CN104897135A - 一种路面坡度获取方法以及路面坡度获取系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及路面坡度获取方法以及路面坡度获取系统。该方法是利用车辆上安装的加速度传感器和车速传感器获取的信号来计算路面坡度的方法，包括下述步骤：滤波加速度信号获取步骤，利用所述加速度传感器获取车辆行驶方向的加速度并且对该加速度进行滤波，获得车辆的滤波加速度信号A；运动加速度信号获取步骤，根据所述车速传感器获取车辆速度并根据车辆速度计算得到车辆的运动加速度信号a；路面坡度获取步骤，根据所述滤波加速度信号A和所述运动加速度信号a，按照规定计算方法获得路面坡度α。根据本发明能够使用较少的传感器连续动态地获取路面坡度，具有成本低、实现简单的优点。

Description

一种路面坡度获取方法以及路面坡度获取系统

技术领域

本发明涉及一种用于获取路面坡度的方法以及系统，具体地涉及能够连续动态地获取道路、铁路等路面坡度的路面坡度获取方法以及路面坡度获取系统。

背景技术

在现有技术中，路面坡度获取多依靠静态测量，而静态测量无法实现大量路面坡度快速连续地测量。利用汽车等车辆作为平台，测量车辆所行驶路面的路面坡度是一种实现快速连续测量的途径。但是由于车辆行驶存在加减速，是一种动态的过程，所以静态测量方法已经不再适用，而必须使用动态测量方法。

当前已知的动态测量路面坡度的方法，都是基于繁多的传感器甚至专用传感器，如激光传感器、惯性导航仪。例如，在专利文献1（CN102252659B）中公开了一种基于激光传感器的车载式道路路面坡度测量方法。具体地，公开了下述方案：在车辆的质心位置安装陀螺仪，通过陀螺仪实时测量车身平面与水平基准面之间的角度值；在车身前后端的左右两侧对称安装有激光位移传感器，通过四个激光位移传感器实时测量车身平面在这四点位置处距离道路路面的位移值；任取三个激光位移传感器测得的位移值通过几何技术即可得出道路路面的横坡角度和纵坡角度。

在上述专利文献1中，为了测量路面坡度，需要采用陀螺仪以及四个激光位移传感器，因此，存在传感器数量多、成本高、测量的设置繁复的问题。

 

发明内容

鉴于上述问题，本发明旨在提供一种所使用的传感器数少、成本低且实现简单的路面坡度获取方法以及路面坡度获取系统。

本发明的路面坡度获取方法，是利用车辆上安装的加速度传感器和车速传感器获取的信号来计算路面坡度的方法，其特征在于，包括下述步骤：

滤波加速度信号获取步骤，利用所述加速度传感器获取车辆行驶方向的加速度并且对该加速度进行滤波，获得车辆的滤波加速度信号A；

运动加速度信号获取步骤，根据所述车速传感器获取车辆速度并根据车辆速度计算得到车辆的运动加速度信号a；

路面坡度获取步骤，根据所述滤波加速度信号A和所述运动加速度信号a，按照下述公式计算获得路面坡度α， 

其中，g为重力加速度。

优选地，在所述滤波加速度信号获取步骤中，利用所述加速度传感器获取车辆行驶方向的加速度并且对该加速度进行第一滤波处理以去除高频部分。

优选地，在所述运动加速度信号获取步骤中，根据所述车速传感器获取车辆速度并根据车辆速度计算得到车辆的运动加速度信号，将对该运动加速度信号进行第二滤波处理后得到的运动加速度信号作为运动加速度信号a。

优选地，在所述运动加速度信号获取步骤中，根据下述公式计算车辆的运动加速度信号a，

其中，t₁为时刻1的时间，t₂为时刻2的时间，v₁为利用车速传感器测得的时刻1的车速，v₂为利用车速传感器测得的时刻2的车速。

优选地，还具备下述步骤：

路面坡度滤波步骤，对所述计算获得的路面坡度α进一步进行第三滤波处理。

优选地，在所述第一滤波处理为一阶数字滤波、巴特沃茨滤波、卡尔曼滤波中的任意一种，

在所述第二滤波处理为一阶数字滤波、巴特沃茨滤波、卡尔曼滤波中的任意一种，

在所述第三滤波处理为一阶数字滤波、巴特沃茨滤波、卡尔曼滤波中的任意一种。

优选地，所述t₁与t₂的时间间隔为0.005秒～0.1秒之间。

本发明的路面坡度获取系统，其特征在于，包括：

加速度传感器，用于获取车辆行驶方向的加速度；

车速传感器，用于测量车辆速度；

数据采集计算装置，从所述加速传感器获得所述加速度并且对所述加速度进行滤波，由此获得车辆的滤波加速度信号A，同时从所述GPS模块获得车辆速度，并且根据所述车辆速度计算得到车辆的运动加速度信号a，而且根据所述滤波加速度信号A和所述运动加速度信号a，按照下述公式计算获得路面坡度α， 

其中，g为重力加速度。

优选地，所述加速传感器设置为感受信号方向为汽车前后方向并且设置为水平状态，所述车速传感器为GPS模块。

优选地，所述数据采集装置从所述GPS模块获得车辆速度，并且根据所述车辆速度按照下述公式计算得到车辆的运动加速度信号a ，

其中，t₁为时刻1的时间，t₂为时刻2的时间，v₁为利用加速度传感器测得的时刻1的车速，v₂为利用加速度传感器测得的时刻2的车速。

如上所述，根据上述本发明的路面坡度获取方法以及路面坡度获取系统，通过两个低成本的传感器，利用汽车、火车等车辆作为测量平台，能够连续动态地获得路面坡度，因此，本发明的路面坡度获取方法以及路面坡度获取系统具有所使用的传感器少、成本低、实现简单的优点。

 

附图说明

图1是本发明的路面坡度获取方法的一个实施方式的流程图。

图2是本发明的路面坡度获取系统的构造示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

本发明的路面坡度获取方法是在汽车、火车等车辆上安装加速度传感器和车速传感器。其中，加速度传感器必须能感受重力加速度，即其频响特性从0Hz开始。加速度传感器用来获取车辆前进方向的加速度信号，车速传感器用来获取车辆行驶车速信号。然后通过特定的算法，根据加速度和车速的信号数据计算出道路坡度。

下面对于本发明的坡度获取方法进行说明。

图1是本发明的路面坡度获取方法的一个实施方式的流程图。

如图1所示，本发明的路面坡度获取方法的一个实施方式包括下述步骤：

步骤S101：利用加速度传感器获取车辆行驶方向的加速度；

步骤S102：对利用加速度传感器获取的车辆行驶方向的加速度进行第一滤波处理以去除高频部分，获得车辆的滤波加速度信号A；

步骤S103：利用车速传感器获取车辆速度；

步骤S104：对车速传感器获取的车辆速度进行滤波；

步骤S105：根据步骤S104滤波后的车辆速度，计算得到车辆的运动加速度信号a；

步骤S106： 根据所述滤波加速度信号A和所述运动加速度信号a，按照下述公式1计算获得路面坡度α， 

其中，g为重力加速度；

步骤S107：对上述步骤S106计算获得的路面坡度α进一步进行第三滤波处理以过滤小范围的路面起伏。

在上述步骤S105中，根据下述公式2计算车辆的运动加速度信号a，

    其中，t₁为时刻1的时间，t₂为时刻2的时间，v₁为利用加速度传感器测得的时刻1的车速，v₂为利用加速度传感器测得的时刻2的车速。

这里，在上述步骤S105中，通过车速信号计算得到车辆运动加速度，具体地是将前后时刻即时刻2、时刻1的车速信号v₂、v₁相减再除以时刻2和时刻1的间隔时间t₂- t₁，得到间隔时间内车辆运动的平均加速度。当间隔时间取得很短时，就认为是瞬时加速度，通常间隔时间取0.005秒到0.1秒之间。

在上述步骤S102中，对加速度传感器获得加速度信号进行滤波的目的是将原始信号中的高频部分去掉，得到比较平滑的信号。在本发明中，具体滤波方法不限，常见的滤波方法有一阶数字滤波、巴特沃茨滤波、卡尔曼滤波等，通常使用一阶数字滤波即可。

另外，步骤S104和步骤S107是为了获得更加精确的数值而可选的步骤，然而，即使不实施步骤S104和步骤S107中的处理也能够实现本发明。另一方面，在本发明中，作为步骤S104和步骤S107中采用的具体滤波方法不限，常见的滤波方法有一阶数字滤波、巴特沃茨滤波、卡尔曼滤波等。

这样，根据上述本发明的路面坡度获取方法，通过两个低成本的传感器，利用汽车、火车等车辆作为测量平台，能够连续动态地获得路面坡度，因此，本发明的路面坡度获取方法具有所使用的传感器少、成本低、实现简单的优点。

接着，对于本发明的路面坡度获取系统进行说明。

图2是本发明的路面坡度获取系统的构造示意图。下面参照图2对于本发明的坡度获取系统进行说明。

本发明的路面坡度获取系统包括：加速度传感器100，用于获取车辆行驶方向的加速度；车速传感器200，用于测量车辆速度；数据采集计算装置300，从上述加速传感器100获得所述加速度并且对所述加速度进行滤波，由此获得车辆的滤波加速度信号A，同时从车速传感器200获得车辆速度，并且根据上述车辆速度计算得到车辆的运动加速度信号a，根据上述滤波加速度信号A和上述运动加速度信号a，按照下述公式计算获得路面坡度α， 

其中，g为重力加速度。

在本发明中，加速传感器100设置为感受信号方向为汽车前后方向并且优选地设置为水平状态。这样汽车在没有坡度的路面上静置时，加速度传感器输出为0，或非常接近于0。并且，作为车速传感器200，可以采用GPS模块。

数据采集装置300从车速传感器200获得车辆速度，并且根据车辆速度按照下述公式2计算得到车辆的运动加速度信号a ，

其中，t₁为时刻1的时间，t₂为时刻2的时间，v₁为利用加速度传感器测得的时刻1的车速，v₂为利用加速度传感器测得的时刻2的车速。

作为本发明的路面坡度获取系统一个具体实施方法如下：

在汽车上安装一个单向低频加速度传感器作为加速传感器100，感受信号方向为汽车前后方向，并尽可能使传感器水平。这样汽车在没有坡度的路面上静置时，加速度传感器输出为0，或非常接近于0。然后，再安装GPS模块作为车速传感器200，该GPS模块能够输出汽车运动时的速度。

而且，将加速传感器100和GPS模块分别接入数据采集装置300（例如，eDAQ），并在数据采集装置300的配置文件中加入计算通道，将计算坡度的算法写入（至少包括上述公式1和公式2）其中，由此，数据采集装置300能够实时记录下坡度值。最后，将汽车开到开阔地以确保GPS有信号，启动数据采集装置300开始记录数据，开动汽车，行驶一段距离，期间包含了加速、减速等工况，还开到一段标准坡道上以方便进行验证比较。之后结束数据记录，查看路面坡度值。根据记录下来的路面坡度值与标准坡道的坡度值进行对比发现，其误差不超过8%，说明本发明的方法准确、有效。

如上所述，根据上述本发明的路面坡度获取系统，通过两个低成本的传感器，利用汽车、火车等车辆作为测量平台，能够连续动态地获得路面坡度，因此，本发明的路面坡度获取系统具有所使用的传感器少、成本低、实现简单的优点。

以上例子主要说明了本发明的路面坡度获取方法以及路面坡度获取系统。尽管只对其中一些本发明的具体实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1.一种路面坡度获取方法，是利用车辆上安装的加速度传感器和车速传感器获取的信号来计算路面坡度的方法，其特征在于，包括下述步骤：

滤波加速度信号获取步骤，利用所述加速度传感器获取车辆行驶方向的加速度并且对该加速度进行滤波，获得车辆的滤波加速度信号A；

运动加速度信号获取步骤，根据所述车速传感器获取车辆速度并根据车辆速度计算得到车辆的运动加速度信号a；

路面坡度获取步骤，根据所述滤波加速度信号A和所述运动加速度信号a，按照下述公式计算获得路面坡度α， 

其中，g为重力加速度。

2.如权利要求1所述的路面坡度获取方法，其特征在于，

在所述滤波加速度信号获取步骤中，利用所述加速度传感器获取车辆行驶方向的加速度并且对该加速度进行第一滤波处理以去除高频部分。

3. 如权利要求2所述的路面坡度获取方法，其特征在于，

在所述运动加速度信号获取步骤中，根据所述车速传感器获取车辆速度并根据车辆速度计算得到车辆的运动加速度信号，将对该运动加速度信号进行第二滤波处理后得到的运动加速度信号作为运动加速度信号a。

4.如权利要求3所述的路面坡度获取方法，其特征在于，

在所述运动加速度信号获取步骤中，根据下述公式计算车辆的运动加速度信号a，

其中，t₁为时刻1的时间，t₂为时刻2的时间，v₁为利用车速传感器测得的时刻1的车速，v₂为利用车速传感器测得的时刻2的车速。

5.如权利要求4所述的路面坡度获取方法，其特征在于，还具备下述步骤：

路面坡度滤波步骤，对所述计算获得的路面坡度α进一步进行第三滤波处理。

6. 如权利要求3～5任意一项所述的路面坡度获取方法，其特征在于，

在所述第一滤波处理为一阶数字滤波、巴特沃茨滤波、卡尔曼滤波中的任意一种，

在所述第二滤波处理为一阶数字滤波、巴特沃茨滤波、卡尔曼滤波中的任意一种，

在所述第三滤波处理为一阶数字滤波、巴特沃茨滤波、卡尔曼滤波中的任意一种。

7.如权利要求6所述的路面坡度获取方法，其特征在于，

所述t₁与t₂的时间间隔为0.005秒～0.1秒之间。

8.一种路面坡度获取系统，其特征在于，包括：

加速度传感器，用于获取车辆行驶方向的加速度；

车速传感器，用于测量车辆速度；

数据采集计算装置，从所述加速传感器获得所述加速度并且对所述加速度进行滤波，由此获得车辆的滤波加速度信号A，同时从所述GPS模块获得车辆速度，并且根据所述车辆速度计算得到车辆的运动加速度信号a，而且根据所述滤波加速度信号A和所述运动加速度信号a，按照下述公式计算获得路面坡度α， 

其中，g为重力加速度。

9.如权利要求8所述的路面坡度获取系统，其特征在于，

所述加速传感器设置为感受信号方向为汽车前后方向并且设置为水平状态，

所述车速传感器为GPS模块。

10. 如权利要求9所述的路面坡度获取系统，其特征在于，

所述数据采集装置从所述GPS模块获得车辆速度，并且根据所述车辆速度按照下述公式计算得到车辆的运动加速度信号a ，

其中，t₁为时刻1的时间，t₂为时刻2的时间，v₁为利用加速度传感器测得的时刻1的车速，v₂为利用加速度传感器测得的时刻2的车速。