CN104090127B - 一种车载加速传感器的三轴自校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种车载加速传感器的三轴自校准方法，包括以下步骤：（1）定义加速度传感器受力模型；（2）确定坐标系O‑XnewYnewZnew中的Znew轴；（3）确定坐标系O‑XnewYnewZnew中的Xnew轴；（4）确保Znew轴和Xnew轴垂直；（5）确定坐标系O‑XnewYnewZnew中的Ynew轴；以及（6）优化Xnew轴、Znew轴，本发明通过上述步骤，实现加速度传感器在车辆中任意放置，依旧可以建立以车辆前进方向为X轴正向、水平向左为Y轴正向、垂直地面为Z轴正向的新坐标系，作为车辆驾驶习惯，车辆碰撞现场还原的依据。

Description

一种车载加速传感器的三轴自校准方法

技术领域

本发明涉及加速传感器校准领域，特别涉及一种车载加速传感器的三轴自校准方法。

背景技术

车载电子产品需要准确提供车辆实时三轴方向受力情况，作为驾驶习惯培养、车辆碰撞还原的依据。目前市面上的加速度传感器只能提供传感器方向固定的三轴受力的大小，同时车载电子产品放置在车辆上的位置、水平角具有很多不确定因素，最终导致加速度传感器无法提供实时三轴(前进方向、侧方向、垂直方向)的受力变化。通过本专利，可以实现车载电子产品任意放置情况下，依旧能提供实时车辆三轴方向的受力变化。

有鉴于此，本领域发明人针对上述问题，提供了一种车载加速传感器的三轴自校准方法。

发明内容

本发明提供了一种车载加速传感器的三轴自校准方法，克服了现有技术的困难，通过上述步骤，实现加速度传感器在车辆中任意放置，依旧可以建立以车辆前进方向为X轴正向、水平向左为Y轴正向、垂直地面为Z轴正向的新坐标系。作为车辆驾驶习惯，车辆碰撞现场还原的依据。

本发明提供了一种车载加速传感器的三轴自校准方法，包括以下步骤：

(1)建立基于加速度传感器的三维坐标系O-XYZ；

建立基于汽车行驶方向的三维坐标系O-XnewYnewZnew，其中，Xnew轴为汽车前进的加速度方向，Ynew轴为垂直于汽车前进方向的水平左方，Znew轴为重力的反方向；

建立三维坐标系O-XYZ与三维坐标系O-XnewYnewZnew的转换方程组为：

Xnew＝a1*X+b1*Y+c1*Z；

Ynew＝a2*X+b2*Y+c2*Z；

Znew＝a3*X+b3*Y+c3*Z；

(2)在车辆点火瞬间，加速度传感器只受重力g作用，重力g的反方向即是O-XnewYnewZnew中的Znew轴，设三维坐标系O-XYZ三轴受力分别为g_x、g_y、g_z，重力为g，计算出三轴XYZ和Znew轴的夹角，假设夹角分别是α_znew，β_znew，γ_znew到如下公式：

a3＝Cosα_znew＝-g_x/g；

b3＝Cosβ_znew＝-g_y/g；

c3＝Cosγ_znew＝-g_z/g；

(3)在车辆启动后，刹车时，加速度传感器三轴分力变化的合力为摩擦力，摩擦力的反方向即是O-XnewYnewZnew中的Znew轴，设各轴上增加的加速度分量分别是Δx，Δy，Δz，则合加速度假设三轴XYZ和Xnew轴的夹角分别是α_xnew，β_xnew，γ_xnew得到如下公式：

a1＝-Cosα_xnew＝Δx/Δa；

b1＝-Cosβ_xnew＝Δy/Δa；

c1＝-Cosγ_xnew＝Δz/Δa；

(4)调整Znew轴与Xnew轴垂直，假设向量向量 则正交化之后的Z轴向量应为：

上式中，

$\left|\right|\stackrel{\→}{V_x}|{|}^2=a{1}^2+b{1}^2+c{1}^2=1;$

则得到：

$a{3}^{\′}=(\frac{g_x}{g}-(\mathrm{\Δ}x*g_x+\mathrm{\Δ}y*g_y+\mathrm{\Δ}z*g_z)*\mathrm{\Δ}x/({\mathrm{\Δa}}^2*g);$

$b{3}^{\′}=(\frac{g_y}{g}-(\mathrm{\Δ}x*g_x+\mathrm{\Δ}y*g_y+\mathrm{\Δ}z*g_z)*\mathrm{\Δ}y/({\mathrm{\Δa}}^2*g\left)\right);$

$c{3}^{\′}=(\frac{g_z}{g}-(\mathrm{\Δ}x*g_x+\mathrm{\Δ}y*g_y+\mathrm{\Δ}z*g_z)*\mathrm{\Δ}z/({\mathrm{\Δa}}^2*g\left)\right);$

将其单位化后的Z轴

$\stackrel{\→}{v_z}=\frac{\stackrel{\→}{v_z^{\′}}}{\left|\right|\stackrel{\→}{v_z^{\′}}\left|\right|}$

上式中，

(5)利用右手螺旋法则求出O-XnewYnewZnew中的Ynew轴，通过向量外积计算a2，b2，c2，假设向量则

$\begin{array}{c}\stackrel{\→}{v_y}=\stackrel{\→}{v_z}\×\stackrel{\→}{V_x}=\\ \left(\left(b3*c1-c3*b1\right),\left(c3*a1-a3*c1\right),\left(a3*b1-b3*a1\right)\right)\end{array};$

优选地，保存并统计点火瞬间20组Znew，计算平均值最为新的Znew。

优选地，保存并统计刹车时的10组Xnew，计算平均值最为新的Xnew。

优选地，若保存的Xnew大于10组时，如果后续刹车的加速度大于当前保存的任一组数据，则进行替换，数组每次更新一次就重新计算一次a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3。

由于采用了上述技术，本发明的一种车载加速传感器的三轴自校准方法与现有技术相比，本发明通过上述步骤，实现加速度传感器在车辆中任意放置，依旧可以建立以车辆前进方向为X轴正向、水平向左为Y轴正向、垂直地面为Z轴正向的新坐标系。作为车辆驾驶习惯，车辆碰撞现场还原的依据。

以下结合附图及实施例进一步说明本发明。

附图说明

图1为本发明中建立基于加速度传感器的三维坐标系O-XYZ的示意图；

图2为本发明中建立基于加速度传感器的三维坐标系O-XnewYnewZnew的示意图；以及

图3为本发明的车载加速传感器的三轴自校准方法的流程图。

具体实施方式

下面通过图1至3来介绍本发明的一种具体实施例。

实施例1

如图1至3所示，本发明的一种车载加速传感器的三轴自校准方法，包括以下步骤：

(1)定义加速度传感器受力模型

如图1所示，将加速度传感器10受力情况建立一个右手三维坐标系O-XYZ。

如图2所示，车辆在实际运动中加速度传感器10产生一个新的右手三维坐标系是O-XnewYnewZnew。Xnew是车辆前进方向，即加速度方向，Ynew是水平向左，Znew是垂直于车辆前进方向的朝上方向，即重力的反方向。

将三维坐标系O-XYZ转换为O-XnewYnewZnew。由线性代数关于空间坐标系的转换，得到如下方程组：

Xnew＝a1*X+b1*Y+c1*Z；

Ynew＝a2*X+b2*Y+c2*Z；

Znew＝a3*X+b3*Y+c3*Z；

我们将a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3理解成一个3×3的矩阵。则整个方程式可以转换成如下的等式；

$\left(\begin{array}{c}Xnew\\ Ynew\\ Znew\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}a1& b1& c1\\ a2& b2& c2\\ a3& b3& c3\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right).$

(2)确定坐标系O-XnewYnewZnew中的Znew轴

在车辆点火瞬间传感器只受重力影响，我们定义该情况下传感器处于稳定状态。稳态时三维坐标系O-XYZ三轴受力g_x，g_y，g_z的合力就是重力g的大小，重力g的反方向即Znew轴。由此可以计算出三轴XYZ和Znew轴的夹角。假设夹角分别是α_znew，β_znew，γ_znew得到如下公式：

a3＝Cosα_znew＝-g_x/g

b3＝Cosβ_znew＝-g_y/g

c3＝Cosγ_znew＝-g_z/g；

(3)确定坐标系O-XnewYnewZnew中的Xnew轴

车辆启动后，会有刹车这个动作，刹车时传感器受到Xnew反方向的摩擦力作用。摩擦力的大小就是传感器相对于稳态时三轴变化的合力。假设各轴上增加的加速度分量分别是Δx，Δy，Δz，则合加速度假设三轴XYZ和Xnew轴的夹角分别是α_xnew，β_xnew，γ_xnew得到如下公式：

a1＝-Cosα_xnew＝Δx/Δa

b1＝-Cosβ_xnew＝Δy/Δa

c1＝-Cosγ_xnew＝Δz/Δa；

(4)确保Znew和Xnew垂直

由于采样稳态值是车辆可能在斜坡上或者由于采样本身导致的误差致Znew和Xnew不是垂直关系，我们需要调整Znew的方向，确保其和Xnew垂直。这个过程实际上就是施密特正交化过程。假设向量向量则正交化之后的Z轴向量应为：

$\stackrel{\→}{v_z^{\′}}=\stackrel{\→}{v_z^{\′\′}}-\frac{\[\stackrel{\→}{v_z^{\′\′}}\·\stackrel{\→}{V_x}\]}{\left|\right|\stackrel{\→}{V_x}|{|}^2}*\stackrel{\→}{V_x}$

上式中，

$\left|\right|\stackrel{\→}{V_x}|{|}^2=a{1}^2+b{1}^2+c{1}^2=1;$

这样，我们可以得到：

$a{3}^{\′}=(\frac{g_x}{g}-(\mathrm{\Δ}x*g_x+\mathrm{\Δ}y*g_y+\mathrm{\Δ}z*g_z)*\mathrm{\Δ}x/({\mathrm{\Δa}}^2*g)$

$b{3}^{\′}=(\frac{g_y}{g}-(\mathrm{\Δ}x*g_x+\mathrm{\Δ}y*g_y+\mathrm{\Δ}z*g_z)*\mathrm{\Δ}y/({\mathrm{\Δa}}^2*g\left)\right)$

$c{3}^{\′}=(\frac{g_z}{g}-(\mathrm{\Δ}x*g_x+\mathrm{\Δ}y*g_y+\mathrm{\Δ}z*g_z)*\mathrm{\Δ}z/({\mathrm{\Δa}}^2*g\left)\right)$

接下来，我们再将其单位化。单位化之后的Z轴

$\stackrel{\→}{v_z}=\frac{\stackrel{\→}{v_z^{\′}}}{\left|\right|\stackrel{\→}{v_z^{\′}}\left|\right|}$

上式中，

(5)确定坐标系O-XnewYnewZnew中的Ynew轴

关于a2，b2，c2的结果可以通过向量外积计算得到。假设向假设向量 则应该有下面的等式；

$\stackrel{\→}{v_y}=\stackrel{\→}{v_z}\×\stackrel{\→}{V_x}=\left(\left(b3*c1-c3*b1\right),\left(c3*a1-a3*c1\right),\left(a3*b1-b3*a1\right)\right).$

上面的等式按照Y方向符合Z到X的右手螺旋定则得到。

(6)优化Xnew、Znew轴

Znew的确定和稳态选取有关，程序处理中可以在点火瞬间累加20组稳态传感器值，然后算出平均的稳态值。

Xnew的确定和刹车时刹车加速度大小有关，我们在程序中定义一个大小为10的数组，用于保存每次刹车时的加速度和传感器受力变化的积分，然后计算平均传感器受力变化作为Xnew计算依据。实验表明如果刹车加速度越大，传感器受力会越明显。因此，当程序中刹车数据保存大于10组时，如果后续刹车的加速度大于当前程序中保存的任一组数据，则进行替换，数组每次更新一次就重新计算一次a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3。

综上可知，本发明的一种车载加速传感器的三轴自校准方法与现有技术相比，本发明通过上述步骤，实现加速度传感器在车辆中任意放置，依旧可以建立以车辆前进方向为X轴正向、水平向左为Y轴正向、垂直地面为Z轴正向的新坐标系。作为车辆驾驶习惯，车辆碰撞现场还原的依据。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (4)

1.一种车载加速传感器的三轴自校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立基于加速度传感器的三维坐标系O-XYZ；

建立基于汽车行驶方向的三维坐标系O-XnewYnewZnew，其中，Xnew轴为汽车前进的加速度方向，Ynew轴为垂直于汽车前进方向的水平左方，Znew轴为重力的反方向，

建立三维坐标系O-XYZ与三维坐标系O-XnewYnewZnew的转换方程组为：

Xnew＝a1*X+b1*Y+c1*Z；

Ynew＝a2*X+b2*Y+c2*Z；

Znew＝a3*X+b3*Y+c3*Z；

(2)在车辆点火瞬间，加速度传感器只受重力g作用，重力g的反方向即是O-XnewYnewZnew中的Znew轴，设三维坐标系O-XYZ三轴受力分别为g_x、g_y、g_z，重力为g，计算出三轴XYZ和Znew轴的夹角，假设夹角分别是α_znew，β_znew，γ_znew到如下公式：

a3＝Cosα_znew＝-g_x/g；

b3＝Cosβ_znew＝-g_y/g；

c3＝Cosγ_znew＝-g_z/g；

(3)在车辆启动后，刹车时，加速度传感器三轴分力变化的合力为摩擦力，摩擦力的反方向即是O-XnewYnewZnew中的Znew轴，设各轴上增加的加速度分量分别是Δx，Δy，Δz，则合加速度假设三轴XYZ和Xnew轴的夹角分别是α_xnew，β_xnew，γ_xnew得到如下公式：

a1＝-Cosα_xnew＝Δx/Δa；

b1＝-Cosβ_xnew＝Δy/Δa；

c1＝-Cosγ_xnew＝Δz/Δa；

(4)调整Znew轴与Xnew轴垂直，假设向量向量 则正交化之后的Z轴向量应为：

上式中，

则得到：

将其单位化后的Z轴

上式中，

(5)利用右手螺旋法则求出O-XnewYnewZnew中的Ynew轴，通过向量外积计算a2，b2，c2，假设向量则

。

2.如权利要求1所述的车载加速传感器的三轴自校准方法，其特征在于：保存并统计点火瞬间20组Znew，计算平均值最为新的Znew。

3.如权利要求1或2所述的车载加速传感器的三轴自校准方法，其特征在于：保存并统计刹车时的10组Xnew，计算平均值最为新的Xnew。

4.如权利要求3所述的车载加速传感器的三轴自校准方法，其特征在于：若保存的Xnew大 于10组时，如果后续刹车的加速度大于当前保存的任一组数据，则进行替换，数组每次更新一次就重新计算一次a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3。