技术领域
[0001] 本
发明属于基于制动过程的汽车重心位置动态检测装置及方法，是通过轴重、制动
力、
轴距及
轮距的测量，实现汽车重心位置的快速、有效检测的方法。
背景技术
[0002] 在所有的交通事故中，汽车侧翻事故的危害程度仅次于汽车碰撞事故。车辆侧翻除了驾驶员操作的失误原因，车辆的许多参数的偏差也是事关重要的因素。而汽车重心位置又是这些参数中最为重要且不易测量的参数之一。因此对汽车重心位置的动态检测具有重要意义。汽车的重心位置通常用汽车重心
水平位置和汽车重心高度来表示。
[0003] 目前，国内外测定汽车重心位置的方法主要有摇摆法、悬挂法、零位法、平台
支撑反力法、重量反应法。但是，以上这些都是静态的测量方法，测量费时费力，且与动态时车辆的重心高度等参数的实际位置有一定的偏差。因此研究一种测量
精度高、成本低、快速的汽车重心位置动态检测方法，具有重要的实用价值。
发明内容
[0004] 本发明主要目的在于提供一种能够在制动过程中准确、迅速检测重心位置的基于制动过程的汽车重心位置动态检测装置及方法。
[0005] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合
附图说明如下：
[0006] 一种基于制动过程的汽车重心位置动态检测装置，包括轴重、制动力检测装置、轴距测量装置、轮距测量装置和
数据采集处理系统，所述轴重、制动力检测装置包括制动台板16、挡轮13、3号对射式光电
开关14、制动力
传感器15和轴重传感器12，所述制动台板16由下面的
背板和
框架支撑，所述制动力传感器15装在每
块制动台板16前端的左右侧，所述轴重传感器12装在制动台板16的下方，所述挡轮13装在制动台板16的两侧，所述3号对射式光电开关14装在在制动台板16中部的两侧；
[0007] 所述轴距测量装置包括左右侧
导轨21、11、装在导轨上的移动式小车30、装在移动式小
车顶部的激光反光板35、装在移动式小车中部的漫反射式光电开关34以及分别装在左、右侧导轨前面的激光测距仪；
[0008] 所述轮距测量装置包括装在平板制动台16前端的左右两侧的1、2号对射式光电开关7、8、装在平板制动台16前端左右两侧和中间的激光测距仪；
[0009] 所述制动台板16为4快，每两块的长宽之和按小型车的轴距和车宽确定，制动台板16
板面的附着系数在0.1以上；所述制动力传感器15与制动台板16间应保留0.2mm-0.3mm左右的间隙；每块制动台板16的下方装有6个轴重传感器12，最大称重
5000kg。
[0010] 所述左侧导轨21和右侧导轨11均平行于行车中心线；所述漫反射式光电开关34应与地面平行，与行车中心线保持垂直，且高度不能超过
轮毂的最低点，漫反射式光电开关34的最大有效距离应在1000mm～1200mm之间；
[0011] 所述激光反光板35表面垂直于地面且垂直于行车中心线，在激光反光板中心31处刻画有十字形的准心，用于激光的标定和检查；在左侧导轨21的前方安装1号激光测距仪1，在右侧导轨11的前端安装2号激光测距仪6，1号激光测距仪1和2号激光测距仪6发射的光线均应平行于行车中心线和地面，同时要保证在移动式小车30的整个运动行程中，二者的照射点一直位于激光反光板35上的准心处。
[0012] 所述1、2号对射式光电开关7、8的有效距离应在3500mm-4000mm之间；所述激光测距仪装在
车轮定位线(41)上，3、6号激光测距仪2、5分别安装在左右两侧，4、5号激光测距仪3、4安装在中间，四个激光测距仪发射的光线均应垂直于行车中心线且平行于地面，4、5号激光测距仪3、4均应尽量靠近行车中心线，以防车辆开偏测量不到。
[0013] 一种用于上述的基于制动过程的汽车重心位置动态检测装置进行汽车重心位置动态检测方法，包括以下具体步骤：
[0014] 1数据采集处理系统中的设备调零，采集轴重、制动力
信号[0015] 当车辆进入检测场地后，点阵显示屏29提示车辆以每小时5-10公里的初速度行驶上检测装置，当车辆前轮经过3号对射式光电开关14时，引起3号对射式光电开关14的
电压发生变化，此信号被工控机28接收，记录轴重、制动力传感器测量的车辆动态的轴重、制动力，并通过点阵显示屏29显示
刹车；当车辆完全静止后，点阵显示屏29将显示车辆左右前轮
载荷、左右后轮载荷和汽车总重，工控机28的显示器界面出现轴重和制动力信号随时间变化关系的曲线。
[0016] 2采集轴距信号
[0017] 当车辆完全静止后，移动式小车30由导轨前端向导轨后端移动，当移动式小车30上的漫反射式光电开关34感应到前、后轮胎的前、后沿时，其电压均开始变化，工控机28根据电压变化信号，对激光测距仪发出指令，测量在这四个时刻的漫反射式光电开关34到激光测距仪的距离；当移动式小车30
接触到行程开关后，自动回到初始位置。
[0018] 3)采集轮距信号
[0019] 车辆向前缓慢移动，当车辆前轮完全挡住1号对射式光电开关7和2号对射式光电开关8时，3号激光测距仪2、4号激光测距仪3、5号激光测距仪4和6号激光测距仪5同时测量，得到相应端面的距离值，后轮轮距测量方法与前轮相同。
[0020] 4通过重心位置动态检测
算法计算出汽车重心位置
[0021] 重心至前轴中心线的距离：
[0022] 重心至后轴中心线的距离：
[0023] 重心至两左轮中心连线的距离：
[0024] 重心至两右轮中心连线的距离：
[0025] 重心高度：
[0026] 其中： 设φ为
车身绕重心的
角位移、Kf为前轴
弹簧刚度、Kr为后轴弹簧刚度。设G为汽车总重、G1为后轴载荷、G2为两右轮载荷、G3为前轴载荷、B为汽车轮距、为平板制动台附着系数，L为汽车轴距，G′为前轴载荷最大时刻对应的汽车总重，FZ1、FZ2分别为前轴载荷最大时刻对应的地面对前、后轮的法向反作用力。
[0027] 本发明的技术效果：
[0028] 1、基于静态的重心位置测量方法，不仅测量费时费力，而且与动态时车辆的重心高度等参数的实际位置有一定的偏差，提出了在制动过程中动态检测汽车重心位置的方法。
[0029] 2、本发明通过轴重、制动力检测装置、轴距测量装置、轮距测量装置和数据采集处理系统对轴重、制动力信号，轴距信号和轮距信号进行采集，并通过重心位置动态检测算法，实现了汽车重心位置快速、准确的测量。
[0030] 3、本发明可以基于计算出的汽车重心位置，对车辆侧滑、侧翻进行分析，计算出在不同路况下车辆侧滑、侧翻的极限值，并发出预警信息，避免交通事故的发生。本发明可广泛应用于各种车辆的行驶安全控制过程中。
[0031] 4、本发明方法操作简单，易于维护，可以方便地应用于汽车检测线上，并可有效地实施检测。
附图说明
[0032] 图1基于制动过程的汽车重心位置动态检测装置结构图。
[0033] 图2轴距测量装置中移动式小车及导轨示意图。其中，
[0034] 图2(a)是俯视图；图2(b)是主视图；图2(c)是左视图。
[0035] 图3轴距测量原理图。
[0036] 图4前轮轮距测量装置图。其中，图4(a)是俯视图；图4(b)是主视图。
[0037] 图5后轮轮距测量装置图。其中，图5(a)是俯视图；图5(b)是主视图。
[0038] 图6重心水平位置测量原理图。
[0039] 图7数据采集处理系统原理图。
[0040] 图8制动过程中汽车受力分析图。
[0042] 图中：1.1号激光测距仪 2.3号激光测距仪 3.4号激光测距仪 4.5号激光测距仪 5.6号激光测距仪 6.2号激光测距仪 7.1号对射式光电开关 8.2号对射式光电开关9.右侧移动式小车上的激光反光板 10.右侧移动式小车上的漫反射式光电开关 11.右侧导轨12.轴重传感器 13.挡轮 14.3号对射式光电开关 15.制动力传感器 16.制动台板
17.右侧导轨上的行程开关 18.左侧移动式小车上的激光反光板 19.左侧移动式小车上的漫反射式光电开关 20.左侧导轨上的行程开关 21.左侧导轨 22.激光光线 23.对射式光电开关24.左前轮 25.右前轮 26.左后轮 27.右后轮 28.工控机 29.点阵显示屏
30.移动式小车31.激光反光板中心 32.车轮 33.导轨 34.漫反射式光电开关 35.激光反光板 36.开关量接线板 37.模拟量接线板 38.模拟量采集卡 39.开关量采集卡 40.串口
扩展卡 41.
车轮定位线
具体实施方式
[0043] 下面结合附图所示
实施例进一步详细说明本发明的具体方法及装置实施方式。
[0044] 为便于实验，本文以小型车(3.5吨以下)为例，进行相关的分析和实验。
[0045] 基于制动过程的汽车重心位置动态检测装置，它包括轴重、制动力检测装置、轴距测量装置、轮距测量装置及数据采集处理系统：
[0046] 1)参阅图1，所述的轴重、制动力检测装置包括制动台板(16)、挡轮(13)、3号对射式光电开关(14)、制动力传感器(15)及轴重传感器(12)。小型车的车宽一般不会超过2.1m(特种车除外)，但考虑到车辆行驶的偏差，两块制动台板(16)宽度和控制在2700mm左右。而小型车的轴距一般都集中在2340mm(奇瑞QQ)-3150mm(奔驰E级加长)，加上刹车距离(在速度5-10km/h的情况下刹车，刹车距离一般不会超过1-1.5m)，设计的制动台板(16)的长度应达到4.7m，本装置设计两块制动台板(16)的长度为2400mm，中间还有360mm的距离，使实际长度接近6m。制动台板(16)板面采用特殊工艺的粘结
复合材料层，有效提高板面的附着系数(应达到0.1以上)，这样就能增大制动效能，降低因轮胎表面有水或粘有
雪等因素对制动力的影响。制动台板(16)应牢固可靠，下面有背板和支撑的框架。制动台板(16)前侧应设有制动力传感器(15)(左右各一个)，测量最大值为4000N。制动力传感器(15)一面与制动台板(16)连接，一面与框架连接，制动力传感器(15)与制动台板(16)间应保留0.2mm-0.3mm左右的间隙。在制动台板(16)的下方设有轴重传感器(12)，考虑到制动台板(16)的长度，本装置在每块制动台板(16)的下方装有6个轴重传感器(12)，最大称重5000kg。
[0047] 2)参阅图1、图2，所述的轴距测量装置是在平板制动台的两侧分别安装左侧导轨(21)和右侧导轨(11)，两导轨均平行于行车中心线，在导轨上安装移动式小车(30)，在移动式小车(30)的中间加装一个漫反射式光电开关(34)，此漫反射式光电开关(34)，应与地面平行，与行车中心线保持垂直，且高度不能超过轮毂的最低点，考虑到轮胎的宽度都在150mm以上，所以漫反射式光电开关(34)的最大有效距离应在1200mm以内且不应小于1000mm。在移动式小车(30)的上面安装一块激光反光板(35)，此激光反光板(35)的表面不仅要垂直于地面而且要垂直于行车中心线，并在激光反光板中心(31)处刻画有十字形的准心，为激光的标定和检查做准备。在左侧导轨(21)的前端安装1号激光测距仪(1)，在右侧导轨(11)的前端安装2号激光测距仪(6)。1号激光测距仪(1)和2号激光测距仪(6)，二者所发射的光线均应平行于行车中心线和地面，同时还要保证在移动式小车(30)的整个运动行程中，二者的照射点一直位于激光反光板(35)上的准心处。
[0048] 3)参阅图1、图4和图5，所述的前、后轮轮距测量装置是在平板制动台前端的左右两侧安装1、2号对射式光电开关(7)、(8)，其有效距离应在3500mm-4000mm之间。在车轮定位线上，左侧安装一个3号激光测距仪(2)，中间偏左侧安装一个4号激光测距仪(3)，中间偏右侧安装一个5号激光测距仪(4)，右侧安装一个6号激光测距仪(5)。由于3、4、5、6号激光测距仪每两个的距离都没有超过1500mm，所以该激光测距仪的有效距离选择小一点就可以，四个激光测距仪发射的光线均应垂直于行车中心线且平行于地面，4号激光测距仪(3)和5号激光测距仪(4)均应尽量的靠近行车中心线，以防车辆开偏测量不到。
[0049] 4)参阅图7，所述的数据采集处理系统包括工控机(28)、开关量接线板(36)、点阵显示屏(29)、开关量采集卡(39)、模拟量采集卡(38)、模拟量接线板(37)和串口扩展卡(40)。市面上常用的点阵显示屏(29)有16点阵显示屏和24点阵显示屏。16点阵显示屏上下分屏各显示六个字，24点阵显示屏上下分屏各显示八个字，为了达到更好的显示效果，本发明选用了24点阵显示屏。同时，点阵显示屏的通信口设计成485串口模式，这样有效的避免了信号的干扰。为达到较高的使用效能，选用了功能较多的工控机(28)，其参数为：CPU酷睿双核2.4G、内存2G、
硬盘250G、24XDVD
光驱，该机本身带有1个VGA口、1个网线口、
1个
键盘鼠标接线口、1个
打印机口、2个232
接口、1个485接口、2个USB接口，除本身带的接口(占用3个ISA插槽)，还有5个ISA插槽和4个PCI插槽备用。开关量接线板(36)选用北京康拓工业电脑公司的IPC5375I/O板。模拟量接线板(37)选用北京康拓工业电脑公司的IPC5488板。串口扩展卡(40)选用MOXA 168H型。系统中的制动力和轴重传感器均为模拟量信号，输出在0-10mV左右，根据模拟量采集卡(38)的信号输入要求，需安装
信号处理模块，本发明选用北京阿尔泰科技发展有限公司的A11B11型信号处理模块，该模块供电电压+24V，输入电压0-15mV，
输出电压0-5V。电源选用深圳生产的长城电源。此数据采集处理系统实时采集轴重、制动力信号，各个对射式光电开关、漫反射式光电开关、行程开关和激光测距仪的信号，通过点阵显示屏(29)显示相关数据及命令，并通过其内部设置的算法进行相应运算。
[0050] 本发明方法包括以下步骤：
[0051] 1)数据采集处理系统中的设备调零，采集轴重、制动力信号
[0052] 当车辆进入检测场地后，点阵显示屏(29)提示车辆以每小时5-10公里的初速度行驶上检测装置，当车辆前轮经过3号对射式光电开关(14)时，3号对射式光电开关(14)的电压将发生变化，工控机(28)在接收到此电压变化信号后，将记录轴重、制动力传感器测量的车辆动态的轴重、制动力，并通过点阵显示屏(29)显示刹车。当车辆完全静止后，点阵显示屏(29)将显示车辆左前轮载荷、右前轮载荷、左后轮载荷、右后轮载荷和汽车总重，工控机(28)的显示器界面出现轴重和制动力信号随时间变化关系的曲线。
[0053] 2)采集轴距信号
[0054] 车辆完全静止后，开始测量轴距。由于左右侧轴距的测量原理相同，所以在图3中，仅标明了右侧轴距的测量原理。参阅图3，可知右侧轴距的测量原理为：当车辆完全静止后，车辆右侧的移动式小车由右侧导轨(11)的前端向右侧导轨(11)的后端移动，当右侧移动式小车上的漫反射式光电开关(10)感应到前轮胎的前沿时，此漫反射式光电开关的电压开始变化，工控机(28)根据此电压变化信号，对2号激光测距仪(6)发出指令，测量当前右侧移动式小车上的漫反射式光电开关(10)到2号激光测距仪(6)的距离；移动式小车继续移动，当右侧移动小车上的漫反射式光电开关(10)感应到前轮胎的后沿时，此漫反射式光电开关的电压开始变化，工控机(28)根据此电压变化信号，对2号激光测距仪(6)发出指令，测量当前右侧移动式小车上的漫反射式光电开关(10)到2号激光测距仪(6)的距离；移动式小车继续移动，当右侧移动小车上的漫反射式光电开关(10)感应到后轮胎的前沿时，此漫反射式光电开关的电压开始变化，工控机(28)根据此电压变化信号，对2号激光测距仪(6)发出指令，测量当前右侧移动式小车上的漫反射式光电开关(10)到2号激光测距仪(6)的距离；移动式小车继续移动，当右侧移动式小车上的漫反射式光电开关(10)感应到后轮胎的后沿时，此漫反射式光电开关的电压开始变化，工控机(28)根据此电压变化信号，对2号激光测距仪(6)发出指令，测量当前右侧移动式小车上的漫反射式光电开关(10)到2号激光测距仪(6)的距离；移动式小车继续移动，当其接触到行程开关后，自动回到初始位置。
[0055] 一般情况下，漫反射式光电开关(10)有一定的扩散角度(设此角度为θ)，所以其在感应车轮(32)的时候有一个提前量和一个滞后量。另外，由于车辆停驶方向不一定与行车中心线完全的平行，因此漫反射式光电开关靠近车轮侧到轮胎感应面的垂直距离有一定差异。设图3中自右向左，漫反射式光电开关靠近车轮侧到轮胎感应面的垂直距离依次为c1、c2、c3、c4，则测量时右前轮(25)前感应点的提前量为c1×tanθ，右前轮(25)后感应点的滞后量为c2×tanθ，右后轮(27)前感应点的提前量为c3×tanθ，右后轮(27)后感应点的滞后量为c4×tanθ。但考虑到大多数车辆停驶时的偏移角度不大且θ很小，所以在此可认为c1×tanθ＝c2×tanθ、c3×tanθ＝c4×tanθ。设右侧移动式小车在图3所示从右至左的四个位置时，2号激光测距仪(6)到右侧移动式小车上的漫反射式光电开关(10)的距离分别为Lf1、Lf2、Lr1、Lr2，2号激光测距仪(6)到右前轮(25)中心所在的与其行驶方向垂直的平面的距离为Lf，到右后轮(27)中心所在的与其行驶方向垂直的平面的距离Lr，则[0056] Lf＝(Lf1+c1×tanθ+Lf2-c2×tanθ)/2＝(Lf1+Lf2)/2
[0057] Lr＝(Lr1+c3×tanθ+Lr2-c4×tanθ)/2＝(Lr1+Lr2)/2
[0058] 设右侧轴距为L2，则
[0059] L2＝Lr-Lf＝(Lr1+Lr2)/2-(Lf1+Lf2)/2＝(Lr1+Lr2-Lf1-Lf2)/2
[0060] 设左侧轴距为L1，则同理可得左侧轴距L1。
[0061] 设汽车轴距为L，则
[0062] L＝(L1+L2)/2
[0063] 3)采集轮距信号
[0064] 轴距测量完毕，车辆缓慢前行，开始测量汽车轮距。参阅图4与图5，汽车轮距测量原理为：车辆缓慢前行，当车辆前轮只挡住2号对射式光电开关(8)时，点阵显示屏(29)提示车辆稍进；只挡住了1号对射式光电开关(7)时，点阵显示屏(29)提示车辆稍退；当车辆前轮完全挡住1号对射式光电开关(7)和2号对射式光电开关(8)时，点阵显示屏(29)提示停车。此时3号激光测距仪(2)、4号激光测距仪(3)、5号激光测距仪(4)和6号激光测距仪(5)同时测量，得到相应端面的距离值。测量完毕，点阵显示屏(29)提示“测量后轮轮距车辆缓慢前进”。当车辆后轮完全挡住1号对射式光电开关(7)和2号对射式光电开关(8)时，3号激光测距仪(2)、4号激光测距仪(3)、5号激光测距仪(4)和6号激光测距仪(5)同时测量，得到相应端面的距离值。其中
[0065] Bf——前轮轮距
[0066] Br——后轮轮距
[0067] S1——3号激光测距仪(2)右侧到4号激光测距仪(3)左侧的距离
[0068] S2——4号激光测距仪(3)左侧到5号激光测距仪(4)右侧的距离
[0069] S3——5号激光测距仪(4)右侧到6号激光测距仪(5)左侧的距离
[0070] Bf1——3号激光测距仪(2)右侧到左前轮(24)左表面的距离
[0071] Br1——3号激光测距仪(2)右侧到左后轮(26)左表面的距离
[0072] Bf2——4号激光测距仪(3)左侧到左前轮(24)右表面的距离
[0073] Br2——4号激光测距仪(3)左侧到左后轮(26)右表面的距离
[0074] Bf3——5号激光测距仪(4)右侧到右前轮(25)左表面的距离
[0075] Br3——5号激光测距仪(4)右侧到右后轮(27)左表面的距离
[0076] Bf4——6号激光测距仪(5)左侧到右前轮(25)右表面的距离
[0077] Br4——6号激光测距仪(5)左侧到右后轮(27)右表面的距离
[0078] 前轮轮距Bf＝S2+Bf2+(S1-Bf1-Bf2)/2+Bf3+(S3-Bf3-Bf4)/2
[0079] 后轮轮距Br＝S2+Br2+(S1-Br1-Br2)/2+Br3+(S3-Br3-Br4)/2
[0080] 设B为汽车轮距，则
[0081] B＝(Bf+Br)/2
[0082] 4)通过重心位置动态检测算法计算出汽车重心位置
[0083] 根据数据采集系统(参阅图7)，所采集、处理后的信息，通过重心位置动态检测算法，计算出汽车重心位置：
[0084] (1)计算重心水平位置：参阅图6，设重心所在位置点为O、G1为后轴载荷、G11为左后轮载荷、G12为右后轮载荷、G2为两右轮载荷、G21为右前轮载荷、L1为左侧轴距、L为汽车轴距、L2为右侧轴距、B为汽车轮距、Bf为前轮轮距、Br为后轮轮距、a为重心至前轴中心线的距离、b为重心至后轴中心线的距离、c为重心至两左轮中心连线的距离、d为重心至两右轮中心连线的距离、G为汽车总重，则
[0085] G1＝G11+G12
[0086] G2＝G21+G12
[0087] L＝(L1+L2)/2
[0088] B＝(Bf+Br)/2
[0089]
[0090]
[0091]
[0092]
[0093] (2)计算重心高度：参阅图8，设汽车制动前的速度为u，
惯性力F作用在重心点O处，惯性力在前、后桥上M、N处的分力分别为F1和F2。
[0094] 在前轴载荷最大时刻，对前轮接地点列力矩方程：
[0095] FZ2L+F2h2+F1h1-G′a＝0
[0096] 其中 h1＝h-asinφ
[0097] h2＝h+bsinφ
[0098] 联立上式，化简得
[0099]
[0100] 又有
[0101]
[0102]
[0103]
[0104] 则重心高度为
[0105]
[0106] 其中： 设φ为车身绕重心的角位移(rad)、Kf为前轴弹簧刚度(N/m)、Kr为后轴弹簧刚度(N/m)。在平板制动台上，检测程序根据采集轴重和制动力信号随时间变化关系的曲线可以直接得出弹簧刚度的值。设G3为前轴载荷(N)、为平板制动台附着系数，h1、h2分别为前轴载荷最大时刻对应的前、后轴悬架弹簧高度(m)、h为重心高度(m)，FZ1、FZ2分别为前轴载荷最大时刻对应的地面对前、后轮的法向反作用力(N)，FXb1、FXb2分别为前轴载荷最大时刻对应的前、后轮的地面制动力(N)、G′为前轴载荷最大时刻对应的汽车总重(N)。
