感器研究，进行w f t 的静态解耦和w f t 的信号去噪研究，主要包括以下 几个方面的内容： ( 1 ) 阐述w f t 多维车轮力测量原理；介绍w f t 的液压标定装置试验 系统；进行w f t 的静态标定试验，并对标定数据进行了租大误差剔除和滤 波等预处理。 ( 2 ) 在对w f t 主通道和耦合通道进行线性假设的显著性检验后对进行 w f t 静态线性解耦研究。 ( 3 ) 提出基于b p 网络的w f t 静态非线性解耦方法并进行研究。针对 b p 网络训练时容易陷入局部最小的缺陷，引入遗传算法并利用其全局寻优 能力来优化b p 网络的初始权重。 ( 4 ) 研究小波变换在w f t 的信号去噪应用。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多维轮力传感器w f t 的设计 第2 章多维轮力传感器w 下t 的设计 2 1 多维车轮力理论 2 1 1 车轮受力的分析 汽车在行驶过程中车轮受力状况如图2 1 所示。车轮受到六维力：纵向 力见、侧向力毋、垂直力尼、侧倾力矩m x 、扭矩m y 和回正力矩m z 的 作用0 2 1 l ，其中纵向力a 是道路对轮胎的作用力沿x 轴方向的分量：侧向力 毋是道路对轮胎的作用力沿y 轴方向的分量；垂直力尼是道路对轮胎的 作用力沿z 轴方向的分量；侧倾力矩m x 是道路对轮胎的作用力绕x 轴的力 矩：扭矩m y 和回正力矩坛分别是道路对轮胎的作用力绕y 轴和z 轴的力 矩 2 2 - 2 4 1 。 图2 - i 车轮受力示意图 测量车轮在汽车行驶过程中受到的多维力力矩的任务由轮力传感器来 完成。 2 1 2w f t 信号的坐标转换 轮力传感器安装在汽车车轮上与车轮一起旋转，其传感器坐标系与汽 车坐标系有相对转动。在传感器中定义的力矢量与汽车坐标系中定义的力 矢量是不同的，轮力传感器直接测量输出的力信号矢量并不是真正物理意 义上的汽车车轮的受力信号矢量，因此，必须建立它们之间的变换关系。 设汽车坐标系 o ) 。将 0 ) 平移到汽车车轮中心的坐标系 0 1 ) ，该坐标系 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多维轮力传感器w f t 的设计 只随汽车运动进行平移而不随车轮转动。传感器坐标系 0 2 ) ，随传感器运动， 如图2 - 2 所示。 图2 - 2 传感器坐标系与车体坐标系关系示意图 当汽车行进时，车轮转动，坐标系 0 2 ) 相对于 0 1 ) 绕y 轴旋转，旋转角 度为口( f ) ，传感器直接测量输出的力信号矢量为( a ：、乃i 、f z ：、i , k 2 、 m y ：、m z 2 ) ：而真正物理上的汽车车轮受力矢量定义为( ，x 、毋、f z 、肋q 、 蝴、心) ，即纵向力、侧向力、垂直力、侧倾力矩、扭矩、横摆力矩。 设坐标系 0 2 ) 相对于 0 i ) 坐标变换阵为： c o s o 0 s f n a l 砰= l 010 l ( 2 - 1 ) l - s i n o 0 c o s o j 则坐标系( 0 l 相对于 0 2 坐标变换阵为： c o s o0 - s i n o 叫= l 010 l ( 2 2 ) l s i n 8 0 c o s o j 车轮传感器坐标系上力分量与汽车坐标系上力分量的关系为： 阻f x 2 1 鹧网 【心jk j 车轮传感器坐标系上力矩分量与汽车坐标系上力矩分量的关系为： 9 ( 2 - 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多维轮力传感器w f t 的设计 展开得： 阱圈 if x 2 = f x i c o s e ( t ) 一f z i s i n o ( t ) l 毋：= 如 l 见2 = f x l s i n e ( t ) + f z i c o s o ( t ) im x 2 = m x l c o s o ( t ) 一m z l s i n o ( t ) i 朋y 2 = 砂i 【m z 2 = m x l s i n o ( t ) + m z l c o s o ( t ) 将式( 2 5 ) 变化后，得： r 吼 f z l m x l m y l m z c o s eos i n e0 o 1oo - s i n e0c o s 00 000c o s e oooo oo o- s i n o o0 oo oo 0s i n e 10 0c o s 0 a 2 嘞 f z 2 m x 2 m y 2 m z 2 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 从上式可以看出，要根据轮力传感器测量信号得到车轮多维力的数值， 除了力信号以外，还需要车轮转角信号e ( t 1 。根据轮力传感器提供的力和 转角信号，可直接计算得到汽车坐标系下车轮多维力的数值【1 - 2 1 阱】。 2 2 w f t 的设计 为了实现测量汽车在行驶过程中的多维车轮力，东南大学课题组设计 了多维轮力传感器，其结构如图2 3 ，它主要包括传感体f 弹性体构成、应 变片布片、组桥和信号解耦输出) 和耦合器( 旋转体和非旋转体) 。传感体进 行多维力测量的原理：利用传感器弹性体结构特点、在弹性体上合理选取 测量点并进行应变片布片、测量电桥的巧妙构成，达到测量通道信号解耦 输出。耦合器中的旋转体部分安装在车轮上随车轮一起转动进行采集传感 器解耦输出的信号并将其发送到耦合的非旋转体上，非旋转体接收旋转体 发送来的车轮力信号并将测量采集到的车轮转角和转速信号一起封装发送 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多维轮力传感器w f r 的设计 到车内数据采集设备。 图2 - 3 多维轮力传感器结构示意图 2 2 1 弹性体结构的设计与应变片布片、组桥 考虑轮力传感器安装形式和安装空间，该传感器弹性体采用八梁轮幅 式结构的弹性体，在车轮承受载荷时，在每个梁上产生对应的形变，在不 同梁的不同位置贴上电阻式应变片，并按一定的组合组成多个电桥桥路， 则每个电桥的差分输出即可对应一维载荷，并实现各维载荷的近似解耦。 传感器弹性体结构及贴片位置如图2 - 4 所示。 图2 4 六维车轮力传感器弹性体结构 测量点选取及应变片贴片布置如下1 1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 选择a 、e 梁侧表面中间轴线处，布置应变片1 、2 、9 、1 0 ，测量 垂直力尼引起的变形； ( 2 ) 选择c 、g 粱侧表面中间轴线处，布应变片5 、6 、1 3 、1 4 ，测量纵 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多维轮力传感器w f t 的设计 向力殿引起的变形； ( 3 ) 选择b 、d 、f 、h 梁侧表面根部轴线处， n 、1 2 、1 5 、1 6 ，测量扭矩m y 引起的变形； ( 4 ) 选择b 、d 、f 、h 梁侧表面根部轴线处， 2 4 、2 6 、2 8 、3 0 、3 2 ，测量扭矩毋引起的变形； 布应变片3 、4 、7 、8 、 布应变片1 8 、2 0 、2 2 、 ( 5 ) 选择c 、g 梁上下表面根部轴线处，布应变片1 9 、2 3 、2 7 、3 l ，测 量横摆力矩 如引起的变形； ( 6 ) 选择a 、e 梁上下表面根部轴线处，布应变片1 7 、2 l 、2 5 、2 9 ，测 量侧倾力矩m x 引起的变形。 设变形梁上测量点位置选取准确、各个应变片阻值相等、弹性体结构 完全对称且材料各向同性，则根据以上布片分析可以看出，布片位置或对 称或反对称，对一个变形梁而言，扭矩所引起的变形为反对称变形，而垂 直力昆，侧向力毋、纵向力戥、侧倾力矩尬及回正力矩勉引起的是对 称变形，如果在组桥的过程中，将对称位置上的应变片分别组在相邻桥臂 中，则根据电桥输出的特性，由对称变形所引起的应变片输出为同符号相 减，而反对称变形所引起的应变片输出为异符号相减，可以认为应变片电 桥的输出消除了对称变形的输出影响，只与反对称变形有关，即与扭矩有 关。此外对于垂直力尼，侧向力毋、纵向力r 、侧倾力矩 矗及回正力矩 胞，由于应变片粘贴于变形梁的中性层附近，因而上述载荷不会对桥路产 生影响【2 2 】。应变片组桥如图2 5 所示，每个应变片的阻值为3 5 0 欧姆。 耍 客露 图2 - 5 传感器应变片组桥示意图 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多维轮力传感器w f t 的设计 图2 5 中，每个电桥的上下端为供电端，在供给直流电压后，电桥左右 端的差分输出电压即对应车轮载荷在该维方向上产生的形变。电桥a 的差 分输出对应晟载荷，电桥b 的差分输出对应毋载荷，电桥c 的差分输出对 应f z 载荷，电桥d 的差分输出对应m x 载荷，电桥e 的差分输出对应m y 载 荷，电桥f 的差分输出对应m z 载荷【2 3 。2 5 】。 2 2 2 多维力输出解耦分析 桥路输出以( a ) 组桥为例，其它类同。5 、6 为c 梁侧中点，应变s 、瓯 对应于c 梁测量点拉或压所产生的正应力，1 3 、1 4 为g 梁侧中点，s ，、s 。 对应于g 梁测量点压或拉产生的正应力，且位置完全对称，所以电桥的输 出对应于梁c 、g 测量点沿x 方向上的正应力的迭加值。桥路输出为： 砜。：型墼堂掣必趔( 2 - 7 ) 式中k 应变片灵敏系数。 设广义力q 代表作用在弹性体上的力和扭矩，即： 【q i ，q 2 ，q 3 ，q 4 ，q ，包】1 = 【f x ，砂，f z ，m x ，m y ，m z 1 ( 2 8 ) 设广义力q f 作用在弹性体上，使第，个应变片产生的应变为e ，则全 部广义力所引起第，个应变片的输出应变为： 亘一 量= e j ， ( 2 。9 ) i = i 现分析组桥后电桥( a ) 输出与广义力g 的对应关系： 如图2 - 5 ( a ) 所示，其应变读数为： 皇一 ( 最+ 瓯) 一( s ，+ s i ) = ( 巨5 + 巨6 ) 一( e 1 1 3 + e ，j 4 ) 】 ( 2 - 1 0 ) i = 1 式中i = 1 , 2 ，6 分别为各广义力引起的电桥输出。 r 引起c 、g 梁拉压变形，测点的应变相等且两两符号相反，应变片 电桥对应p 的输出为： e - - g 。陋，+ 互，。) 一e j ，+ 蜀j ) j ( 2 1 1 ) 式中g 标定系数。 毋引起c 、g 梁侧弯曲变形，由于测点所在梁的中间截面没有弯曲变 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多维轮力传感器w f t 的设计 形，在该截面处的应变片应无应变输出，同时，应变片贴在梁侧面轴线处， 是梁弯曲的中性层处，无应变输出，因此侧弯曲变形引起的应变片电桥输 出为： 【( e 2 ，j + 易6 ) 一( e 2 1 3 + 易”) 】= 0 ( 2 - 1 2 ) 尼引起c 、g 梁弯曲变形，应变片r 5 、r 1 4 与r 6 、r 1 3 输出大小相 等，且方向相反。因此： 隔5 + 毛j ) 一( 易j 3 + 乓j ) = 0 ( 2 1 3 ) m x 引起c 、g 梁扭转变形，测点无正应力，故应变片电桥输出为： ( e 4 j + e ) 一( 臣1 3 + 且“) = 0 ( 2 1 4 ) m y 引起c 、g 梁弯曲变形，r 5 、r 1 3 与r 6 、r 1 4 应变相同，且方向 相反，因此，应变片电桥输出为： ( 乜，+ 易，6 ) 一( 臣j 3 + 易1 4 ) = 0( 2 - 1 5 ) m z 引起c 、g 梁侧弯曲变形，同砂分析一样，应变片电桥输出为： ( 瓯5 + 瓦6 ) 一( 最朋+ 巨j 4 ) = 0 ( 2 - 1 6 ) 根据上述分析可知，风桥路输出为： f x = g i 【( s + s 6 ) 一( s 3 + s 。) 】= q 【( 互5 + 乓，。) 一( 五j 3 + 骂，1 ) 】 ( 2 1 7 ) 同理，可以对其它桥路( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 、( d 进行分析。经过分析可知， 该布片方案可实现结构解耦，各广义力与电桥输出的应变关系为： f x = g 1 蹈，+ 蜀j ) 一强+ 蜀”) 】 f y = g 2 隅，1 8 + 最。+ 易丑+ 易，2 4 ) 一皈2 6 + 易j 8 + 易翔+ 岛3 2 ) 】 f z 2 g 3 ( e 3 j + 毛2 ) 一( 毛，+ 易舯) 】( 2 - 1 8 ) m x = g “( 巨剖+ e 拍) 一( 矗1 7 + 日j 9 ) 】 m y = g 【( e j + 易7 + 毛j l + 乓”) 一皈4 + 易j + 臣j 2 + 乓j 6 ) 】 m z = g 6 ( 1 9 + 反3 1 ) 一皈+ 最。，) 】 式( 2 1 8 ) 中g l ，g 2 ，q ，g ，g ，g 6 为标定系数川2 2 1 。 2 2 3 耦合器的设计 耦合器结构如图2 - 6 所示。耦合器主要由两部分组成：旋转体和非旋转 体。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章多维轮力传感器w f r r 的设计 曩 多 维 轮 习罔阿 l刚黼枞e 重 果 l 内嵌屯弛供电 l i1 i 5 。速， ul 力； 复 卡 转迪编码嚣e 耦合器 | 目- 目8 ”“”8 “m & # 魁 、_ _ 嬲擂 图2 - 6 耦合器结构原理图 其中具体包括： ( 1 ) 旋转式轮力信号采集部分。主要完成轮力信号的采集、a d 转换和 转速编码信号输出。此部分由内嵌电池供电。 ( 2 ) 非旋转式部分。主要完成转速转角测量，并将转速转角数据与接 收从旋转体发送过来的轮力数据进行数据封装、上传。此部分由车载电源 供电。 ( 3 ) 一对高速光电发射接收管，可实现采集数据的非接触式串行传输； 以传感器弹性体和信号耦合器为基础，对车轮力信号测量电路、转速 信号测量电路、供电电路等模块进行了一定的开发，可初步构建了图2 3 所示的轮力传感裂2 3 之4 1 。 2 3 本章小结 本章首先对车轮受力进行了分析，然后介绍了为完成车轮力测量任务 所设计的w f t 结构与测量原理，并从理论上分析了w f t 能够实现结构解 耦输出来达到测量各维车轮力信号。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章w f t 的标定试验 第3 章岍t 的标定试验 3 1 静态标定试验 通过传感器弹性体结构巧妙设计与测量应变片灵活组桥，轮力传感器 在理论上已经实现各路通道信号的解耦输出。但由于传感器制造工艺中的 不确定性因素的影响，如弹性体的设计、电阻应变片的型号、贴片位置的 选择、贴片质量的好坏、电桥转换电路及信号放大电路等，实际输出维间 存在一定程度的弱耦合，各维力力矩间的耦合关系比较复杂，难以从理论 上进行精确描述，只能通过传感器的标定试验来确定，进而通过解耦在实 时信号处理时消除其耦合影响，提高测量精度。轮力传感器标定分为静特 性标定和动特性标定，相应的耦合系数矩阵也有静态和动态之分。限于轮 力传感器标定的国内外现状，本文只进行静态标定试验。 3 2 液压式w f t 标定实验装置 课题组先前对力力矩进行标定采用挂砝码 1 l i g l 的方式进行，自制标定台 如图3 1 所示，标定架力臂的长度为2 0 m ，每块砝码质量为2 0 k g ( 精度 o 0 1 ) 。通过对弹性体外环、内环的不同组合联接，就可对w f t 进行多分 力的标定。这种方法的缺点是装卸砝码劳动强度大，费时、安装、拆卸都 不方便；最大的缺点是加载的数据点不连续性。 图3 1 自制挂砝码轮力传感器标定试验台 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章w f t 的标定试验 鉴于传统标定的不足，课题组设计了如图3 2 所示的液压标定试验系 统，图3 - 3 为其系统组成框图。 图3 - 2 液压式多维轮力传感器标定试验装置 图3 - 3 液压标定试验系统组成框图 该系统主要由三大部分组成： ( 1 ) 标定试验台 标定试验台是安装w f t 并根据标定要求对w f t 加载的装置。 ( 2 ) 液压动力控制系统 对w f t 加载力是通过上位机的控制软件发布指令给液压加载控制电 路，从而实现液压动力系统控制液压缸缓慢、平稳、连续地对标定力臂加 力。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章w f t 的标定试验 ( 3 ) 数据采集系统 数据采集系统主要完成同步采集由标准拉压力传感器感受到的标定加 载力大小和w f t 的各通道数字量输出，并由主电路板同步采集、打包并通 过c a n 总线