CN102903162A

CN102903162A - 一种汽车行驶状态信息采集处理系统及其处理方法

Info

Publication number: CN102903162A
Application number: CN201210358610XA
Authority: CN
Inventors: 李克强; 谢伯元; 郑四发; 王建强; 秦晓辉; 赵树连; 周希军
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: CN102903162B

Abstract

本发明涉及一种汽车行驶状态信息采集处理系统及其处理方法，其系统包括采集汽车运动状态信息的多种传感器，采集前方目标信息的前向雷达，采集驾驶行为信息的方向盘传感器。汽车运动状态信息通过低通滤波处理后提供给主控制器，前方目标信息和驾驶行为信息，与汽车CAN总线上汽车行驶状态信息一起汇总提供给主控制器。主控制器通过信号特征统计单元获取汽车运动状态信息的统计值，据此对汽车运动状态信息进行卡尔曼滤波，经过卡尔曼滤波处理过的汽车运动状态信息与前方目标信息、驾驶行为信息和汽车行驶状态信息一起由主控制器内部的CAN信号重组单元进行融合重组，输出给电脑终端。本发明可以广泛用于各种汽车测试平台，为主动安全控制技术开发提供基础。

Description

一种汽车行驶状态信息采集处理系统及其处理方法

技术领域

本发明涉及汽车状态感知技术领域，特别是关于一种汽车行驶状态信息采集处理系统及其处理方法。

背景技术

现代交通对安全要求的逐步提高推动了汽车及交通控制技术的飞速发展，汽车厂商开发了各种控制系统来提高车辆的行驶安全性，例如：碰撞报警（FCW,Forward Collision Warning）、自适应巡航控制系统(ACC,Adaptive CruiseControl)和智能车速自适应（ISA，Intelligent Speed Adaptation）等驾驶辅助系统。这些驾驶辅助系统通过采集处理环境信息，结合车辆实时运行状况，对行车危险状态进行辨识，从而为驾驶员提供安全信息，必要时还可以采取措施控制汽车，使汽车主动避开危险。由此可见，汽车状态信息采集处理是进行主动安全控制技术研发的基础，汽车安全控制技术利用的信息主要包括以下三个方面：一是汽车自带传感器采集的如速度、节气门开度、油门踏板开度、制动信号、转向灯信号等信息；二是加装的惯性传感器采集的如纵向加速度、横向加速度、横摆角速度、方向盘转角等信息；三是加装的雷达、摄像头采集的如目标纵向相对距离、横向相对距离、相对速度等信息。这些信息来源多样，信号特性不全相同，但都是进行汽车控制的关键状态参数。这就需要开发出一种信息采集处理系统，对表征汽车行驶状态的多元信息进行采集、融合和管理。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种汽车行驶状态信息采集处理系统及其处理方法，该系统能够采集汽车行驶时动力学状态信息、驾驶行为信息和前方目标信息，根据信号统计特性融合对信息进行滤波处理，重新融合，提供给电脑终端，为主动安全控制技术开发提供基础。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种汽车行驶状态信息采集处理系统，其特征在于：它包括主控制器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器、低通滤波单元、前向雷达、方向盘转角传感器、两路汽车CAN总线和电脑终端；主控制器中设置有模数转换单元、车辆状态判断单元、离散卡尔曼滤波单元、信号特征统计单元、CAN信号解析单元和CAN信号重组单元；

纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器采集汽车运动状态模拟信号，将其经过低通滤波单元处理后传给主控制器的模数转换单元；

模数转换单元将输入的汽车运动状态模拟信号转换成相应的数字信号，将其经过车辆状态判断单元传给离散卡尔曼滤波单元和信号特征统计单元；

前向雷达检测汽车前方目标信息，方向盘转角传感器采集驾驶行为信息；前方目标信息和驾驶行为信息与一汽车CAN总线上的汽车行驶状态信息一起汇总为CAN数字信号，传给主控制器的CAN信号解析单元；

CAN信号解析单元对输入的CAN数字信号进行解析，获取CAN数字信号真实值，将其传给车辆状态判断单元和CAN信号重组单元；

车辆状态判断单元根据CAN数字信号真实值判断汽车当前行驶状态；

信号特征统计单元根据汽车当前行驶状态对输入的汽车运动状态信号进行统计分析，获取信号特征值，将其传给离散卡尔曼滤波单元；

离散卡尔曼滤波单元根据信号特征值对输入的汽车运动状态信号进行矫正和滤波后，传给CAN信号重组单元；

CAN信号重组单元对矫正滤波后的汽车运动状态信号和CAN数字信号真实值进行重构，将其通过另一汽车CAN总线传给电脑终端。

上述系统通过一供电模块实现供电，供电模块包括汽车蓄电池、附加蓄电池、两继电器、仪表常电、逆变器、两熔断器和开关；纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器、前向雷达、方向盘转角传感器和两汽车CAN总线由主控制器集中供电；主控制器和电脑终端由供电模块供电，电源系统负极均采取就近搭铁；仪表常电由汽车钥匙控制，并连接开关,开关控制两继电器断合；继电器控制汽车蓄电池和附加蓄电池与主控制器和逆变器的连接，为主控制器提供低压电源，通过逆变器给电脑终端提供工作电源。

上述汽车行驶状态信息采集处理系统的处理方法，包括以下步骤：

1）主控制器的模数转换单元将接收的汽车运动状态模拟信号转换成相应的数字信号，经过车辆状态判断单元传给离散卡尔曼滤波单元和信号特征统计单元；

2）主控制器的CAN信号解析单元对接收的CAN数字信号进行解析，获取CAN数字信号真实值；

3）车辆状态判断单元根据CAN信号解析模块提供的CAN数字信号真实值中的汽车车速，判断汽车当前行驶状态：

①如果汽车车速V=0m/s，车辆静止，则信号特征统计单元对每一种汽车运动状态信号进行周期采样分析，获取相应的均值和方差：

\overset{&OverBar;}{X} = (Σ_{i = 1}^{n} X_{i} / n),

S^{2} = (Σ_{i = 1}^{n} {(X_{i} - \overset{&OverBar;}{X})}^{2}) / n,

上式中，X_i为一汽车运动状态信号的采样值，

为一汽车运动状态信号的均值，S²为一汽车运动状态信号的方差，n为采样次数；

汽车运动状态信号的均值作为传感器零漂，汽车运动状态信号的方差作为观测噪声方差，由信号特征统计单元传给离散卡尔曼滤波器单元；

②如果汽车车速V>0m/s，车辆处于运动状态，传感器零漂和观测噪声方差保持不变；

4）离散卡尔曼滤波单元根据信号特征统计单元提供的传感器零漂和观测噪声方差对输入的汽车运动状态信号进行矫正和滤波：

4.1）对输入的汽车运动状态信号进行零漂矫正：

Z_{k} = X_{k} - \overset{&OverBar;}{X},

上式中，X_k为k时刻一汽车运动状态信号，为该汽车运动状态信号对应的传感器零漂，Z_k为X_k经过零漂矫正后的修正值；

4.2）对经过零漂矫正后的汽车运动状态信号进行卡尔曼滤波：

{\hat{x}}_{k}^{-} = A {\hat{x}}_{k - 1}

P_{k}^{-} = {AP}_{k - 1} A^{T} + Q

K_{k} = P_{k}^{-} H^{T} {({HP}_{k}^{-} H^{T} + R)}^{- 1}

{\hat{x}}_{k} = {\hat{x}}_{k}^{-} + K_{k} (z_{k} - H {\hat{x}}_{k}^{-})

P_{k} = (I - K_{k} H) P_{k}^{-}

上式中，z_k是由经过零漂矫正后的k时刻汽车运动状态信号构成的向量；为k时刻汽车运动状态向量的先验状态估计值；

为k-1时刻汽车运动状态向量估计值；

为k时刻汽车运动状态向量估计值；

为k时刻为先验估计值的误差方差矩阵；P_k-1为k-1时刻后验估计值的误差方差矩阵；P_k为K时刻后验估计值的误差方差矩阵；A为状态矩阵，取常数；Q为过程激励噪声方差矩阵，取常数；K_k为k时刻增益矩阵；H为输出矩阵，取常数；I为单位矩阵；T表征矩阵转置；R为测量值噪声方差矩阵，由信号特征统计单元提供的观测噪声方差构成；

5）CAN信号重组单元对矫正滤波后的汽车运动状态信号和CAN数字信号真实值进行重构，将其通过另一汽车CAN总线传给电脑终端。

上述步骤2）中，CAN信号解析单元根据CAN协议，通过下式对接收的CAN数字信号进行解析，获取CAN数字信号真实值：

Real＝Raw*Factor-Offset

上式中，Raw为CAN数字信号；Factor为增益因子，Offset为偏移量，Factor与Offset根据CAN协议的规定取值；Real为CAN数字信号真实值。

上述步骤1）至4）中，通过计数器计时，使矫正滤波后的汽车运动状态信号和CAN数字信号真实值同步输出给CAN信号重组单元。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明系统通过在主控制器中设置信号特征统计单元和离散卡尔曼滤波单元，对采集信息的信号统计特性进行提取，并据此对信号进行卡尔曼滤波，从而提高了信号精度，为后续主动安全控制技术的开发提供了良好的基础。2、本发明系统采用了新的供电模块与汽车原有蓄电池共同作用，为主控制器提供如12V的低压电源，电脑终端提供如220V的工作电源，提高系统用电安全性能。3、本发明通过制定新的CAN总线协议，对处理后的信号进行重构，改善了信息结构，提高了总线利用效率，同时，系统所有信号能够同步发出，解决了异构信源的信息融合问题，为后续主动安全控制技术的开发提供了良好的基础。本发明可以广泛用于各种汽车测试平台。

附图说明

图1是本发明的系统组成示意图；

图2是本发明的系统供电模块连接示意图；

图3是本发明的系统实施例组成示意图；

图4是本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明系统包括设置在汽车上的主控制器1、纵向加速度传感器2、横向加速度传感器3、横摆角速度传感器4、低通滤波单元5、前向雷达6、方向盘转角传感器7、两路汽车CAN总线8和9，以及电脑终端10。其中，主控制器1中设置有模数转换单元11、车辆状态判断单元12、离散卡尔曼滤波单元13、信号特征统计单元14、CAN信号解析单元15和CAN信号重组单元16。

纵向加速度传感器2负责采集汽车纵向加速度信息，横向加速度传感器3负责采集汽车横向加速度信息，横摆角速度传感器4负责采集汽车横摆角速度信息，这些采集的信息为汽车运动状态模拟信号，各自经过低通滤波单元5处理后传给主控制器1的模数转换单元11。

模数转换单元11将输入的汽车运动状态模拟信号转换成相应的数字信号（以下简称汽车运动状态信号），将其经过车辆状态判断单元12传给离散卡尔曼滤波单元13和信号特征统计单元14。

前向雷达6用于检测汽车前方目标，获取包括有目标纵向距离、横向距离和相对速度的前方目标信息，方向盘转角传感器7采集包括有汽车方向盘转角信息、转角角速度信息和故障信息的驾驶行为信息。前方目标信息、驾驶行为信息与汽车CAN总线8上由汽车自带传感器检测的车速、转向灯信号、制动信号、节气门开度、发动机转速等汽车行驶状态信息一起汇总为CAN数字信号，传给主控制器1的CAN信号解析单元15。

CAN信号解析单元15对输入的CAN数字信号进行解析，获取CAN数字信号真实值，将其传给车辆状态判断单元12和CAN信号重组单元16。

车辆状态判断单元12根据CAN数字信号真实值判断汽车当前行驶状态。

信号特征统计单元14根据汽车当前行驶状态对输入的汽车运动状态信号进行统计分析，获取信号特征值，将其传给离散卡尔曼滤波单元13。

离散卡尔曼滤波单元13根据信号特征值对输入的汽车运动状态信号进行矫正和滤波后，传给CAN信号重组单元16。

CAN信号重组单元16对矫正滤波后的汽车运动状态信号和CAN数字信号真实值进行重构，将其通过另一汽车CAN总线9传给电脑终端10。

如图2所示，上述系统可以通过以下方式实现系统供电，确保系统用电安全：

设置一供电模块10，其包括汽车蓄电池101、附加蓄电池102、两继电器103和104、仪表常电105、逆变器106、两熔断器107和108，以及开关109。纵向加速度传感器2、横向加速度传感器3、横摆角速度传感器4、前向雷达6、方向盘转角传感器7和汽车CAN总线8通过主控制器5集中供电；主控制器1和电脑终端10由供电模块10供电，电源系统负极均采取就近搭铁。仪表常电105由汽车钥匙控制，并连接开关109,开关109控制两继电器103和104断合，从而控制汽车蓄电池101和附加蓄电池102的并联，扩展系统容量。继电器103控制汽车蓄电池101和附加蓄电池102与主控制器1、逆变器106的连接，为主控制器1提供如12V的低压电源，逆变器106给电脑终端10提供如220V的工作电源。

1）当汽车钥匙拔下时，仪表常电105断电，即使开关109闭合，系统也不会上点，汽车蓄电池101和附加蓄电池102断开，不会相互放电，不缺电、不漏电，确保用电安全。

2）当汽车钥匙在“ACC”档及以上时，控制开关109，由驾驶员控制系统是否工作：当开关109闭合时，如果汽车蓄电池101缺电，可由附加蓄电池102为其充电，确保车辆能正常启动，如果附加蓄电池102缺电，可由汽车蓄电池101为其充电，确保系统正常工作。

如图3所示，本发明实施例可以采用一单片机、三路外围的模拟输入电路、二路外围的汽车CAN总线收发电路和一外围的串行通信接口电路搭建主控制器。单片机可以采用飞思卡尔公司的32位单片机MC9S12XEP100（也可是其它芯片，不限于此）。三路外围模拟输入电路，将纵向加速度传感器2、横向加速度传感器3、横摆角速度传感器4输出的模拟信号各自通过低通滤波电路进行滤波处理后，输入单片机。如图3所示，本实施例采用一电阻R和两电容C1、C2构成一无源低通滤波电路，处理一路模拟信号（也可是其他形式，不限于此）。汽车CAN总线收发电路采用SN65HVD1050芯片作为CAN总线驱动器，将前向雷达6、方向盘转角传感器7采集的信号和汽车CAN总线8上的信号一起输入单片机。另一汽车CAN总线收发电路也采用SN65HVD1050芯片作为CAN总线驱动器，向电脑终端发出重构后的CAN信号，并接收电脑终端发送回的控制指令。串行通信接口电路采用MAX232芯片及其外围电路，实现单片机与电脑终端的串口通信。图中VCC表示电源，GND表示接地。

如图4所示，上述系统的处理方法具体包括以下步骤：

1）主控制器的模数转换单元将接收的汽车运动状态模拟信号转换成相应的数字信号，经过车辆状态判断单元传给离散卡尔曼滤波单元和信号特征统计单元。

2）根据CAN协议，主控制器的CAN信号解析单元可以通过下式对接收的CAN数字信号进行解析，获取CAN数字信号真实值：

Real＝Raw*Factor-Offset

①如果汽车车速V=0m/s，车辆静止，则信号特征统计单元对每一种汽车运动状态信号进行周期采样分析，获取相应的均值和方差等信号特征值：

\overset{&OverBar;}{X} = (Σ_{i = 1}^{n} X_{i} / n),

S^{2} = (Σ_{i = 1}^{n} {(X_{i} - \overset{&OverBar;}{X})}^{2}) / n,

上式中，X_i为一汽车运动状态信号的采样值，

为一汽车运动状态信号的均值，S²为一汽车运动状态信号的方差，n为采样次数。

上述汽车运动状态信号的均值作为传感器零漂，汽车运动状态信号的方差作为观测噪声方差，由信号特征统计单元传给离散卡尔曼滤波器单元。

②如果汽车车速V>0m/s，车辆处于运动状态，则不对传感器零漂和观测噪声方差进行更新。

4）离散卡尔曼滤波单元根据信号特征统计单元提供的信号特征值(传感器零漂和观测噪声方差)对输入的汽车运动状态信号进行矫正和滤波：

4.1）对输入的汽车运动状态信号进行零漂矫正：

Z_{k} = X_{k} - \overset{&OverBar;}{X},

其中，X_k为k时刻一汽车运动状态信号，

为该汽车运动状态信号对应的传感器零漂（也即其均值），Z_k为X_k经过零漂矫正后的修正值。

4.2）对经过零漂矫正后的汽车运动状态信号进行卡尔曼滤波，以进一步提高信号准确性：

{\hat{x}}_{k}^{-} = A {\hat{x}}_{k - 1}

P_{k}^{-} = {AP}_{k - 1} A^{T} + Q

K_{k} = P_{k}^{-} H^{T} {({HP}_{k}^{-} H^{T} + R)}^{- 1}

{\hat{x}}_{k} = {\hat{x}}_{k}^{-} + K_{k} (z_{k} - H {\hat{x}}_{k}^{-})

P_{k} = (I - K_{k} H) P_{k}^{-}

其中，z_k是由经过零漂矫正后的k时刻汽车运动状态信号构成的向量；

为k时刻汽车运动状态向量的先验状态估计值；

为k-1时刻汽车运动状态向量估计值；

为k时刻汽车运动状态向量估计值；

为k时刻为先验估计值的误差方差矩阵；P_k-1为k-1时刻后验估计值的误差方差矩阵；P_k为K时刻后验估计值的误差方差矩阵；A为状态矩阵，取常数；Q为过程激励噪声方差矩阵，取常数；K_k为k时刻增益矩阵；H为输出矩阵，取常数；I为单位矩阵；T表征矩阵转置；R为测量值噪声方差矩阵，由信号特征统计单元提供的观测噪声方差构成。

5）CAN信号重组单元对输入的信号进行重构。如对左转向灯、右转向灯、节气门位置、油门踏板位置、车速、制动有效位、方向盘转角、方向盘角速度、目标纵向距离、目标横向距离、目标相对速度，以及纵向加速度、横向加速度、横摆角速度等数字信号按照设定的顺序重新编制为Intel类型的CAN信号，按给定的周期和波特率，通过另一汽车CAN总线发送给电脑终端。

上述步骤1）至4）中，可以借助一计数器Count计时（如图4所示），Count=n时,n为预设的计数终值，使矫正滤波后的汽车运动状态信号和CAN数字信号真实值同步输出给CAN信号重组单元。

上述各实施例中，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种汽车行驶状态信息采集处理系统，其特征在于：它包括主控制器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器、低通滤波单元、前向雷达、方向盘转角传感器、两路汽车CAN总线和电脑终端；所述主控制器中设置有模数转换单元、车辆状态判断单元、离散卡尔曼滤波单元、信号特征统计单元、CAN信号解析单元和CAN信号重组单元；

所述纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器采集汽车运动状态模拟信号，将其经过所述低通滤波单元处理后传给所述主控制器的模数转换单元；

所述模数转换单元将输入的汽车运动状态模拟信号转换成相应的数字信号，将其经过所述车辆状态判断单元传给所述离散卡尔曼滤波单元和信号特征统计单元；

所述前向雷达检测汽车前方目标信息，所述方向盘转角传感器采集驾驶行为信息；所述前方目标信息和驾驶行为信息与一所述汽车CAN总线上的汽车行驶状态信息一起汇总为CAN数字信号，传给所述主控制器的CAN信号解析单元；

所述CAN信号解析单元对输入的CAN数字信号进行解析，获取CAN数字信号真实值，将其传给所述车辆状态判断单元和CAN信号重组单元；

所述车辆状态判断单元根据CAN数字信号真实值判断汽车当前行驶状态；

所述信号特征统计单元根据汽车当前行驶状态对输入的汽车运动状态信号进行统计分析，获取信号特征值，将其传给所述离散卡尔曼滤波单元；

所述离散卡尔曼滤波单元根据信号特征值对输入的汽车运动状态信号进行矫正和滤波后，传给所述CAN信号重组单元；

所述CAN信号重组单元对矫正滤波后的汽车运动状态信号和CAN数字信号真实值进行重构，将其通过另一所述汽车CAN总线传给所述电脑终端。

2.如权利要求1所述的一种汽车行驶状态信息采集处理系统，其特征在于：所述系统通过一供电模块实现供电，所述供电模块包括汽车蓄电池、附加蓄电池、两继电器、仪表常电、逆变器、两熔断器和开关；所述纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器、前向雷达、方向盘转角传感器和两汽车CAN总线由所述主控制器集中供电；所述主控制器和电脑终端由所述供电模块供电，电源系统负极均采取就近搭铁；所述仪表常电由汽车钥匙控制，并连接所述开关,所述开关控制两所述继电器断合；所述继电器控制所述汽车蓄电池和附加蓄电池与所述主控制器和逆变器的连接，为所述主控制器提供低压电源，通过所述逆变器给所述电脑终端提供工作电源。

3.如权利要求1或2所述的一种汽车行驶状态信息采集处理系统的处理方法，包括以下步骤：

\overset{&OverBar;}{X} = (Σ_{i = 1}^{n} X_{i} / n),

S^{2} = (Σ_{i = 1}^{n} {(X_{i} - \overset{&OverBar;}{X})}^{2}) / n,

上式中，X_i为一汽车运动状态信号的采样值，

4.1）对输入的汽车运动状态信号进行零漂矫正：

Z_{k} = X_{k} - \overset{&OverBar;}{X},

上式中，X_k为k时刻一汽车运动状态信号，

为该汽车运动状态信号对应的传感器零漂，Z_k为X_k经过零漂矫正后的修正值；

{\hat{x}}_{k}^{-} = A {\hat{x}}_{k - 1}

P_{k}^{-} = {AP}_{k - 1} A^{T} + Q

K_{k} = P_{k}^{-} H^{T} {({HP}_{k}^{-} H^{T} + R)}^{- 1}

{\hat{x}}_{k} = {\hat{x}}_{k}^{-} + K_{k} (z_{k} - H {\hat{x}}_{k}^{-})

P_{k} = (I - K_{k} H) P_{k}^{-}

上式中，z_k是由经过零漂矫正后的k时刻汽车运动状态信号构成的向量；

为k时刻汽车运动状态向量的先验状态估计值；

为k-1时刻汽车运动状态向量估计值；

为k时刻汽车运动状态向量估计值；为k时刻为先验估计值的误差方差矩阵；P_k-1为k-1时刻后验估计值的误差方差矩阵；P_k为K时刻后验估计值的误差方差矩阵；A为状态矩阵，取常数；Q为过程激励噪声方差矩阵，取常数；K_k为k时刻增益矩阵；H为输出矩阵，取常数；I为单位矩阵；T表征矩阵转置；R为测量值噪声方差矩阵，由信号特征统计单元提供的观测噪声方差构成；

4.如权利要求3所述的一种汽车行驶状态信息采集处理系统的处理方法，其特征在于：

所述步骤2）中，CAN信号解析单元根据CAN协议，通过下式对接收的CAN数字信号进行解析，获取CAN数字信号真实值：

Real＝Raw*Factor-Offset

5.如权利要求3或4所述的一种汽车行驶状态信息采集处理系统的处理方法，其特征在于：

所述步骤1）至4）中，通过计数器计时，使矫正滤波后的汽车运动状态信号和CAN数字信号真实值同步输出给CAN信号重组单元。