非公路车辆如何在泥泞、打滑等恶劣工况下，实现0.5%精度及20Hz实时性的真实地面速度测量？【多普勒雷达，GNSS测速】

1. 基于非公路车辆的基本结构与技术要求

非公路车辆，顾名思义，是在公路以外的环境中运行的各类机械，包括农业机械（拖拉机、收割机）、工程机械（挖掘机、装载机）、矿山车辆、森林机械，甚至是某些特种运输车辆（如机场牵引车）和室内叉车。与公路车辆相比，它们的工作环境通常更为恶劣，地形复杂多变，如泥泞、沙地、碎石、坡道等。

在这些复杂环境下，精确地了解车辆的实际地面速度至关重要。传统的通过车轮转速传感器来估算车辆速度的方法，对于非公路车辆来说，会面临一系列挑战。想象一下，一辆拖拉机在泥地里行驶，车轮可能会打滑空转，或者轮胎在崎岖路面上受到挤压变形，导致轮胎的有效周长发生变化。这些因素都会让轮速传感器测量到的“轮速”与车辆实际前进的“地面速度”产生明显差异，就像跑步机上的跑步者，双腿在高速运动，但实际位置却没有移动一样。

因此，非公路车辆对地面速度测量的核心技术要求包括：

• 真实性： 测量的是车辆相对于地面的真实运动速度，而非车轮的旋转速度。

• 抗干扰性： 不受车轮打滑、轮胎形变（如胎压变化、负载引起的下沉、磨损导致的周长变化）以及地面附着力变化的影响。

• 环境适应性： 能够在恶劣的户外或工业环境下稳定工作，例如剧烈震动、粉尘、潮湿、极端温度、光照变化等。

• 实时性： 提供高更新频率的速度数据，以满足车辆控制系统（如定速巡航、农机作业精度控制、防滑系统）的实时需求。

• 精度和量程： 具有足够的测量精度和宽广的速度测量范围，以适应不同作业场景和车辆类型。

2. 针对非公路车辆地面速度的相关技术标准简介

针对非公路车辆的地面速度监测，虽然没有一个单一的通用标准来定义所有监测参数，但不同的应用场景和车辆类型会参照一些相关的性能评价标准。这些标准通常关注以下监测参数的定义和评价方法：

• 地面速度 (Ground Speed)： 指车辆相对于地球表面的瞬时移动速度。这是最核心的参数，其评价方法通常是通过与高精度参考系统（如高精度GPS/GNSS结合惯性导航系统）进行对比来验证。

• 轮速 (Wheel Speed)： 指车轮的旋转角速度转换为线速度。评估时会比较轮速与地面速度之间的差异，以量化车轮打滑程度。

• 打滑率 (Slip Rate)： 表示车轮在驱动过程中因地面附着力不足而产生的相对滑动程度。通常定义为 (轮速 - 地面速度) / 轮速 或 (轮速 - 地面速度) / 地面速度，百分比表示。评价方法涉及在不同地面条件、牵引负载下的测试。

• 加减速度 (Acceleration/Deceleration)： 地面速度随时间的变化率。这对于车辆动力学分析、驾驶性能评估以及能量管理至关重要。评价方法通过连续的速度数据进行微分计算。

• 行驶里程 (Travel Distance)： 车辆在一定时间或任务内实际行驶的距离。这是地面速度对时间的积分结果。评价方法通常通过起点到终点的精确位置测量来校准。

这些参数的准确获取，是非公路车辆实现智能化、自动化和高效作业的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在非公路车辆领域，为了解决传统轮速测量不准确的问题，业界发展出了多种非接触式地面速度测量技术。这些技术各有特点，满足了不同应用场景的需求。

3.1.1 雷达多普勒测速技术

工作原理和物理基础：

雷达多普勒测速技术，其核心是利用了物理学中的“多普勒效应”。简单来说，当声源或波源与观测者之间存在相对运动时，观测者接收到的波的频率会发生变化。对于雷达测速而言，就是传感器发射出去的电磁波，在被移动的地面反射回来时，其频率会发生偏移。

想象一下救护车的声音：当它驶近你时，警报声听起来更高亢（频率更高），而当它驶离你时，声音听起来更低沉（频率更低）。雷达多普勒测速正是利用了类似的原理。传感器向地面发射一束固定频率的微波信号。如果车辆正在移动，地面就相对于传感器在运动。当这些微波信号撞击到移动的地面并反射回来时，它们就会因为地面运动而产生频率上的变化，我们称之为“多普勒频移”（fD）。常见的雷达多普勒测速传感器使用24GHz的微波信号。

传感器内部会有一个接收器，捕捉这些反射回来的带有频率变化的微波。通过测量发射频率和接收频率之间的微小差异（即多普勒频移），就可以精确地计算出车辆相对于地面的真实速度。

这个多普勒频移fD与物体运动速度v之间存在以下关系：

fD = 2 * v * cos(θ) / λ

其中：* fD 是多普勒频移（频率变化量）。* v 是物体（这里是车辆）相对于传感器的速度。* θ 是雷达波束与物体运动方向之间的夹角。* λ 是雷达波的波长。

通过这个公式，传感器可以根据测得的频移和已知的波长、发射角度，反推出车辆的实际地面速度v。由于这个测量是直接针对地面进行的，因此它不会受到车轮打滑、轮胎大小变化等因素的影响，因为它测量的是车辆的整体平移速度，而非车轮的转动速度。

核心性能参数典型范围：

• 速度范围： 通常可以覆盖从极低速度（如0.1 km/h）到高速（如200 km/h甚至更高）。

• 精度： 通常能达到速度测量值的0.5%至2%之间，例如在50 km/h时，误差可能在0.25 km/h到1 km/h左右。

• 响应时间/更新率： 几十毫秒到几百毫秒，例如20 Hz到100 Hz，满足实时控制需求。

• 测量距离： 从几厘米到几十厘米甚至一两米，取决于具体应用和传感器设计。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 高精度： 直接测量地面速度，不受车轮打滑、轮胎磨损或胎压变化的影响。

  • 非接触式： 没有机械磨损，维护成本低，寿命长。

  • 环境适应性强： 雷达波能穿透一定程度的灰尘、雾气、雨雪，在恶劣天气和光照条件下表现良好。

  • 适用性广： 适用于各种地面材质，如泥土、沙地、碎石、沥青等。

• 缺点：

  • 成本较高： 相较于简单的轮速传感器，雷达多普勒传感器通常成本更高。

  • 安装要求： 需要传感器有清晰的视线对准地面，且安装角度会影响测量精度。

  • 干扰： 在多雷达系统或强电磁干扰环境下可能需要进行抗干扰设计。

3.1.2 全球导航卫星系统（GNSS/GPS）测速技术

工作原理和物理基础：

GNSS（Global Navigation Satellite System）是全球卫星导航系统的总称，包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的北斗等。GNSS接收器通过接收来自多颗卫星的信号，并计算信号到达时间差，来确定自身在地球上的精确位置。

当车辆移动时，GNSS接收器会持续更新其位置信息。车辆的速度可以通过连续的、高精度的位置数据在时间上的变化率来计算。最直接的方法是计算两个连续位置点之间的距离除以时间间隔。

假设车辆在时刻 t1 的位置是 (x1, y1, z1)，在时刻 t2 的位置是 (x2, y2, z2)。那么车辆的速度 V 大致可以由以下公式计算：

V = sqrt( (x2-x1)^2 + (y2-y1)^2 + (z2-z1)^2 ) / (t2-t1)

更高级的GNSS系统，如差分GPS (DGPS) 或实时动态定位 (RTK)，通过接收基站的差分校正信息，可以达到厘米级甚至毫米级的定位精度，从而实现更精确的速度测量。此外，GNSS接收器通常也能直接通过多普勒效应测量卫星信号的频移来获取高精度的瞬时速度信息，这种方式比基于位置差分计算的速度更平滑、实时性更好。

核心性能参数典型范围：

• 速度范围： 几乎没有上限，可从静止到超高速。

• 精度： 消费级GPS精度可能在0.5-2 km/h，而工业级或RTK-GNSS系统在理想条件下可达到0.01-0.1 km/h甚至更高。

• 响应时间/更新率： 通常为1 Hz到20 Hz，某些高性能接收器可达100 Hz或更高。

• 定位精度： 消费级数米，RTK可达厘米级或亚厘米级。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 真实地面速度： 直接测量车辆的绝对运动，不受车轮打滑影响。

  • 大范围适用： 只要有卫星信号覆盖的地方，理论上都可以使用。

  • 无需地面参照： 不依赖于与地面直接接触或发射信号到地面。

• 缺点：

  • 信号依赖性： 在隧道、密林、高楼林立的城市峡谷或室内环境下，卫星信号可能中断或被遮挡，导致无法工作。

  • 精度波动： 受卫星可见度、信号质量、多径效应、大气扰动等因素影响，精度可能波动。

  • 启动时间： 冷启动需要一定时间来获取卫星星历和定位。

  • 成本： 高精度GNSS（RTK等）系统通常成本较高。

3.1.3 光学测速传感器

工作原理和物理基础：

光学测速传感器通常采用基于图像处理或激光散射的原理来测量地面速度。一种常见的方法是使用两个相距很近的光学传感器（如CMOS相机或光电二极管阵列），它们以一定角度向下照射地面并捕捉地面的纹理或特征。当车辆移动时，地面上的纹理图案会在两个传感器上先后扫过。

通过比较两个传感器捕捉到的图像序列中的特征移动（例如使用相关匹配算法），可以确定这些特征从第一个传感器视野移动到第二个传感器视野所需的时间。已知两个传感器之间的固定距离，以及特征移动的时间，就可以计算出车辆的地面速度。

速度 V = L / Δt

其中：* L 是两个光学探测区域之间的已知固定距离。* Δt 是地面特征通过两个探测区域所需的时间差。

更先进的系统可能使用单目相机结合图像流分析，通过视觉里程计（Visual Odometry）技术，追踪地面特征点的运动来估算车辆速度。

核心性能参数典型范围：

• 速度范围： 从低速到中高速，例如0.1 km/h至100 km/h。

• 精度： 通常能达到速度测量值的1%至3%。

• 响应时间/更新率： 几十毫秒到几百毫秒。

• 测量距离： 几厘米到几十厘米。

技术方案的优缺点：

• 优点：

  • 高精度： 直接观测地面纹理，不受车轮打滑影响。

  • 分辨率高： 对地面细微特征的识别能力强，适合精确测量。

  • 非接触式： 无机械磨损。

• 缺点：

  • 对地面条件敏感： 在地面纹理不明显（如光滑冰面、水面）、光照不足、强反光、强尘土或泥泞覆盖时，性能可能下降或失效。

  • 易受环境光影响： 强烈的阳光或光照变化可能干扰图像识别。

  • 安装要求高： 需要稳定的安装平台，并保持清洁的观测窗口。

  • 计算量大： 基于图像处理的方法需要较强的处理能力。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在非公路车辆领域，各种传感器协同工作，共同支撑车辆的性能监测、控制和安全运行。以下是几家知名品牌的传感器产品，它们虽然测量不同的物理量，但都在非公路车辆的相关测试和应用中扮演着重要角色。

1. 德国海德曼德国海德曼在力测量领域享有盛誉。其应变片技术万能测力传感器（如U10M系列）在非公路车辆的研发和测试中，主要用于精确测量各种机械部件所受的力。例如，在制动系统测试中，它可以用来测量驾驶员踩踏制动踏板的力，或者测量制动卡钳在制动时产生的夹紧力，以及传动轴的扭矩。这些数据对于评估车辆的制动性能、传动效率以及结构强度至关重要。德国海德曼的传感器以其极高的精度（例如精度等级0.02）、卓越的稳定性和坚固耐用的设计而著称，能够应对恶劣的测试环境。

2. 英国真尚有英国真尚有LP-DS200多普勒测速传感器是一款基于雷达多普勒技术的真测速传感器，专为移动物体的运动检测设计。该传感器采用雷达前端，持续发射24 GHz的电磁波，通过分析背散射波的多普勒频移来测量速度。英国真尚有LP-DS200具有以下特点：* 速度测量范围：0.8 km/h 至 200 km/h* 信号更新率：20 Hz* 工作温度范围：-40°C 至 +70°C* 防护等级：IP6KX、IPX7、IPX9K* 安装距离：100 mm 至 700 mm* 电压输入范围：9 V 至 28 V DC* 输出信号符合DIN 9684 / ISO 11786标准* 每米130脉冲的精确输出英国真尚有LP-DS200采用坚固的完全密封外壳，尺寸紧凑（110 mm × 55 mm × 45 mm），易于集成，电流消耗小于200 mA。

3. 日本基恩士日本基恩士在自动化和检测领域是领先品牌。其LK-G5000系列超高速激光位移传感器采用高精度激光三角测量或共聚焦原理，主要用于非接触式地测量物体表面的距离、轮廓和位移。在非公路车辆的制造和维护中，这类传感器可以用于检测制动盘的跳动、平行度、磨损量以及表面缺陷，或者测量发动机部件的配合间隙、液压缸的行程等。日本基恩士的传感器以其超高的采样速度（最高192千赫）、卓越的测量精度（最高0.005微米）和稳定性而闻名，非常适合进行在线批量检测，确保零部件的制造质量和装配精度。

4. 加拿大LMI科技加拿大LMI科技是3D智能传感器领域的专家。其Gocator 2400系列3D线扫描传感器利用激光线扫描和三角测量原理，能够快速获取物体的完整3D轮廓。这对于非公路车辆的零部件检测和质量控制非常有用，例如，可以对制动盘、制动片、齿轮、轴承等关键部件进行三维几何尺寸、磨损量、表面平整度和缺陷的非接触式高精度检测。传感器能够输出详细的3D点云数据，并支持板载处理和决策，从而实现高效的在线质量检测和过程控制，确保车辆部件的几何精度和可靠性。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为非公路车辆选择地面速度测量设备时，除了核心的测量原理外，还需要综合考虑以下几个关键技术指标：

• 测量精度 (Accuracy)： 这是衡量传感器测量值与真实值接近程度的指标，通常以百分比（如速度的±X%）或绝对值（如±Y km/h）表示。

  • 实际意义： 精度直接决定了车辆控制和作业的精确性。例如，在农机精细播种或喷洒时，1%的速度误差可能导致播撒量或喷洒面积的显著偏差。在无人驾驶或自动导航中，更高的速度精度意味着更精确的轨迹控制和更安全的运行。

  • 选型建议： 对于需要高精度控制（如精细农业、自动化物流）的应用，应优先选择精度更高的雷达多普勒或RTK-GNSS系统。对于一般监控或辅助驾驶，较低精度的系统可能也足够。

• 速度测量范围 (Speed Range)： 指传感器能够准确测量的最低速度到最高速度的区间。

  • 实际意义： 非公路车辆可能需要在极低速（如几百米/小时的精细作业）和较高速度（如转场运输几十公里/小时）之间切换。传感器必须能够覆盖所有这些工作速度。

  • 选型建议： 确保所选传感器的速度测量范围能完全覆盖车辆所有工况下的预期速度。例如，叉车可能只需要几十公里/小时的上限，而农业机械可能对低速测量的下限有更高要求。

• 信号更新率 (Update Rate / Sampling Rate)： 指传感器每秒钟输出多少个速度数据点，通常以赫兹（Hz）表示。

  • 实际意义： 高更新率意味着更快的响应速度，能更及时地反映车辆速度的变化，这对闭环控制系统（如驱动防滑控制、定速巡航）至关重要。低更新率可能导致控制滞后或不平稳。

  • 选型建议： 对于动态响应要求高、需要实时调整控制参数的应用（如自动驾驶辅助系统、液压系统控制），应选择更新率至少20 Hz甚至更高的传感器。对于慢速、非实时的监控，较低的更新率也可以接受。

• 环境适应性 (Environmental Robustness)： 包括工作温度范围、防护等级（IP等级，如IP67/IP69K）、抗震动和抗冲击能力、抗电磁干扰（EMC）能力等。

  • 实际意义： 非公路车辆常在恶劣环境中工作，传感器必须能够承受极端温度、灰尘、泥水、高压冲洗、剧烈震动等考验，否则会导致故障或性能下降。

  • 选型建议： 必须根据车辆的实际工作环境选择相应防护等级和环境耐受能力的传感器。例如，矿山车辆需要极高的防尘防水等级和抗震动能力。

• 安装距离与角度 (Mounting Distance & Angle)： 传感器推荐的安装高度和角度范围。

  • 实际意义： 不正确的安装会影响传感器的测量精度和可靠性，甚至无法正常工作。理想的安装能确保传感器有清晰的视场，并且减少来自车辆自身的干扰。

  • 选型建议： 在设计阶段就应考虑传感器的安装位置和限制，选择与车辆结构兼容，且方便安装和维护的传感器。例如，雷达多普勒传感器通常要求一定的安装高度和俯仰角。

• 输出接口类型 (Output Interface)： 传感器提供的数据输出格式，如CAN总线、RS232串口、脉冲输出等。

  • 实际意义： 兼容的输出接口能方便地与车辆的ECU（电子控制单元）或其他控制系统集成，避免额外的信号转换模块。

  • 选型建议： 根据车辆现有控制系统或规划的接口类型来选择。CAN总线因其高效性和可靠性，是现代车辆普遍采用的接口。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了性能优异的地面速度传感器，在非公路车辆的实际应用中仍可能遇到一些问题：

• 问题1：传感器安装位置不当导致测量不稳定或不准确。

  • 原因： 传感器可能被车轮、悬挂部件遮挡，或者安装角度不符合要求，导致雷达波束或光束无法稳定照射地面，或者接收信号受到干扰。此外，安装在震动较大的位置可能影响内部元件。

  • 影响： 速度数据跳变、误差增大、甚至无法输出有效数据。

  • 解决建议：

    • 严格遵循安装指南： 按照制造商提供的安装高度、角度和位置要求进行安装。

    • 选择稳定区域： 将传感器安装在车辆底盘上震动相对较小的位置，并确保传感器前方的视场无遮挡。

    • 避开干扰源： 避免将传感器安装在排气管、发动机等高热源或强电磁干扰源附近。

    • 定期检查： 定期检查传感器安装支架是否松动、传感器表面是否有污垢或损坏。

• 问题2：恶劣环境（如重度泥泞、积水、冰雪）下性能下降。

  • 原因：

    • 雷达多普勒： 极端情况下，厚泥浆或积水层可能吸收或散射雷达波，影响信号质量；冰雪覆盖也可能改变反射特性。

    • 光学传感器： 泥泞、积水会覆盖地面纹理，冰雪则可能反光或缺乏特征，导致图像识别失败。

    • GNSS： 在恶劣天气（如暴风雪）下，卫星信号可能衰减或被干扰。

  • 影响： 测量精度降低、数据更新率下降、甚至传感器暂时失效。

  • 解决建议：

    • 多传感器融合： 结合多种测速技术，如雷达多普勒与GNSS（当GNSS信号良好时提供绝对速度，当GNSS受限时雷达接替）。

    • 加热/清洁系统： 对于光学传感器，考虑加装自动清洁或加热装置，防止泥污、冰雪覆盖窗口。雷达传感器一般对此类问题鲁棒性较好，但极端情况仍需注意。

    • 鲁棒性算法： 后端处理系统应包含滤波、数据融合和异常值剔除算法，以处理传感器在恶劣条件下输出的不稳定数据。

• 问题3：电磁兼容性（EMC）问题，传感器数据受车辆其他电子设备干扰。

  • 原因： 非公路车辆上通常有大量电气设备，如大功率电机、发电机、通信设备等，它们可能产生电磁辐射，干扰传感器的信号收发。

  • 影响： 传感器输出数据异常、抖动或错误。

  • 解决建议：

    • 选择EMC性能好的传感器： 优先选择通过严格EMC测试，具有高抗干扰能力的传感器。

    • 规范布线： 传感器电源线和信号线应采用屏蔽线，并与高压线、大电流线分开布设，避免形成电磁耦合。

    • 良好接地： 确保传感器及其线缆有可靠的接地，减少共模干扰。

    • 滤波： 在电源输入端和信号输出端加装合适的滤波器，抑制高频干扰。

4. 应用案例分享

• 农业机械： 在精准农业中，雷达多普勒测速传感器可以为拖拉机提供精确的地面速度数据，从而实现播种机、施肥机、喷洒机的精准作业量控制，确保作物均匀生长，提高农作物产量和资源利用效率。例如，英国真尚有的雷达多普勒测速传感器，能够不受车轮打滑的影响，保证了农业机械在复杂地形下的作业精度。

• 工程机械： 挖掘机、装载机等工程机械使用地面速度数据来优化其作业效率和稳定性，例如在坡道作业时，通过精确的速度控制来防止打滑或倾翻，提升施工安全和效率。

• 室内运输车辆： 叉车或AGV（自动导引车）在仓库等室内环境中，雷达测速传感器能够提供准确的地面速度信息，结合其他导航技术，实现车辆的精确路径跟踪、避障和停车，提升物流效率和操作安全性。

• 铁路应用： 在轨道交通领域，雷达测速传感器可用于测量列车在低附着力条件下的真实地面速度，辅助防滑系统工作，提高牵引效率，同时也能用于测量车轮滑动情况，保护车轮免受磨损。

• 物料输送带： 在工业生产中，监测输送带的实际运动速度对于精确控制物料流量和生产节拍至关重要，雷达测速传感器能非接触式地提供精准的带速数据，确保生产流程的稳定性和一致性。