一种多轴车辆质量及质心位置动态测量装置及测量方法与流程

本发明涉及一种多轴车辆质量及质心位置动态测量装置及测量方法，属车辆质量及质心位置动态测量技术领域。

背景技术：

目前，国内外测量汽车质心位置的方法主要有：重量反应法、摇摆法、悬挂法、平台支撑反力法以及零位法。但是以上这些都是在车辆处于静止状态时的测量方法，当车辆处于运动状态时其质心实际位置与测量值存在一定偏差，且这些测量方法多针对两轴(四轮)小型车辆。对于具有弹簧悬挂系统的车辆，特别是对于载荷为流质的大型多轴车辆，如消防车、混凝土搅拌车、压裂车和固井车等，其质心位置随着运动状态的不同而不断变化。因此研究一种测量效率高、成本低的大型多轴车辆质心动态测量方法，具有重要的实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种能够方便、快捷地确定车辆在不同状况下的质量和质心的位置，从而为车辆控制提供更为准确的动态数据，使车辆的主动控制效果明显提高的多轴车辆质量及质心位置动态测量装置及测量方法。

本发明的技术方案是：

一种多轴车辆质量及质心位置动态测量装置；包括载荷传感器、轮速传感器，加速度传感器、车身姿态传感器和计算处理器；载荷传感器、轮速传感器，加速度传感器和车身姿态传感器分别与计算处理器连接；其特征在于：所述计算处理器包括单片机、信号采集模块、输出模块、警报模块、程序上传/下载模块、供电模块以及分别于各个传感器相连接的通讯接口；

所述载荷传感器安装于各车轮轮轴上，并用于测量车辆在启动之后整车质量分布与各个车轮上的载荷；

所述轮速传感器安装于车辆前轮，用于测量车辆行驶速度；

所述加速度传感器安装于车辆底盘车架中心，用于测量车辆在行驶过程中的纵向加速度、侧向加速度和垂向加速度；

所述车身姿态传感器安装于车辆底盘车架中心，用于测量车身的俯仰角、侧倾角；

所述计算处理器在检测到车辆当前质量与车辆本身质量的差值大于车辆额定载荷的90％、以及当前质心位置严重偏离质心原来位置时，计算处理器中的警报器闪烁并发出声音提醒司机；

所述计算处理器在测量各个轮轴载荷与侧向加速度a的同时并计算所有轮轴载荷中最大值与最小值的比值I＝F_max/F_min，当I₁≤I≤I₂(根据车型不同，具体确定I₁和I₂，初步取I₁＝5，I₂＝10)或a大于车辆额定侧向加速度的80％时，警报模块中的警报器闪烁并发出声音提醒司机。

上述测量装置的测量方法包括以下步骤：

1)、首先，车辆在首次使用该系统时，需输入车辆的固有参数，包括车辆轮轴个数n，车辆各个轮轴之间的轴距l₁,l₂...l_n以及各个轮轴中左轮与右轮间的轮距b₁,b₂...b_n；

2)、车辆点火启动时，分布于各个轮轴的载荷传感器开始测量车辆质量；

3)、车辆开始移动时，各个轮轴的载荷传感器将测量数值上传计算处理器，计算处理器结合车辆各个车轮之间的轴距及轮距数据，计算得到车辆质心的纵向位置(质心到前轮中心线的距离x)和横向位置(质心到左右轮中轴线的距离y)，即车辆的初始质心位置；

4)、计算出车辆的初始质心位置后，计算处理器通过初始质心位置及加速度传感器测得的加速度数据求出车辆质心高度z：

5)、在计算出车辆质心高度z后，各传感器进行下一次测量，测得最新的各轮轴载荷、车身角度及各方向加速度，将上一次计算所得质心高度z带入到计算公式中，以求得该次测量的车身纵向及横向质心位置；

6)、在计算出该次测量中车辆质心纵向及横向质心位置后，各个传感器再次进行测量，测得最新的各轮轴载荷、车身角度及各方向加速度，将步骤5)计算所得质心纵向及横向质心位置带入到质心高度计算公式中，即可求得该次测量的车身质心高度。

所述车辆质量及质心纵向(x轴)及横向(y轴)的初始位置计算公式为：

车辆车身俯仰角度θ和车身侧倾角度的合角α(即车辆重力方向与地面夹角)为：

车辆质量：

质心到前轮(轮轴)中心线的距离：

质心到左右轮中轴线的距离：当y为正值时，质心偏向左侧，y为负值时，质心偏向右侧。

所述车辆质心高度z的计算公式为：

所述车身纵向及横向质心位置的计算公式为：

质心到前轮(轮轴)中心线的距离：

质心到左右轮中轴线的距离：

所述步骤6)的车身质心高度的计算公式为：

其中，车辆共有n个车轴，2≤n；

θ为车身俯仰角度；

为车身侧倾角度；

F_(i,1),F_(i,2)分别为第i轴左轮和右轮载荷，1≤i≤n；

l_i为第i轴距第(i+1)轴的距离，1≤i≤n-1；

b_i为第i轴左轮到右轮距离，1≤i≤n；

a_x为车辆纵向(x轴)加速度；向前为正值；

a_y为车辆侧向(y轴)加速度；向右为正值；

a_z为车辆垂向(z轴)加速度，向上为正值。

本发明的有益效果是：

1、该测量装置中车辆质量及质心位置测量范围不仅仅限于两轴四轮车辆，可应用于多轴车辆，该测量装置对车辆状态的评估计算，对车辆尤其是大型重载车辆的主动控制意义显著；

2、该测量装置能够动态测量车辆质量及质心位置，为车辆控制提供更为准确的动态数据，使车辆的主动控制效果明显提高；

3、该测量装置通过载荷传感器、车身姿态传感器及车辆轴距、轮距数据，通过质心位置动态测量计算方法，可以准确、快速确定车辆质量和质心位置。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是车辆质心纵向(x向)受力分析示意图；

图3是车辆质心横向(y向)受力分析示意图；

图4是车辆质心垂向(z向)受力分析示意图；

图5是车辆侧倾受力分析示意图；

图6是本发明质心位置测量控制流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，该多轴车辆质量及质心位置动态测量装置；包括多个载荷传感器、轮速传感器，加速度传感器、车身姿态传感器和计算处理器；载荷传感器、轮速传感器，加速度传感器和车身姿态传感器分别与计算处理器连接。计算处理器包括单片机、信号采集模块、输出模块、警报模块、程序上传/下载模块、供电模块以及分别于各个传感器相连接的通讯接口。

该多轴车辆质量及质心位置动态测量装置的各载荷传感器分别安装于各车轮轮轴上，用于测量车辆在启动之后整车质量分布与各个车轮上的载荷；

轮速传感器安装于车辆前轮，用于测量车辆行驶速度。

加速度传感器安装于车辆底盘车架中心，用于测量车辆在行驶过程中的纵向加速度a_x、侧向加速度a_y和垂向加速度a_z。

车身姿态传感器安装于车辆底盘车架中心，用于测量车身的俯仰角、侧倾角。

该测量装置工作时，首先，车辆在首次使用时，需输入车辆的固有参数，包括车辆轮轴个数n，车辆各个轮轴之间的轴距l₁,l₂...l_n以及各个轮轴中左轮与右轮间的轮距b₁,b₂...b_n；结合各个传感器的实时测量数据，可计算出车辆的质量和质心动态位置；具体过程为：

车辆质量计算：

当车辆启动时，动态测量系统启动，安装于车辆每个车轮轮轴上的载荷传感器测得的载荷值分别为F₁₁,F₁₂,F₂₁,F₂₂...F_n1,F_n2，车身姿态传感器测出的车身俯仰角度θ，车身侧倾角度可计算出车辆的总质量M为：

车辆质心初始位置计算：

如图2和图3所示，当车辆刚开始启动时，测得各个轮轴的载荷值，结合车辆各个轮轴间的轴距及轮距，可以计算出车辆质心的初始位置为：

质心到前轮轮轴中心线的距离：

质心到左右轮中轴线的距离：

其中，y为正值时，质心偏向左侧，y为负值时，质心偏向右侧。

当车辆行驶后，如图4和图5所示，通过初始质心位置及传感器测得数据可求出其质心高度为：

在计算出车辆质心高度z后，各个传感器进行下一次测量，测得最新的各轮轴载荷、车身角度及各方向加速度，将上一次计算所得质心高度z带入到下列计算公式中，可求得该次测量的车身纵向及横向质心位置：

质心到前轮(轮轴)中心线的距离：

质心到左右轮中轴线的距离：

在计算出该次测量中车辆质心纵向及横向质心位置后，各个传感器进行下一次测量，测得最新的各轮轴载荷、车身角度及各方向加速度，将上一次计算所得质心纵向及横向质心位置带入到质心高度计算公式中，可求得该次测量的车身质心高度。如此循环可以测得车辆质心动态位置(参见说明书附图6)。通过该系统检测计算出的车辆质量和质心动态位置，可提供给车辆其他系统使用。当车辆熄火时，该测量装置停止工作。待车辆再次启动时，该测量装置重新测量车辆质量和质心位置。

该测量装置在车辆启动时，载荷传感器测量各个轮轴的载荷，同时计算所有轮轴载荷中最大值与最小值的比值I＝F_max/F_min，当I≥I₁(根据车型不同，具体确定I₁，初步取5)时，计算处理器中的警报器闪烁并发出声音，同时为避免出现因道路不平引起车轮悬空导致警报器误报，设置当I≥I₂(根据车型不同，具体确定I₂，初步取10)时，警报器不响应。

由于一般车辆正常行驶时侧向加速度a≤0.4g，不同类型车辆略有区别。当轮速传感器2-1和2-2检测到车辆正常行驶时，若加速度传感器3测到车辆侧向加速度a大于车辆额定侧向加速度的80％时，警报器闪烁并发出声音。

计算处理器在检测到车辆当前质量与车辆本身质量的差值大于车辆额定载荷的90％、以及当前质心位置严重偏离质心原来位置时，计算处理器中的警报器闪烁并发出声音提醒司机。

计算处理器在测量各个轮轴载荷与侧向加速度a的同时并计算所有轮轴载荷中最大值与最小值的比值I＝F_max/F_min，当I₁≤I≤I₂(根据车型不同，具体确定I₁和I₂，初步取I₁＝5，I₂＝10)或a大于车辆额定侧向加速度的80％时，警报模块中的警报器闪烁并发出声音提醒司机。