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专利名称：新型机动车地速速度传感器的制作方法
技术领域：
传感器本发明属于一种适用于各类机动车辆测定对地速度和运行方向时 的新型传感器。 说明书-一、序言根据我国在2003年发布的"中国道路法"中规定，凡是营运车辆 均将安装汽车行驶记录仪，用以记录汽车运行速度、驾驶员的操作行 为，提高驾驶员安全行驶意识和规范驾驶行为，避免交通事故。若一 旦发生交通事故，能科学、准确地判断事故发生原因和责任。但目前我国所开发出的汽车行驶记录仪，其车速测量均采用磁电 式传感器测量车轮转速，所测数值并非车体对地速度，因而误差大， 特别在汽车制动时误差就更大，不能真实反映汽车运行速度。另外，由于磁电式传感器与发动机相连运行，摩擦、扭矩，及运 行环境都会明显地縮短使用寿命，致使可靠性降低，售后维修费用大， 且无法测量汽车运行方向。因此，到目前为止，尽管有立法，行驶记 录仪并未得到广泛应用。为了真实地反映汽车速度和姿态，提高测量精度和大批量商品化 的可行性，必须釆用离轴式自成体系的测速传感器，它能真实反映汽 车运行速度和方向，从而能作到事故平面轨迹再现，使目前我国汽车行驶记录仪得到真实的数据记录，最后作到成为事故处瑝的科学依据。 目前国内外已有多家研制单位对汽车地速速度传感器进行了研制 和探讨，如采用五轮仪并加上加速度传感器，以解决制动后车体速度 测量，有的采用光电成像技术及光电反射测时间差的方式测车速，乃 至采用陀螺传感器等，但都受到环境、路面、天气局限，而且成本都 很高，不能普及作为汽车行驶记录仪的配套传感器，到目前为止，还 仅停留在研制和探讨中，并未形成批量化产品，离实用化、商业化还 有距离。而目前民用产品中成本问题是笫一位因素，因为国内使用汽 车行驶记录仪成本有限，传感器价位高了无推广可能。此外，目前MEMS类线性加速度传感器测地速速度还存在以下问题首先，国内外研制和探讨采用线加速度传感器测地速都是以单轴X (纵向加速度)来实行的；当X轴对地平线有夹角"时(汽车上下坡)， 传感器自身重力加速度使测量线加速度产生误差，而此误差随"的增大 而加大，当a增至90。时，重力加速度达lg，可与线加速度相当。因 此重力加速度Agx不解决，用线加速度传感器就无法作地速测量，只能作水平面测量，无实用价值，因地面总是不平的。这也是多年来研制 和探讨线加速度传感器进行地速测量的难点。为此，有的研制者采用五轮仪加上线加速度传感器，就是为了避 开加速度传感器自身重力的影响，用五轮仪的速度作为加速度传感器 在汽车制动时的参考点，也就是加速度传感器的起始点，以此来修正 制动时的(Xx的重力加速度，制动后认为(Xx是不变的。有的单位还专 门用机械倾斜仪来测量汽车的纵向速度传感器与地平线的夹角Olx和侧滑角丫z，或者采用陀螺仪来测量角加速度，这些方法都存在明显提高 成本的缺陷，根本不可能作为每车必备产品来普及。本发明的关键点在于，在汽车运行中能够同时检测出运行姿态角 Cbc和yz，从而可以修正Ax和Az。同时，在低成本要求下最好通过加速度传感器自身来完成，不外加任何辅助设备。经过几年来研究，我 们提出一种新型的四轴式线加速度传感器结构来完成对纵向加速度和姿态角(Xx、 yz以及侧向加速度，垂直加速度的测量，自动修正Ax中 的重力加速度和Az中的重力加速度，从而最终得到真正的纵向对地车 速Vx。本传感器体积仅约为15X10X8 (cm')的小立方体。 二、基本原理采用四轴式惯性线加速度传感器的X、 Yx、 Zx、Zy轴的安装方向分别见附图l。下面，通过四轴式安装位置关系来说明各轴的作用和用途。A、 在汽车的前进方向上(纵向一X'坐标轴)摆放X轴。与x轴成a。 角，且位于XOY平面上摆放Yx轴。B、 垂直汽车前进方向(横向)摆放Zx轴C、 与Zx轴成y。角，且位于YOZ平面上摆放Zy轴 其相对关系如附图1所示。图中，X轴用来测量汽车前进方向的线加速度，Yx轴测量汽车运行 方向与地平面间的夹角，确定X轴在OU下的重力加速度，因X、 Yx轴在上下坡时变化的a是相同的，并且同相。根据矢量投影关系可看出Ax=ax± agxyx=axCOS(Xo± agyx 式中Ax—X轴方向上所产生的加速度ax—x轴方向上的线加速度 agx—x轴方向上的重力加速度Ayx—Yx轴方向上的加速度 agyx—Yx轴方向上的重力加速度 以各轴输出电压值表示加速度，有Ux=Ua±Ugx Uyx=UaCOSO±Ugyx 将X轴上电信号投影到Yx轴上，有 U'yx= (UaiUgx) COS(X 式中Ua~—线加速度Ugx——X轴重力加速度 Ugyx——Yx轴重力加速度 令U'gj^^U'yx—Uyx: (UaiUgx) COSOl—UaCOSO±Ugyx =±UgxCOS(X— (士Ugyx) U'gyx由于X轴和Yx轴重力加速度对"角的线性不同，利用线性差 值方法得到Yx轴变化± 。即可求得X轴变化"的重力加速度Ugyx。 进一步求出X轴线加速度Ua=UX±UgX。这样，将X轴上某瞬时t的线加速度Uax (t)与重力加速度Ugx (a) 区分开而得到X轴方向上Uax (t)的实际线加速度。也就是所要求出 的汽车前进(或后退)的线加速度。求出AUa-士AUxiAUgx，通过对AUa的积分或梯形设计方法可得出车辆 运行线速度Vx=V。± ^fAUadt 。Zx、 Zy的安装方式按与X、 Yx相同的原理进行，即Zx位于Z轴上， 同时垂直X、 Y轴方向。Zy轴位于YOZ平面上与Zx轴成 > 角，通过 Zx、 Zy可测出汽车侧滑角p.以修正Z轴重力加速度，然后根据Ux 和Zx测得汽车的侧向角(方向)p。三、新型地速速度传感器原理1、原理框图以单片机为中心的测量系统其原理框图见附图2。四轴式线加速度传感器X、 Yx、 Zx、 Zy的四个通道在调试时，应 先进行信号处理。首先将信号处理到要求的灵敏度和信号最大测量范 围内，经电平转换放大，再根据汽车运行时最快变化速度及外界环境， 如气压、震动来确定有源滤波器的带宽， 一般采用三阶有源滤波器， 所采信号即可满足A/D采集数值的稳定性，A/D采集速度和满码位数 取决于系统误差，采集速度应以还原线加速度变化曲线为准，不能以 为越高为好，只要在加速度变化速率下能复原即可，最终以汽车运行 规律再现为准。我们采用A/D编码速度100kc以上满码10位即可满足 系统误差要求。单片机选择有自带A/D和D/A的为佳，时钟的选择根 据数据处理速度保证在一定量的程序下不间断地连续采集信号，这样， 可以减小积累误差。接口配置是根据目前汽车行驶记录仪器巳设定要求，即车轮速度 应转化为频率量进行测量且无方向要求，所以配置频率量输出接口可 以在各类汽车行驶记录仪上兼容使用，替代磁电式传感器。同时也配置了 RS-232接口，为将来汽车行驶记录仪发展至事故平面轨迹再现时 接收速度信息和方向信息的通讯接口。 2、流程框图传感器工作时的程序流程图见附图3。 四、结论新型机动车地速速度传感器，解决了通常在用三轴X、 Y、 Z安装 结构中不能解决，即在运动中传感器所受到的重力加速度的测量问题， 这是长期以来的难题，特别是很低成本下解决更难，直接妨碍了以惯 性线加速度传感器测地速速度的实际应用和普及。巳有的发明只停留 在测量系统装置的应用上，成本很高，不能进入产品大批量生产，并 装备到每一辆运营车辆的行驶记录仪上。本发明用新的结构和独有的 运算方法可测出刚体运行中的速度和方向，在满足汽车行驶记录仪车 速测量所允许的误差指标下，作到成本最低，能达到与目前磁电式传 感器相当水平，其测量精度、功能、可靠性则远高于磁电式传感器。 五

1、 图1:四轴式结构轴向示意图。2、 图2:传感器原理框图以单片机为中心的测量系统的原理框图。3、 图3:传感器程序流程图。
权利要求
1、一种由MEMS类线性惯性测量单元所构成的加速度传感器，可用以测量任何一类机动车辆运动时对大地地面的相对运动速度(包括±40°范围内上、下坡因重力加速度引起的速度)，及车体运行方向，能真实地反映出汽车对地运行轨迹，实现机动车发生事故后的平面轨迹再现。
2、 权利1中所指的MEMS类线性惯性传感器可以是单轴式，也 可以是双轴式， 一共由4条轴构成本专利发明所指的传感器。
3、 4条轴轴分别用X、 Yx、 Zx、 Zy来表示，其在X'、 Y'、 Z'三轴所构成的三维空间坐标中的摆放位置见说明书附图。 其中，X轴与Yx轴间夹角(Xo可以从0°至360°， X轴相对X' 轴位置亦可从0°至360°;同理，Zx轴与Zy间夹角yo亦可从 0°变至360°， Zx轴相对于Z'轴位置变化亦可从0°变至360°。
全文摘要
本发明为一种新型机动车地速速度传感器，系采用惯性线加速度初级传感器(MEMS)元件，以四轴(X、Yx、Zx、Zy)方式构成一种新型传感器结构，并通过专门的数学模型以检测出汽车运行时前进加速度(Ax)，侧向加速度(Az)，及垂直加速度(Ay)，垂直加侧向加速度(Ayz)等四个参数，也就是能测出汽车车体运行时对地的前进、后退速度(包括±40°范围内上、下坡因重力引起的速度)及车体运行方向角β，从而真实地反映出汽车对地运行轨迹，可实现机动车出现事故后的现场平面轨迹再现。该产品可与目前国内使用的各类汽车行驶记录仪接口配套。产品成本低，适用于运营车辆的批量化使用。
文档编号G01P3/00GK101324635SQ200710111090
公开日2008年12月17日 申请日期2007年6月15日 优先权日2007年6月15日
发明者刘宪周, 陈汴琨, 顾祖雄 申请人:顾祖雄;刘宪周;陈汴琨