CN103158718B

CN103158718B - 基于油门踏板位置和车速的道路纵向坡度检测装置及方法

Info

Publication number: CN103158718B
Application number: CN201310095932.4A
Authority: CN
Inventors: 徐令仪; 尹怡欣; 赵嵘
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2033-03-25
Also published as: CN103158718A

Abstract

本发明基于油门踏板位置和车速的道路纵向坡度检测装置及方法，该装置由单片机，旋转编码器，光电隔离器和串行口输出模块组成；该方法根据车辆行驶在坡度路面的速度变化，利用安装于油门踏板轴上的旋转编码器检测油门踏板位置，计算车辆实时的牵引力；对车辆速度进行采样，利用相邻采样时刻的速度差和采样周期计算车辆的加速度。采用单片机进行信号处理，利用车辆行驶过程中的合力、牵引力和空气阻力，可以得到含有坡度角信息的滚动摩擦力和重力分量之和，从而估计出道路坡度角。本发明的有益效果是：该装置对车辆改动小，成本低，仅需对车辆油门踏板的位置及车辆的速度进行检测，方法简便易行且误判率低。

Description

基于油门踏板位置和车速的道路纵向坡度检测装置及方法

技术领域：

本发明属于汽车安全驾驶领域以及信号自动检测领域，具体地说是用于车辆行驶路段坡度角动态检测的道路坡度角动态检测装置及方法。

技术背景：

道路纵向坡度的动态检测，对于行驶安全意义重大。根据道路的纵向坡度角对车辆速度进行控制，可以有效提高行车的安全性。目前，纵向斜坡坡度检测主要有GPS法及加速度计法。GPS法根据车辆的三维位置计算坡度，虽然检测方案相对简便，可以利用单传感器完成坡度检测，但GPS自身的误差对于纵向坡度的测量影响较大，测量精度不高。（David M. Bevly, Jihan Ryu, J. Christian Gerdes, Integrating INS sensors with GPS measurements for continuous estimation of vehicle sideslip, roll, and tire cornering stiffness, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 7, no. 4, pp. 483-493, December 2006.）。加速度法利用安装在车辆的加速度计测量加速度，分解出重力加速度分量后计算路面坡度。该方法虽然简单易行，但对于安装方式的要求很高，车辆的横向加速度及纵向加速度计的安装误差会对测量结果带来很大误差。（Kichun Jo, Keonyup Chu, Junsoo Kim, Myoungho Sunwoo, Distributed vehicle state estimation system using information fusion of GPS and in-vehicle sensors for vehicle localization, 14th IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems, Proceedings, pp. 2009-2014, 2011.）。

因此，本发明针对上述方法的缺陷，研究如何充分利用车辆本身固有的传感信息，以较低的成本和较高的可靠性获得道路坡度的实时估计值。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能够克服对车辆改动大可靠性差、提高可用性的车辆行驶路段坡度角动态检测的道路坡度角动态检测的基于油门踏板位置和车辆速度的道路纵向坡度检测装置及方法。

本发明的技术方案是：基于油门踏板位置和车辆速度的道路纵向坡度检测装置，该装置包括单片机，用于检测油门踏板位置的旋转编码器，用于滤波和转换信号的光电隔离器和用于与数据输出的串行口输出模块；其中，所述旋转编码器通过光电隔离器与所述单片机连接；所述串行口输出模块与所述单片机连接。

本发明的另一目的是提供基于油门踏板位置和车辆速度的道路纵向坡度检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：主程序初始化，所述主程序根据设定的周期T，采集车辆的速度V _i(i=1,2,3,……)，利用旋转编码器对当前油门踏板位置P进行采集；

步骤2：采集后的数据通过经光电隔离器处理后传送给主程序，所述主程序利用油门踏板的当前位置P，根据车辆的牵引力与油门踏板位置之间的函数关系F=F(P)，计算得到车辆所受的牵引力F；利用车辆速度的当前值V _i和上次采样值V _i-1，计算车辆的加速度，利用以下公式（1）计算车辆行驶路段的道路纵向坡度角θ,

(1)

其中，式中θ为道路坡度角，m为车辆的质量，g为重力加速度，μ _r为滚动摩擦系数， k ₂为车辆的风阻系数，V为车辆速度，T为采样周期，F=F(P)为车辆牵引力与油门踏板位置函数。

进一步，所述车辆牵引力与油门踏板位置函数F=F(P)的测定方法，具体包括以下步骤：

步骤1：单片机上电，主程序初始化,在所述主程序内预先设定动力学模型；

步骤2：所述主程序根据设定的周期T，在平整道路上保持车辆行驶在匀速状态采集车辆的速度V，利用旋转编码器油门踏板位置P进行采集，将采集的数据通过光隔离信号处理后发送给所述主程序，所述主程序将处理后数据输入动力学模型，利用函数拟合得到车辆的牵引力与油门踏板位置之间的函数关系F=F(P)

车辆牵引力与油门踏板位置函数F=F(P)的测定仅适用于标定对应车型的车辆牵引力与油门踏板位置函数F=F(P)。

本发明与已有的道路坡度角动态检测技术的不同在于：

利用合力、牵引力和空气阻力，可以得到含有坡度角信息的滚动摩擦力和重力分量之和，从而估计出道路坡度角。简言之，结合车辆油门位置和车辆的运动速度，即可以估计道路的坡度角。此外，该装置对车辆改动小，成本低。

[0008] 附图说明：

图1为本发明道路坡度角动态检测装置的原理框图。

[0009] 具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

[0010] 如图1为发明道路坡度角动态检测装置原理框图。本发明道路坡度角动态检测装置，该装置包括单片机，用于检测油门踏板位置的旋转编码器，用于滤波和转换信号的光电隔离器和用于与数据输出的串行口输出模块；其中，所述旋转编码器通过光电隔离器与所述单片机连接；所述串行口输出模块与所述单片机连接。

本发明汽车油门踏板误踩检测的检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1车辆牵引力与油门踏板位置函数F=F(P)的测定。

1.1：在平整道路上保持车辆行驶在匀速状态，检测程序根据设定的周期，检测车辆的速度V及油门踏板的位置P；

1.2：在平整道路上保持车辆行驶在匀速状态，多次改变油门踏板的位置P，同时检测车辆的速度V，根据动力学模型计算出车辆的牵引力与油门踏板位置之间的函数关系F=F(P)；

步骤2：道路坡度角动态检测：

1.1：主程序初始化，所述主程序根据设定的周期T，采集车辆的速度V _i(i=1,2,3,……)，利用旋转编码器对当前油门踏板位置P进行采集；

1.2：采集后的数据通过经光电隔离器处理后传送给主程序，所述主程序利用油门踏板的当前位置P，根据车辆的牵引力与油门踏板位置之间的函数关系F=F(P)，计算得到车辆所受的牵引力F；利用车辆速度的当前值V _i和上次采样值V _i-1，计算车辆的加速度，利用以下公式（1）计算车辆行驶路段的道路纵向坡度角θ ,

(1) ,

其中，式中θ为道路纵向坡度角，m为车辆的质量，g为重力加速度，μ_r为滚动摩擦系数， k ₂为车辆的风阻系数，V为车辆速度，T为采样周期，F=F(P)为车辆牵引力与油门踏板位置函数。

其中，θ为道路坡度角，g为重力加速度，μ为滚动摩擦系数， k ₂为车辆的风阻系数，车辆速度为V，采样周期为T，车辆牵引力与油门踏板位置函数F=F(P);

实施例1

当车辆行驶在道路上时，车辆的受力包括牵引力F ₁、空气阻力F ₂、与路面的摩擦力F ₃和车辆的重力F ₄，其表达式见式(1)。

(1)

其中，F是合力，F ₁是牵引力，F ₂是空气阻力，F ₃是与路面的摩擦力，F ₄是车辆的重力，sinθ为纵向坡度角。牵引力F ₁与油门踏板的位置P ₁密切相关，可以表示为：

(2)

空气阻力F ₂是受风面积和车辆速度的函数，如下式所示：

(3)

其中，ρ是空气密度；S _w是车辆前进方向的受风面积，与车辆外形有关；C _d是拖拽系数，V是车辆速度。车辆与路面的摩擦力F ₃，在车辆正常运行时为滚动摩擦，可表示为：

(4)

其中，μ _r是滚动摩擦系数，m是车辆质量，g是重力加速度。车辆的重力F ₄见式(5)。

(5)

车辆所受到的合力，表现为车辆加速度的变化。而车辆运动加速度又影响车辆的速度，利用车辆速度能够估计车辆的运动加速度。于是，可以获得车辆所受到的合力与车辆速度变化之间的关系，见式(6)。

(6)

其中，a为车辆运动加速度，T为采样周期，V _i为第i时刻采样的车辆运动速度。

将式(2)~式(6)代入式(1)，得到车辆的动力学方程：

(7)

其中，k ₂是车辆的风阻系数，k ₂=rS _w C _d/2。

式(7)整理后，得到坡度角q的解：

(8)

假设牵引力与油门踏板位置之间呈线性关系，设定比例系数k ₁=5000。假设车辆质量为4000kg，受风面积为2m²。取拖拽系数C _d=0.45，计算出风阻系数k ₂=580.5。取滚动摩擦系数μ _r=0.1。假设在车辆行驶过程中油门踏板位置设定为20%，且保持不变。

当车辆由静止启动且行驶路程在0~50m时，车辆行驶于平路，此时坡度角的检测结果为0度；当车辆行驶路程在50~100m时，车辆行驶于15度上坡路段，此时坡度角的检测结果为+15度；当车辆行驶路程在100~150m时，车辆行驶于平路，此时坡度角的检测结果为0度；当车辆行驶路程在150~190m时，车辆行驶于15度下坡路段，此时坡度角的检测结果为-15度；当车辆行驶路程在190~250m时，车辆行驶于平路，此时坡度角的检测结果为0度。

仿真实验表明，道路坡度角动态检测方法可以有效准确的对道路纵向坡度角进行检测。

以上所述仅为本发明的仿真实例而已，并不用于限制本发明新型，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1. 基于油门踏板位置和车速的道路纵向坡度检测装置的实时道路纵向坡度检测方法，该装置包括单片机，用于检测油门踏板位置的旋转编码器，用于滤波和转换信号的光电隔离器和用于与数据输出的串行口输出模块；其中，所述旋转编码器通过光电隔离器与所述单片机连接；所述串行口输出模块与所述单片机连接，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1) ,

其中，式中θ为道路纵向坡度角，m为车辆的质量，g为重力加速度，μ _r为滚动摩擦系数， k ₂为车辆的风阻系数，V为车辆速度，T为采样周期，F=F(P)为车辆牵引力与油门踏板位置函数。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述车辆牵引力与油门踏板位置函数F=F(P)的测定方法，具体包括以下步骤：

步骤2：所述主程序根据设定的周期T，在平整道路上保持车辆行驶在匀速状态采集车辆的速度V，利用旋转编码器油门踏板位置P进行采集，将采集的数据通过光隔离信号处理后发送给所述主程序，所述主程序将处理后数据输入动力学模型，利用函数拟合得到车辆的牵引力与油门踏板位置之间的函数关系F=F(P)。