差速转向车辆的转向半径和转向中心测算系统及方法与流程

1.本发明涉及测量技术领域，尤其涉及差速转向车辆的转向半径和转向中心测算系统及方法。


背景技术：

2.无人驾驶技术应用越来越广泛，差速转向车辆的操控性和舒适性不及轨迹转向车辆，但通过性优于后者，结构也更为简单。
3.在路面状态较差或对结构有特殊要求的无人运输和无人作业领域，差速转向车辆作为无人车底盘的一种也越来越多的用于各种工况。在车辆的无人控制中，若能实时得知车辆的转向中心和转向半径，有利于提高车辆的转向控制精度。在行驶过程中，除采用卫星定位信号外，轨迹转向车辆可根据转向轮偏转角度，参考阿克曼转向定理推算当前车辆转向中心和转向半径。对于差速转向车辆，转向动作是依靠两侧驱动轮的转速差实现，所以不能像轨迹转向车辆一样，根据车辆几何参数推算车辆的转向半径和转向中心。
4.虽然从理论上，可以根据左右侧车轮的转速关系推算车辆的转向半径。但在实际情况中，车辆转向时两侧车轮均有打滑现象，且滑移率随车辆转向半径和路面附着系数的不同有较大变化，当所右车轮均为驱动轮时，此滑移率无法实时测量或计算。所以，若根据左右侧车轮转速推算车辆转向半径，会因为滑移率的不确定而存在较大误差，且此方法无法确定车辆的转向中心。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供差速转向车辆的转向半径和转向中心测算系统及方法，旨在解决传统的测量方法测量误差较大的问题。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了差速转向车辆的转向半径和转向中心测算系统，包括三个惯性测量元件、两个轮速计、计算处理单元和多个连接线路；
7.三个所述惯性测量元件分别安装在车身位置，两个所述轮速计分别安装在左车轮和右车轮上，所述计算处理单元设置于车身的一侧，多个所述连接线路分别与三个惯性测量元件连接，并分别与两个轮速计连接。
8.其中，所述惯性测量元件的型号为n200wp。
9.第二方面，差速转向车辆的转向半径和转向中心测算方法，应用于第一方面所述的差速转向车辆的转向半径和转向中心测算系统，其特征在于，包括以下步骤：
10.三个所述惯性测量元件对车身的速度进行测量，得到速度数据；
11.两个所述轮速计对左车轮和右车轮的转速进行测量，得到转速数据；
12.所述计算处理单元对所述速度数据和所述转速数据进行计算，得到辆转向半径和转向中心。
13.其中，所述速度数据包括加速度信号和横摆角速度信号。
14.本发明的差速转向车辆的转向半径和转向中心测算系统及方法，由三个所述惯性
测量元件、两个所述轮速计、所述计算处理单元和多个所述连接线路组成，三个所述惯性测量元件测量行驶过程中车身三个不同位置的横向/纵向加速度和横摆角速度，两个所述轮速计测量左右侧车轮的转速，所述惯性测量元件和轮速计的信号通过多个所述连接线路传递至所述计算处理单元，所述计算处理单元处理得到车辆当前转向半径和转向中心相对车辆的位置，从而解决传统的测量方法测量误差较大的问题。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明提供的差速转向车辆的转向半径和转向中心测算系统的结构示意图。
17.图2是惯性测量元件布局图。
18.图3是转向中心横向位置图。
19.图4是转向中心纵向位置图。
20.图5是转向中心位置图。
21.图6是本发明提供的差速转向车辆的转向半径和转向中心测算方法。
22.1-惯性测量元件、2-轮速计、3-计算处理单元、4-连接线路。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
24.请参阅图1至图5，本发明提供差速转向车辆的转向半径和转向中心测算系统，包括三个惯性测量元件1、两个轮速计2、计算处理单元3和多个连接线路4；
25.三个所述惯性测量元件1分别安装在车身位置，两个所述轮速计2分别安装在左车轮和右车轮上，所述计算处理单元3设置于车身的一侧，多个所述连接线路4分别与三个惯性测量元件1，并分别与两个轮速计2连接。
26.所述惯性测量元件1的型号为。
27.所述轮速计2的型号为。
28.具体的，由三个所述惯性测量元件1、两个所述轮速计2、所述计算处理单元3和多个所述连接线路4组成，三个所述惯性测量元件1测量行驶过程中车身三个不同位置的横向/纵向加速度和横摆角速度，两个所述轮速计2测量左右侧车轮的转速，所述惯性测量元件1和轮速计2的信号通过多个所述连接线路4传递至所述计算处理单元3，所述计算处理单元3处理得到车辆当前转向半径和转向中心相对车辆的位置，从而解决传统的测量方法测量误差较大的问题。
29.请参阅图6，第二方面，差速转向车辆的转向半径和转向中心测算方法，应用于第一方面所述的差速转向车辆的转向半径和转向中心测算系统，其特征在于，包括以下步骤：
30.s1三个所述惯性测量元件1对车身的速度进行测量，得到速度数据；
31.两个所述轮速计2对所述车身的转速进行测量，得到转速数据；
32.具体的，三个惯性测量元件1u1、u2、u3在车身上的布置位置如图2所示。元件1布置在车身一侧靠近车头的位置；元件2布置在车身一侧靠近车尾的位置，且元件2和元件1的连线平行于车身长轴线，两者直线距离为l1；元件3布置在车身另一侧靠近车头的位置，且元件3和元件1连线平行于车身短轴线，两者距离为l2。三个元件的安装方向和姿态保持一致，且三者应安装在车身平行于地面的同一平面中。在条件允许的情况下，l1、l2应尽量大，有利于最终结果的计算精度。
33.s2所述速度数据包括加速度信号和横摆角速度信号。
34.具体的，两个轮速传感器可以直接测量车轮转速，也可测量传动轴等传动部件的转速再通过传动比换算得到车轮转速。若车辆为电机驱动，且电机输出轴到车轮传动比已知固定，则可以用电机转速换算得到车轮转速。
35.s3所述计算处理单元3对所述速度数据和所述转速数据进行计算，得到辆转向半径和转向中心。
36.具体的，两个轮速传感器可以直接测量车轮转速，也可测量传动轴等传动部件的转速再通过传动比换算得到车轮转速。若车辆为电机驱动，且电机输出轴到车轮传动比已知固定，则可以用电机转速换算得到车轮转速。
37.计算处理单元3采集并处理加速度信号、横摆角速度信号和转速信号。本例中加速度信号和横摆角速度信号由惯性测量元件1通过can线传递至计算处理单元3，转速信号由驱动电机通过can线传递至计算处理单元3。
38.计算处理单元3在获取以上信号后，计算车辆转向半径和转向中心的过程如下：
39.惯性测量元件11沿y1轴向速度v
y1
:
[0040][0041]
惯性测量元件13沿y3轴向速度v
y3
:
[0042][0043]
如图3，由惯性测量元件11和3的运动学关系可得：
[0044][0045]
代入式(1)和(2)得：
[0046][0047]
式中：
[0048]ax1
为惯性测量元件11沿x1轴的加速度；
[0049]ax3
为惯性测量元件13沿x3轴的加速度；
[0050]
ω为性测量元件1、2、3的横摆角速度，在不考虑车身变形的情况下，三者相等，所以用同一符号表示。
[0051]
惯性测量元件11沿x1轴向速度v
x1
:
[0052][0053]
惯性测量元件12沿x2轴向速度v
x2
:
[0054][0055]
如图4，由惯性测量元件11和2的运动学关系可得：
[0056][0057]
代入式(5)和(6)得：
[0058][0059]
式中：
[0060]ay1
为惯性测量元件11沿y1轴的加速度；
[0061]ay2
为惯性测量元件12沿y2轴的加速度；
[0062]
以上各式中所有变量均表示绝对值。
[0063]
如图5所示，车辆在车外的转向中心o可以由惯性测量元件11的位置和r、h三者共同表示。在o的位置确定后，车身任意部位的转向半径也可由简单的几何关系换算得到。
[0064]
在实际应用中，三个惯性测量单元的加速度测量值受车辆加减速影响较大，所以在此引入置信度ζ，用来表示通过以上公式计算得到的转向中心和半径的可靠程度。该值与轮速的变化速率成正相关，即轮速变化越快，测算值误差越大，轮速越稳定，测算值越接近实际值。优选的，可以用以下公式表示置信度和轮速间的关系。
[0065][0066]
式中，α为轮速加速度绝对值，t为比例常数，可根据实际需求标定。计算处理单元3在得到车辆的转向中心、转向半径和置信度后，将该组信号输出至自动驾驶控制模块，控制模块以此推断车辆当前位置和行驶轨迹，为车辆的横纵向控制提供重要参考。
[0067]
有益效果：
[0068]
本发明内容，为以差速转向底盘为载体的无人驾驶车辆提供了一种新的转向轨迹测算方案，可在无法及时获得准确的卫星定位信号情况下估算车辆实时位置，可作为自动驾驶定位系统的冗余设计。
[0069]
以上所揭露的仅为本发明差速转向车辆的转向半径和转向中心测算系统及方法较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。