CN101509768A - 基于低成本加速度传感器的车载道路坡度识别装置及方法 - Google Patents

基于低成本加速度传感器的车载道路坡度识别装置及方法 Download PDF

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CN101509768A CNA2009100806943A CN200910080694A CN101509768A CN 101509768 A CN101509768 A CN 101509768A CN A2009100806943 A CNA2009100806943 A CN A2009100806943A CN 200910080694 A CN200910080694 A CN 200910080694A CN 101509768 A CN101509768 A CN 101509768A
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杨殿阁
连小珉
张涛
郑四发
罗禹贡
王建强
李克强
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Abstract

本发明涉及基于低成本加速度传感器的车载道路坡度识别装置及方法，属于汽车电子技术领域。该装置包括具有两个串口的车载嵌入式计算机，分别与车载嵌入式计算机相连的加速度模块和车速模块；加速度模块由一个加速度传感器，一个模拟－数字转换模块和一个单片机构成。该方法包括：顺序读取加速度数据和车速数据；对得到的加速度数据进行平均处理，作为当前传感器加速度；根据当前车速和上一时刻车速计算得到上一时刻的运动加速度，根据上一时刻的传感器加速度和上一时刻的运动加速度计算得到道路坡度，作为当前识别的道路坡度值。本发明采用低成本加速度传感器，具有成本低，体积小，安装方便等特点。

Description

基于低成本加速度传感器的车载道路坡度识别装置及方法
技术领域
本发明属于汽车电子技术领域，特别涉及车载道路坡度识别装置及方法。
背景技术
加速度传感器是一种重要的力学传感器，其研究与开发始于60年代末、70年代初。1977年，美国Stanford大学、加州大学Berkley分校和Draper实验室已开始在硅片上采用微机械加工工艺生产微硅加速度传感器。如今，加速度传感器已经向着越来越小型化，低成本的方向发展，它们在航天、制导、航海以及汽车等领域具有重要的应用价值。尤其在汽车领域，低成本的微机械加速度传感器已经成功地应用于汽车电子领域，包括汽车安全气囊、振动补偿、防滑系统等方面，用于提高汽车的可操纵性、安全性和舒适性。
道路坡度识别是在车辆行驶时利用安装在车辆上的传感元件采集车辆行驶参数，据此计算车辆行驶所在道路的坡度。现有的道路坡度识别方法一般根据车辆动力学方程进行坡度识别。应用这类方法时需要较为精确的采集多个车辆参数，包括发动机转矩，当前档位，轮速以及制动力等。这种方法对于面向产品化的大批量低成本车载应用一般是难以实现的。例如，在车辆导航系统中，需要识别道路坡度以判断车辆是否在上下桥行驶。若利用上述方法实现坡度识别，就存在传感器成本过高，安装布置不便，以及计算过于复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是针对低成本产品化车载应用的需求，提出一种基于低成本加速度传感器的车载道路坡度识别装置及方法。本发明采用低成本加速度传感器，配合车速模块作为传感元件，具有成本低，体积小，安装方便等特点。
本发明提出的基于低成本加速度传感器的车载道路坡度识别装置，其特征在于，该装置包括具有两个串口的车载嵌入式计算机，通过第一个串口与车载嵌入式计算机相连的加速度模块，通过第二个串口与车载嵌入式计算机相连的车速模块；所述加速度模块由一个加速度传感器，一个模拟-数字转换模块和一个单片机构成，该加速度传感器的输出端通过模拟-数字转换模块与单片机的输入端相连。
利用该装置，当车速模块发出数据时，顺序读取加速度数据和车速数据，根据当前车速和上一时刻车速数据及上一时刻加速度数据即可计算道路坡度。
本发明提出利用该基于低成本加速度传感器的车载道路坡度识别装置进行道路坡度识别，包括以下步骤：
(1)设置上一时刻车速和上一时刻传感器加速度为无效值；
(2)等待串口2接收车速数据；
(3)当串口2接收到车速数据时，顺序读取串口1缓存上的加速度数据和串口2缓存上的车速数据；
(4)清空串口1和串口2缓存；
(5)对所述步骤(3)得到的加速度数据进行平均处理，作为当前传感器加速度；
(6)若当前车速和上一时刻车速均有效时，则根据当前车速和上一时刻车速计算得到上一时刻的运动加速度，否则设置上一时刻的运动加速度为无效值；
(7)若上一时刻的传感器加速度和上一时刻的运动加速度均有效，则根据上一时刻的传感器加速度和上一时刻的运动加速度计算得到道路坡度，作为当前识别的道路坡度值；否则设置道路坡度为无效值；
(8)更新当前车速为上一时刻车速，更新当前传感器加速度为上一时刻传感器加速度；
(9)重复步骤(3)-(8)，完成时实道路坡度的识别。
本发明的特点及效果：
本发明提出的基于低成本加速度传感器的车载道路坡度识别装置，采用低成本加速度传感器，配合车速模块，如车速表或全球卫星定位模块作为传感元件，具有成本低，体积小，安装方便等特点。利用该装置实时对车速数据和加速度数据进行测量，根据测量数据即可计算出道路坡度。其计算方法简便，高效，可以满足大部分对于精度和实时性要求不高的低成本产品化车载应用的需求。
附图说明
图1是本发明装置的结构图。
图2是本发明方法流程图。
具体实施方式
本发明提出的基于低成本加速度传感器的车载道路坡度识别装置结合附图及实施例详细说明如下：
本发明装置的结构如图1所示，该装置包括具有两个串口的车载嵌入式计算机，通过第一个串口与车载嵌入式计算机相连的加速度模块，通过第一个串口与车载嵌入式计算机相连的车速模块；所述加速度模块由一个加速度传感器，一个模拟-数字转换模块和一个单片机构成，该加速度传感器的输出端通过模拟-数字转换模块与单片机的输入端相连。利用该装置，当车速模块发出数据时，顺序读取加速度数据和车速数据，根据当前车速和上一时刻车速数据及上一时刻加速度数据即可计算道路坡度。
本发明装置的各部件实施例的组成及功能分别说明如下：
(1)加速度传感器，本发明中采用ADI公司生产的低成本单轴加速度传感器ADXL103；用于时实感受车辆加速度，并将车辆加速度转化为模拟信息输出。
(2)单片机，本发明中采用Freescale公司生产的8位单片机MC68H908GZ16；用于定时采集数字加速度信息，并将采集的信息通过串口发送出来。
(3)模拟-数字转换模块(简称A/D转换)，本发明中采用单片机自带的10位A/D转换模块；用于将接收到的加速度模拟信息转换成数字信息。
(4)车速模块，本发明中采用全球卫星定位系统(简称GPS)模块，用于获取车速信息；
(5)嵌入式计算机，采用带有两个串口的普通车载嵌入式计算机，用于根据接收到的加速度信息和车速信息计算道路坡度。
其中，将加速度传感器的输出端通过A/D转换与单片机输入端相连制作成电路板，构成加速度模块。在该模块中，单片机定时(0.01秒)采集A/D转换模块输出的数字加速度信息，并将采集的信息通过串口1送入嵌入式计算机。
车速模块，即本发明中的GPS模块通过串口2与嵌入式计算机相连。
将车载道路坡度识别装置安装在车上，保证加速度传感器的敏感轴正向对准车头方向。
利用上述装置进行道路坡度识别的方法，其流程如图2所示，包括以下步骤：
(1)设置上一时刻车速v(t-1)和上一时刻传感器加速度as(t-1)为无效值；
(2)等待串口2接收车速数据；
(3)当串口2接收到车速数据时，顺序读取串口1缓存中接收到的t-1时刻到t时刻的所有加速度数据和串口2缓存中的车速数据；
(4)清空串口1和串口2缓存；
(5)对所述步骤(3)得到的加速度数据取代数平均值，作为当前传感器加速度as(t)；
(6)若当前车速v(t)和上一时刻车速v(t-1)均有效，则根据当前车速v(t)和上一时刻车速v(t-1)计算得到上一时刻的运动加速度am(t-1)，否则设置上一时刻的运动加速度am(t-1)为无效值；
(7)若上一时刻的传感器加速度as(t-1)和上一时刻的运动加速度am(t-1)均有效，则根据传感器加速度as(t-1)和上一时刻的运动加速度am(t-1)计算得到道路坡度θ，作为当前识别的道路坡度值；否则设置道路坡度θ为无效值；
(8)更新当前车速v(t)为上一时刻车速v(t-1)，更新当前传感器加速度as(t)为上一时刻传感器加速度as(t-1)；
(9)重复步骤(3)-(8)，完成时实道路坡度的识别。
上述步骤(6)中，根据当前车速v(t)和上一时刻车速v(t-1)计算上一时刻的运动加速度am(t-1)的方法如下式所示：
a m ( t - 1 ) = v ( t ) - v ( t - 1 ) T
其中，T是接收车速数据的时间间隔，一般为1秒。
上述步骤(7)中，根据上一时刻的传感器加速度as(t-1)和上一时刻的运动加速度am(t-1)计算道路坡度θ的方法如下式所示：
θ = a s ( t - 1 ) - a m ( t - 1 ) g
其中，g是重力加速度常量，取为9.8m/s2。

Claims (5)

1、一种基于低成本加速度传感器的车载道路坡度识别装置，其特征在于，该装置包括具有两个串口的车载嵌入式计算机，通过第一个串口与车载嵌入式计算机相连的加速度模块，通过第二个串口与车载嵌入式计算机相连的车速模块；所述加速度模块由一个加速度传感器，一个模拟-数字转换模块和一个单片机构成，该加速度传感器的输出端通过模拟-数字转换模块与单片机的输入端相连。
2、如权利要求1所述装置，其特征在于，所述加速度传感器采用低成本单轴加速度传感器ADXL103，所述单片机采用8位单片机MC68H908GZ16；所述模拟-数字转换模块采用所述单片机自带的10位A/D转换模块；所述车速模块采用全球卫星定位系统模块。
3、一种采用上述装置的车载道路坡度识别方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)设置上一时刻车速和上一时刻传感器加速度为无效值；
(2)等待串口2接收车速数据；
(3)当串口2接收到车速数据时，顺序读取串口1缓存上的加速度数据和串口2缓存上的车速数据；
(4)清空串口1和串口2缓存；
(5)对所述步骤(3)得到的加速度数据进行平均处理，作为当前传感器加速度；
(6)若当前车速和上一时刻车速均有效时，则根据当前车速和上一时刻车速计算得到上一时刻的运动加速度，否则设置上一时刻的运动加速度为无效值；
(7)若上一时刻的传感器加速度和上一时刻的运动加速度均有效，则根据上一时刻的传感器加速度和上一时刻的运动加速度计算得到道路坡度，作为当前识别的道路坡度值；否则设置道路坡度为无效值；
(8)更新当前车速为上一时刻车速，更新当前传感器加速度为上一时刻传感器加速度；
(9)重复步骤(3)-(8)，完成时实道路坡度的识别。
4、如权利要求3所述方法，其特征在于，所述步骤(6)中，根据当前车速和上一时刻车速v(t-1)计算上一时刻的运动加速度am(t-1)，如下式所示：
a m ( t - 1 ) = v ( t ) - v ( t - 1 ) T
其中，v(t)为当前车速，v(t-1)为上一时刻车速，T是接收车速数据的时间间隔，。
5、如权利要求4所述方法，其特征在于，所述步骤(7)中，根据上一时刻的传感器加速度和上一时刻的运动加速度计算道路坡度θ，如下式所示：
θ = a s ( t - 1 ) - a m ( t - 1 ) g
其中，as(t-1)为上一时刻的传感器加速度，am(t-1)为上一时刻的运动加速度，g是重力加速度常量。
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PB01 Publication
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