车载姿态测量系统的开发

 汽车运动状态信息的测量和采集是汽车操纵稳定性研究和设计的基本问题，也是实现汽车电子控制及辅助驾驶系统的必要条件。这就需要一种具有足够精度和置信度的、快速的、操作简便的和适用范围广的测量汽车运动状态的方法[1]。本文研究设计了一种基于可编程逻辑阵列(FPGA)的捷联式车载汽车姿态实时测量系统。此系统具有体积小、使用方便、成本低廉等优点。

1 系统组成

本系统主要由传感器组模块、数据采集卡、便携式计算机、电源等组成，系统硬件如图1所示。

1.1 微惯性测量单元(MIMU)

自主设计的微惯性测量单元。由2个ADXL203型双向加速度计和3个ADXRS150型角速度陀螺组成，要求3个角速度陀螺安装在3个正交平面上，其敏感轴相互垂直，组成测量体的三维坐标系，2个双向加速度计安装在另外2个面上(剩下的1个面作为MIMU与汽车的安装固定平面)。为了保证加速度计的敏感轴也组成三维坐标系，要求测量垂向加速度的2个敏感轴相互平行(由于本MIMU在垂向测量了2次，因此在数据采集阶段垂向加速度取两者的均值)。

1.2 数据采集卡

数据采集卡是基于FPGA控制和USB2.0接口的采集卡，它可实时对6路模拟信号进行不间断的采集，输入信号幅度范围是0~5 V，AD转换位数为16位，单通道采样率为250 kS/s，所使用的USB传输方式为高速块传输，应用FPGA作为采集的控制单元，并采用USB总线供电，移动性好，内置信号连接，可以满足车载测量实时性和精准性的需求[2]。图2为该数据采集卡的组成框图。

2 系统软件

系统软件分为数据采集软件和数据处理软件两部分，其流程如图3所示。本系统采用Visual Basic 2005语言编程实现，依次实现信号采集、初始信号滤波、姿态角解算、Kalman滤波融合、结果的显示和存储等功能。

3 实车试验

为了检验该汽车运动姿态测量系统的效果，进行了实车试验。试验时将MIMU固定于汽车质心位置处，并且保证传感器所组成的测量坐标系平行于车体坐标系，加速度计正向指向相应的坐标轴的正向，陀螺仪的分布和坐标轴一致，测量给定轴的旋转角速度，旋转的正方向由右手定则确定[3]。在完成MIMU的安装、系统接线、传感器的标定和软件的初始化设置等工作后即可开展实车道路试验。图4是试验采集得到并经初始滤波后的汽车6自由度运动信号。图5是试验得到的汽车姿态角变化曲线。图6为进一步试验得到的汽车姿态角估计误差曲线，从图中可以看出，由于引入Kalman滤波融合算法[4]，使得姿态角估计误差小于0.5°，满足了汽车运动姿态测量的精度要求，说明本测量系统的可行性。

本文研究了捷联式车载姿态测量系统。自主设计了微惯性测量单元(MIMU)和基于USB2.0接口的数据采集卡，并应用Visual Basic 2005开发了数据采集软件和数据处理软件，最后通过实车道路试验验证了本实时测量系统的可行性。另外，此系统具有体积小、使用方便、成本低廉等优点。如果通过选取精度更高的MEMS传感器和采用更为高效的实时预测方法，可以进一步地提高系统的预测精度。