事故车辆轨迹复现系统的研究与实现

1、苏州大学硕士学位论文事故车辆轨迹复现系统的研究与实现姓名：仝静申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：施国梁20091101啊，：；：苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。研究生签名：全盏日期：兰！：堡：！学位论文使用授权声明苏州大学、中国科学技术信息研究所

2、、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权苏州大学学位办办理。期：皇！：！：期：兰！盘：垒：！】事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第一章绪论第一章绪论弟一早三百匕选题的意义随着交通运输业和汽车工业的高速发展，交通事故成为全球性主要公害之一。我国的汽车总数约占全球的，据公安部网站消息，年全国共发生道路交通事故起，这给我国的公安机关带来了沉

3、重的负担。如何提高事故处理分析的科学性、准确性已经成为当前一个重要的研究课题。若交通事故已经发生，如何在事故中客观的判断事故双方的责任，使受害方的权益不受侵害，并得到合理的赔偿，这是受害人保护个人权益要做的事情。而通常公安机关判断交通事故责任时的推理含有一定的主观因素。他们会根据以前处理相似案件的经验来判断是非，当然，这有一定的依据和正确性，但有时也会和事实有一定的出入。如果处理不当，会使受害人的利益收到侵害，也会给社会带来不安定因素。所以，我们需要一种客观的，科学的，精确的复现系统，它通过保存事故发生过程中的受力情况与姿态，来重现发生事故时汽车的行驶轨迹，达到还原事故现场的目的。由于记录的数

4、据是客观的，那么，复现的轨迹是科学的。根据客观的复现轨迹就可以客观的分析和判断事故原因与责任，避免不必要纠纷，既保护了受害人的权益，又给公安部门以及受害者带来方便，使社会更和谐。与此同时，该系统还可以让那些带有侥幸心理的驾驶员自觉的做到规范行车，从而大大减少交通事故的发生率。国内外研究现状目前主要通过计算机辅助实现交通事故的再现。计算机辅助再现道路交通事故是将事故再现分析方法系统化和程序化，根据交通事故现场的勘察数据、事故车辆的基本参数及事故前后的状态参数，使用计算机对交通事故的全过程进行模拟再现。对汽车碰撞过程进行分析，国内外已经有了具有普遍意义的建模方法。其基于动量、能量、动力学和实体的弹

5、塑性质，以及在此基础上开发的事故再现软件。由于这些模型要适用于多种典型的碰撞类型，因此称这种建模方法为统一模型方法。该方法大都由直接描述碰撞阶段特性的特征参数出发，建立联立方程【。为了辅助事故分析人员合理选择这些特征参数，国外进行了大量的实车碰撞试验。事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第一章绪论事故再现分析计算机软件的开发和应用主要集中在欧美和日本等国家。比如二十世纪七十年代美国的事故再现软件系统，】、等软件；奥地利的软件：日本通过大量的整车碰撞试验开发的，软件等。国内虽然起步较晚，但一些科研单位也正在积极进行事故再现技术的研究，如：清华大学汽车研究所开发系统【，】；吉林工业大学提出了“力矩恢复

6、系数概念和“最小二乘求解法”的概念【】；长安大学开发了道路交通事故计算机辅助分析系统，等。尽管现有的各种碰撞模型和事故再现软件一直在不断改进和完善，但在技术方面还存在着许多关键问题有待于深入研究。课题研究的内容本文讨论的事故车辆轨迹复现系统是基于陀螺仪与加速度计组合的捷联式惯性导航系统（）。利用单片机采集在采样点的汽车运动信息，并进行电平转换处理，循环覆盖保存。待事故发生后，存储器中保存事故发生后汽车停止前秒的汽车行驶的运动信息，通过导航算法与坐标转化即可求出每个采样点汽车的三维坐标及绕各轴的旋转角度（姿态角），根据这些数据即可确定每个采样时刻汽车的姿态。使用的三维画图功能就可以将汽车碰撞后停

7、止前秒汽车的行驶路线将姿态复现出来，以达到重现事故现场的目的。因此，要构建此轨迹复现系统，要完成以下工作：（）选定能满足需要的元器件及硬件设备，并了解它们的特性。本系统用到的元器件主要包括电阻、电容、存储芯片、陀螺仪和加速度计，及开发板等。这些设备的选择将影响到整个系统的性能。（）惯导系统硬件电路设计。由陀螺仪和加速度计组成的惯导系统可以实时记录汽车的运动信息，因此要设计陀螺仪和加速度计的功能电路，使其可以正确、实时输出汽车的运动信息（加速度值与角速度值），并将其直接固联到运载体上，构成捷联式惯性系统。（）汽车运动信息存储模块硬件电路设计。将从惯性导航系统中采集并处理后的事故发生时数据组保存下

8、来，并在掉电情况下不会丢失，因为它们记录了事故发生时运载体的航向、姿态、速度及位事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第一章绪论置，通过推算就可以恢复事故发生的轨迹。因此要外部扩展存储电路，以记录汽车的运动信息。（）汽车运动信息采集、处理与存储系统的软件设计。此部分由单片机完成，包括以下几个部分：对陀螺仪和加速度计的输出信号进行定时采集；将采样到的数据进行电平转化处理；保存采样数据；发送存储器中的数据。（）轨迹复现系统的软件设计。由单片机发送来数据要根据导航算法推算才能得到轨迹复现需要的信息，因此要用实现导航算法，以推算每个采样点的位置，姿态等。并利用三维画图软件，将轨迹显示出来。（）对整个系统调试

9、，并进行误差校正。在这一步要先逐个模块的调试，在每个模块都没有问题的基础上，在对整个系统进行调试，并总结系统存在的误差，给出解决方案。事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计轨迹复现系统总体框架事故车辆轨迹复现系统要实现的功能是重现交通事故发生过程中事故车辆的运动路线及姿态变化，给事故的分析提供科学的依据。具体设计过程是将陀螺仪和加速度计的功能电路直接固联在汽车上，以记录汽车每个采样时刻的运动信息，因此需设计一个模块实现采集车辆运动信息的功能，本系统利用实时采集汽车在行驶过程中陀螺仪输出的角速度信息，及加速度计输出的加速度信息；将

10、采集的数据处理后保存在一个循环覆盖的存储器中，此存储器保存汽车停车前秒汽车的运动信息，即系统需要有数据存储功能；若此车发生交通事故，将保存的数据发送给机，由根据导航算法，推算出汽车在采样点处的姿态角和三维坐标，并利用画图功能，复现出汽车发生事故过程中采样点的姿态，即可得到汽车在发生事故停车前秒的三维行驶轨迹，所以机实现轨迹复现模块也是必不可少的。图是根据轨迹复现系统的设计过程生成的结构框图：图轨迹复现系统结构框图事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计从系统要实现的功能及结构框图上可以看出，本系统包含以下几个功能模块：（）汽车运动信息采集与处理模块由加速度计和陀螺仪

11、组合而成的捷联式惯性导航系统（）可以实时测量机体三个轴方向的加速度和角速度，轨迹复现系统对汽车运动信息采集与处理模块即是利用定时对进行采样来获取汽车的运动信息，以达到记录轨迹复现系统所需数据的目的。本系统选择每秒采样一次，由于输出的是模拟电压信号，因此要通过个，转换器对的路输出信号进行采样，经电压换算处理后即可获得汽车在每个采样点的加速度和角速度。（）汽车运动信息存储模块为了在发生事故后获取汽车在事故时的运动信息，每对输出采样一次，就要将采样处理后的数据保存起来，且要求在掉电情况下数据也不会丢失，由于秒要对数据保存一次，所以读写速度要快，且对读写次数与可靠性有很高要求。本系统在外部扩展一个非易

12、失存储器，利用的总线功能对采集数据进行存储。（）惯导系统硬件模块本系统选择将陀螺仪和加速度计直接固联在运载体上，构成捷联式惯导系统，以测量运载体的角运动信息和线运动信息。要使加速度计和陀螺仪实现此功能，必须根据选择的芯片分别设计它们的功能电路，使其输出正确的模拟电压信号，并与汽车运动信息采集模块正确的连接。（）三维轨迹复现实现模块将外部扩展存储器中保存的汽车运动信息发送给机，本系统选择用实现捷联式惯导算法，将采样时刻汽车的加速度和角速度转换为汽车在每个采样点的三维坐标和姿态角。为了将汽车轨迹用三维图形直观表现出来，本系统选择三维绘图工具，通过每个采样点的三维参数就可以确定汽车的运动轨迹，实现事

13、故过程的重现。此部分通过软件实现。另外，的基本外围电路包括电源模块、时钟模块、模块及复位模块，也需要根据的选择进行分别设计。（）下面对汽车运动信息采集与处理模块、汽车运动信息存储模块及惯导系统硬故车辆轨迹复现系统研究与宴现第章轨迹复现系统结构原件设汁件模块三个模块的设计过程及硬件电路进行介绍。汽车运动信息采集与处理模块设计汽车运动信息采集与处理系统要完成的功能是，用对陀螺仪与加速度计的输出信息在一定时间间隔（本系统取）进行采样，并对采样到的数掘进行处理，得到运载体在各个采样时刻的加速度和角速度。由于输出信号为模拟电压，要完成对输出数据进行采样和处理，系统需要主控芯片至少台有个通道可用的转换器，

14、实现对输出的模拟电压进行转换：由于陀螺和加速度计的灵敏度较高，为了减小系统误差，转换的位数可以选择位；单片机要每秒对采样一次，以实现定时采样功能。本系统选择开发板作为系统的开发平台，它可以进行基于系列设备的应用程序开发和测试，实现对输出数据的采集与处理”“。图显示了该开发扳的主要接口和硬件组成部分。蚍太阿接口面板卯连接嚣接口￥接口埘妾口，状糟示灯（串口丰口蝰鸣器曼位舻部电使器中断按钮图土要接口和硬件组成汽车运动信息采集与处理模块主控芯片的选择开发板的核心处理芯片是选择，此单片机可以满足上述数据采集与处理功能的要求，下面会对此系列芯片作简要介绍，并给出数据采集与处理硬件电路。微控制器系列使用了一

15、个高性能的位内核，是基于事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计的带以太网、和外设的微控制器，主要具有以下特征【】：、位的，带接口；高达的；高达的删：编程极快，通过片内的软件实现；接口，带控制器；全速（）设备，带片内和控制器；条总线，带路通道；通用控制器；位转换器和位转换器；多个串行接口：个、个、个和个；个位定时器；实时时钟和看门狗定时；内部（）振荡器，可以调节到的精度；加密数字（）存储卡接口。本系统主要利用的转换功能和定时器中断功能实现数据的采集与处理，下面对的转化器和定时器作简要介绍。（）转换器的转换器基本时钟由时钟（）提供。每个转换器包含一个可编程的分频器，它

16、可将这个时钟调整为逐次逼近转换所需要的（最大）。完全满足精度要求的转换需要个这样的时钟，。转换器有以下特征：位逐次逼近式模数转换器；个引脚复用为输入引脚；具有掉电模式；测量范围为：位转换时间；一个或多个输入的转换模式；可选择由输入跳变或定时器的匹配信号触发转换；每个通道的独立结果寄存器减少了中断开销。（）定时器定时器计数器用来计数外设时钟（）或外部时钟的周期，可以选择在规定的时间处产生中断或执行其他操作，由个匹配寄存器的值决定。它也包含个捕获事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计输入，用来在输入信号变化时捕捉定时器的瞬间值，也可以选择产生中断。含有个定时器计数器，

17、除了外设基址之外，它们完全相同。个定时器最少有个捕获输入和个匹配输出，每个定时器可以选择有几个管脚。定时器引出了第个匹配输出，而定时器和引出了全部个匹配输出【】。汽车运动信息采集与处理硬件电路设计由于本系统选择的加速度计是三轴的，陀螺是单轴的，所以只需一个，需三个。按照工作原理，惯性测量组件（）应该安装在载体的质心位置，且各轴方向应与载体坐标系的三个轴方向完全一致【，但在焊接过程中还会有一定的误差，因此要在调试过程中加以校正。陀螺仪与加速度计的输出均为模拟电压，因此要先进行转换才可以处理。含有个通道位的转换器，捷联惯导有个模拟输出，因此要从中选择个，因为位必须一直为高电平给供电，所以可以选择、

18、和。图为捷联惯导系统信号采集与存储的硬件连接图：图数据采集与处理的硬件连接汽车运动信息存储模块设计为实现在交通事故发生后获取车辆事故时汽车的运动信息，需要将对汽车运动信息保存在非易失的存储器中，且要求有很高的传输速率以满足每秒存储一次的要求。由于总线接口直接在组件之上，因此占用空间非常小，减少了电路事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计板的空间和芯片管脚的数量，所以本系统利用单片机的总线的简单性和有效性，将采样数据存储到外部扩展存储器中，实现保存汽车运动信息的功能。下面将对总线原理及外部扩展存储器电路的设计作简要说明，并给出存储电路。数据存储原理介绍本系统利用实现

19、将汽车运动信息存储的功能。（）总线是一种由公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。总线是由数据线和时钟构成的串行总线，可发送和接收数据。在与被控之间、与之间进行双向传送，最高传送速率。发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关】。图为的总线配置：图的总线配置通过（串行数据线）及（串行时钟线）两根线与连到该总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。每个器件有一个唯一的地址，而且都可以作为一个发送器或接收器使

20、用（由器件的功能决定）。图是一个完整的数据传输过程，仅当总线空闲（和均为高电平）时，数据传送才能开始，此时总线上的任何器件均可以控制总线。首先由主机发出启动信号，总线在起始条件后被认为处于忙的状态；在停止条件的某段时间后，总线被认为再次处于空闲状态；然后由主机发送一个字节的数据。启动信号后的第一个字节数事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计据具有特殊含义：高七位是从机的地址，第八位是传送方向位，表示主机发送数据（写），表示主机接收数据（读）；被寻址到的从机设备按传送方向位设置为对应工作方式。标准总线的设备都有一个七位地址，所有连接在总线上的设备都接收启动信号后的第

21、一个字节，并将接收到的地址与自己的地址进行比较，如果地址相符则为主机要寻找的从机，应在第九个时钟脉冲时向线送出低电平作为应答。除了第一字节是通用呼叫地址之外，第二字节开始即数据字节；数据传送完毕，由主机发出停止信号。起始位从地址读写应答数据应答数据应答停止位图数据传输过程汽车运动信息存储芯片的选择及电路设计为了保存碰撞过程的车辆行驶信息掉电后不会丢失，本系统选择存储器。是采用先进的铁电技术制造的位非易失性存储器。铁电随机存储器（洲）具有非易失性，并且可以象一样快速读写。数据在掉电后可以保存年，同时消除由和其他非易失性存储器导致的复杂性，开销和系统级别可靠性问题。以总线速度进行写操作，总线频率最

22、高可达，亿次以上的读写次数，无须延时，功耗低。下一个总线周期可以立即开始无须进行数据轮询。另外，具有比高得多的写操作次数，同时由于无需内部电压提升电路，具有非常低的写操作功耗【。的这些功能使得它非常适合用在需要频繁或快速写操作的非易失性事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计存储器应用中。因此，本系统选择来保存事故发生过程的车辆运动信息。图为该存储器的功能电路。脚（），脚（），脚（）是地址选择口，脚（）串行数据口连接单片机的进行数据读写，脚（）串行时钟口接单片机提供时序，脚（）为写保护口，时写禁止，时写允许。图存储器功能电路惯导系统硬件模块设计将加速度计和陀螺仪安装

23、在汽车上，以实现实时记录汽车的运动信息。根据惯性敏感元件安装形式的不同，可以分为平台惯导系统和捷联惯导系统。平台惯导系统陀螺安装在平台台体上，此系统已经达到很高的水平，但其造价、维修费用高，且采用了框架伺服系统，相对可靠性会下降。捷联惯导系统采用的是数学姿态转换平台，将惯性敏感元件直接安装到载体上，敏感元件的输出信息直接输送到导航计算机中进行实时的姿态矩阵解算，通过姿态矩阵把惯性导航系统中加速计测量到的信息转换到导航用的导航参考坐标系中进行导航积分运算以及提取姿态角信息。本系统选用捷联惯导系统，下面将对此系统作简要介绍，并给出加速度计功能电路、陀螺仪功能电路。由于加速度计与陀螺所需电压不同，所

24、以要设计一个电源电路能同时给它们供电，下面也给出电源电路。捷联惯导系统概述捷联式惯性导航系统（，）省掉了机电式的惯性平台，所以体积、重量、成本都大大降低【】。图为捷联惯导系统的原理简图，图中，为运载体的机体坐标系，为导航坐标系。事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计机体坐标系遮度，证篾视傻遮缀姿态图捷联惯导系统原理简图陀螺和加速度计直接固联在运载体上，所以此类惯导系统称为捷联式惯导系统，简称捷联惯导。捷联式惯性导航系统在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏，是一种自主式导航系统。陀螺和加速度计分别用来测量运载体的角运动信息和线运动信息，机载计

25、算机根据这些测量信息解算出运载体的航向、姿态、速度及位置【。加速度计功能电路惯性导航是通过测量运载体的加速度，并经数学运算而确定运载体即时位置的一种导航定位方法，加速度计的工作原理是基于经典的牛顿力学定律，通过测量比力从而得到加速度【。本系统选择加速度计是一款小量程、，形、低功耗的轴加速度计，由美国模拟器件公司（）推出，带有信号调理电路。该加速度计的测量动态范围是。在时功耗电流为（典型值），单电源供电：，温度稳定性好，利用每轴的独立电容调整带宽。在单块的硅表面具有微机械传感器和信号处理电路以实现开环加速度测量，输出的模拟电压信号与加速度成正比，它不仅可以测量静态加速度（比如某个斜坡上的加速度）

26、，还可以测量动态的加速度（比如说物体在移动，震动时产生的加速度），能经受的震动，具有良好的零偏压稳定性和良好的灵敏度。图为的管脚图。事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计图管脚图、脚是预留管脚；脚是自我检测管脚；、脚是公共地管脚；、脚是电源；、脚是加速度模拟信号输出脚。图是功能电路的硬件连接电路图：罗图的功能电路能够同时测得、三个方向上的加速度，且高度正交的。当电源电压为的时候，输出灵敏度为，在电压为的时候，灵敏度为。零（即加速度为时的输出电压）时，输出模拟电压为（是电源电压）。如果有了加速度，根据输出电压、灵敏度来判断加速度的大小和方向。若电源电压珞事故车辆轨迹

27、复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计为，则在理想情况下，加速度计算公式为：（）。陀螺仪功能电路考虑到三轴陀螺仪的成本过高，且为精确测量运载体在运动过程中绕各个坐标轴的旋转角度，本系统选用美国公司推出的单轴陀螺仪，其尺寸小，功耗低，抗冲击和震动性好，且带有集成信号调理的表面微机械角速度传感器。测量范围是，带宽为，电源电压为，电源电流为，温度范围从至。其硬件连接电路图如图所示。只要给它提供的电源。它就可以在数据输出脚不断的输出和角速度成正比的模拟信号。图的功能电路但要注意的是，尽管的管脚被设置成最大可承受的电压，但对模块上的管脚所能承受的电压并非如此，大于（）分之十以上的电压不

28、能连接到被选择用作输入的管脚上，否则读取会出错。所以必须采用分压的方式来使得陀螺的输出最大值不大于。此电路分压电阻使用的是精度为的金属膜电阻，阻值分别为和，则从脚就可以输出和角速度成正比的模拟电压。事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第二章轨迹复现系统结构原理及硬件设计理论上，在时候，读数的灵敏度是，根据温度的输出可以得到新的灵敏度。从图可得，在分压之后，可以得到陀螺仪输出的最大模拟电压的读数是（）（），在没有角速度输出的时候，读数是然后可以根据实际条件将测量到的值换算到具体的角速度，通过积分就可以得到角度的变化。惯导系统电源电路陀螺仪供电电压为，加速度计的供电电压为，因此，电源电路的设计要兼顾两

29、者，图为电源电路。图电源电路与是低压差电压调节器，可以提供高达的输出电流，提供的输出电压分别为和。事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第三章捷联式惯导算法第三章捷联式惯导算法捷联式惯导算法概述为实现汽车轨迹的复现，需要获得汽车在行驶过程中每个采样点的三维坐标及姿态角，本系统是利用捷联式惯导算法将输出的加速度值和角速度值转化为这些运动参数。因此，捷联式惯导算法是本系统的核心算法。所谓“捷联式惯导的算法”，就是指从惯性仪表的输出，到给出需要的导航和控制信息所必须进行的全部计算问题的计算方法。其基本算法有如下几部分内容【】：（）系统的起动和自检测系统起动之后，各个部分的工作是否正常，要通过自检测程序加以

30、检测，如发现不正常，则发出警告信息。系统的自检测是保证系统进入导航状态后能正常工作，提高系统可靠性的措施。（）系统的初始化系统的初始化包括给系统的初始位置和初始速度等初始信息；导航平台的初始对准；惯性仪表的校准。（）惯性仪表的误差补偿对捷联式惯导系统来说，由于惯性仪表直接安装在机体上，因此机体的线运动和角运动都引起较大的误差，为了保证系统的精度，必须对惯性仪表的误差进行补偿。（）姿态矩阵的计算姿态矩阵的计算是捷联式惯导算法中最重要的一部分，也是捷联式系统所特有的。不管捷联式惯导应用和功能要求如何，姿态矩阵的计算都是不可少的。（）导航算法导航算法就是把加速度计、陀螺的输出信息变换到导航坐标系，然

31、后计算载体的速度、位置等导航信息。（）制导和控制信息的提取机体的姿态信息既用来显示也是控制系统最基本的控制信息。事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第三章捷联式惯导算法惯性技术中常用坐标系简介在利用捷联惯导算法进行运动参数推算时，最重要的环节是姿态矩阵的计算，姿态矩阵的本质是两个不同坐标系之间的换算关系，下面将通过介绍惯性技术中常用的坐标系，来选择本系统需要的坐标系。坐标系是为描述物体所在位置和运动规律而选取的参考基准。导航技术的主要任务就是确定机体所在位置。因此在轨道计算和测量等工作中都涉及参考基准的选择和转换问题。通常有以下几种坐标系】：（）惯性参考坐标系太阳中心惯性坐标系，。（系）：用于行星

32、际间的航行定位。地心惯性坐标系旺刁（系）：用于研究运载体在地球附近的宇宙空间运动的导航定位问题。（）确定运载体相对地球表面位置的坐标系地球坐标系。（系）：轴延地轴方向，轴在赤道平面与格林威治子午面的交线上，轴也在赤道平面内与轴、轴构成右手坐标系。当地水平坐标系（简称系）：系是一个比较重要的坐标系，根据不同的定义有着不同的轴向，一般情况的定义如下：原点在载体的重心；轴指向正东；轴指向正北；轴与、轴垂直指向天。就是常称的“东北天”坐标系。游移方位坐标系（系）：原点在移动物体中心（质心），轴是垂直于轴和轴并构成右手坐标系。（）运载体和陀螺仪坐标系载体坐标系（系）：用于表示运动体对称轴的坐标系，与运动

33、体固联，故原点在载体的重心上；轴沿载体横向指向右，以右为正，以左为负；轴沿载体纵轴向前（也就是载体前进的方向），前向为正，后向为负，；轴和、轴垂直并构成右手坐标系，向上为正，向下为负。运载体的俯仰角、横滚角和航向角就是根据运载体坐标系相对当地水平坐标系（系）的转角来确定。陀螺仪坐标系：用来表示陀螺仪本身输出的坐标系。在实际使用时，陀螺仪安装在载体质心，其坐标系与载体坐标系重合。事故车辆轨迹复现系统的究实现第章捷联式惯导算法计算坐标系（系）：是惯性导航系在求解导航参数时所用到的坐标系。对于捷联式惯性系统而言，由于测量元件得到的是载体坐标系（系）中的量，而导航参数并不在载体系中求觯，需要将加速度计

34、与陀螺仪测得的量分解到某个便于求解的坐标系中，这里我们选择当地水平坐标系（系），如图所示。图本系统坐标系轨迹复现算法轨迹复现算法实现将从采集到的数据转化为在各采样点汽车的三维坐标与姿态角（横滚角、俯仰角和航向角）。本系统使用四元数法实现各采样点运动参数的解算。在解算过程中最重要的任务足姿态矩阵的求取。首先，根据的输出确定初始姿态矩阵：然后，通过坐标投影，实现第一点复现；其次，利用毕乍算法求解四元数求取更新姿态矩阵：最后，根据输出及坐标投影实现各个采样点的复现。下面先对四元数法，及四元数与姿态矩阵关系进行简要的介绍，然后给出轨迹复现所需运动参数的解算过程。四元数法简介。捷联式惯性导航系统要输出导

35、航信息，姿态矩阵的解算是关键问题，目前描述动坐标相对参考坐标系方位关系的方法可简单分为三类：参数法、四参数法和九参数事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第三章捷联式惯导算法法，目前研究的主要方法是，欧拉角法、方向余弦法、四元数法等。欧拉角算法通过求解欧拉角微分方程直接计算航向角、俯仰角和横滚角，但方程中包含有三角运算，计算困难，且不能用于全姿态飞行运载体上而难以广泛用于工程实践，因此很少使用。方向余弦法是一种九参数法，通过微分方程来计算姿态矩阵，可以直接得到姿态矩阵，虽避免了欧拉法的“奇点”，但是计算量大，并且存在非正交化误差，需要进行正交化处理，因此工程上并不实用。四元数法只需求解四个未知量的线

36、性微分方程组，计算量比方向余弦法小，且算法简单，易于操作，是较实用的工程方法。本系统就利用这个方法来更新姿态矩阵。顾名思义，就是由四个元数构成的数：（，）其中，、：、是实数，、是相互正交的虚单位向量。可以表示为如下：圆，七圆七圆后，后，尼圆一尼，尼圆一，尼四元数可以用三角式来表示：鼍，四元数与姿态矩阵更新的关系设由运载体的机体轴确定的坐标系为，惯导系统所采用的导航坐标系为，则由系到系的坐标变换矩阵称为运载体的姿态矩阵。姿态更新是指根据惯性器件的输出实时计算出四矩阵。由于系和系都是直角坐标系，当只研究两个坐标系之间的角位置关系时，可对一个坐标系作平移，类似于研究刚体的定点转动。由于惯性坐标系是不

37、动的，所以也就是相当于载体坐标系绕一个固定转动轴转动一个角度秒，四元数可以表示为：。昙“导，其中表示等效转动轴方向的单位向量，也就是惯性坐标系的单位矢量【，】。从表达式可以看出，载体坐标系的方位完全由事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第三章捷联式惯导算法和目两个参数确定，从载体坐标系到惯性坐标系可由四元数唯一的表示出来：。昙甜昙利用四元数法可以得到从载体坐标系（系）到惯性坐标系（系）的转换矩阵，具体表示为：（；）（一留）（鼋）（）（卜；）（一）（一）（】）（？；）由于刚体旋转的四元数是规范的四元数，根据恻；口！；，转换矩阵亦为：；？一；一；（一）（）善（）；一？；一；（一）（一）（）；一！一；求

38、取初始姿态矩阵将采集到的数据循环存储在数组】、】、中，其中、保存加速度计轴、轴、轴的采样数据，、保存陀螺仪轴、轴、轴方向的采样数据。假设第时刻为汽车碰撞后结束时刻，则：，】），一，）；一时刻为碰撞结束前一个时刻。将时刻的载体坐标系作为惯性坐标系，则需要将时刻的载体坐标系归一化到时刻的惯性坐标系，归一化过程如图：图坐标归一化，为时刻至时刻在坐标系下各轴的旋转角度，为俯仰角，为横滚角，为航向角，的值可以根据时刻陀螺仪采样的数据】，一】，一】求取。（）木；（一）木；（一）木；公式（）其中，为采样时间，本系统取秒。下面给出根据坐标转换求取初始姿态矩阵的过程【。事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第三章捷联

39、式惯导算法酬二筹涸刚撼避刚引咖锄瓦，奉奎宰卜矿乙，（，宰宰幸奉即为时刻至时刻的姿态矩阵，称为初始姿态矩阵。公式（）值得注意的是，与旋转次序有关，即当旋转角，不都为小角时，对应于不同的旋转次序，坐标系的最终空间位置是不同的，这就是常说的有限转动的不可交换性，但当，都为小角时，忽略小角间的高阶小量，此时旋转后坐标系的最终角位置与旋转次序无关，这就是常说的无限转动与旋转次序无关口。记姿态矩阵：乏：【乃。五：疋瓦公式（）第一点复现算法初始姿态矩阵已经确定，就可以把在时刻（第一个复现点）测得的三个轴的加速度】、】、】投影到惯性坐标系中了，投影公式如下：事故车辆轨迹复现系统的研究与实现第三章捷联式惯导算法陇堆一】。正。一】，公式（）利用投影后得到的加速度的值，可以计算出从时刻到时刻这秒时间内汽车相对惯性坐标系运动的速度和位移。根据公式，可得：咖口幸衍，即哆一一，因此速度公