CN103606206A

CN103606206A - 一种汽车行驶状态感知装置及方法

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Publication number: CN103606206A
Application number: CN201310426914.XA
Authority: CN
Inventors: 吴超仲; 严新平; 褚端锋; 陈志军; 颜水清
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN103606206B

Abstract

本发明提供了一种汽车行驶状态感知装置，该装置包括主控CPU、惯性传感器、CAN收发器、电源模块和BDM接口；主控CPU及外围电路分别与惯性传感器、CAN收发器和BDM接口连接；CAN收发器用于数据传输，通过CAN信号线与车载CAN网络相连；电源模块为主控CPU、惯性传感器、CAN收发器和BDM接口提供电源；所述的惯性传感器为三轴惯性传感器，用于采集车辆的加速度和横摆角速度。本发明提供的汽车行驶状态感知装置成本低，采样率高，使用方便；该装置利用惯性传感器的测量特点，既可以测量加速度又可以测量横摆角速率，为车辆的运动状态评估和车辆后续精确控制奠定基础。

Description

一种汽车行驶状态感知装置及方法

技术领域

本发明涉及汽车安全辅助驾驶领域，尤其涉及一种汽车行驶状态感知装置及方法。

背景技术

在研究驾驶人的驾驶行为或者车辆的行驶特征时，往往需要对车辆的三轴加速度和横摆角速率进行测量，一般的行驶记录仪通常只能获得一个方向（纵向方向的）的加速度，而且采样率较低（通常为1HZ），安装后移植性差，不能满足车辆实时行驶状态评估要求，而专业的设备则由于价格昂贵，不能得到普遍的运用，因此有必要开发一种价格便宜，采样率高，使用方便的三轴加速度采集仪来满足车辆安全控制、驾驶人行为研究的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题提供一种成本低，采样率高，使用方便的汽车行驶状态感知装置，为车辆的运动状态评估和车辆后续精确控制奠定基础。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种汽车行驶状态感知装置，该装置包括主控CPU、惯性传感器、CAN收发器、电源模块和BDM接口；主控CPU及外围电路分别与惯性传感器、CAN收发器和BDM接口连接；CAN收发器用于数据传输，通过CAN信号线与车载CAN网络相连；电源模块为主控CPU、惯性传感器、CAN收发器和BDM接口提供电源；所述的惯性传感器为三轴惯性传感器，用于采集车辆的加速度和横摆角速度。

按上述方案，主控CPU及通过SPI总线与惯性传感器连接，主控CPU通过I/O口引脚与CAN收发器连接，主控CPU通过BKGD引脚信号线连接BDM调试口。

按上述方案，所述的惯性传感器为加速计和惯性传感器组合使用的惯性传感器。

按上述方案，该装置还包括外壳，电源模块提供的工作电压为5v。

本发明还提供一种基于上述汽车行驶状态感知装置的汽车行驶状态感知方法，包括以下步骤：

（1）通过惯性传感器采集数据；

（2）对惯性传感器采集的数据进行坐标转换；

（3）对坐标转换后的数据进行平滑处理；

（4）通过CAN收发器将最后数据传输到车载CAN网络上的上位机。

按上述方案，所述步骤（2）中，坐标转换使用以下公式：

式中，φ、θ、r是惯性传感器坐标系X_SY_SZ_S与车辆坐标系X_VY_VZ_V的安装误差角度，

Figure 201310426914X100002DEST_PATH_IMAGE002

为传感器输出的数据向量，

Figure 201310426914X100002DEST_PATH_IMAGE003

为转换后的向量。

按上述方案，所述步骤（3）中平滑处理使用以下方法：

采用卡尔曼滤波方法对数据滤波平滑处理。

按上述方案，在所述步骤（2）之前还包括通过主控CPU对步骤（1）采集的数据进行除噪滤波和AD转换处理的步骤。

本发明装置的工作原理是：惯性传感器采集车辆在纵向、横向方向上的加速度和垂直方向上横摆角速率的变化，之后经过调制除噪滤波、AD转换等获得信号量的变化；然后通过主控CPU对数据进行标定、平滑处理；最后按照最普遍的车辆CAN总线协议将数据传输到上位机。

本发明产生的有益效果是：本发明提供了一种成本低，采样率高，使用方便的汽车行驶状态感知装置，该装置利用惯性传感器的测量特点，既可以测量加速度又可以测量横摆角速率，为车辆的运动状态评估和车辆后续精确控制奠定基础。

附图说明

图1是本发明实施例装置的结构示意图；

图2是本发明实施例装置的惯性传感器电路原理图；

图3是本发明实施例装置的CAN收发器电路原理图；

图4是本发明实施例装置的电源模块电路原理图；

图5是本发明实施例装置的安装示意框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种汽车行驶状态感知装置，它包括外壳，外壳内设有主控CPU及外围电路1、惯性传感器电路2、CAN收发器电路3、电源模块电路4和BDM电路5连接。主控CPU及外围电路1通过SPI（4线）总线与惯性传感器2连接，传输采集数据，通过I/O口引脚与CAN收发器3连接，通过BKGD引脚信号线连接BDM调试口5；CAN收发器3通过CAN信号线与车载CAN网络相连，作为节点，上传数据；电源模块接入蓄电池直流电压，范围为11.6～14.4V，通过低压降电压稳压器转换，为各芯片提供5±2%V工作电压。

本发明实施例使用最新的加速计和惯性传感器组合使用的MEMS惯性传感器，惯性传感器电路原理图如图2所示；CPU采用Freescale MC9S12系列单片机，25MHz的总线速度，512K Flash带有CAN控制器模块；CAN收发器采用AMI Semiconductor公司的AMIS42665高速低功耗CAN收发器，最高达1Mbaud，CAN收发器电路原理图如图3所示；电源采用德州仪器的TLE4275低压降电压稳压器，输入电压最大可达到42V，输出5V稳压，电源模块电路原理图如图5所示。

在使用过程中，尽量将本装置装在靠近车辆质心位置，一般在变速器附近，从上往下俯视，惯性传感器中心大致位于车辆质心，它的第一引脚指向车头，且支撑平面呈水平状态，与地平面基本平行，尽量减小车辆坐标与惯性传感器坐标的误差幅度，更为有效地标定传感器，保证车辆三自由度运动状态的测量精度。

该装置具有以下特点：

该装置结合加速计和惯性传感器的测量特点，既可以测量加速度又可以测量横摆角速率；数据采集频率高，可达到100HZ；该装置使用范围广，测量精度高。

该装置量程范围：纵向加速度和横向加速度量程为2g，为精度6800LSB/g，垂直方向的横摆角速率量程为160°/s，精度为180LSB/°/s，适宜车辆控制精度需求；采用卡尔曼滤波方法对数据滤波平滑处理；数据采用CAN通信上传，按照CAN-BUS协议J1939制定传输速度为250KB/S搭载到车载CAN网络中，传输到上位机，保证系统传输的实时性、稳定性，无数据掉包的现象。

一种基于上述汽车行驶状态感知装置的汽车行驶状态感知方法，包括以下步骤：

（1）通过惯性传感器采集数据；通过主控cpu对采集的数据进行除噪滤波和AD转换处理；

（2）对惯性传感器采集的数据进行坐标转换；

坐标转换使用以下公式：

式中，φ、θ、r为惯性传感器坐标系X_SY_SZ_S与车辆坐标系X_VY_VZ_V的安装误差角度，

为传感器输出的数据向量，

为转换后的向量。

（3）对坐标转换后的数据进行平滑处理；

在惯性传感器的应用中，通常需要测量以车辆坐标系为基准的加速度、角速率数据，这就需要惯性传感器的各感应轴方向与车辆坐标系一致，由于安装工艺的影响，在设备安装过程中往往出现加速度传感器感应轴方向与理想的感应轴方向存在误差的情况，这一安装误差对车辆状态数据的测量精度有关键的影响，有必要对这一安装误差进行标定和校准。为了能够在简易安装的情况下尽量降低安装误差的影响，根据欧拉定理建立了误差标定模型，通过解算传感器自身测量数据来实现安装误差的标定和校准。标定过程不需要借助其他测量仪器，操作简单且成本很低。实际安装完成后不可能保证传感器的坐标系三轴与车辆坐标系三轴完全平行，将两个坐标系之间的偏差定义为安装误差。

车辆的坐标系为以传感器所在位置为原点，车辆底盘所在平面为XOY面，建立三维坐标系。传感器坐标系XSYSZS每次转动的角度即为安装误差角度，并定义绕轴转动的顺时钟方向为正。

三次转动变换矩阵分别为C_φ，C_θ，C_r，坐标系的转换关系如下:

其中，

Figure 201310426914X100002DEST_PATH_IMAGE006

Figure 201310426914X100002DEST_PATH_IMAGE007

。

任一空间矢量A在传感器坐标系中的坐标与其在车辆坐标系中的坐标满足以下关系:

；

其中

Figure 201310426914X100002DEST_PATH_IMAGE009

表示在车辆坐标系下的向量，

=

，

表示传感器的输出向量，

=

，向量A在坐标系中的转换关系写成矩阵形式为：

Figure 201310426914X100002DEST_PATH_IMAGE013

系数矩阵中的三个角度φ、θ、r就是传感器的安装误差角度。只要获得了安装误差角φ、θ、r，就可以通过上式的转换克服安装误差带来的影响，获得车辆坐标系的加速度、角速率的测量值。

考虑到在静止状态下，加速度传感器仍然会由于重力加速度的原因，在各个轴上感应到相应的加速度数值，同时由于车辆坐标系与地理坐标系之间同样存在着欧拉转动关系，当车辆静止在某一平面上时，通过重力加速度g在坐标系之间的转换关系建立欧拉矩阵方程与上式联立之后就可以建立误差标定模型，从而解算出安装误差角。

按上述方案，所述步骤（3）中平滑处理使用以下方法：

采用卡尔曼滤波方法对数据滤波平滑处理。

受制造工艺和精度水平的限制，惯性传感器输出数据的随机噪声较大，因此，必须建立合理的随机噪声模型，根据建立的模型进行补偿，对数据平滑处理，以减小其对系统精度的影响。

惯性传感器随机漂移适用模型是AR模型，因此可设系统状态为：

系统噪声:

可得状态方程:

Figure 201310426914X100002DEST_PATH_IMAGE016

根据之前标定阶段获得数据，设V（k）为量测噪声，可得：

Figure 201310426914X100002DEST_PATH_IMAGE017

设系统输出是

，则量测方程为:

Figure 201310426914X100002DEST_PATH_IMAGE019

根据上述系统方程，卡尔曼（Kalman）滤波递推方程为:

上面方程中的Q是系统噪声矩阵，取值为

，R是系统量测噪声矩阵，它的值为模型估计误差的方差，P的初值可以取P₀=0，X的初值取惯性传感器输出的第一个值Z₀。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种汽车行驶状态感知装置，其特征在于，该装置包括主控CPU、惯性传感器、CAN收发器、电源模块和BDM接口；主控CPU及外围电路分别与惯性传感器、CAN收发器和BDM接口连接；CAN收发器用于数据传输，通过CAN信号线与车载CAN网络相连；电源模块为主控CPU、惯性传感器、CAN收发器和BDM接口提供电源；所述的惯性传感器为三轴惯性传感器，用于采集车辆的加速度和横摆角速度。

2.根据权利要求1所述的汽车行驶状态感知装置，其特征在于，主控CPU及通过SPI总线与惯性传感器连接，主控CPU通过I/O口引脚与CAN收发器连接，主控CPU通过BKGD引脚信号线连接BDM调试口。

3.根据权利要求1所述的汽车行驶状态感知装置，其特征在于，所述的惯性传感器为加速计和惯性传感器组合使用的惯性传感器。

4.根据权利要求1至3中任一所述的汽车行驶状态感知装置，其特征在于，该装置还包括外壳，电源模块提供的工作电压为5v。

5.一种使用根据权利要求1所述的汽车行驶状态感知装置的汽车行驶状态感知方法，其特征在于,包括以下步骤：

（1）通过惯性传感器采集数据；

（2）对惯性传感器采集的数据进行坐标转换；

（3）对坐标转换后的数据进行平滑处理；

6. 根据权利要求5所述的汽车行驶状态感知方法，其特征在于,所述步骤（2）中，坐标转换使用以下公式：

Figure 201310426914X100001DEST_PATH_IMAGE002

为传感器输出的数据向量，为转换后的向量。

7. 根据权利要求5所述的汽车行驶状态感知方法，其特征在于,所述步骤（3）中平滑处理使用以下方法：

采用卡尔曼滤波方法对数据滤波平滑处理。

8. 根据权利要求5所述的汽车行驶状态感知方法，其特征在于,在所述步骤（2）之前还包括通过主控CPU对步骤（1）采集的数据进行除噪滤波和AD转换处理的步骤。