一种测量汽车与挂车之间角度的装置及其测量方法
阅读说明：本技术 一种测量汽车与挂车之间角度的装置及其测量方法 (Device and method for measuring angle between automobile and trailer ) 是由 赵华杰 孙学聪 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种测量汽车与挂车之间角度的装置及其测量方法,该装置包括位置测量传感器、桁架,位置测量传感器安装在汽车车架上,桁架固定在挂车底板下侧表面,桁架由两段半圆环形螺旋筋条固定拼接组成,桁架形状为从垂直于车辆支承平面方向仰视为由沿挂车车体纵向中心平面对称的两个半圆环形螺旋筋条构成的圆形结构,圆形结构的圆中心为牵引销的中心轴线；从车辆正前方往后看,两段所述螺旋筋条旋向相反,且所述螺旋筋条高度均为其所在螺旋形螺距的一半,位置测量传感器的测量探头正对桁架的下边缘曲面与车辆纵向中心平面交线的中点处。该装置及其测量方法简单易行、结果精确,能够为汽车列车转弯、泊车时提供挂车行驶形态数据支持。(The invention discloses a device for measuring an angle between an automobile and a trailer and a measuring method thereof, wherein the device comprises a position measuring sensor and a truss, the position measuring sensor is arranged on an automobile frame, the truss is fixed on the lower side surface of a trailer bottom plate and is formed by fixedly splicing two sections of semicircular spiral ribs, the shape of the truss is a circular structure which is formed by two semicircular spiral ribs which are symmetrical along the longitudinal central plane of a trailer body when the truss is upward seen from the direction vertical to the vehicle supporting plane, and the circle center of the circular structure is the central axis of a traction pin; and when the vehicle is seen from the right front and backwards, the rotation directions of the two sections of the spiral ribs are opposite, the heights of the spiral ribs are half of the spiral pitches of the spiral ribs, and a measuring probe of the position measuring sensor is over against the middle point of the intersection line of the lower edge curved surface of the truss and the longitudinal central plane of the vehicle. The device and the measuring method thereof are simple and easy to implement, have accurate results, and can provide data support for trailer running form when the automobile train turns and parks.)
技术领域
本发明属于车辆夹角测量技术领域，尤其涉及一种测量汽车与挂车之间角度的装置及其测量方法。
背景技术
在汽车列车转向、倒车等工况中，挂车的行驶轨迹对行车安全具有重要影响。主车转向程度及轨迹可以用方向盘转角进行衡量和估测，然而，一直以来挂车的转向情况却没有直观、准确的测量方式。实际驾驶过程中，驾驶员没有挂车的转角信息，往往根据驾驶经验对其轨迹进行估测。在已知主车转角的情况下，可以用主车与挂车的夹角衡量挂车的行驶轨迹，该信息的输入有助于准确掌握挂车的运行状态，对新手或者无人驾驶情形，该参数具有重要意义。
中国发明专利ZL201811609617.8公开了一种牵引车与挂车偏航角的检测方法，其在挂车的前侧面布置检测板，所述检测板的前侧面面朝牵引车的后侧面，该检测板的前侧面上具有多个特征图案，在牵引车的后侧面布置在任意偏航角可拍摄到所述检测板上的至少一个特征图案的相机；在车辆行驶过程中，通过所述相机拍摄检测板上的特征图案，再从拍摄到的每个特征图案上提取至少四个特征点；通过所有特征点在相机坐标系的坐标以及在世界坐标系的坐标计算牵引车与挂车之间的当前变换矩阵，进而计算牵引车与挂车的偏航角度。但是这种检测方法对所涉及相机性能要求高，工作性能受环境影响大，且算法复杂、开发成本高，不利于实际应用和批量投产。
中国发明专利ZL201910154820.9公开了一种基于旋转编码器测量计算卡车车头和挂车夹角的装置及方法，其通过分别在车头和挂车上安装第一旋转编码器、第二旋转编码器，与旋转轴中心构成线性映射关系，在挂车相对车头发生角度变化时，控制模块通过接收光电检测阵列的输出电平控制驱动电机进行相应转动，使第一旋转编码器、第二旋转编码器始终实现互相追踪的情况下，能实时获得第一旋转编码器、第二旋转编码器的当前角度，从而结合偏差常量计算得到卡车车头和挂车之间的夹角角度。该发明专利中涉及的角度检测组件包括旋转编码器、激光器、光电检测阵列等多种电子元器件，成本较高；且各元器件间相互作用及检测关系复杂，对零部件精度及安装要求高，工作过程中稳定性较差。
发明内容
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明第一方面提供了一种测量汽车与挂车之间角度的的装置，包括位置测量传感器和桁架，所述位置测量传感器安装在汽车车架上，且所述位置测量传感器的接线端还连接有传感器线束，所述桁架上端均匀的固定有一圈连接柱，所述连接柱上端固定在挂车底板下侧表面，所述桁架由两段半圆环形螺旋筋条固定拼接组成，且所述桁架整体形状为：从垂直于车辆支承平面方向仰视为，由沿挂车车体纵向中心平面对称的两个半圆环形螺旋筋条构成的圆形结构，所述圆形结构的圆中心为汽车与挂车之间所连牵引销的中心轴线；从车辆正前方往后看，两段所述螺旋筋条旋向相反，且所述螺旋筋条高度均为其所在螺旋形螺距的一半，且首尾分别对接，所述位置测量传感器的测量探头正对所述桁架的下边缘曲面与车辆纵向中心平面交线的中点处。
可选的，还包括传感器安装板，所述传感器安装板通过紧固件固定于汽车车架两侧壁之间，且所述传感器安装板沿汽车车架宽度方向设置，所述传感器安装板中部通过紧固件固定连接有传感器固定支架，且所述位置测量传感器通过连接件固定在传感器固定支架上。
可选的，所述传感器安装板上还通过紧固件固定有一组传感器线束固定挂钩，且所述传感器线束挂在传感器线束固定挂钩上并延伸至测量装置外侧通向车辆控制器端。
可选的，所述传感器线束通过线束固定扎带捆绑在传感器线束固定挂钩上。
可选的，所述紧固件由螺栓和相配套的螺母组成。
可选的，所述连接件为锁紧螺钉，且在所述位置测量传感器和传感器固定支架上开设有相应的螺孔，从而利用锁紧螺钉旋转拧进相应的螺孔内实现固定连接。
本发明另一方面提供了一种汽车与挂车之间角度的测量方法，包括如下步骤：
S1、在挂车底板下侧表面通过一圈连接柱固定安装一桁架，其中，所述桁架由两段半圆环形螺旋筋条固定拼接组成，且所述桁架整体形状为：从垂直于车辆支承平面方向仰视为，由沿挂车车体纵向中心平面对称的两个半圆环形螺旋筋条构成的圆形结构，所述圆形结构的圆中心为汽车与挂车之间所连牵引销的中心轴线；从车辆正前方往后看，两段所述螺旋筋条旋向相反，且所述螺旋筋条高度均为其所在螺旋形螺距的一半，且首尾分别对接；
S2、在汽车车架两侧壁之间固定安装一位置测量传感器，其中所述位置测量传感器的测量探头正对所述桁架的下边缘曲面与车辆纵向中心平面交线的中点处；
S3、当汽车与挂车夹角为零时，所述桁架最低端与位置测量传感器测量探头上下对正，开始测量后，所述挂车带动桁架沿牵引销与汽车相对转动，此时位置测量传感器实时测量其与桁架之间的垂直距离变化量；
S4、由测得的位置测量传感器与桁架之间的垂直距离变化量，计算汽车与挂车间的夹角变化量：
式中：
dh为挂车相对于汽车转动时，位置测量传感器测得的其与桁架间的垂直距离变化微元；
dθ为挂车相对于汽车的转动角变化微元；
t为桁架的螺旋筋条所在螺旋形结构的螺距。
可选的，所述测量方法的夹角测量范围为挂车相对于汽车左右两个方向各180°。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)本发明的测量转弯时汽车与挂车之间角度的装置结构简单、成本低廉；
(2)本发明的汽车与挂车夹角的测量方法简单易行、结果精确；
(3)本发明的汽车与挂车夹角的测量方法搭卸挂车方便，不影响驾驶人员现有操作习惯；
(4)本发明能够为汽车列车在转向、倒车、智能驾驶等工况下提供挂车运行状态数据支持，对车辆行驶安全性及操稳性具有重要现实意义和潜在价值。
附图说明
图1是螺旋运动原理示意图；
图2是本发明的汽车与挂车夹角测量装置的三维结构示意图；
图3是本发明的汽车与挂车夹角测量装置的主视结构示意图；
图4是本发明的汽车与挂车夹角测量装置的仰视结构示意图；
图5是本发明的汽车与挂车夹角测量装置的右视结构示意图；
图6是本发明的汽车车架与位置测量传感器连接的局部结构示意图；
图7是本发明的传感器安装板与位置测量传感器连接的拆解结构示意图；
图8和图9是本发明的汽车与挂车夹角测量的原理图。
附图标记说明
1位置测量传感器、2连接件、3传感器固定支架、4紧固件、5传感器安装板、6汽车车架、7传感器线束、8线束固定扎带、9传感器线束固定挂钩、11桁架、12挂车底板、13牵引销、14连接柱。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了方便测量汽车与挂车之间夹角，需要将夹角变化量转化为方便监测的位置变化量，为此引进具有线性相关性的旋转角与平移距离间的运动方式，而螺旋运动刚好符合需求：
如图1所示，由绕轴a的旋转和沿着a方向与旋转角成比例的移动而合成的运动，称为螺旋运动。
其中，轴a称为螺旋轴；若是旋转角(螺旋角)而ω是进给(平移距离)，则有：
比例因子p(≠0)，称为螺旋参数。
为了使得整个测量过程满足上述螺旋运动方式，而设计了如图2-7所示的一种测量转弯时汽车与挂车之间角度的装置，包括位置测量传感器1和桁架11，所述位置测量传感器1安装在汽车车架6上，且所述位置测量传感器1的接线端还连接有传感器线束7，所述桁架11上端均匀的固定有一圈连接柱14，所述连接柱14上端固定在挂车底板12下侧表面，所述桁架11由两段半圆环形螺旋筋条固定拼接组成，且所述桁架11整体形状为：从垂直于车辆支承平面方向仰视为，由沿挂车车体纵向中心平面对称的两个半圆环形螺旋筋条构成的圆形结构，所述圆形结构的圆中心为汽车与挂车之间所连牵引销13的中心轴线；从车辆正前方往后看，两段所述螺旋筋条旋向相反，且所述螺旋筋条高度均为其所在螺旋形螺距的一半，且首尾分别对接，所述位置测量传感器1的测量探头正对所述桁架11的下边缘曲面与车辆纵向中心平面交线的中点处。(位置测量传感器1与桁架11之间的相互作用为非机械连接及力行为的作用，而是断开式的探测、感应作用。)其中，用于固定连接桁架11和挂车底板12下侧表面的连接柱14，其横截面形状可以为圆形、或方形、或矩形等形状，以及连接柱14与挂车底板12下侧表面固定方式可以为焊接、铆接、黏接、挂接、磁吸、螺钉连接等能够实现固定连接的方式。
进一步的，该测量装置还可以包括传感器安装板5，所述传感器安装板5通过紧固件4固定于汽车车架6两侧壁之间，且所述传感器安装板5沿汽车车架6宽度方向设置，所述传感器安装板5中部通过紧固件4固定连接有传感器固定支架3，且所述位置测量传感器1通过连接件2固定在传感器固定支架3上；
具体的，所述紧固件4可以由螺栓和相配套的螺母组成，由螺栓和相配套的螺母组成的紧固件4能够方便实现其所要紧固的零部的拆卸和安装；
为了方便位置测量传感器1的安装和拆卸，所述连接件2可以为锁紧螺钉，且在所述位置测量传感器1和传感器固定支架3上开设有相应的螺孔，从而利用锁紧螺钉旋转拧进相应的螺孔内实现固定连接。
上述传感器安装板5、传感器固定支架3以及紧固件4的相互配合以及装配方式能够很好地实现位置测量传感器1的准确定位和安装，但位置测量传感器1的安装方式不一定需要取用专门的安装板，也可选用车架横梁、尾梁、套装支架等车辆固有结构并通过一定的改制实现。
更进一步的，为了方便引导和固定传感器线束7，所述传感器安装板5上还通过紧固件4固定有一组传感器线束固定挂钩9，且所述传感器线束7挂在传感器线束固定挂钩9上并延伸至测量装置外侧通向车辆控制器端；
具体的，为了方便将传感器线束7稳定固定在传感器线束固定挂钩9上，所述传感器线束7通过线束固定扎带8捆绑在传感器线束固定挂钩9上。
利用上述测量装置进行汽车与挂车之间角度的测量方法，包括如下步骤：
S1、在挂车底板下侧表面通过一圈连接柱固定安装一桁架，其中，所述桁架由两段半圆环形螺旋筋条固定拼接组成，且所述桁架整体形状为：从垂直于车辆支承平面方向仰视为，由沿挂车车体纵向中心平面对称的两个半圆环形螺旋筋条构成的圆形结构，所述圆形结构的圆中心为汽车与挂车之间所连牵引销的中心轴线；从车辆正前方往后看，两段所述螺旋筋条旋向相反，且所述螺旋筋条高度均为其所在螺旋形螺距的一半，且首尾分别对接；
S2、在汽车车架两侧壁之间固定安装一位置测量传感器，其中所述位置测量传感器的测量探头正对所述桁架的下边缘曲面与车辆纵向中心平面交线的中点处；
S3、当汽车与挂车夹角为零时，所述桁架最低端与位置测量传感器测量探头上下对正，开始测量后，所述挂车带动桁架沿牵引销与汽车相对转动，此时位置测量传感器实时测量其与桁架之间的垂直距离变化量；
S4、由测得的位置测量传感器与桁架之间的垂直距离变化量，计算汽车与挂车间的夹角变化量：式中：
dh为挂车相对于汽车转动时，位置测量传感器测得的其与桁架间的垂直距离变化微元；
dθ为挂车相对于汽车的转动角变化微元；
t为桁架的螺旋筋条所在螺旋形结构的螺距。
上述测量方法的夹角测量范围可以优选为挂车相对于汽车左右两个方向各180°。
上述汽车与挂车间的夹角变化量计算公式推导原理如下：
如图8-9所示，由于位置测量传感器1与桁架11之间的相互作用为非机械连接及力行为的作用，而是断开式的探测、感应作用，且当进行夹角测量时，挂车带动桁架沿牵引销与汽车相对转动，由位置测量传感器1正对的桁架上的探测点的运动轨迹恰好为螺旋运动，因此符合螺旋运动轨迹方程式，即旋转角与平移距离间成线性关系；
即符合：
而由于位置测量传感器1正对的桁架上的探测点运动180°时，其所形成的垂直距离变化值恰好为
即螺旋形结构螺距的一半；也即由桁架11最低点至最高点的探测距离变化对应汽车相对于挂车0°到180°的夹角变化，最终得出：
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。
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