CN110146894A - 基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器 - Google Patents

基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，包括传感器主体和反射板；传感器主体与ECAS***气囊的进气通路连接，传感器主体包括超声波探头，反射板安装于气囊的内部底面，且位于超声波探头的正下方；本发明提供的高度传感器通过超声测量气囊绝对高度以表征汽车车架高度，其测量过程发生于封闭气囊内部空间，具有测量精度高、使用寿命长和可靠性好等特点；同时，该高度传感器结构简单，装配过程无需标定环节，具有更高的装配效率和易维护性。

Description

基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器
技术领域
本发明涉及汽车电子技术领域，尤其涉及一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器。
背景技术
近年来，随着汽车电子行业的迅速发展，汽车电子控制***已成为汽车中不可或缺的重要一环。汽车传感器作为汽车电子控制***的信息源头，对外界物理量如温度、压力、位置、高度、加速度等进行实时准确地测量，其性能已成为衡量汽车电子控制***水平的关键因素。相比于现代小型乘用车，商用车载荷更大，运行强度更高，但其汽车电子控制***的发展水平却相对落后。尤其地，商用车悬架***的发展状况与现有需求不匹配程度较高。目前，电子控制悬架***(ECAS)已逐渐成为商用车电子控制***研发的热点。作为ECAS***的关键部件之一，高性能的高度传感器目前仍然存在工艺结构复杂，生产成本高昂，且对进口的依赖程度较高的问题，自主研发高性能新型汽车高度传感器具有重要意义。
目前，现有的高度传感器大多通过测量车身和下悬臂或减震器下支架的上下方向距离的相对位移量得到车身高度信息。显然，根据其测量相对位移的原理，在安装传感器时需要对每个传感器进行准确的标定调试，此举不仅引入了较高的人工成本，也降低了整车装配的效率。而且，从技术原理来看，现有的高度传感器大多采用霍尔效应、磁阻效应、电磁感应效应等原理，并且直接安装于车底悬架上。由于汽车运行时车底环境较为恶劣，且电磁环境较为复杂，由上述原理制成的高度传感器的使用寿命、稳定性和可靠性等性能面临一定的挑战。目前，上述现有高度传感器为保证足够的相关性能，其制作工艺较为复杂，成本较高。此外，其附属的复杂联动机械机构在机械传动过程中存在损失比，引入了额外的测量误差，制约了高度传感器的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，通过测量气囊内部空间的绝对高度表征汽车车架高度。相比于现有的高度传感器，本发明所提供的高度传感器具有原理简单、寿命长、集成度高、稳定性好、精度高的特点，且其免标定的过程提升了装配效率，降低装配的人工成本。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，包括传感器主体和反射板；所述传感器主体与ECAS***气囊的进气通路连接，所述传感器主体包括超声波探头，所述反射板安装于气囊的内部底面，且位于超声波探头的正下方；通过超声波测量气囊内部绝对高度，从而得到车架高度。
进一步地，所述反射板为光滑水平硬质板，用于提高超声波回波质量。
进一步地，所述进气通路可以为气囊当前使用的进气口，也可以为独立于当前使用的进气口的额外进气通路。
进一步地，所述传感器主体还包括压力传感器、温湿度传感器、电路板和信号输送端子；
所述超声波探头、压力传感器和温湿度传感器固定在所述电路板的下表面，所述信号输送端子固定在所述电路板的上表面；
所述超声波探头用于采集探头表面和反射板之间的高度值，所述压力传感器用于采集气囊内的气压值；所述温湿度传感器用于采集气囊内的温湿度值；
所述电路板包括微处理器、信号预处理模块和电源模块；所述信号预处理模块对超声波探头、压力传感器和温湿度传感器采集的模拟信号进行调理放大、模数转换为数字信号后，将其发送给微处理器；所述微处理器根据气囊内的气压值和温湿度值对高度值进行补偿，将补偿后的高度值通过信号输送端子传输到ECAS***悬架ECU。
进一步地，所述电路板为上下双层结构，其下层电路板的下表面固定超声波探头、压力传感器和温湿度传感器，上层电路板的上表面固定信号输送端子，所述信号预处理模块设置在下层电路板，所述微处理器和电源模块设置在上层电路板。
进一步地，根据气囊内的气压值和温湿度值对高度值进行补偿，具体如下：
(1)根据气囊内部的温湿度值对声速进行如下的线性补偿，得到声速补偿量Δv1：
Δv1＝αΔt+βΔh,
其中，Δt和Δh分别表示温度和湿度相对于常温常湿的变化量，α和β分别表示温度和湿度对声速的补偿系数；
(2)根据气囊内部的气压值对声速进行如下的非线性补偿，得到声速补偿量Δv2：
Δv2＝γ(Δp)2+εΔp,
其中，Δp表示气压相对于常压的变化量，γ和ε分别表示气压补偿的二次项系数和一次项系数；
(3)求得最终的声速补偿量Δv＝Δv1+Δv2；
(4)求得补偿后的高度值其中H0表示微处理器接收的补偿前的高度值，v表示常温常湿常压下的标准声速。
针对不同的气囊类型和气囊结构，可对补偿系数α、β、γ和ε进行自适应调整，补偿系数α、β、γ和ε的一个具体确定实例如下：在出厂测试时，人为改变气囊内的温度、湿度、气压值，测得在不同(温度、湿度、气压值)组合下的声速，通过曲线拟合得到补偿系数。
进一步地，所述微处理器对补偿后的高度值进行高斯滤波，用于消除汽车行驶过程中气囊径向抖动所引发的高度测量误差，从而提高高度测量精度和稳定性。
进一步地，所述压力传感器采集的气压值发送给微处理器用于补偿高度值，或者直接发送给ECAS***悬架ECU。
进一步地，所述超声波探头可以是单探头收发复用的形式或双探头收发单工的形式。
进一步地，该汽车高度传感器与ECAS***悬架ECU的通信可通过CAN、PWM、SPI、LIN协议进行。
如上所述，本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明避免了现有高度传感器利用相对位移表征车架高度的原理，利用超声波直接对气囊内部绝对高度进行测量以表征车架高度，在安装过程中无需进行传感器标定调试，从而提高了车辆装配的效率，节省了安装标定过程所造成的人工及时间成本。
(2)本发明所提供的高度传感器体积小，集成度高。区别于现有高度传感器直接安装于车架开放空间，本发明所提供的传感器在封闭的气囊内部进行高度测量，可以有效避免车辆运行过程中粉尘、沙土等恶劣环境，具有更长的使用寿命和更好的测量稳定性。
(3)本发明所提供的高度传感器无需现有高度传感器所使用的机械传动结构，避免了机械装置在传动过程中造成的物理量损失，其直接测量的原理保证了测量精度显著优于现有高度传感器。
(4)本发明所提供的高度传感器内部包括压力传感器用于测量气囊内部气压，从而提高车辆传感器的集成度，节约车架安装空间。
附图说明
图1为本发明高度传感器安装位置及其与相关部件之间关系示意图；
图2为本发明高度传感器结构示意图；
图3为本发明高度传感器的信号输送端子引脚定义图；
图中：01.传感器主体；02.进气口；03.气囊；04.反射板；05.信号输送端子；06.电路板；07.压力传感器；08.超声波探头。
具体实施方式
以下有特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的认识可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点和功效。
请参阅图1至图3。须知，本发明说所附图示的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所示内容，以供熟悉此技术的人士了解和阅读，并非本发明实施的限定条件，故不具有实质上的技术意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的实质功效以及所能实现的本质功能下，仍应落在本发明所示的技术内容所涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的“上”“下”“左”“右”“中间”“中上”“一”等仅用于方便叙述，亦不属于本发明实施的限定条件，其相对关系的改变或调整，在无实质性变更技术内容的情况下，仍应落在本发明所示技术内容所涵盖的范围内。
如图1所示，本发明提供的一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，包括传感器主体01和反射板04。所述传感器主体01通过进气口02与ECAS***气囊03形成稳固连接，所述进气口02为三通进气口；所述传感器主体01内部结构如图2所示，包括超声波探头08、压力传感器07、温湿度传感器、电路板06及信号输送端子05。所述超声波探头08用于采集探头表面和反射板04之间的高度值，所述压力传感器07用于采集气囊03内的气压值；所述温湿度传感器用于采集气囊03内的温湿度值。本发明所提供的高度传感器采用超声波探头08垂直向气囊03内部发射超声波信号，并接收超声波回波，如图1中带箭头点划线所示，通过测量所接收回波与所发射超声波之间的时间差，得到气囊03当前绝对高度的高精度测量结果，进而得到当前车架高度信息，保证了测量结果的稳定性和可靠性。
上述反射板04为光滑水平硬质板，安装于气囊03的内部底面，且位于超声波探头08的正下方，用于垂直地反射超声波探头08所发射的超声波信号，从而提高超声波信号回波的质量。
上述三通进气口用于连接气囊进气管、传感器主体01以及气囊03，从而实现高度传感器利用进气通路进行高度信息测量。具体地，一种可行的方案如图1所示。须知，为保证传感器测量精度，此处连接采用稳固的螺纹连接方式。
所述电路板06为双层结构，包括上层电路板和下层电路板，如图2所示。所述下层电路板上固定有上述超声波探头08、压力传感器07、温湿度传感器以及相应信号预处理模块，用于对超声波探头08、压力传感器07及温湿度传感器采集的模拟信号进行调理放大、模数转换。所述上层电路板包含微处理器，用于接收下层电路板信号预处理模块处理后的高度值、气压值和温湿度值，根据气囊内的气压值和温湿度值对高度值进行补偿，并将补偿后的高度值通过固定于上层电路板上的信号输送端子05发送至ECAS***悬架ECU。此外，上层电路板上还包括电源模块，用于进行电源供电以及相关的电源保护。
由于气囊内部温湿度与气压变化梯度较大，变化速度相比于外界环境较快，为提高测量精度，所述上层电路板上的微处理器能够根据气囊内温湿度和气压对高度值进行补偿，具体如下：
(1)根据气囊03内部的温湿度值对声速进行如下的线性补偿，得到声速补偿量Δv1：
Δv1＝αΔt+βΔh,
其中，Δt和Δ分别表示温度和湿度相对于常温常湿的变化量，α和β分别表示温度和湿度对声速的补偿系数；
(2)根据气囊03内部的气压值对声速进行如下的非线性补偿，得到声速补偿量Δv2：
Δv2＝γ(Δp)2+εΔp,
其中，Δp表示气压相对于常压的变化量，γ和ε分别表示气压补偿的二次项系数和一次项系数；
(3)求得最终的声速补偿量Δv＝Δv1+Δv2；
(4)求得补偿后的高度值其中H0表示微处理器接收的补偿前的高度值，v表示常温常湿常压下的标准声速。
针对不同的气囊类型和气囊结构，可对补偿系数α、β、γ和ε进行自适应调整，补偿系数α、β、γ和ε的一个具体确定实例如下：在出厂测试时，人为改变气囊内的温度、湿度、气压值，测得在不同(温度、湿度、气压值)组合下的声速，通过曲线拟合得到补偿系数。
所述下层电路板上固定的超声波探头08可同时发射超声波脉冲并接收回波，其对应的信号处理电路应有效地获取所发射超声波脉冲与回波之间的时间差，并根据声速计算出当前气囊有效的绝对高度。须知，图2所示的超声波探头08可以实现发射与接收过程的复用，此并非本发明实施的限定条件，利用类似超声波测距原理进行高度测量的其他类型超声波探头亦应落在本发明所示技术内容所涵盖的范围内。
所述压力传感器07采集的气压值发送给微处理器用于补偿高度值，或者直接发送给ECAS***悬架ECU。
所述微处理器对补偿后的高度值进行高斯滤波，用于消除汽车行驶过程中气囊03径向抖动所引发的高度测量误差，从而提高高度测量精度和稳定性。
上层电路板上固定的信号输送端子05为四针标准接口，其引脚定义如图3所示，包括电源供电端口1、地2、压力传感器输出口3以及高度传感器输出口4。汽车高度传感器与ECAS***悬架ECU的通信通过PWM协议进行。
综上所述，区别于现有高度传感器，本发明所提供的基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器利用超声波测距直接对气囊绝对高度进行测量以表征车架高度，通过稳固的安装过程避免了复杂的传感器标定，可提高车辆装配效率，降低成本。并且，本发明所提供的基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器测量过程发生于相对密闭的气囊内部空间，有效地避免了车辆运行时车底粉尘等恶劣环境，且避免了现有高度传感器普遍使用的附属机械传动结构，具有更长的使用寿命、更高的测量稳定性以及更高的测量精度。此外，本发明所提供的基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器包含一个压力传感器，从而提高了车辆传感器的集成度，节约了车架安装空间。
上述具体实施方式仅用于事例性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述具体实施方式进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具备通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，其特征在于，包括传感器主体(01)和反射板(04)；所述传感器主体(01)与ECAS***气囊(03)的进气通路连接，所述传感器主体(01)包括超声波探头(08)，所述反射板(04)安装于气囊(03)的内部底面，且位于超声波探头(08)的正下方；通过超声波测量气囊内部绝对高度，从而得到车架高度。
2.根据权利要求1所述的一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，其特征在于，所述反射板(04)为光滑水平硬质板。
3.根据权利要求1所述的一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，其特征在于，所述进气通路可以为气囊(03)当前使用的进气口(02)，也可以为独立于当前使用的进气口(02)的额外进气通路。
4.根据权利要求1所述的一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，其特征在于，所述传感器主体(01)还包括压力传感器(07)、温湿度传感器、电路板(06)和信号输送端子(05)；
所述超声波探头(08)、压力传感器(07)和温湿度传感器固定在所述电路板(06)的下表面，所述信号输送端子(05)固定在所述电路板(06)的上表面；
所述超声波探头(08)用于采集探头表面和反射板(04)之间的高度值，所述压力传感器(07)用于采集气囊(03)内的气压值；所述温湿度传感器用于采集气囊(03)内的温湿度值；
所述电路板(06)包括微处理器、信号预处理模块和电源模块；所述信号预处理模块对超声波探头(08)、压力传感器(07)和温湿度传感器采集的模拟信号进行调理放大、模数转换为数字信号后，将其发送给微处理器；所述微处理器根据气囊内的气压值和温湿度值对高度值进行补偿，将补偿后的高度值通过信号输送端子(05)传输到ECAS***悬架ECU。
5.根据权利要求4所述的一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，其特征在于，所述电路板(06)为上下双层结构，其下层电路板的下表面固定超声波探头(08)、压力传感器(07)和温湿度传感器，上层电路板的上表面固定信号输送端子(05)，所述信号预处理模块设置在下层电路板，所述微处理器和电源模块设置在上层电路板。
6.根据权利要求4所述的一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，其特征在于，根据气囊(03)内部的气压值和温湿度值对高度值进行补偿，具体如下：
(1)根据气囊(03)内部的温湿度值对声速进行如下的线性补偿，得到声速补偿量Δv1：
Δv1＝αΔt+βΔh，
其中，Δt和Δh分别表示温度和湿度相对于常温常湿的变化量，α和β分别表示温度和湿度对声速的补偿系数；
(2)根据气囊(03)内部的气压值对声速进行如下的非线性补偿，得到声速补偿量Δv2：
Δv2＝γ(Δp)2+εΔp，
其中，Δp表示气压相对于常压的变化量，γ和ε分别表示气压补偿的二次项系数和一次项系数；
(3)求得最终的声速补偿量Δv＝Δv1+Δv2；
(4)求得补偿后的高度值其中H0表示微处理器接收的补偿前的高度值，v表示常温常湿常压下的标准声速。
7.根据权利要求4所述的一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，其特征在于，所述微处理器对补偿后的高度值进行高斯滤波，用于消除汽车行驶过程中气囊(03)径向抖动所引发的高度测量误差。
8.根据权利要求1所述的一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，其特征在于，所述压力传感器(07)采集的气压值发送给微处理器用于补偿高度值，或者直接发送给ECAS***悬架ECU。
9.根据权利要求1所述的一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，其特征在于，所述超声波探头(08)可以是单探头收发复用的形式或双探头收发单工的形式。
10.根据权利要求1所述的一种基于气囊内超声波测距的汽车高度传感器，其特征在于，该汽车高度传感器与ECAS***悬架ECU的通信可通过CAN、PWM、SPI、LIN协议进行。
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