CN104864846A - 基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，由一级稳压电路、二级稳压电路、加速度传感器、信号处理电路、单片机、蓝牙发送模块、蓝牙接收模块、上位机和GPS模块组成；加速度传感器输出端连接信号处理电路输入端，信号处理电路输出端连接单片机，单片机输出端连接蓝牙发送模块输入端，蓝牙接收模块输出端连接上位机输入端，GPS模块输出端连接蓝牙接收模块输入端；汽车点烟器电源输出端连接一级稳压电路输入端，一级稳压电路输入端连接二级稳压电路输出端；一级稳压电路给加速度传感器、信号处理电路和GPS模块供电，二级稳压电路给单片机和蓝牙发送模块供电。本发明还公开了基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统的工作方法。

Description

基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统及工作方法

技术领域

本发明涉及一种路面不平度采集系统及工作方法，具体涉及一种基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统及工作方法，属于路面特征识别领域。

背景技术

路面不平度通常是用来描述路面的起伏程度。目前，国内的路面不平度采集主要使用激光惯性平整度仪与车载机械式颠簸累积仪。其检测原理是根据车辆的垂直弹跳位移来反映路面的平整度。随着国内各类道路不断增加以及IRI值不断普及传统车载机械式颠簸累积仪的应用已开始受到制约。其主要局限是仪器须定期标定，操作复杂，成本高，且受到主动悬架数学模型的精确建立和测量技术的限制，无法直接获得国际平整度指标IRI。

发明内容

本发明的目的是为了满足现有道路的需要，提供一种基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，以解决传统路面不平度采集仪器采集不便、操作复杂和不能准确定位的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，由一级稳压电路1、二级稳压电路2、加速度传感器3、信号处理电路4、单片机5、蓝牙发送模块6、蓝牙接收模块7、上位机8和GPS模块9组成。其中，加速度传感器3通过强磁力固定于汽车靠左后轮的悬架上，加速度传感器3输出端连接信号处理电路4输入端，信号处理电路4输出端连接单片机5的AD转换接口，单片机5的自带UART串口输出端连接蓝牙发送模块6输入端，蓝牙发送模块6和蓝牙接收模块7进行无线传输，蓝牙接收模块7输出端连接上位机8输入端，GPS模块9输出端连接蓝牙接收模块7输入端；汽车点烟器 +12V电源输出端连接一级稳压电路1输入端，一级稳压电路1输入端连接二级稳压电路2输出端；一级稳压电路1给加速度传感器3、信号处理电路4和GPS模块9供电，二级稳压电路2给单片机5和蓝牙发送模块6供电。

其中，一级稳压电路1由开关S1、第一电解电容C1、第一普通电容C2、一级稳压芯片、第一二极管D1、第一电感L1和第二电解电容C3组成；汽车点烟器+12V电压输出端连接开关S1一端，开关S1另一端分别连接第一电解电容C1正极、第一普通电容C2一端和一级稳压芯片VIN电压输入引脚，第一电解电容C1负极、第一普通电容C2另一端和一级稳压芯片GND接地引脚和EN使能端接地；一级稳压芯片OUT电压输出引脚和BYP反馈电压输入引脚分别连接第一电感L1一端，第一电感L1另一端输出端分别接二级稳压电路2输入端和第二电解电容C3正极，第二电解电容C3负极接地；第一二极管D1负极连接一级稳压芯片OUT电压输出引脚，另一端接地。

其中，二级稳压电路2由第三电解电容C4、第二普通电容C5、二级稳压芯片、保险丝FUSE1、第二二极管D2、滤波电阻R1、第二电解电容C6和第三普通电容C7组成；一级稳压电路1输出端分别连接第三电解电容C4正极、第二普通电容C5一端和保险丝FUSE1正极，第三电解电容C4负极、第二普通电容C5另一端和二级稳压芯片GND接地引脚和EN使能端接地；FUSE1负极连接二级稳压芯片VIN电压输入引脚；二级稳压芯片OUT电压输出引脚和BYP反馈电压输入引脚分别连接第一电阻R1一端和第二二极管D2负极，第一电阻R1另一端输出+3.3V电压；第三普通电容C7一端和第二电解电容C6正极端连接+3.3V电压输出端，另一端分别接地。

其中，信号处理电路4由第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一可调电阻R7、第二可调电阻R8、第三可调电阻R9、第五电阻R11、第六电阻R12、第七电阻R13、第八电阻R16、第九电阻R17、第十电阻R18、第十一电阻R19、第十二电阻R20、第十三电阻R21、第四普通电容C9、第五普通电容C10、 第六普通电容C11、第七普通电容C12、第八普通电容C13和第九普通电容C14组成；加速度传感器3的X轴信号输出端分别连接第一运算放大器差分正输入端和第二电阻R2一端，第二电阻R2另一端连接第一可调电阻R7的一端固定触点，第一可调电阻R7另一端固定触点连接第五电阻R11一端，第一可调电阻R7滑动触点接一级稳压电路1输出端，第五电阻R11另一端分别接第一运算放大器差分负输入端和加速度传感器3空引脚；第一运算放大器正电源输入端连接一级稳压电路1，第一运算放大器负电源输入端接模拟地，第一运算放大器参考输入端连接单片机5的参考电压引脚，第一运算放大器两个增益设置端之间串联第九电阻R17；第一运算放大器输出端连接第八电阻R16一端，第八电阻R16另一端分别输出和连接第四普通电容C9一端，第四普通电容C9另一端接模拟地，第七普通电容C12接在第一运算放大器差分正负输入端之间；加速度传感器3的Y轴信号输出端分别连接第二运算放大器差分正输入端和第三电阻R3一端，第三电阻R3另一端连接第二可调电阻R8的一端固定触点，第二可调电阻R8另一端固定触点连接第六电阻R12一端，第二可调电阻R8滑动触点接一级稳压电路1输出端，第六电阻R12另一端分别接第二运算放大器差分负输入端和加速度传感器3空引脚；第二运算放大器正电源输入端连接一级稳压电路1，第二运算放大器负电源输入端接模拟地，第二运算放大器参考输入端连接单片机5的参考电压引脚，第二运算放大器两个增益设置端之间串联第十一电阻R19；第二运算放大器输出端连接第十电阻R18一端，第十电阻R18另一端分别输出和连接第五普通电容C10一端，第五普通电容C10另一端接模拟地，第八普通电容C13接在第二运算放大器差分正负输入端之间；加速度传感器3的Z轴信号输出端分别连接第三运算放大器差分正输入端和第四电阻R4一端，第四电阻R4另一端连接第三可调电阻R9的一端固定触点，第三可调电阻R9另一端固定触点连接第七电阻R13一端，第三可调电阻R9滑动触点接一级稳压电路1输出端，第七电阻R13另一端分别接第三运算放大器差分负输入端和加速度传感器3空引脚；第三运算放大器正电源输入端连接一级稳压电路1，第三运算放大器负电源输入端接模拟地，第三运算放大器参考输入端 连接单片机5的参考电压引脚，第三运算放大器两个增益设置端之间串联第十三电阻R21；第三运算放大器输出端连接第十二电阻R20一端，第十二电阻R20另一端分别输出和连接第六普通电容C11一端，第六普通电容C11另一端接模拟地，作信号滤波使用，第九普通电容C14接在第三运算放大器差分正负输入端之间,做信号平滑使用。

上述所述的加速度传感器3采用强磁力吸附式ULT2755三轴加速度传感器。

上述所述的一级稳压电路1采用TPS76930-5.0稳压芯片，二级稳压电路2采用TPS76930-3.3稳压芯片。 

上述所述的第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器采用INA122运算放大器芯片。

上述所述的GPS模块9为野火NEO-6M GPS模块。

一种基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统的工作方法，具体包括以下步骤：

(1)加速度传感器3通过强磁力吸附于汽车靠近左后轮的悬架上，打开一级稳压电路1开关S1，加速度传感器3采集X、Y、Z三轴加速度信号输入至信号处理电路4；

(2)采集的加速度信号分别进入信号处理电路4对应运算放大器的差分正输入端，调节各个运算放大器差分负输入端的可调电阻，从而调节对地电压，改变运算放大器的输出电压，使其输出到单片机5的电压在模数转换范围之内；

(3)输出电压均达到模数转换范围后，信号处理电路4输出的模拟量信号，通过单片机5进行模数转化，单片机5通过串口将转换后的数字信号传输至蓝牙发送模块6；

(4)蓝牙接收模块7连接上位机8，上位机8根据蓝牙配置自动为其分配串口，设置上位机8蓝牙串口的相关参数，和蓝牙发送模块6进行匹配连接；

(5)GPS模块9定位当前路段，通过串口将当前地理位置信息发送至蓝牙发送模块6，蓝牙发送模块6无线传输至蓝牙接收模块7，由蓝牙接收模块7发送至上位机8存储；

(6)在需要测量路面不平度的路段开动汽车，加速度传感器3稳定工作一段时间后，进 行三轴的加速度信息采集，并发送至上位机8；上位机8通过程序显示实时数据并进行存储，记录在相应GPS地理位置信息下；采集完毕后，上位机8通过图表显示完整信息，同时计算出该路段的加速度样本曲线的均值和标准差信息；

(7)由以上该路段加速度样本曲线通过AR建模得出功率谱密度曲线图，并通过功率谱密度计算得出路面不平度指数IRI值，具体包括以下步骤：

步骤1：通过加速度传感器采集路面加速度a(t)值：将加速度传感器安装在车辆靠近左后轮的悬架平面下方，检测行驶时悬架垂直振动的加速度，每隔Δt时刻，加速度传感器将采集到一个路面加速度a(t)值，得到a(t)数组。

步骤2：设计卡尔曼滤波器进行数据处理；

首先建立卡尔曼滤波状态空间模型，其中：

状态方程： 

X(n)＝B(n)X(n-1)+w(n)         (1)

观测方程： 

Z(n)＝J(n)X(n)+v(n)         (2)

式中，X(n)为状态向量，且X(n)＝{x(n)，x(n-1)，…，x(n-k+1)}^T；系统的观测方程的输出项Z(n)为采集到的加速度a(t)值；B(n)为状态转移矩阵，w(n)为零均值、方差为Ψ_W的白噪声；J(n)为测量矩阵v(n)为零均值、方差为Ψ_V且与Ψ_W相互独立的白噪声；

由状态空间模型得到如下递推公式：

状态的一步预测方程(基于系统的上一个状态)：

X(n|n-1)＝B(n)X(n-1|n-1)     (3)

协方差的一步预测方程：

P(n|n-1)＝B(n)P(n-1|n-1)B(n)^T+Ψ_W     (4)

滤波增益:

A(n)＝P(n|n-1)J(n)^T[J(n)P(n|n-1)J(n)^T+Ψ_V]     (5) 

滤波估计方程:

X(n|n)＝X(n|n-1)+A(n)[Z(n)-J(n)X(n|n-1)]    (6)

滤波协方差更新方程:

P(n|n)＝[I-A(n)J(n)]P(n|n-1)    (7)

其中，X(n|n)为n时刻滤波器的状态；X(n|n-1)为滤波器状态的单步预测估计；A(n)为n时刻滤波器的增益矩阵；P(n|n-1)为单步预测误差的协方差矩阵；P(n|n)为滤波误差的协方差矩阵；J(n)为测量矩阵；Ψ_υ为观测噪声方差矩阵；Ψ_ω为系统噪声方差矩阵；I为单位矩阵；

由以上递推公式可知，通过截取路面加速度a(t)的初始部分样本，通过最小二乘法计算统计模型，计算得到X(0)和P(0)；确定初始X(0)和P(0)之后，可通过式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)递推得到X(1|0)、X(2|1)……X(n|n-1)。

X(n|n)为滤波后的加速度值，作为滤波后的a(t)代入下式得到路面不平度g(t)：

a₄g⁽⁴⁾(t)+a₃g⁽³⁾(t)+a₂g″(t)＝b₃a⁽³⁾(t)+b₂a″(t)+b₁a′(t)+b₀a′(t)   (8)

其中a₄＝MK_t，a₃＝XK_t，a₂＝KK_t；

b₃＝mM+XM，b₂＝MK+MK_t+Xm，b₁＝XK_t+mK，b₀＝KK_t；M为悬架(车身)质量，m为非悬架(车轮)质量，K为车身刚度系数；X为阻尼器阻尼系数，Kt为轮胎刚度系数；

步骤3：对数据进行基于时间序列的自回归(AR)建模：根据预处理后的数据，利用AR模型来计算功率谱密度；

因为路面不平度是实平稳过程，功率谱密度也为实函数，所以路面在时间域的自相关函数为：

$R_d\left(\mathrm{\τ}\right){\∫}_0^{+\∞}{G}_d\left(n\right)\cos \left(2\mathrm{\πn\τ}\right)\mathrm{dn}---\left(9\right)$

其中，G_d(n)为路面不平度功率谱密度，n取值范围为0.011～2.83m^-1。

将路面在时间域的自相关函数R_d(τ)带入AR模型的Yule-Walker方程，得：

$\left[\begin{array}{cccc}{R}_d\left(0\right)& R_d\left(1\right)& ...& R_d\left(M\right)\\ R_d\left(1\right)& R_d\left(0\right)& ...& R_d(M-1)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ R_d\left(M\right)& R_d(M-1)& ...& R_d\left(0\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}1\\ b_1\\ .\\ .\\ .\\ b_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\end{array}\right]---\left(10\right)$

通过上式，可得AR模型的参数b_M(M＝1,2,…,p)和

在频域上路面不平度g(t)满足AR模型公式： 

g(t)＝-b₁g(a-1)-b₂g(a-2)-…-b_Mg(a-M)+ω(n)    (11) 

式中，ω(n)为零均值且方差为的平稳白噪声；

步骤4：运用现代谱估计理论进行精确功率谱密度估计，实现国际道路不平度指数(IRI)的提取：路面不平度位移功率谱密度可采用下式拟合：

$G_d\left(n\right)=G_d\left(n_0\right){\left(\frac{n}{n_0}\right)}^{-w}---\left(12\right)$

式中，n₀为空间参考频率n₀＝0.1m^-1；G_d(n₀)为路面不平度系数，其值为在空间频率为n₀时的路面功率谱密度，与路面等级相对应；ω为频率指数，决定了路面谱的频率结构,一般取2；

由参考文献可知，IRI和Gd(n₀)如下关系式：

$\mathrm{IRI}=0.78\sqrt{G_d\left(n_0\right)}---\left(13\right)$

通过上述公式，可以得出IRI值。

(8)通过与国际标准IRI值对比，得出之前采集路面的等级，进行等级划分与路面评定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用车轮在路面上的直接接触产生的垂直振动加速度进行间接的测量，从而简化测量方法，提高测量效率；通过蓝牙实现无线传输路面数据至上位机，简便有效，稳定可靠，实时性强，成本低；将GPS定位系统与该采集系统相结合，可实时定位当前采集路面及记录相应的数据。

附图说明

图1为本发明电路模块图；

图2为本发明一级稳压电路电路图；

图3为本发明二级稳压电路电路图；

图4为本发明信号处理电路电路图；

(a)X轴加速度信号处理电路；(b)Y轴加速度信号处理电路；(c)Z轴加速度信号处理电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

在图1中，基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，由一级稳压电路1、二级稳压电路2、加速度传感器3、信号处理电路4、单片机5、蓝牙发送模块6、蓝牙接收模块7、 上位机8和GPS模块9组成。其中，加速度传感器3通过强磁力固定于汽车靠左后轮的悬架上，加速度传感器3输出端连接信号处理电路4输入端，信号处理电路4输出端连接单片机5的AD转换接口，单片机5的自带UART串口输出端连接蓝牙发送模块6输入端，蓝牙发送模块6和蓝牙接收模块7进行无线传输，蓝牙接收模块7输出端连接上位机8输入端，GPS模块9输出端连接蓝牙接收模块7输入端；汽车点烟器+12V电源输出端连接一级稳压电路1输入端，一级稳压电路1输入端连接二级稳压电路2输出端；一级稳压电路1给加速度传感器3、信号处理电路4和GPS模块9供电，二级稳压电路2给单片机5和蓝牙发送模块6供电。

在图2中，一级稳压电路1由开关S1、第一电解电容C1、第一普通电容C2、一级稳压芯片、第一二极管D1、第一电感L1和第二电解电容C3组成；汽车点烟器+12V电压输出端连接开关S1一端，开关S1另一端分别连接第一电解电容C1正极和第一普通电容C2一端，第一电解电容C1负极接地，第一普通电容C2另一端分别连接一级稳压芯片VIN电压输入引脚和接地；一级稳压芯片GND接地引脚和EN使能端接地；一级稳压芯片OUT电压输出引脚和BYP反馈电压输入引脚分别连接第一电感L1一端，第一电感L1另一端输出端分别接二级稳压电路2输入端和第二电解电容C3正极，第二电解电容C3负极接地；第一二极管D1负极连接一级稳压芯片OUT电压输出引脚，另一端接地。

在图3中，二级稳压电路2由第三电解电容C4、第二普通电容C5、二级稳压芯片、保险丝FUSE1、第二二极管D2、滤波电阻R1、第二电解电容C6和第三普通电容C7组成；一级稳压电路1输出端分别连接第三电解电容C4正极和第二普通电容C5一端，第三电解电容C4负极接地，第二普通电容C5另一端连接保险丝FUSE1正极，FUSE1负极连接二级稳压芯片VIN电压输入引脚；二级稳压芯片GND接地引脚和EN使能端接地；二级稳压芯片OUT电压输出引脚和BYP反馈电压输入引脚分别连接第一电阻R1一端和第二二极管D2负极，第一电阻R1另一端输出+3.3V电压；第三普通电容C7一端和第二电解电容C6正极端连接 +3.3V电压输出端，另一端分别接地。

在图4中，信号处理电路4由第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一可调电阻R7、第二可调电阻R8、第三可调电阻R9、第五电阻R11、第六电阻R12、第七电阻R13、第八电阻R16、第九电阻R17、第十电阻R18、第十一电阻R19、第十二电阻R20、第十三电阻R21、第四普通电容C9、第五普通电容C10、第六普通电容C11、第七普通电容C12、第八普通电容C13和第九普通电容C14组成；如图4(a)，加速度传感器3的X轴信号输出端分别连接第一运算放大器差分正输入端和第二电阻R2一端，第二电阻R2另一端连接第一可调电阻R7的一端固定触点，第一可调电阻R7另一端固定触点连接第五电阻R11一端，第一可调电阻R7滑动触点接一级稳压电路1输出端，第五电阻R11另一端分别接第一运算放大器差分负输入端和加速度传感器3空引脚；第一运算放大器正电源输入端连接一级稳压电路1，第一运算放大器负电源输入端接模拟地，第一运算放大器参考输入端连接单片机5的参考电压引脚，第一运算放大器两个增益设置端之间串联第九电阻R17；第一运算放大器输出端连接第八电阻R16一端，第八电阻R16另一端分别输出和连接第四普通电容C9一端，第四普通电容C9另一端接模拟地，第七普通电容C12接在第一运算放大器差分正负输入端之间；如图4(b)，加速度传感器3的Y轴信号输出端分别连接第二运算放大器差分正输入端和第三电阻R3一端，第三电阻R3另一端连接第二可调电阻R8的一端固定触点，第二可调电阻R8另一端固定触点连接第六电阻R12一端，第二可调电阻R8滑动触点接一级稳压电路1输出端，第六电阻R12另一端分别接第二运算放大器差分负输入端和加速度传感器3空引脚；第二运算放大器正电源输入端连接一级稳压电路1，第二运算放大器负电源输入端接模拟地，第二运算放大器参考输入端连接单片机5的参考电压引脚，第二运算放大器两个增益设置端之间串联第十一电阻R19；第二运算放大器输出端连接第十电阻R18一端，第十电阻R18另一端分别输出和连接第五普通电容C10一端，第五普通电容C10另一端接模拟地，第八普通电容C13接在第二运算放大器差分正负输 入端之间；如图4(c)，加速度传感器3的Z轴信号输出端分别连接第三运算放大器差分正输入端和第四电阻R4一端，第四电阻R4另一端连接第三可调电阻R9的一端固定触点，第三可调电阻R9另一端固定触点连接第七电阻R13一端，第三可调电阻R9滑动触点接一级稳压电路1输出端，第七电阻R13另一端分别接第三运算放大器差分负输入端和加速度传感器3空引脚；第三运算放大器正电源输入端连接一级稳压电路1，第三运算放大器负电源输入端接模拟地，第三运算放大器参考输入端连接单片机5的参考电压引脚，第三运算放大器两个增益设置端之间串联第十三电阻R21；第三运算放大器输出端连接第十二电阻R20一端，第十二电阻R20另一端分别输出和连接第六普通电容C11一端，第六普通电容C11另一端接模拟地，作信号滤波使用，第九普通电容C14接在第三运算放大器差分正负输入端之间,做信号平滑使用。

上述所述的加速度传感器3采用强磁力吸附式ULT2755三轴加速度传感器。

上述所述的一级稳压电路1采用TPS76930-5.0稳压芯片，二级稳压电路2采用TPS76930-3.3稳压芯片。 

上述所述的第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器采用INA122运算放大器芯片。

上述所述的GPS模块9为野火NEO-6M GPS模块。

基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统的工作方法，具体包括以下步骤：

(1)加速度传感器3通过强磁力吸附于汽车靠近左后轮的悬架上，打开一级稳压电路1开关S1，加速度传感器3采集X、Y、Z三轴加速度信号输入至信号处理电路4；

(2)采集的加速度信号分别进入信号处理电路4各个运算放大器的差分正输入端，调节各个运算放大器差分负输入端的可调电阻，从而调节对地电压，改变运算放大器的输出电压，使其输出到单片机5的电压在AD转换范围之内；

(3)信号处理电路4输出的模拟量信号，通过单片机5进行模数转化，单片机5通过串 口将转换后的数字信号传输至蓝牙发送模块6；

(4)蓝牙接收模块7连接上位机8，上位机8根据蓝牙配置自动为其分配串口，设置上位机8蓝牙串口的相关参数，和蓝牙发送模块6进行匹配连接；蓝牙发送模块6和蓝牙接收模块7没有配对时，蓝牙发送模块6指示灯闪烁，配对成功后指示灯常亮，此时打开上位机8串口助手，就可在上位机8接收到蓝牙发送模块6发送的数据。

(5)GPS模块9定位当前路段，通过串口将当前地理位置信息发送至蓝牙发送模块6，蓝牙发送模块6无线传输至蓝牙接收模块7，由蓝牙接收模块7发送至上位机8存储；

(6)在需要测量路面不平度的路段开动汽车，加速度传感器3稳定工作一段时间后，进行三轴的加速度信息采集，并发送至上位机8；上位机8通过程序显示实时数据并进行存储，记录在相应GPS地理位置信息下；采集完毕后，上位机8通过图表显示完整信息，同时计算出该路段的加速度样本曲线的均值和标准差信息；

(7)由以上该路段加速度样本曲线通过AR建模得出功率谱密度曲线图，并通过功率谱密度计算得出路面不平度指数IRI值，具体包括以下步骤：

步骤1：通过加速度传感器采集路面加速度a(t)值：将加速度传感器安装在车辆靠近左后轮的悬架平面下方，检测行驶时悬架垂直振动的加速度，每隔Δt时刻，加速度传感器将采集到一个路面加速度a(t)值,得到a(t)数组。

步骤2：设计卡尔曼滤波器进行数据处理；

首先建立卡尔曼滤波状态空间模型，其中：

状态方程： 

X(n)＝B(n)X(n-1)+w(n)          (1) 

观测方程： 

Z(n)＝J(n)X(n)+v(n)         (2)

式中，X(n)为状态向量，且X(n)＝{x(n)，x(n-1)，…，x(n-k+1)}^T；系统的观测方程的输出项Z(n)为采集到的加速度a(t)值；B(n)为状态转移矩阵，w(n)为零均值、方差为Ψ_W的白噪声；J(n)为测量矩阵v(n)为零均值、方差为Ψ_V且与Ψ_W相互独立的白噪声；

由状态空间模型得到如下递推公式：

状态的一步预测方程(基于系统的上一个状态)：

X(n|n-1)＝B(n)X(n-1|n-1)            (3) 

协方差的一步预测方程：

P(n|n-1)＝B(n)P(n-1|n-1)B(n)^T+Ψ_W    (4)

滤波增益:

A(n)＝P(n|n-1)J(n)^T[J(n)P(n|n-1)J(n)^T+Ψ_V]      (5) 

滤波估计方程:

X(n|n)＝X(n|n-1)+A(n)[Z(n)-J(n)X(n|n-1)]      (6)

滤波协方差更新方程:

P(n|n)＝[I-A(n)J(n)]P(n|n-1)     (7)

其中，X(n|n)为n时刻滤波器的状态；X(n|n-1)为滤波器状态的单步预测估计；A(n)为n时刻滤波器的增益矩阵；P(n|n-1)为单步预测误差的协方差矩阵；P(n|n)为滤波误差的协方差矩阵；J(n)为测量矩阵；Ψ_υ为观测噪声方差矩阵；Ψ_ω为系统噪声方差矩阵；I为单位矩阵；

由以上递推公式可知，通过截取路面加速度a(t)的初始部分样本，通过最小二乘法计算统计模型，计算得到X(0)和P(0)；确定初始X(0)和P(0)之后，可通过式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)递推得到X(1|0)、X(2|1)……X(n|n-1)。

X(n|n)为滤波后的加速度值，作为滤波后的a(t)代入下式得到路面不平度g(t)：

a₄g⁽⁴⁾(t)+a₃g⁽³⁾(t)+a₂g″^(t)＝b₃a⁽³⁾(t)+b₂a″(t)+b₁a′(t)+b₀a(t)   (8) 

其中a₄＝MK_t，a₃＝XK_t，a₂＝KK_t；

b₃＝mM+XM，b₂＝MK+MK_t+Xm，b₁＝XK_t+mK，b₀＝KK_t；M为悬架(车身)质量，m为非悬架(车轮)质量，K为车身刚度系数；X为阻尼器阻尼系数，Kt为轮胎刚度系数；

步骤3：对数据进行基于时间序列的自回归(AR)建模：根据预处理后的数据，利用AR模型来计算功率谱密度；

因为路面不平度是实平稳过程，功率谱密度也为实函数，所以路面在时间域的自相关函数为：

$R_d\left(\mathrm{\τ}\right){\∫}_0^{+\∞}{G}_d\left(n\right)\cos \left(2\mathrm{\πn\τ}\right)\mathrm{dn}---\left(9\right)$

其中，G_d(n)为路面不平度功率谱密度，n取值范围为0.011～2.83m^-1。

将路面在时间域的自相关函数R_d(τ)带入AR模型的Yule-Walker方程，得：

$\left[\begin{array}{cccc}{R}_d\left(0\right)& R_d\left(1\right)& ...& R_d\left(M\right)\\ R_d\left(1\right)& R_d\left(0\right)& ...& R_d(M-1)\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ R_d\left(M\right)& R_d(M-1)& ...& R_d\left(0\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}1\\ b_1\\ .\\ .\\ .\\ b_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\end{array}\right]---\left(10\right)$

通过上式，可得AR模型的参数b_M(M＝1,2,…,p)和

在频域上路面不平度g(t)满足AR模型公式： 

g(t)＝-b₁g(a-1)-b₂g(a-2)-…-b_Mg(a-M)+ω(n)    (11) 

式中，ω(n)为零均值且方差为的平稳白噪声；

步骤4：运用现代谱估计理论进行精确功率谱密度估计，实现国际道路不平度指数(IRI)的提取：路面不平度位移功率谱密度可采用下式拟合：

$G_d\left(n\right)=G_d\left(n_0\right){\left(\frac{n}{n_0}\right)}^{-w}---\left(12\right)$

式中，n₀为空间参考频率n₀＝0.1m^-1；G_d(n₀)为路面不平度系数，其值为在空间频率为n₀时的路面功率谱密度，与路面等级相对应；ω为频率指数，决定了路面谱的频率结构,一般取2；

由参考文献可知，IRI和G_d(n₀)如下关系式：

$\mathrm{IRI}=0.78\sqrt{G_d\left(n_0\right)}---\left(13\right)$

通过上述公式，可以得出IRI值。

(10)通过与国际标准IRI值对比，得出之前采集路面的等级，进行等级划分与路面评定。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，其特征在于：由一级稳压电路(1)、二级稳压电路(2)、加速度传感器(3)、信号处理电路(4)、单片机(5)、蓝牙发送模块(6)、蓝牙接收模块(7)、上位机(8)和GPS模块(9)组成；其中，加速度传感器(3)通过强磁力固定于汽车靠左后轮的悬架上，加速度传感器(3)输出端连接信号处理电路(4)输入端，信号处理电路(4)输出端连接单片机(5)的AD转换接口，单片机(5)的自带UART串口输出端连接蓝牙发送模块(6)输入端，蓝牙发送模块(6)和蓝牙接收模块(7)进行无线传输，蓝牙接收模块(7)输出端连接上位机(8)输入端，GPS模块(9)输出端连接蓝牙接收模块(7)输入端；汽车点烟器+12V电源输出端连接一级稳压电路(1)输入端，一级稳压电路(1)输入端连接二级稳压电路(2)输出端；一级稳压电路(1)给加速度传感器(3)、信号处理电路(4)和GPS模块(9)供电，二级稳压电路(2)给单片机(5)和蓝牙发送模块(6)供电。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，其特征在于：所述一级稳压电路(1)由开关S1、第一电解电容C1、第一普通电容C2、一级稳压芯片、第一二极管D1、第一电感L1和第二电解电容C3组成；汽车点烟器+12V电压输出端连接开关S1一端，开关S1另一端分别连接第一电解电容C1正极、第一普通电容C2一端和一级稳压芯片VIN电压输入引脚，第一电解电容C1负极、第一普通电容C2另一端和一级稳压芯片GND接地引脚和EN使能端接地；一级稳压芯片OUT电压输出引脚和BYP反馈电压输入引脚分别连接第一电感L1一端，第一电感L1另一端输出端分别接二级稳压电路2输入端和第二电解电容C3正极，第二电解电容C3负极接地；第一二极管D1负极连接一级稳压芯片OUT电压输出引脚，另一端接地。

3.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，其特征在于：所述二级稳压电路(2)由第三电解电容C4、第二普通电容C5、二级稳压芯片、保险丝FUSE1、第二二极管D2、滤波电阻R1、第二电解电容C6和第三普通电容C7组成；一级稳压电路1输出端分别连接第三电解电容C4正极、第二普通电容C5一端和保险丝FUSE1正极，第三电解电容C4负极、第二普通电容C5另一端和二级稳压芯片GND接地引脚和EN使能端接地；FUSE1负极连接二级稳压芯片VIN电压输入引脚；二级稳压芯片OUT电压输出引脚和BYP反馈电压输入引脚分别连接第一电阻R1一端和第二二极管D2负极，第一电阻R1另一端输出+3.3V电压；第三普通电容C7一端和第二电解电容C6正极端连接+3.3V电压输出端，另一端分别接地。

4.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，其特征在于：所述信号处理电路(4)由第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一可调电阻R7、第二可调电阻R8、第三可调电阻R9、第五电阻R11、第六电阻R12、第七电阻R13、第八电阻R16、第九电阻R17、第十电阻R18、第十一电阻R19、第十二电阻R20、第十三电阻R21、第四普通电容C9、第五普通电容C10、第六普通电容C11、第七普通电容C12、第八普通电容C13和第九普通电容C14组成；所述加速度传感器(3)的X轴信号输出端分别连接第一运算放大器差分正输入端和第二电阻R2一端，第二电阻R2另一端连接第一可调电阻R7的一端固定触点，第一可调电阻R7另一端固定触点连接第五电阻R11一端，第一可调电阻R7滑动触点接一级稳压电路1输出端，第五电阻R11另一端分别接第一运算放大器差分负输入端和所述加速度传感器(3)空引脚；第一运算放大器正电源输入端连接所述一级稳压电路(1)，第一运算放大器负电源输入端接模拟地，第一运算放大器参考输入端连接所述单片机(5)的参考电压引脚，第一运算放大器两个增益设置端之间串联第九电阻R17；第一运算放大器输出端连接第八电阻R16一端，第八电阻R16另一端分别输出和连接第四普通电容C9一端，第四普通电容C9另一端接模拟地，第七普通电容C12接在第一运算放大器差分正负输入端之间；所述加速度传感器(3)的Y轴信号输出端分别连接第二运算放大器差分正输入端和第三电阻R3一端，第三电阻R3另一端连接第二可调电阻R8的一端固定触点，第二可调电阻R8另一端固定触点连接第六电阻R12一端，第二可调电阻R8滑动触点接所述一级稳压电路(1)输出端，第六电阻R12另一端分别接第二运算放大器差分负输入端和所述加速度传感器(3)空引脚；第二运算放大器正电源输入端连接一级稳压电路1，第二运算放大器负电源输入端接模拟地，第二运算放大器参考输入端连接所述单片机(5)的参考电压引脚，第二运算放大器两个增益设置端之间串联第十一电阻R19；第二运算放大器输出端连接第十电阻R18一端，第十电阻R18另一端分别输出和连接第五普通电容C10一端，第五普通电容C10另一端接模拟地，第八普通电容C13接在第二运算放大器差分正负输入端之间；所述加速度传感器(3)的Z轴信号输出端分别连接第三运算放大器差分正输入端和第四电阻R4一端，第四电阻R4另一端连接第三可调电阻R9的一端固定触点，第三可调电阻R9另一端固定触点连接第七电阻R13一端，第三可调电阻R9滑动触点接所述一级稳压电路(1)输出端，第七电阻R13另一端分别接第三运算放大器差分负输入端和加速度传感器(3)空引脚；第三运算放大器正电源输入端连接所述一级稳压电路(1)，第三运算放大器负电源输入端接模拟地，第三运算放大器参考输入端连接所述单片机(5)的参考电压引脚，第三运算放大器两个增益设置端之间串联第十三电阻R21；第三运算放大器输出端连接第十二电阻R20一端，第十二电阻R20另一端分别输出和连接第六普通电容C11一端，第六普通电容C11另一端接模拟地，作信号滤波使用，第九普通电容C14接在第三运算放大器差分正负输入端之间,做信号平滑使用。

5.根据权利要求1或4所述的基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，其特征在于：所述加速度传感器(3)采用强磁力吸附式ULT2755三轴加速度传感器。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，其特征在于：所述一级稳压电路(1)采用TPS76930-5.0稳压芯片，所述二级稳压电路(2)采用TPS76930-3.3稳压芯片。

7.根据权利要求1或4所述的基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，其特征在于：所述的第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器采用INA122运算放大器芯片。

8.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统，其特征在于：所述GPS模块(9)为野火NEO-6M GPS模块。

9.一种根据权利要求1所述的基于加速度传感器的车载式路面不平度采集系统的工作方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)加速度传感器(3)通过强磁力吸附于汽车靠近左后轮的悬架上，打开一级稳压电路(1)开关S1，加速度传感器(3)采集X、Y、Z三轴加速度信号输入至信号处理电路(4)；

(2)采集的加速度信号分别进入信号处理电路(4)各个运算放大器的差分正输入端，调节各个运算放大器差分负输入端的可调电阻，从而调节对地电压，改变运算放大器的输出电压，使其输出到单片机(5)的电压在AD转换范围之内；

(3)信号处理电路(4)输出的模拟量信号，通过单片机(5)进行模数转化，单片机(5)通过串口将转换后的数字信号传输至蓝牙发送模块(6)；

(4)蓝牙接收模块(7)连接上位机(8)，上位机(8)根据蓝牙配置自动为其分配串口，设置上位机(8)蓝牙串口的相关参数，和蓝牙发送模块(6)进行匹配连接；

(5)GPS模块(9)定位当前路段，通过串口将当前地理位置信息发送至蓝牙发送模块(6)，蓝牙发送模块(6)无线传输至蓝牙接收模块(7)，由蓝牙接收模块(7)发送至上位机(8)存储；

(6)在需要测量路面不平度的路段开动汽车，加速度传感器(3)稳定工作一段时间后，进行三轴的加速度信息采集，并发送至上位机(8)；上位机(8)通过程序显示实时数据并进行存储，记录在相应GPS地理位置信息下；采集完毕后，上位机(8)通过图表显示完整信息，同时计算出该路段的加速度样本曲线的均值和标准差信息；

(7)由以上该路段加速度样本曲线通过AR建模得出功率谱密度曲线图，并通过功率谱密度计算得出路面不平度指数IRI值；

(8)通过与国际标准IRI值对比，得出之前采集路面的等级，进行等级划分与路面评定。