一种新型车轮六维力传感器_曾庆钊
一种新型车轮六维力传感器
曾庆钊 严振祥东南大学 南京市 210096
=摘要>车轮六维力传感器是汽车道路信号采集系统中的重要部件。本文介绍了一种新型车轮六维力传感器的结构特点、工作原理及优点等,并给出了采集信号的传输及存储方式。叙词:力传感器 集流环 非接触传输
ANewTypeSix-Degree-of-FreedomWheelForceSensor
ZengQingzhao,YanZhenxiangSoutheastUniversity,Nanjing210096
Abstract:Thesix-degree-of-freedom(6-DOF)wheelforcesensorisanimportantpartofvehicle.sroadloaddataacquisitionsystem.Thispaperintroducesanewtype6-DOFwheelforcesensor.sstructurecharacteristics,workingprinc-iple,meritsandsoon.Themethodsofdata.stransmissionandstoringarepresent-ed.KeyWords:ForceSensor,SlipRing,Non-ContactTransmission
一、引 言
在现代汽车工业中,随着汽车性能的不断完善和新型汽车的不断开发、研制,汽车道路信号采集系统也起到了越来越重要的作用。它是汽车整车实验的重要设备,利用该系统可实现车轮所受的六维力(侧向力、垂直力、纵向力、侧倾力矩、横摆力矩、扭矩)的动态同步测量,因而能为汽车地面动力学分析中计算机建模提供实际参数;另外也为研制汽车防抱死系统(ABS)、制动系统及消除汽车行驶侧滑等提供了根据;此外该系统采集的真实道路载荷在汽车零部件的台架模拟试验中也有广泛应用。然而汽车道路信号采集系统中最关键的部件即为车轮六维力传感器,该传感器性能的优劣直接决定了整套系统的好坏。目前,在国内因汽车道路信号采集系统尚处于初期研究阶段,还没有相应的车轮六维力传感器,常采用单个仪器分别对不同的道路数据进行测量,根本无法完成对道路数据的综合测量和数据处理分析,也远不能满足实际工作需要。而在国外,该传感器已经发展到较为成熟的水平,整套系统也获得了很快发展,例如德国LBF研究所研制的VE-LOS(VehicleLoadSensor)。就目前状况,一般车轮六维力传感器大都需要对数据信号进行解耦,才能获得各种动态载荷,而标定工作和信号解耦较为复杂,因此测量工作耗时耗力且测量结果精度不高。7第10期仪表技术与传感器 二、新型6DOF车轮传感器
本文所介绍的一种新型传感器,其设计思想就是从结构上实现动态载荷解耦,从而省去了大量的标定工作和数据信号的解耦工作。11结构特点及设计原理该传感器结构如图1所示。
图1车轮所受的侧向力FY、侧倾力矩MX及横摆力矩MZ是通过4个二力杆(如图1所示1~4)来传递的,4个杆只能承受沿轴向的推拉。每根二力杆上贴有两片应变片,如图2所示。通过不同的组桥方式可得到三路信号
图2Y、K13、K24与各力或力矩的对应关系为:Y FYK13MXK24MZ则可得如下关系式:FY=KY#YMX=KM(Y13#sinX+Y24#cosU) (1)MZ=KM(Y13#cosX+Y24#sinXSe)式中 KY、KM)))惠斯通电桥的灵敏度系数 X)))车轮的转角车轮所受的垂直力、纵向力及扭矩是通过8块薄板(如图3所示)传递的。由薄板特性可知,当选取适当的结构尺寸时,所引入的干扰信号可忽略不计,因此可认为薄板只承受弯矩的作用和沿径向的拉、压力。在薄板的正、反面对应贴应变片,如图3所示。
图3 通过不同的组桥方式可得另外三路信号U、R13、R24,其对应关系为:U MYR13FXR24FZ则可得如下关系式:FX=KR(R13#sinX+R24#cosX)FZ=KR(R13#cosX+R24#sinX)MY=KU#U(2)
式中 KU、KR)))惠斯通电桥的灵敏度系数X)))车轮的转角(1)、(2)式中KY、KM、KU、KR、X可采用其它方式与各力及力矩进行同步测量。21优点和测量结果该传感器充分利用了结构特点,在保证车轮结构完整和满足强度要求的前提下,实现了车轮所受动载荷的动态测量。因其省略了标定及解耦工作,一方面简化了测量工作,另一方面也提高了测量精度。利用该传感器测得的道路信号谱线可参见图4。8 仪表技术与传感器1997年
图4
三、信号传输及数据存储
车轮六维力传感器的测量信号包括6路信号,此外还包括角位移信号。如何从高速旋转的车轮上将上述信号引出,成为一大难题。由于车轮转速范围广(一般为0~3000r/min),工作环境多变,一般采用非接触式信号传输,且主要采用集流环方式。因该传感器测量参数多,采样时间长(1到几分钟),采样频率高(为了满足要求,可取10kHz),故采样数据量大(可达几MB甚至几十MB),一般PC机的内存都不能满足要求。其有效解决方法为,在计算机外设置两个可进行切换的存储区,利用PC机的硬盘资源,边采集边存储,实现连续的长时间的数据采集。因该系统不需进行控制,可对数据进行事后处理。本传感器可进行六维力的测量,在一般汽车检测中,往往只需要部分参数。例如在汽车制动、防抱死及振动测试中只需要侧向力、垂直力、纵向力及扭矩等信号,因此用户可根据实际需要,对该传感器进行改造,删除不必要的信号检测,减少不必要的工作。
四、结束语
车轮六维力传感器及汽车道路数据采集系统的研制技术含量高、难度大,因而价格昂贵。对该传感器的研究开发,不仅可以推动汽车工业的发展,单独也可以带来很高的经济效益。
参考文献1 A.Rupp,V.Grubisic,J.Nugebauer,DevelopmentofaMulti-ComponentWheelForceTransducer-ATooltoSupportVehicleDesignandValidation.SAE930258.2 WeiyiHuang,HongmingJiang,HanqingZhou.Mechan-icalAnalysisofaNovelSix-Degree-of-FreecomWristForceSensor.SensorandActuatorsA,1993;(35):203~2083 戴明桢等.48通道大容量数据采集系统.数据采集与处理,1997;1(12):1(收稿日期:1997年5月6日)9第10期仪表技术与传感器
基于参数化功率谱估计的车轮多边形动态识别
第 43 卷第 4 期2023 年 8 月振动、测试与诊断Vol. 43 No. 4Aug.2023Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis
基于参数化功率谱估计的车轮多边形动态识别∗
王秋实1,2, 周劲松1, 肖忠民2, 宫岛1, 李晓玉1, 王腾飞1,
龙苒1, 沈有红1
(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院 上海,201804)(2.南洋理工大学机械与航空航天工程学院 新加坡,639798)
摘要 由于传统频谱估计方法存在固有缺陷,对车轮多边形振动频率的识别容易产生较大误差,尤其对于初期车轮多边形的识别更是困难。为解决上述问题,基于参数化功率谱估计理论,提出一种车轮多边形动态识别方法。首先,根据车轮多边形的动态特性,建立了谐波频率恢复模型;其次,基于奇异值分解法与归一化误差分析对谐波恢复模型的阶数进行确定;然后,采用总体最小二乘法对谐波恢复模型的参数进行计算;最后,根据Cadzow估计理论对异常磨耗信号进行功率谱估计,并以某地铁车辆的轴箱垂向振动加速度实测信号为例,对该方法的可行性与正确性进行了验证。结果表明:该方法可基于短时序列数据实现高精度频域估计,且对谐波信号敏感,尤其适用于早期车轮多边形异常磨耗信号的识别。
关键词 铁道车辆;车轮多边形;动态识别;估计;功率谱;参数化中图分类号 TH113.1;U270.1+2
引 言
车辆运行中,车轮与轨道之间的摩擦相互作用
会导致车轮多边形磨损失效的发生,严重时会导致
强大的轮轨激振力,加速轨道基础设施和车辆关键
部件的疲劳失效[1]。目前,对于出现严重多边形磨
损现象的车轮采取合适的镟轮工艺仍是最常用且有
效的解决办法[2]。因此,对车轮的服役过程开展实
时监测与识别方法研究具有重要意义。
车轮多边形的检测方式通常分为静态检测与动
态检测。静态检测方法采用粗糙度测量仪器对车轮
的周向不圆顺进行直接接触式的测量。由于受不确
定因素影响少,其结果也更为准确,但操作繁琐、耗
并联式六维加速度感知机构的操作性能研究进展
第 31 卷 第 19 期2023 年 10 月Vol.31 No.19Oct. 2023光学 精密工程 Optics and Precision Engineering
并联式六维加速度感知机构的操作性能研究进展
尤晶晶*, 史浩飞, 张显著
(南京林业大学 机械电子工程学院,江苏 南京 210037)
摘要:六维加速度感知在机器人、航空航天、超精密加工等领域均具有迫切的应用需求,已成为高端装备向“超精尖”发展的一项核心技术。并联式六维加速度传感器具有结构紧凑、动力学解耦精度高等突出优势,其测量性能与感知机构的操作性能有关。从工作机理的角度,阐述了并联式六维加速度感知机构与并联机器人、并联式六维力感知机构之间的差异。从数学和力学的角度,系统阐释了并联式六维加速度感知机构的静刚度、奇异性、基频共振和故障修复四项操作性能的表征和优化方法,并剖析了现有方法尚不具备自适应性的原因。接着,阐明六维加速度标定平台的必要性和基本要求,并分析了四种原理方案的优缺点。最后,指出挖掘感知机构“性能-结构-激励”三者之间的内在联系,并突破几何/拓扑结构的重构、标定平台的设计和优化这些关键问题,有助于充分发挥并联式六维加速度感知机构的性能优势。关键词:六维加速度传感器;并联机构;静刚度;奇异性;基频共振;故障修复中图分类号:TH825 文献标识码:A doi:10.37188/OPE.20233119.2867
Research process on operation performances of parallel type
six-axis acceleration sensing mechanisms
YOU Jingjing*, SHI Haofei, ZHANG Xianzhu
(College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)* Corresponding author, E-mail: youjingjing251010@
航天机器人用六维腕力传感器动态特性研究
第24卷第4期 2002年7月 机器人ROBOT Vo1.24.No.4 July,2002
文章编号:1002—0446(2002)04-0319—05
航天机器人用六维腕力传感器动态特性研究
高理富 宋 宁。 葛运建。 王国泰。 徐科军。
(1.中国科学技术大学8L中国科学院合肥智能机械研究所合肥230031; 2.中科院合肥智能研究所 合肥 230031; 3.合肥工业大学 合肥 230000)
摘 要:本文主要论述航天机器人用六维腕力传感器动态特性的相关问题.讨论了传感器动态性能的标准问 题。给出了该传感器动态补偿器的设计方法,对实现中的一些问题进行了初步探讨,最后给出实际的测试结果.值得
一提的是,这是我们首次在传感器实际应用中实现了动态补偿,为传感器动态性能的提高迈出了坚实的步伐. 关键词;六维力传感器;动态特性;FLANN;航天机器人 中图分类号;TP24 文献标识码: B
RESEARCH oN DYN AMlC CHARACTERlSTlCS oF SlX—AXlS
FoRCE SENSoR FoR AE RoN AUTIC RoBoT
GAO Li—fu SONG Ning GE Yun—jian WANG Guo—tai XU Ke—jun。 (1.UH∞ersity of Science .Technology of China and HeJbi Institute of Intelligent Machines・Chinese Academy of Sciences 2.H efet Institute of Intelligent Machines Chinese Academy of Sciences 230031 l 3.He]ei Industry 7’echnology University 230000)
Abstract:In this paper we discuss some questions on dynamic characteristics of six—axis force sensor for aeronau— tic robot,describe the standard of sensor S dynamic characteristics,use FLANN to design the dynamic compensator and use DSP to realize it.At the end of this paper we give the experiment results.And above all,it is the first time for US tO realize dynamic compensation in a real six-axis force sensor. Keywords:six-axis force sensor,dynamic property,FLANN,aeronautic robot
超薄六维力力矩传感器优化设计及其解耦
龙源期刊网
超薄六维力/力矩传感器优化设计及其解耦
作者:梁桥康 王耀南
来源:《湖南大学学报·自然科学版》2012年第04期
摘 要:在智能机器人和工业自动化等应用场合中,力/力矩传感器的高度尺寸过大会对基座和驱动部件引起与之成正比的附加力矩,因此不仅要求传感器精度高、耦合低,同时也应要求其高度尺寸小.结合有限元分析法、SDO方法和神经网络方法,设计一种新型的基于应变检测原理的超薄六维力/力矩传感器,并对传感器进行非线性维间解耦和标定.实验结果表明,传感器精度性能优良,其设计和优化过程正确合理,具有较广的应用前景.
关键词:优化设计;六维力/力矩传感器;非线性解耦;神经网络
中图分类号:TP212.12 文献标识码:A
Optimal Design of a Thin Six-dimensional F/T Sensor and its Nonlinear Decoupling
LIANG Qiaokang1,WANGYaonan1,GE Yunjian2, GE Yu2
(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China;
2. Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031, China)
Abstract:The height dimension of the F/T sensors always causes additional moment to the bases
对于新型车轮力传感器的试验验证
第29卷第6期 2011年11月 佳木斯大学学报(自然科学版) Journal of Jiamusi University(Natural Science Edition) Vol_29 No.6 Nov. 2011
文章编号:1008—1402(2011)o6一O824—05
对于新型车轮力传感器的试验验证①
赵朕,靳晓雄,彭为,何剑峰
(同济大学汽车学院,上海201804)
摘要: 以车轮力传感器(WFTr)技术为核心的汽车道路试验,在车型开发和优化过程中的作
用越来越重要.其中wFT产品在欧美等国已经趋于成熟,而在国内仅处于起步阶段.本文以国内
新型车轮力传感器为研究对象,对wFT系统的结构和原理进行了分析和介绍.并在此基础上,将 其与国外产品进行了同车对比试验,通过采集和处理不同路况的路面信息,从时域、频域和循环
计数等多个角度对两者进行了全面对比,验证了国产新型WFr原理的正确性.
关键词: 车轮力传感器(测力轮);时域信号;功率谱;循环计数
中图分类号:U467.11 文献标识码:A
0 引 言
随着我国汽车行业的蓬勃发展,汽车保有量高
速增长,人们越来越重视汽车的动力、舒适、安全等
性能.而如何获得汽车在形式过程中的各项参数指
标是实现各项性能评价和优化的前提.整车道路试
验能够真实的反映汽车在实际工况下的运行状况, 是准确获得各种环境下汽车性能参数的重要手段.
车轮六分力传感器简称测力轮,能够实时测量
车辆行驶过程中地面作用于车轮的力,得到准确的 路面信息,对于悬架和车身的耐久性分析起到重要
作用,也有助于车辆行驶及操稳性优化、动力学分
析和轮胎的开发.目前,欧美发达国家的整车道路 试验均以车轮力传感器技术为核心,对轴头六分力
进行动态测量.该技术已经得到广泛应用,其中美
国MTS,德国Kisfler等公司已有成熟的产品面世, 但价格昂贵,且关键技术保密 J.
车轮力传感器需要面对恶劣的工作环境,并且
车轮六分力计的测量原理与结构分析
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AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺车轮六分力计的测量原理与结构分析丁奕上海机动车检测认证技术研究中心有限公司 上海市 201805摘 要: 介绍了车轮六分力,根据结构特点将车轮六分力计分为单体式和多单元结构车轮六分力计,分别对其结构组成和测量原理进行分析推导。关键词:车轮六分力计;测量原理;结构分析1 引言车轮六分力计可实现车轮所受六分力的实时动态同步精密测量,目前已广泛应用于道路路谱数据采集,汽车制动系统的研究和ABS功能开发,汽车动力学特性(如制动、加速、转向等)的功能评价,汽车道路耐久性试验评估,汽车悬架特性的动态测量等开发试验中。目前车轮六分力计产品和校准技术都主要依赖国外制造商,国内缺少相关能力和标准,核心技术受人制约。本文尝试对车轮六分力计结构及测量原理进行分析研究。2 车轮六分力车轮在其接地区域产生的纵向力(Fx)、侧向力(Fy)、法向力(Fz)以及翻转力矩(Mx)、滚动阻力矩(My)和回正力矩(Mz)六分量力值参数称为车轮六分力,是使车辆发生驱动、制动和转向等运动的根本原因,对车辆运动状态的评估与车辆控制策略的制定有着重要的影响。车轮六分力坐标可参照SAE标准轮胎运动坐标系(图1)建立。3 测量原理与结构分析车轮六分力计从结构上是将力/力矩传感器测量单元、信号放大耦合器等电器元件集成安装固定专用轮辋适配器上,形成一个车轮式的整体传感器。通过将传感器代替普通轮胎固定在车轴位置,用以对车轮受到的六分力进行测量。根据测量单元的结构组成和数量可分为单体式结构和多单元结构。3.1 单体式结构车轮六分力计单体式结构车轮六分力计由测量滑环、信号放大器、测量单元、轮辋适配器、轮毂适配器等部件组成(图2)。其核心的测量单元是一个由数根应变梁组成弹性体结构的六分力传感器,应变梁上贴有若干组应变片。当车轮承受各方向的力和力矩载荷时,应变梁发生拉压、弯曲或扭转等应变变形,并通过应变片将变形情况量化输出,通过信号放大器计算处理,从而传图1 SAE标准轮胎运动坐标系
车轮力传感器的侧向力动态标定方法
2010钲 第3期 仪表技术与传感器 Instrument Technique and Sensor 2010 No.3
车轮力传感器的侧向力动态标定方法
刘广孚 ,张为公
(1.中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东东营257061;2.东南大学仪器科学与工程学院,江苏南京210096)
摘要:车轮力传感器(wFr)在汽车道路试验中起着非常重要的作用,其动态特性是评价传感器的重要指标,但在国内
尚缺乏研究。文中以零成本的方式,设计了WFF中的侧向力传感器的动态标定装置。用负阶跃加载的方式,进行了侧向
力的动态标定,通过对试验数据进行分析,得到了传感器的传递函数。试验结果表明:用负阶跃加载的方式对w胛进行
动态标定是可行的,侧向力的动态标定为其余五维力的动态标定奠定了基础。
关键词:车轮力传感器;动态标定;负阶跃加载;传递函数
中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002一-1841(2010)03—0100—04
Research on Dynamic Calibration Method of Lateral
Force of Wheel Force Transducer
LIU Guang—fu ,ZHANG Wei—gong
(1.College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Dongying 2570612,China;
2.Scho ̄of Instrument Science&Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)
Abstract:The wheel force transducer(WF'I’)iS verv important in vehicle road test.The dynamic characters of WFT are the
