基于MIMU的车速测量方案研究

基于MIMU的车速测量方案研究
摘要：分析了车辆装备底盘性能测试对运动参数测量的特点和要求，提出了利用mimu单独工作进行车速测量的方案，以mimu（mems inertial measurement unit）为主要单元，以小型蓄电池作为供电源，通过usb-rs422转换接头，从usb口连接到笔记本电脑，从而获得计算的基本数据。

给出了车速测量系统的安装调整和速度及位移的计算思路，明确了实现工程化应用还需深入进行的工作。

abstract： characteristics and requirements were analyzed about test requirements of motion parameters during equipment chassis performance testing. a scheme was proposed for speed measurement work alone using mimu（mems inertial measurement unit）. the system core with imu was composed with an imu as main unit and a small storage battery as power source，connecting to notebook computer from usb port through
usb-rs422 x-over， and the basic data could be obtained. fitting and adjustment of the speed measurement system was given along with the calculation method of speed and displacement. further work for engineering application was clear.
关键词： mimu；车速测量；车辆装备；伴随保障
key words： mimu；speed measurement；vehicle equipment；accompaning support
中图分类号：u467.4 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）12-0034-02
0 引言
在车辆装备伴随保障工作中，通过道路试验对底盘的制动性能和动力性能进行测试，判定其技术状况，确定是否需要进行维护保养或故障排除，对于提高保障工作的针对性和有效性具有重要的意义。

特别是测试中车辆装备的行驶距离以及车速、加速度等运动参数蕴含着丰富的信息，是得出判定结果的数据基础。

以微机械制造技术为基础的mimu（mems inertial measurement unit），可以直接安装在载体上，测定载体的运动信息，包括位置、速度、加速度、姿态、角速度等，从原理上讲，用于车速的测量是完全可行的。

mimu成本低、尺寸小、重量轻、可靠性高，随着制造工艺的发展，中低精度mimu的应用越来越广泛。

但是由于mimu存在累积误差，目前的应用中一般采取与gps组合工作的方式
[1][2][3]，不符合车辆装备保障工作在隐蔽性方面的要求。

本文分析了车辆装备底盘性能测试对运动参数测量的特点和要
求后，提出了利用mimu单独工作进行车速测量的方案。

1 车辆装备伴随保障中底盘运动参数测量的特点和要求
目前一般汽车的道路试验是利用比较完善的测试仪器系统，在专用的试验场地，由专业技术人员进行，车辆装备伴随保障中的底盘性能测试，在场地、人员、时间等方面与普通汽车的专业性试验有很大差别，使得准备时间较长、测量仪器设备不便携带或对使用条
件要求高、对操作人员专业素质要求高的项目难以实施。

因此，在汽车试验中广泛使用的光电式车速仪就不能满足伴随保障特点和
任务需求。

车辆装备伴随保障工作要求测试仪器体积小巧、操作方便、可靠性高，以最大程度地缩短测试时间，降低对场地、人员的技术要求。

虽然中低精度的imu精度较低，直接应用所产生的误差将不可接受，但装备性能测试所具有的特点使误差可以在一定程度上得到补偿和校正，从而有可能构建实用的装备底盘运动参数测试系统。

1.1 性能测试工作持续时间短，单项测试，一般在几秒至十几秒内完成，imu处于短时测量状态，可以降低对其精度要求。

1.2 性能测试不需要像导航定位或自主控制那样，实时地精确处理大量数据，单项试验进行中只需简单地判断数据是否有效即可，不必进行精度较高的精确计算，有利于数据的事后处理和误差补偿，对降低imu精度要求有很重要的作用。

1.3 不是作为导航定位用，不需要测量绝对航向角，也可以降低陀螺仪的精度要求。

1.4 根据伴随式性能测试只需要对基本项目进行试验的实际情况，测试中装备是在平直道路上进行，可以认为只在装备的行驶方向上运动，即有很强的约束条件。

基于对伴随保障中装备底盘运动参数测量特点和要求的上述分析，可知微机械惯性测量单元在原理上可以用于运动参数测试。

2 mimu车速测量系统的基本组成
作为车速测量系统核心的数字式惯性测量单元，是一个六自由度惯性测量系统，包含三个采用微机械技术加工的角速率陀螺和三个加速度计，采用数字信号处理技术对各传感器进行降噪、温度补偿、非线性校正和交叉耦合补偿，最终以数字量实时输出运动物体的三维角速率和三维线加速度。

如图1所示。

以mimu为核心构成的车速测量系统示意图如图2所示，以mimu 为主要单元，以小型蓄电池作为供电源，通过usb-rs422转换接头，从usb口连接到笔记本电脑，从而获得计算的基本数据。

3 mimu车速测量系统的安装和调整
把mimu安放在一个调整装置上，并一起固定在基座上，组成数据采集盒。

首先使车辆装备满足测试规定的载荷和技术条件，按直线行驶状态停放在平整的测试场地，把数据采集盒固定在车内的一个刚性平面上，利用调整装置的水平传感器进行调节，使mimu处于水平状态，并使mimu的x或y坐标轴指向车辆前进方向。

连接好蓄电池和usb-rs422转换接头，打开笔记本电脑的测试软件。

调整完毕后即可正式进行道路试验，采集所需数据。

4 mimu车速测量系统的计算
采集的数据为车辆装备在行驶方向的加速度，进行积分可以得到速度和位移，为减小mimu累积误差的影响，采用向后积分的方法[4]。

为解决数据计算准确性与测试实时性的矛盾，在测试时，进行粗
略计算，积分步长可选大些，仅用于判断数据的有效性，在每一次试验结束后，进行详细地计算，给出最终的试验曲线和判定结果。

5 下一步工作
本文根据车辆装备保障工作中底盘性能测试对运动参数测量的
特点和要求，提出了基于mimu的车速测量方案，但是要实现工程化应用还需更深入具体地研究。

下一步的工作是：
5.1 对车速测量系统进行实车试验，检验数据采集与处理的实际效果，给出测量的精度指标。

5.2 根据不同车辆装备的结构特点，优化车速测量系统的安装方式。

5.3 分析车辆装备底盘性能测试对mimu的精度要求，合理确定参数指标，使mimu的选择在满足车辆装备保障工作的同时，达到最佳的性价比。

参考文献：
[1]j. ryu， e. rossetter， j. gerdes.vehicle sideslip and roll parameter estimation use gps[c]. proceeding of ave2002 6th instymp on advance vehicle control hirosima，japan.2002：521-525.
[2]salah sukkarieh， eduardo m nebot， hugh f durrant-whyte.
a high integrity imu/gps navigation loop for autonomous land vehicle applications[j]. ieee transactions on robotics and automation.1999，15（4）：572-578.
[3]赵栓峰.车载惯性测量单元的建模与仿真[j].组合机床与自动化加工技术，2009（9）：15-18.
[4]倪江生.车辆制动性能测试的一种新方法[j].测控技术，2001，20（12）：11-13.。