專利名稱：新型機(jī)動車地速速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
傳感器本發(fā)明屬于一種適用于各類機(jī)動車輛測定對地速度和運行方向時 的新型傳感器。 說明書-一、序言根據(jù)我國在2003年發(fā)布的"中國道路法"中規(guī)定，凡是營運車輛 均將安裝汽車行駛記錄儀，用以記錄汽車運行速度、駕駛員的操作行 為，提高駕駛員安全行駛意識和規(guī)范駕駛行為，避免交通事故。若一 旦發(fā)生交通事故，能科學(xué)、準(zhǔn)確地判斷事故發(fā)生原因和責(zé)任。但目前我國所開發(fā)出的汽車行駛記錄儀，其車速測量均采用磁電 式傳感器測量車輪轉(zhuǎn)速，所測數(shù)值并非車體對地速度，因而誤差大， 特別在汽車制動時誤差就更大，不能真實反映汽車運行速度。另外，由于磁電式傳感器與發(fā)動機(jī)相連運行，摩擦、扭矩，及運 行環(huán)境都會明顯地縮短使用壽命，致使可靠性降低，售后維修費用大， 且無法測量汽車運行方向。因此，到目前為止，盡管有立法，行駛記 錄儀并未得到廣泛應(yīng)用。為了真實地反映汽車速度和姿態(tài)，提高測量精度和大批量商品化 的可行性，必須釆用離軸式自成體系的測速傳感器，它能真實反映汽 車運行速度和方向，從而能作到事故平面軌跡再現(xiàn)，使目前我國汽車行駛記錄儀得到真實的數(shù)據(jù)記錄，最后作到成為事故處瑝的科學(xué)依據(jù)。 目前國內(nèi)外已有多家研制單位對汽車地速速度傳感器進(jìn)行了研制 和探討，如采用五輪儀并加上加速度傳感器，以解決制動后車體速度 測量，有的采用光電成像技術(shù)及光電反射測時間差的方式測車速，乃 至采用陀螺傳感器等，但都受到環(huán)境、路面、天氣局限，而且成本都 很高，不能普及作為汽車行駛記錄儀的配套傳感器，到目前為止，還 僅停留在研制和探討中，并未形成批量化產(chǎn)品，離實用化、商業(yè)化還 有距離。而目前民用產(chǎn)品中成本問題是笫一位因素，因為國內(nèi)使用汽 車行駛記錄儀成本有限，傳感器價位高了無推廣可能。此外，目前MEMS類線性加速度傳感器測地速速度還存在以下問題首先，國內(nèi)外研制和探討采用線加速度傳感器測地速都是以單軸X (縱向加速度)來實行的；當(dāng)X軸對地平線有夾角"時(汽車上下坡)， 傳感器自身重力加速度使測量線加速度產(chǎn)生誤差，而此誤差隨"的增大 而加大，當(dāng)a增至90。時，重力加速度達(dá)lg，可與線加速度相當(dāng)。因 此重力加速度Agx不解決，用線加速度傳感器就無法作地速測量，只能作水平面測量，無實用價值，因地面總是不平的。這也是多年來研制 和探討線加速度傳感器進(jìn)行地速測量的難點。為此，有的研制者采用五輪儀加上線加速度傳感器，就是為了避 開加速度傳感器自身重力的影響，用五輪儀的速度作為加速度傳感器 在汽車制動時的參考點，也就是加速度傳感器的起始點，以此來修正 制動時的(Xx的重力加速度，制動后認(rèn)為(Xx是不變的。有的單位還專 門用機(jī)械傾斜儀來測量汽車的縱向速度傳感器與地平線的夾角Olx和側(cè)滑角丫z，或者采用陀螺儀來測量角加速度，這些方法都存在明顯提高 成本的缺陷，根本不可能作為每車必備產(chǎn)品來普及。本發(fā)明的關(guān)鍵點在于，在汽車運行中能夠同時檢測出運行姿態(tài)角 Cbc和yz，從而可以修正Ax和Az。同時，在低成本要求下最好通過加速度傳感器自身來完成，不外加任何輔助設(shè)備。經(jīng)過幾年來研究，我 們提出一種新型的四軸式線加速度傳感器結(jié)構(gòu)來完成對縱向加速度和姿態(tài)角(Xx、 yz以及側(cè)向加速度，垂直加速度的測量，自動修正Ax中 的重力加速度和Az中的重力加速度，從而最終得到真正的縱向?qū)Φ剀?速Vx。本傳感器體積僅約為15X10X8 (cm')的小立方體。 二、基本原理采用四軸式慣性線加速度傳感器的X、 Yx、 Zx、Zy軸的安裝方向分別見附圖l。下面，通過四軸式安裝位置關(guān)系來說明各軸的作用和用途。A、 在汽車的前進(jìn)方向上(縱向一X'坐標(biāo)軸)擺放X軸。與x軸成a。 角，且位于XOY平面上擺放Yx軸。B、 垂直汽車前進(jìn)方向(橫向)擺放Zx軸C、 與Zx軸成y。角，且位于YOZ平面上擺放Zy軸 其相對關(guān)系如附圖1所示。圖中，X軸用來測量汽車前進(jìn)方向的線加速度，Yx軸測量汽車運行 方向與地平面間的夾角，確定X軸在OU下的重力加速度，因X、 Yx軸在上下坡時變化的a是相同的，并且同相。根據(jù)矢量投影關(guān)系可看出Ax=ax± agxyx=axCOS(Xo± agyx 式中Ax—X軸方向上所產(chǎn)生的加速度ax—x軸方向上的線加速度 agx—x軸方向上的重力加速度Ayx—Yx軸方向上的加速度 agyx—Yx軸方向上的重力加速度 以各軸輸出電壓值表示加速度，有Ux=Ua±Ugx Uyx=UaCOSO±Ugyx 將X軸上電信號投影到Y(jié)x軸上，有 U'yx= (UaiUgx) COS(X 式中Ua~—線加速度Ugx——X軸重力加速度 Ugyx——Yx軸重力加速度 令U'gj^^U'yx—Uyx: (UaiUgx) COSOl—UaCOSO±Ugyx =±UgxCOS(X— (士Ugyx) U'gyx由于X軸和Yx軸重力加速度對"角的線性不同，利用線性差 值方法得到Y(jié)x軸變化± 。即可求得X軸變化"的重力加速度Ugyx。 進(jìn)一步求出X軸線加速度Ua=UX±UgX。這樣，將X軸上某瞬時t的線加速度Uax (t)與重力加速度Ugx (a) 區(qū)分開而得到X軸方向上Uax (t)的實際線加速度。也就是所要求出 的汽車前進(jìn)(或后退)的線加速度。求出AUa-士AUxiAUgx，通過對AUa的積分或梯形設(shè)計方法可得出車輛 運行線速度Vx=V?！?^fAUadt 。Zx、 Zy的安裝方式按與X、 Yx相同的原理進(jìn)行，即Zx位于Z軸上， 同時垂直X、 Y軸方向。Zy軸位于YOZ平面上與Zx軸成 > 角，通過 Zx、 Zy可測出汽車側(cè)滑角p.以修正Z軸重力加速度，然后根據(jù)Ux 和Zx測得汽車的側(cè)向角(方向)p。三、新型地速速度傳感器原理1、原理框圖以單片機(jī)為中心的測量系統(tǒng)其原理框圖見附圖2。四軸式線加速度傳感器X、 Yx、 Zx、 Zy的四個通道在調(diào)試時，應(yīng) 先進(jìn)行信號處理。首先將信號處理到要求的靈敏度和信號最大測量范 圍內(nèi)，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換放大，再根據(jù)汽車運行時最快變化速度及外界環(huán)境， 如氣壓、震動來確定有源濾波器的帶寬， 一般采用三階有源濾波器， 所采信號即可滿足A/D采集數(shù)值的穩(wěn)定性，A/D采集速度和滿碼位數(shù) 取決于系統(tǒng)誤差，采集速度應(yīng)以還原線加速度變化曲線為準(zhǔn)，不能以 為越高為好，只要在加速度變化速率下能復(fù)原即可，最終以汽車運行 規(guī)律再現(xiàn)為準(zhǔn)。我們采用A/D編碼速度100kc以上滿碼10位即可滿足 系統(tǒng)誤差要求。單片機(jī)選擇有自帶A/D和D/A的為佳，時鐘的選擇根 據(jù)數(shù)據(jù)處理速度保證在一定量的程序下不間斷地連續(xù)采集信號，這樣， 可以減小積累誤差。接口配置是根據(jù)目前汽車行駛記錄儀器巳設(shè)定要求，即車輪速度 應(yīng)轉(zhuǎn)化為頻率量進(jìn)行測量且無方向要求，所以配置頻率量輸出接口可 以在各類汽車行駛記錄儀上兼容使用，替代磁電式傳感器。同時也配置了 RS-232接口，為將來汽車行駛記錄儀發(fā)展至事故平面軌跡再現(xiàn)時 接收速度信息和方向信息的通訊接口。 2、流程框圖傳感器工作時的程序流程圖見附圖3。 四、結(jié)論新型機(jī)動車地速速度傳感器，解決了通常在用三軸X、 Y、 Z安裝 結(jié)構(gòu)中不能解決，即在運動中傳感器所受到的重力加速度的測量問題， 這是長期以來的難題，特別是很低成本下解決更難，直接妨礙了以慣 性線加速度傳感器測地速速度的實際應(yīng)用和普及。巳有的發(fā)明只停留 在測量系統(tǒng)裝置的應(yīng)用上，成本很高，不能進(jìn)入產(chǎn)品大批量生產(chǎn)，并 裝備到每一輛運營車輛的行駛記錄儀上。本發(fā)明用新的結(jié)構(gòu)和獨有的 運算方法可測出剛體運行中的速度和方向，在滿足汽車行駛記錄儀車 速測量所允許的誤差指標(biāo)下，作到成本最低，能達(dá)到與目前磁電式傳 感器相當(dāng)水平，其測量精度、功能、可靠性則遠(yuǎn)高于磁電式傳感器。 五

1、 圖1:四軸式結(jié)構(gòu)軸向示意圖。2、 圖2:傳感器原理框圖以單片機(jī)為中心的測量系統(tǒng)的原理框圖。3、 圖3:傳感器程序流程圖。
權(quán)利要求
1、一種由MEMS類線性慣性測量單元所構(gòu)成的加速度傳感器，可用以測量任何一類機(jī)動車輛運動時對大地地面的相對運動速度(包括±40°范圍內(nèi)上、下坡因重力加速度引起的速度)，及車體運行方向，能真實地反映出汽車對地運行軌跡，實現(xiàn)機(jī)動車發(fā)生事故后的平面軌跡再現(xiàn)。
2、 權(quán)利1中所指的MEMS類線性慣性傳感器可以是單軸式，也 可以是雙軸式， 一共由4條軸構(gòu)成本專利發(fā)明所指的傳感器。
3、 4條軸軸分別用X、 Yx、 Zx、 Zy來表示，其在X'、 Y'、 Z'三軸所構(gòu)成的三維空間坐標(biāo)中的擺放位置見說明書附圖。 其中，X軸與Yx軸間夾角(Xo可以從0°至360°， X軸相對X' 軸位置亦可從0°至360°;同理，Zx軸與Zy間夾角yo亦可從 0°變至360°， Zx軸相對于Z'軸位置變化亦可從0°變至360°。
全文摘要
本發(fā)明為一種新型機(jī)動車地速速度傳感器，系采用慣性線加速度初級傳感器(MEMS)元件，以四軸(X、Yx、Zx、Zy)方式構(gòu)成一種新型傳感器結(jié)構(gòu)，并通過專門的數(shù)學(xué)模型以檢測出汽車運行時前進(jìn)加速度(Ax)，側(cè)向加速度(Az)，及垂直加速度(Ay)，垂直加側(cè)向加速度(Ayz)等四個參數(shù)，也就是能測出汽車車體運行時對地的前進(jìn)、后退速度(包括±40°范圍內(nèi)上、下坡因重力引起的速度)及車體運行方向角β，從而真實地反映出汽車對地運行軌跡，可實現(xiàn)機(jī)動車出現(xiàn)事故后的現(xiàn)場平面軌跡再現(xiàn)。該產(chǎn)品可與目前國內(nèi)使用的各類汽車行駛記錄儀接口配套。產(chǎn)品成本低，適用于運營車輛的批量化使用。
文檔編號G01P3/00GK101324635SQ200710111090
公開日2008年12月17日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者劉憲周, 陳汴琨, 顧祖雄 申請人:顧祖雄;劉憲周;陳汴琨