CN104482919B - 一种商用车动态坡度测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种商用车动态坡度测试系统及其测试方法，其系统包括陀螺仪，大气压力传感器，CAN网络，加速度传感器，角加速度传感器，处理单元，包括：实时坡度值计算模块，平均坡度计算模块，数据拟合模块；其中，陀螺仪与实时坡度值计算模块电连接，大气压力传感器与平均坡度计算模块电连接，CAN网络与平均坡度计算模块电连接，实时坡度值计算模块、平均坡度计算模块、加速度传感器和角加速度传感器均与数据拟合模块的输入端连接，数据拟合模块的输出端与CAN网络连接。本发明处理单元对采集的数据进行拟合处理，利用硬件及软件滤波的方法，获取精度高，响应快，噪音小的实时坡度数值。

Description

一种商用车动态坡度测试系统及其测试方法

技术领域

本发明属于检测装置和方法，特别涉及一种商用车动态坡度测试系统及其测试方法。

背景技术

目前我们所使用的坡度计多数为单纯利用倾角传感器，测量某接触面或者物体的倾斜角度，由于其对实时响应差，多数应用领域为工程建设中，或者静态环境下。但是遇到动态测量就会出现数据延时或者数据抖动等问题。随着商用车智能化发展的深入，诸如电控发动机，自动变速箱，车身控制器，电控空气悬架此类设备的普及，商用车需要采集诸多车身自身信号用于实时响应周边工况变化情况，以协调动力传动系，车身稳定系统，车身安全系统等多方的工作状态。车辆实时坡度值变化对于商用车是一个很重要的外界环境因素，可用于发动机节油策略设计，优化变速箱换挡策略，更精确的控制辅助制动系统工作状态，提升车辆舒适性。但由于商用车自身体积较大，重量过重，行驶路况更加恶劣，传统坡度测量仪器体积过大，并且由于数据处理不适用于动态测量，测量数据噪音很大，所以商用车坡度测量无法采取传统单一坡度测量仪获取。使用传统坡度测试仪测量车辆动态坡度变化，由于车辆颠簸、转弯侧倾等原因，车辆的复杂工况使得无论何种测量方法都会存在大量噪声，不能准确反馈实时坡度信息。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种商用车动态坡度测试系统及其测试方法；本发明的坡度测试仪对采集的数据进行拟合处理，获取精度高、响应快、噪音小的实时坡度数值。

为实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：

一种商用车动态坡度测试系统的测试方法，包括以下步骤：

利用陀螺仪获得车辆的坡度信号，计算得到实时坡度值；

根据从大气压力传感器得到的大气压力数据来计算车辆落差值；利用CAN网络采集实时车速信号，通过积分累加每一基础单位的位移，得到单位距离里所用的时间，进而得出单位行驶距离；根据车辆落差值与行驶距离，来计算路面的平均坡度；

利用加速度传感器获得加速度信号得实时加速度值；

利用角加速度传感器获得角加速度信号得实时角加速度值；

根据实时加速度值和角加速度值对实时坡度和平均坡度进行拟合，输出有效的动态坡度值。

所述的拟合步骤包括以下步骤：

根据实时加速度值与加速度门限值进行门限判断，根据实时角加速度值与角加速度门限值进行门限判断，判断结果如下：

情况1)，在所述实时加速度值未超过加速度门限值，且所述实时角加速度值未超过角加速度门限值时，利用所述的平均坡度值和所述加速度值的加权值得到新的门限滤波值，过滤所述的实时坡度值，并输出该过滤后的实时坡度值；

情况2)在所述实时加速度值超过加速度门限值，且所述实时角加速度值未超过角加速度门限值时，利用所述的加速度对平均坡度值进行非线性补偿，并输出补偿后的平均坡度值；

情况3)在所述实时加速度值超过加速度门限值，且所述实时角加速度值超过角加速度门限值时，利用所述角加速度值对所述加速度值进行非线性补偿，得到非线性补偿后的加速度值，再按照情况2)进行处理，即利用补偿后的加速度值对平均坡度值进行非线性补偿，并输出补偿后的平均坡度值。

所述的情况3)中，利用所述角加速度值对所述加速度值进行非线性补偿的步骤之前，还包括用角加速度值对加速度值进行合理性判断的步骤：

不合理，该加速度值丢弃；

合理，则进行角加速度值对所述加速度值进行非线性补偿；

所述的合理性是满足指加速度值与角加速度值之间的非线性关系。

所述的实时坡度计算步骤，包括以下步骤：

陀螺仪采集实时坡度值，进行坡度值门限判断；

超限，该实时坡度值数据丢弃；

未超限，将该实时坡度值数据存入第一缓存区域；对第一缓存区域的数据进行软件滤波，输出滤波后的实时坡度值；

同时，所述的滤波后的实时坡度值对门限判断的门限值进行反馈，将滤波后的实时坡度值进行加权处理，作为下一次门限判断的门限值。

所述的第一缓存区域的数据缓存采用队列设计，即先进先出的缓存方式。

所述的车辆落差值计算步骤，包括以下步骤：

CAN网络反馈的采样时间内，大气压力传感器采集实时大气压力值；

按照采样时间的先后顺序将实时大气压力值数据存入第二缓存区域，然后进行分组缓存，先后采集的数据分别缓存到第三缓存区和第四缓存区，并分别计算第三缓存区和第四缓存区数据的均值得到A和B；并计算(B-A)的差值；

若(B-A)小于0，则判断为上坡，数据丢弃或取该数据的绝对值；

若(B-A)大于等于0，则判断为为下坡或平路；

通过(B-A)的绝对值或(B-A)计算得到车辆落差值。

所述的第二缓存区域的数据缓存均采用队列缓存；

所述的分组缓存是在采样时间内，取数据队列缓存中的首尾部分数据进行缓存，其中首部分的数据存入第三缓存区，尾部分的数据存入第四缓存区。

一种商用车动态坡度测试系统，包括

陀螺仪，用于获得车辆的坡度信号；

大气压力传感器，用于获得的大气压力数据；

CAN网络，用于获得实时车速信号；

加速度传感器，用于获得加速度信号；

角加速度传感器，用于获得角加速度信号；

处理单元，用于接收处理陀螺仪、大气压力传感器、CAN网络、加速度传感器和角加速度传感器采集的数据，进行数据拟合处理，并输出有效的动态坡度值；

其中，陀螺仪、大气压力传感器、CAN网络、加速度传感器和角加速度传感器均与处理单元的输入端电连接，处理单元的输出端与CAN网络电连接。

所述的处理单元，包括：

实时坡度值计算模块，利用陀螺仪获得车辆的坡度信号，计算得到实时坡度值；

平均坡度计算模块，根据从大气压力传感器得到的大气压力数据来计算车辆落差值；利用CAN网络采集实时车速信号，通过积分累加每一基础单位的位移，得到单位距离里所用的时间，进而得出单位行驶距离；并根据车辆落差值与行驶距离，来计算路面的平均坡度；

数据拟合模块，最终根据实时加速度值和实时角加速度值对实时坡度和平均坡度进行拟合，通过CAN网络输出有效的动态坡度值；

其中，陀螺仪与实时坡度值计算模块电连接，大气压力传感器与平均坡度计算模块电连接，CAN网络与平均坡度计算模块电连接，实时坡度值计算模块、平均坡度计算模块、加速度传感器和角加速度传感器均与数据拟合模块的输入端连接，数据拟合模块的输出端与CAN网络连接。

所述的陀螺仪为六轴电子陀螺仪，通信制式为I²C；所述的大气压力传感器、加速度传感器和角加速度传感器的通信制式均为SPI。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明动态坡度测试系统使用大气压力传感器，加速度传感器，电子陀螺仪，角加速度传感器四种传感器集成，并利用专门的数字处理芯片对采集的数据进行拟合处理，利用硬件及软件滤波的方法，获取精度高，响应快，噪音小的实时坡度数值。具体优点如下：

坡度值的计算方法分别可用陀螺仪及大气压力传感器获得。通过陀螺仪获得的坡度值是绝对倾角值，精度高，响应速度快。通过使用六轴电子陀螺仪进行计算获得坡度值具有响应快，实时性好的特点。

通过高敏大气压力传感器得知单位时间内的车辆落差值，通过整车车速积分运算出单位采样时间，可以计算出采样时间内的平均坡度。该方案对于整车的颠簸产生的噪声在硬件上就可获得很好的滤波效果(目前高敏的大气压力传感器精度在10cm，所以整车颠簸对采样值影响较小)。通过结合两者测量方法，根据实际两路测试反馈的值进行计算，通过专门的处理算法得到真实的测量结果。

在上述测量方案的基础上引入加速度传感器及角加速度传感器，同时在获得车辆实时坡度值的同时测得加速度值和角加速度值，进一步反馈补偿坡度值，从而进一步降噪。在上述测量方案的基础上我们引入加速度传感器及角加速度传感器，同时在获得车辆实时坡度值的同时测得加速度值和角加速度值，进一步反馈补偿坡度值，从而进一步降噪。

在坡度计算中必须利用到整车CAN网络，以获得整车的车速信号，参与坡度计算，并且最终将处理后的车速信号反馈给整车CAN网络，为需要该信息的设备提供参考。

该动态坡度测试系统由于具有良好的实时性及高精度特性，并且设备自身带有降噪，滤波反馈修正等功能，所以测的坡度只具有很高的实用价值，可以用于参与发动机喷油控制策略，变速箱换挡策略优化，车身空气悬架调整等诸多方面。并且在试验中，尤其在车身动力系测试，车辆制动系统测试中，坡度变化具有很高参考价值。

该动态坡度测试系统既可作为一个独立的车身传感器为车身设备提供环境参数，也可以多点分布形成一个集群检测系统。

附图说明

图1为本发明一种商用车动态坡度测试系统的模块图；

图2为陀螺仪实时坡度的流程图；

图3为大气压力传感器平均坡度的流程图；

图4为拟合模块处理流程图；

图5为采集坡度值与加速度的关系图；

图6为采集坡度值与角加速度的关系图；

图7当低车速时与当高车速时分组对比图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，为本发明一种商用车动态坡度测试系统，包括陀螺仪，用于获得车辆的坡度信号；大气压力传感器，用于获得的大气压力数据；CAN网络，用于获得实时车速信号；加速度传感器，用于获得加速度信号；角加速度传感器，用于获得角加速度信号；处理单元，包括：实时坡度值计算模块，利用陀螺仪获得车辆的坡度信号，计算得到实时坡度值；平均坡度计算模块，根据从大气压力传感器得到的大气压力数据来计算车辆落差值；利用CAN网络采集实时车速信号，通过积分累加每一基础单位的位移，得到单位距离里所用的时间，进而得出单位行驶距离；并根据车辆落差值与行驶距离，来计算路面的平均坡度；数据拟合模块，最终根据实时加速度值和实时角加速度值对实时坡度和平均坡度进行拟合，通过CAN网络输出有效的动态坡度值；其中，陀螺仪与实时坡度值计算模块电连接，大气压力传感器与平均坡度计算模块电连接，CAN网络与平均坡度计算模块电连接，实时坡度值计算模块、平均坡度计算模块、加速度传感器和角加速度传感器均与数据拟合模块的输入端连接，数据拟合模块的输出端与CAN网络连接。陀螺仪为六轴电子陀螺仪，通信制式为I²C；大气压力传感器、加速度传感器和角加速度传感器的通信制式均为SPI。

下面结合流程图对本发明的测试方法做进一步说明：

参见图2，陀螺仪实时坡度的流程如下：

陀螺仪初始化开始工作，采集车辆实时坡度滤波数据，进行门限判断，当采集的数据超过门限值时，则该数据丢弃；当采集的数据未超过门限值时，则将该数据送入临时缓存区域；然后对缓存区的数据进行软件滤波，同时丢弃噪点较大的值，输出数据Result1。该输出数据Result1可以作为下次门限判断的门限值。

其中，门限值的判断是为了过滤掉假值，例如由于车辆震动造成的临时冲击干扰到传感器测量值，该数据则通过门限值进行判断超过，则丢弃。缓存区域采用队列设计，先进先出有效保证了采集数据的实时性。反馈门限值采用了闭环处理方式，通过每次实时获得并输出的坡度作为下一次坡度门限值，由于坡度不可能跃升或者陡降，所以上一刻的坡度值经过加减合适的值后可以作为下一次数据的滤波门限。但是这个上下限的大小设置与采集间隔相关，采样频率越高上下限的跨度越小，反之越大。

参见图3，大气压力传感器平均坡度的流程如下：

整车CAN网络，以获得整车的车速信号，参与坡度计算，并且最终将处理后的车速信号反馈给整车CAN网络，为需要该信息的设备提供参考。CAN网络获取车速信息，通过积分累加每一基础单位的位移，得到单位距离里所用的时间，反馈时间用于数据分组；

同时，气压传感器初始化工作，采集的实时数据，按照反馈时间将数据送入临时缓存区域，缓存区数据进行分组，缓存区队列中的后部分数据装入新缓存区，求均值A；缓存区队列中的前部分数据装入另外的新缓存区，求均值B；做差值(B-A)，判断(B-A)是否大于等于0，(B-A)小于0，坡度上升，则丢弃，若参与计算则需要取其绝对值；(B-A)大于等于0，下坡或者平路，按照该(B-A)计算得到平均坡度值，输出数据Result2。

其中，缓存区采用队列设计，是为了能够获得大量数据的同时始终保持一定的数据量，能够为后面积分求的坡度值留有足够的数据量，数据分组时不是将所有数据简单的均分成两部分，而是取首尾两部分，由于该计算部分的缓存区较大，会保留很长一段时间内的数据值，所以过多的数据会使得后期计算精度降低。并且随着车速变化在数据分组时会有不同的分组区间，该缓存区内存储的数据用于得到高度降低后的大气压力值；由于大气压力随着高度升高而降低，所以降低前的大气压力值大于降低后的，通过(B-A)便可以判断上坡还是下坡；缓存区队列中的前部分数据装入新缓存区，求均值B，该缓存区内存储的数据用于得到高度降低前的大气压力值。

参见图4，拟合步骤流程图如下：

加速度传感器，获得X、Y、Z三个轴线上加速度值；角加速度传感器，获得X、Y、Z三个轴线上角加速度值；根据实时加速度值和对应的加速度门限值进行门限判断，根据实时角加速度值和对应的角加速度门限值进行门限判断：

情况1)，在所述实时加速度值未超过对应的加速度门限值，且所述实时角加速度值未超过对应的角加速度门限值时，利用所述的平均坡度值和所述加速度值的加权值得到新的门限滤波值，过滤所述的实时坡度值，并输出该过滤后的实时坡度值；该情况主要采取加权处理方法，由于加速度值及角加速度值都为非线性关系，所以在门限范围内我们都可以认为误差可以容忍，并且认为Result1结果更为可信，所以利用Result2的值与加速度的加权值得到一组新的门限滤波值，最终过滤实时坡度值Result1得到a₁，并输出过滤后的坡度值a₁。

情况2)在所述实时加速度值超过对应的角速度加速度门限值，且所述实时角速度角加速度值未超过对应的角速度角加速度门限值时，利用所述的加速度对平均坡度值Result2进行非线性补偿得到a₂，并输出补偿后的平均坡度值a₂；该情况加速度值超限，角加速度值未超限时，说明车辆颠簸严重，所以平均坡度值平均车速Result2更为可信。利用此时的加速度值通过非线性计算，补偿平均坡度值，并输出补偿后的平均坡度值a₂。如图5中可以清楚的看出加速度值突变时会造成坡度值变化，但两者之间的变化为非线性关系。

情况3)在所述实时加速度值超过对应的加速度门限值，且所述实时角加速度值超过对应的角加速度门限值时，这种情况则认为平均坡度值Result2有可信度，但是由于车辆运行工况复杂，还需要用角加速度值对加速度值进行合理性判断的步骤：

不合理，该加速度值丢弃；

合理，则保存该加速度值；

所述的合理性是满足指加速度值与角加速度值之间的非线性关系。

合理的加速度数据，需要利用所述角加速度值对所述的加速度值进行补偿(主要是两个加速度均超门限值，可以判定车辆颠簸并且存在转弯的工况，由于转弯的影响，加速度的值有所变化，通常会变小，因此需要还原，加速度和角加速度之间成非线性关系，因此可以通过这种非线性关系进行补偿还原，得到实际的加速度值)，得到补偿后的加速度值a_补，再按照情况2)进行处理。该情况是加速度及角加速度均超值情况下，根据数据可以看出角加速度值噪声很大，只能用于细微的处理，因此用角加速度对加速度值进行补偿，用补偿后的加速度值对平均坡度值Result2进行非线性补偿，并输出补偿后的平均坡度值a₃。图6中坡度与角加速度的实时采集数据对比。

图7举例说明数据分组情况，当低车速时(即跑过单位距离所用时间较长时)与当高车速时(即跑过单位距离所用时间较短时)分组情况。

根据实际两路测试反馈的值进行计算，通过专门的处理算法得到真实的测量结果。并且该方案中并非只是用一个测量点，两种技术方案均可多点分布，但是同样带来的问题就是需要对大量数据进行处理，数据量越大所要处理的假值和噪声就会越多。

该坡度测试设备既可作为一个独立的车身传感器为车身设备提供环境参数，也可以多点分布形成一个集群检测系统。由于具有良好的实时性及高精度特性，并且设备自身带有降噪，滤波反馈修正等功能，所以测的坡度只具有很高的实用价值，可以用于参与发动机喷油控制策略，变速箱换挡策略优化，车身空气悬架调整等诸多方面。并且在试验中，尤其在车身动力系测试，车辆制动系统测试中，坡度变化具有很高参考价值。

本发明中，软件设计方面，方案中使用的传感器芯片均为数字型传感器，通过SPI的通信方式，与处理单元进行实时数据交互。硬件设计方面，设计适合商用车使用的硬件设备，并且需考虑方便安装，电源转换，稳定性等因素。

以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定发明保护范围。

Claims (9)

1.一种商用车动态坡度测试系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

利用陀螺仪获得车辆的坡度信号，计算得到实时坡度值；

根据从大气压力传感器得到的大气压力数据来计算车辆落差值；利用CAN网络采集实时车速信号，通过积分累加每一基础单位的位移，得到单位距离里所用的时间，进而得出单位行驶距离；根据车辆落差值与行驶距离，来计算路面的平均坡度；

利用加速度传感器获得加速度信号得实时加速度值；

利用角加速度传感器获得角加速度信号得实时角加速度值；

根据实时加速度值和角加速度值对实时坡度和平均坡度进行拟合，输出有效的动态坡度值。

2.根据权利要求1所述的一种商用车动态坡度测试系统的测试方法，其特征在于：所述的拟合步骤包括以下步骤：

根据实时加速度值与加速度门限值进行门限判断，根据实时角加速度值与角加速度门限值进行门限判断，判断结果如下：

情况1)，在所述实时加速度值未超过加速度门限值，且所述实时角加速度值未超过角加速度门限值时，利用所述的平均坡度值和所述加速度值的加权值得到新的门限滤波值，过滤所述的实时坡度值，并输出该过滤后的实时坡度值；

情况2)在所述实时加速度值超过加速度门限值，且所述实时角加速度值未超过角加速度门限值时，利用所述的加速度对平均坡度值进行非线性补偿，并输出补偿后的平均坡度值；

情况3)在所述实时加速度值超过加速度门限值，且所述实时角加速度值超过角加速度门限值时，利用所述角加速度值对所述加速度值进行非线性补偿，得到非线性补偿后的加速度值，再按照情况2)进行处理，即利用补偿后的加速度值对平均坡度值进行非线性补偿，并输出补偿后的平均坡度值。

3.根据权利要求2所述的一种商用车动态坡度测试系统的测试方法，其特征在于：所述的情况3)中，利用所述角加速度值对所述加速度值进行非线性补偿的步骤之前，还包括用角加速度值对加速度值进行合理性判断的步骤：

不合理，该加速度值丢弃；

合理，则进行角加速度值对所述加速度值进行非线性补偿；

所述的合理性是满足指加速度值与角加速度值之间的非线性关系。

4.根据权利要求1或2所述的一种商用车动态坡度测试系统的测试方法，其特征在于：所述的实时坡度计算步骤，包括以下步骤：

陀螺仪采集实时坡度值，进行坡度值门限判断；

超限，该实时坡度值数据丢弃；

未超限，将该实时坡度值数据存入第一缓存区域；对第一缓存区域的数据进行软件滤波，输出滤波后的实时坡度值；

同时，所述的滤波后的实时坡度值对门限判断的门限值进行反馈，将滤波后的实时坡度值进行加权处理，作为下一次门限判断的门限值。

5.根据权利要求4所述的一种商用车动态坡度测试系统的测试方法，其特征在于：所述的第一缓存区域的数据缓存采用队列设计，即先进先出的缓存方式。

6.根据权利要求1或2所述的一种商用车动态坡度测试系统的测试方法，其特征在于：车辆落差值计算步骤，包括以下步骤：

CAN网络反馈的采样时间内，大气压力传感器采集实时大气压力值；

按照采样时间的先后顺序将实时大气压力值数据存入第二缓存区域，然后进行分组缓存，先后采集的数据分别缓存到第三缓存区和第四缓存区，并分别计算第三缓存区和第四缓存区数据的均值得到A和B；并计算(B-A)的差值；

若(B-A)小于0，则判断为上坡，数据丢弃或取该数据的绝对值；

若(B-A)大于等于0，则判断为为下坡或平路；

通过(B-A)的绝对值或(B-A)计算得到车辆落差值。

7.根据权利要求6所述的一种商用车动态坡度测试系统的测试方法，其特征在于：所述的第二缓存区域的数据缓存均采用队列缓存；

所述的分组缓存是在采样时间内，取数据队列缓存中的首尾部分数据进行缓存，其中首部分的数据存入第三缓存区，尾部分的数据存入第四缓存区。

8.一种商用车动态坡度测试系统，其特征在于：包括

陀螺仪，用于获得车辆的坡度信号；

大气压力传感器，用于获得的大气压力数据；

CAN网络，用于获得实时车速信号；

加速度传感器，用于获得加速度信号；

角加速度传感器，用于获得角加速度信号；

处理单元，用于接收处理陀螺仪、大气压力传感器、CAN网络、加速度传感器和角加速度传感器采集的数据，进行数据拟合处理，并输出有效的动态坡度值；

其中，陀螺仪、大气压力传感器、CAN网络、加速度传感器和角加速度传感器均与处理单元的输入端电连接，处理单元的输出端与CAN网络电连接；

所述的处理单元，包括：

实时坡度值计算模块，利用陀螺仪获得车辆的坡度信号，计算得到实时坡度值；

平均坡度计算模块，根据从大气压力传感器得到的大气压力数据来计算车辆落差值；利用CAN网络采集实时车速信号，通过积分累加每一基础单位的位移，得到单位距离里所用的时间，进而得出单位行驶距离；并根据车辆落差值与行驶距离，来计算路面的平均坡度；

数据拟合模块，最终根据实时加速度值和实时角加速度值对实时坡度和平均坡度进行拟合，通过CAN网络输出有效的动态坡度值；

其中，陀螺仪与实时坡度值计算模块电连接，大气压力传感器与平均坡度计算模块电连接，CAN网络与平均坡度计算模块电连接，实时坡度值计算模块、平均坡度计算模块、加速度传感器和角加速度传感器均与数据拟合模块的输入端连接，数据拟合模块的输出端与CAN网络连接。

9.根据权利要求8所述的一种商用车动态坡度测试系统，其特征在于：所述的陀螺仪为六轴电子陀螺仪，通信制式为I²C；所述的大气压力传感器、加速度传感器和角加速度传感器的通信制式均为SPI。