论文题目：多维轮力传感器及其运动—力解耦关键技术研究
摘要：车轮力表征了车辆车轮与地面相互作用的结果,实时的轮力信号为对车辆动态性能测试和主动安全分析评价起到至关重要的作用,如路谱采集和台架模拟再现、轮胎动特性、悬架动态特性、车辆行驶路面感知等。车轮力传感器（Wheel Force Transducer, WFT）为实时的轮力测量提供了一种有效的手段,因此研发和设计具有自主知识产权的轮力传感器对于提高我国的车辆检测技术水平具有重要意义。本文围绕多维轮力传感器,针对传感器在运动状态的测量和解耦等进行了系统性研究。论文主要内容如下:1.针对现有WFT在运动场中的测量精度不高问题,从理论上分析了传感器自身惯性引入的误差及其耦合机理,提出了进行运动-力解耦研究的思路和方法。在轮辐式WFT的测量和结构解耦原理的基础上,基于运动场中的牛顿定律建立其惯性力学模型,并利用有限元对惯性耦合进行了仿真和验证。2.将惯性测量技术引入轮力测量,设计实现具有运动感知功能的多维WFT,包含轮力、转角、惯性测量的多传感器系统。根据系统架构和总成方法,将设计分为感知、采集、传输和处理等多个环节,完成了传感体的机械结构优化与设计、采集和传输模块等硬件电路设计,给出了运动-力解耦的信息处理方法。3.面向WFT系统的多传感器初值问题研究。由于实际安装、加工、工艺等原因,传感器弹性体、编码器、惯性传感器与车轮坐标系并不完全一致,存在初值误差而影响解耦精度,因此,本文利用旋转解算的交变信号特征,设定特定的工况如水平停车或匀速行驶,研究多传感器WFT系统的初值校准方法。4.兼顾降噪和角加速度预测的WFT滤波方法研究。考虑实际测量与惯性解耦特征,直接利用陀螺仪输出估计角加速度将引入严重的漂移误差,本文采用了一种基于Singer-QKF的滤波和估计方法,兼有系统噪声抑制和实时状态估计。5. WFT非线性惯性力耦合回归问题研究。实际运动场的耦合是动态且变化的,通过改进连续加速度加载的标定方式,并利用最小二乘支持向量机进行学习训练,实现对非线性惯性力的回归预测,进一步提高实际运动-力解耦的精度。6.运动感知WFT标定与实验研究。依托并设计不同的标定平台和方法,对传感器的轮力静态特性和惯性力稳态特性进行了实验研究;特别是定义了惯性耦合分析的不同性能指标,基于Carsim仿真环境验证了解耦方法的可行性,最后给出了应用于实车路试的测量和解耦结果。
关键词：多维轮力传感器;运动-力解耦;惯性解耦;惯性传感器
学科专业：仪器科学与技术
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 WFT国内外研究现状
1.2.1 WFT国外研究现状
1.2.2 WFT国内研究现状
1.3 WFT运动-力解耦技术研究现状
1.4 论文内容安排
1.5 本章小结
第二章 WFT运动-力耦合理论分析
2.1 WFT多维力测量原理
2.1.1 旋转转解耦与坐标变换
2.1.2 弹性体应力变形分析
2.1.3 结构自解耦与组桥
2.2 WFT运动-力耦合效应理论
2.2.1 WFT运动场下的惯性耦合及影响
2.2.2 单维加速度惯性载荷
2.2.3 惯性耦合的力学解析
2.3 WFT结构惯性耦合仿真分析
2.3.1 有限元仿真验证
2.3.2 耦合误差估计
2.4 本章小结
第三章 运动感知WFT设计与实现
3.1 系统架构与总成
3.2 轮力感知环节设计
3.2.1 性能优化指标
3.2.2 弹性体形状优化
3.2.3 正交试验设计与校核
3.3 信息采集环节设计
3.3.1 转角测量模块
3.3.2 惯性测量模块
3.3.3 采集电路
3.4 数据传输环节设计
3.4.1 传输电路
3.4.2 数据终端
3.4.3 非接触通讯方法与协议
3.5 信息处理环节设计
3.5.1 采集软件设计
3.5.2 信息处理与解耦流程
3.5.3 运动-力解耦问题与难点
3.6 本章小结
第四章 运动感知WFT初值校准方法研究
4.1 WFT多传感器初值问题
4.2 编码器角度和预应力补偿方法
4.3 惯性传感器初始安装对准
4.3.1 安装方位角校准
4.3.2 偏心误差校准
4.4 初值标定实验
4.5 本章小结
第五章 WFT加速度估计与滤波方法研究
5.1 WFT噪声与滤波问题
5.2 线加速度的平滑滤波
5.3 基于SINGER-QKF的滤波与角加速度估计
5.3.1 求积分点卡尔曼滤波器
5.3.2 Singer-QKF滤波方法
5.4 滤波仿真实验
5.5 本章小节
第六章 WFT非线性惯性解耦方法研究
6.1 WFT非线性惯性耦合问题
6.2 基于LS-SVR的WFT非线性惯性力回归预测
6.2.1 最小二乘支持向量回归机
6.2.2 基于耦合误差的非线性模型
6.3 非线性模型评估
6.4 回归结果分析
6.5 本章小结
第七章 运动感知WFT的标定与实验
7.1 标定设备与方法
7.1.1 轮力静态标定
7.1.2 线加速度实验
7.1.3 角加速度实验
7.1.4 标定过程与处理方法
7.2 WFT轮力静态特性
7.2.1 单通道轮力特性
7.2.2 最小二乘线性解耦方法
7.2.3 维间耦合度
7.3 WFT惯性载荷特性
7.3.2 单维加速度的惯性载荷特性
7.3.3 惯性耦合性能指标
7.4 仿真实验
7.4.1 基于WFT总成的惯性耦合度计算
7.4.2 基于加速度的运动-力解耦仿真
7.5 实车路试
7.5.1 路面对比测试
7.5.2 直线制动测试
7.6 本章小结
第八章 总结与展望
8.1 论文工作总结
8.2 下一步工作展望
参考文献
致谢