CN106052643A - 一种汽车用实时坡度传感器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车用实时坡度传感器，其在处理器、CAN通信模块的基础上增设了运动处理模块与车速测量器，运动处理模块包括加速度计、陀螺仪，其中，运动处理模块能给处理器实时提供XYZ三方向上的加速度测量值、绕XYZ三轴的倾角测量值，车速测量器能给处理器提供实时的车速信号；使用时，先对车速信号进行处理以得到等效坡度值，同时，对加速度测量值进行处理以得到倾角，再用倾角、等效坡度值进行一次修正，然后用绕XYZ三轴的倾角测量值、一次修正值进行二次修正以得到最终输出的坡度信号。本发明不仅适合于动态测量、精确度较高，利于提高车辆行驶的动力性与经济性，而且兼容性较强、成本很低，易于推广应用。

Description

一种汽车用实时坡度传感器及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种车用传感器，属于汽车上使用的传感器技术领域，尤其涉及一种汽车用实时坡度传感器及其使用方法，具体适用于在汽车行驶过程中对车载坡度进行高精度的动态测量。

背景技术

传统的机械式自动变速箱（AMT）系统，因无法获取坡度信号，其换挡策略仅依据车速和油门信号这两个参数来计算变速箱目标档位，在多变的道路工况中，两参数换挡策略过于机械化，以二参数换挡策略计算变速箱目标档位，在要保证车辆在坡道路面的动力性时，而无法兼顾燃油经济性，在要提升车辆燃油经济性，则无法保证坡道路面的行驶动力性，甚至可能产生循环换挡现象。

申请公布号为CN103353299A，申请公布日为2013年10月16日的发明专利申请公开了一种高精度车载道路坡度检测装置及方法，该装置由主控节点和多个检测节点组成，它们均挂接在车载CAN总线上，使用时，检测节点以地表水平面作为参考平面，通过三轴加速度传感器的输出值计算与参考平面倾角，并通过CAN总线将其发送给主控节点，主控节点通过轮询的方式收集检测节点数据，然后对其依次进行疏失误差剔除、最小二乘法拟合和卡尔曼滤波等融合处理，获得车体行驶道路坡度的最优估计值。虽然该发明能够计算出车载道路的坡度，但其仍旧具有以下缺陷：

首先，该设计没有引入车速信号这个参数，导致其主要用途只能是计算出车辆静态时，车辆所在位置的坡度，而当车辆处于动态时，其对坡度的测量精度大大降低；

其次，该设计需要在车身上增设多个检测节点，不仅增加了零部件的数量与安装难度，提高了应用成本，而且在使用中，需要协调多个测量数据，处理方式繁琐，易降低其测量精确度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不适合动态测量、精确度较低的缺陷与问题，提供一种适合于动态测量、精确度较高的汽车用实时坡度传感器及其使用方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种汽车用实时坡度传感器，包括处理器、CAN通信模块、其余模块与电源模块，所述电源模块的输出端与处理器、CAN通信模块、其余模块的进电端进行电连接，所述处理器的信号输入端与CAN通信模块、其余模块的信号输出端进行信号连接；

所述其余模块是运动处理模块，该运动处理模块包括一块芯片及其上所集成的加速度计、陀螺仪，所述CAN通信模块的信号输入端与车速测量器进行信号连接。

所述CAN通信模块通过CAN总线与车速测量器信号连接，所述处理器通过IIC总线与运动处理模块信号连接。

所述车速测量器为变速箱控制单元。

所述处理器为内嵌式处理器，其采取的芯片的型号为STM32F103；所述运动处理模块中采取的芯片的型号为MPU6050。

所述电源模块的输入电压为5伏，输出电压为3.3伏。

一种上述汽车用实时坡度传感器的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：

第一步：先由处理器通过CAN通信模块读取车速测量器采集到的车速信号，再对采集到的车速信号进行处理以得到等效坡度值；

第二步：在第一步进行的同时，处理器对运动处理模块中加速度计采集到的XYZ三方向上的加速度测量值进行处理以得到倾角；

第三步：先用第二步中的倾角减去第一步中的等效坡度值以得到一次修正值，同时，处理器通过运动处理模块读取陀螺仪绕XYZ三轴的倾角测量值，再用所述倾角测量值对一次修正值进行二次修正以得到二次修正值，该二次修正值即为最终输出的坡度信号。

所述第一步中，所述对采集到的车速信号进行处理以得到等效坡度值是指：处理器先根据采集到的车速信号建立一个数组，一个车速信号对应数组中的一个数据，并对数组中的数据进行FIFO操作，再分别对数组中前一半和后一半的数据进行均值滤波，然后将所得的两个滤波值相减，再除以时间，以计算出车辆纵向加速度，然后用车辆纵向加速度反算出等效坡度值。

所述对数组中的数据进行FIFO操作是指：以采集到的车速信号作为数据，数据按照先后顺序存入数组，每新接收一个数据，数组内的数据往前移动一位，新数据存入数组末尾，数组存满后，每次移动，都会将数组头部的那一个数据删除，从而在数组末尾为新收到的数据提供空间。

所述第二步中，所述处理器对运动处理模块中加速度计采集到的XYZ三方向上的加速度测量值进行处理以得到倾角是指：处理器先通过运动处理模块读取加速度计在XYZ三方向上的加速度测量值，再对所述XYZ三方向上的加速度测量值进行均值滤波，然后利用四元数计算法，将XYZ三方向上的加速度折算成倾角。

所述第三步中，所述二次修正的方式为加权平均算法，即给陀螺仪测量的倾角测量值X一个权重系数a，给一次修正值Y一个权重系数b，权重系数满足a<b，a+b=1，则输出的二次修正值为aX+bY。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种汽车用实时坡度传感器及其使用方法中，在处理器、CAN通信模块的基础上增设了运动处理模块，该运动处理模块包括一块芯片及其上所集成的加速度计、陀螺仪，同时，还通过车速测量器引入了车速信号，使用时，运动处理模块能给处理器实时提供XYZ三方向上的加速度测量值、XYZ三轴的倾角测量值，车速测量器能给处理器提供实时的车速信号，从而充分反映车辆的实时动态情况，利于处理器对其数据处理后获取精确度较高的坡度信号，进而对换挡策略进行动态调整，满足驾驶员对换挡的动力性、经济性的要求，使得车辆既能保证平原高速工况的经济性，同时可以兼顾丘陵工况的动力性，能够大大提升车辆性能及增强驾驶舒适性。因此，本发明不仅适合于动态测量，精确度较高，而且利于对换挡策略进行动态调整，提高车辆行驶的动力性、经济性。

2、本发明一种汽车用实时坡度传感器及其使用方法中，对零部件的具体类型，以及信号传递的通信方式都有进一步的要求，其优点分别如下：首先，CAN通信模块、车速测量器之间通过CAN总线传递信号，处理器、运动处理模块之间通过IIC总线传递信号，该设计既能与整车的布线进行兼容，降低安装难度，而且利于提高信号的传递效率，增强数据处理的精确度；其次，车速测量器采用变速箱控制单元，该设计能够获取更准确的车速信号，利于提高数据处理的精确度；再次，处理器为内嵌式处理器，且采取的芯片的型号为STM32F103，运动处理模块中采取的芯片的型号为MPU6050，该设计不仅能够增强数据运算功能，而且易与整车原本的数据处理部件相兼容，利于提高数据的精确度。因此，本发明不仅精确度较高，而且兼容性较强。

3、本发明一种汽车用实时坡度传感器及其使用方法中，在进行数据处理时，一共进行了两次修正，第一次用倾角减去等效坡度值，第二次是对倾角测量值、一次修正值进行加权平均计算以得到二次修正值，即为最终输出的坡度信号，这种数据处理方式不仅通过两次修正提高了最终数据的精确度，而且每次修正的操作步骤都目标性很强、操作脉络清晰，大大降低了失误率以及繁冗信号的干扰。因此，本发明的精确度较高。

4、本发明一种汽车用实时坡度传感器及其使用方法中，在对数据进行处理时，采用了多种优化的处理方式，如数组、FIFO操作、均值滤波、反算、四元数计算法、加权平均算法，这些数据处理方式的优化能够在原本较高精确度的基础上，进一步的提高最终坡度信号的精确度。因此，本发明的精确度较高。

5、本发明一种汽车用实时坡度传感器及其使用方法中，与现有技术相比，只需增设一个传感器，只需采用一个测量点即可，数量少，易安装，成本更低。因此，本发明的成本很低，易于推广应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的工作流程图。

图中：处理器1、CAN通信模块2、运动处理模块3、加速度计31、陀螺仪32、电源模块4、车速测量器5。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1与图2，一种汽车用实时坡度传感器，包括处理器1、CAN通信模块2、其余模块与电源模块4，所述电源模块4的输出端与处理器1、CAN通信模块2、其余模块的进电端进行电连接，所述处理器1的信号输入端与CAN通信模块2、其余模块的信号输出端进行信号连接；所述其余模块是运动处理模块3，该运动处理模块3包括一块芯片及其上所集成的加速度计31、陀螺仪32，所述CAN通信模块2的信号输入端与车速测量器5进行信号连接。

所述CAN通信模块2通过CAN总线与车速测量器5信号连接，所述处理器1通过IIC总线与运动处理模块3信号连接。

所述车速测量器5为变速箱控制单元。

所述处理器1为内嵌式处理器，其采取的芯片的型号为STM32F103；所述运动处理模块3中采取的芯片的型号为MPU6050。

所述电源模块4的输入电压为5伏，输出电压为3.3伏。

一种上述汽车用实时坡度传感器的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：

第一步：先由处理器1通过CAN通信模块2读取车速测量器5采集到的车速信号，再对采集到的车速信号进行处理以得到等效坡度值；

第二步：在第一步进行的同时，处理器1对运动处理模块3中加速度计31采集到的XYZ三方向上的加速度测量值进行处理以得到倾角；

第三步：先用第二步中的倾角减去第一步中的等效坡度值以得到一次修正值，同时，处理器1通过运动处理模块3读取陀螺仪32绕XYZ三轴的倾角测量值，再用所述倾角测量值对一次修正值进行二次修正以得到二次修正值，该二次修正值即为最终输出的坡度信号。

所述第一步中，所述对采集到的车速信号进行处理以得到等效坡度值是指：处理器1先根据采集到的车速信号建立一个数组，一个车速信号对应数组中的一个数据，并对数组中的数据进行FIFO操作，再分别对数组中前一半和后一半的数据进行均值滤波，然后将所得的两个滤波值相减，再除以时间，以计算出车辆纵向加速度，然后用车辆纵向加速度反算出等效坡度值。

所述对数组中的数据进行FIFO操作是指：以采集到的车速信号作为数据，数据按照先后顺序存入数组，每新接收一个数据，数组内的数据往前移动一位，新数据存入数组末尾，数组存满后，每次移动，都会将数组头部的那一个数据删除，从而在数组末尾为新收到的数据提供空间。

所述第二步中，所述处理器1对运动处理模块3中加速度计31采集到的XYZ三方向上的加速度测量值进行处理以得到倾角是指：处理器1先通过运动处理模块3读取加速度计31在XYZ三方向上的加速度测量值，再对所述XYZ三方向上的加速度测量值进行均值滤波，然后利用四元数计算法，将XYZ三方向上的加速度折算成倾角。

所述第三步中，所述二次修正的方式为加权平均算法，即给陀螺仪32测量的倾角测量值X一个权重系数a，给一次修正值Y一个权重系数b，权重系数满足a<b，a+b=1，则输出的二次修正值为aX+bY。

本发明的原理说明如下：

本发明的目的是在现有的换挡策略仅依靠车速、油门这两个参数的基础上，增加一个新的参数——坡度信号，从而克服现有技术中存在的在多变的道路工况中，两参数换挡策略过于机械化，无法兼顾动力性与燃油经济性，甚至产生循环换挡现象的缺陷。当引入坡度信号作为换挡策略的输入参数之后，就能够动态调整换挡策略以应对驾驶员的动力性需求，坡度作为换挡参数后，车辆既能保证平原高速工况的经济性，同时可以兼顾丘陵工况的动力性，对于提升车辆性能及增强驾驶舒适性，有着很好的作用。

由上可知，坡度信号是为动态调整换挡策略服务的，这就要求坡度信号的精确度必须很高，而且必须是动态的，是实时的信号。为此，本发明在硬件上增设了运动处理模块与车速测量器，其中，运动处理模块内的加速度计、陀螺仪能够获取即时的XYZ三方向上的加速度测量值、XYZ三轴的倾角测量值，车速测量器能够获取即时的车速信号，从而确保本发明最终获取动态的、高精度的坡度信号。

车速测量器：采取变速箱控制单元（transmission control unit）时的精确度最高。

电源模块：是为了给处理芯片提供合适的工作电压，并不限定其提供的具体的电压值。目前，常用的情况是输入电压为5伏，输出电压为3.3伏，这是与常规的处理器及各种模块内芯片的工作电压一般都是3.3V相吻合的，用5V会烧毁芯片。

实施例1：

参见图1与图2，一种汽车用实时坡度传感器，包括处理器1、CAN通信模块2、运动处理模块3与电源模块4，所述电源模块4的输出端与处理器1、CAN通信模块2、运动处理模块3的进电端进行电连接，所述处理器1的信号输入端与CAN通信模块2、运动处理模块3的信号输出端进行信号连接， CAN通信模块2的信号输入端与车速测量器5进行信号连接，且运动处理模块3包括一块芯片及其上所集成的加速度计31、陀螺仪32。

一种上述汽车用实时坡度传感器的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：

第一步：先由处理器1通过CAN通信模块2读取车速测量器5采集到的车速信号，再对采集到的车速信号进行处理以得到等效坡度值；

第二步：在第一步进行的同时，处理器1对运动处理模块3中加速度计31采集到的XYZ三方向上的加速度测量值进行处理以得到倾角；

第三步：先用第二步中的倾角减去第一步中的等效坡度值以得到一次修正值，同时，处理器1通过运动处理模块3读取陀螺仪32绕XYZ三轴的倾角测量值，再用所述倾角测量值对一次修正值进行二次修正以得到二次修正值，该二次修正值即为最终输出的坡度信号。

实施例2：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

所述CAN通信模块2通过CAN总线与车速测量器5信号连接，所述处理器1通过IIC总线与运动处理模块3信号连接。所述车速测量器5为变速箱控制单元。所述处理器1为内嵌式处理器，其采取的芯片的型号为STM32F103；所述运动处理模块3中采取的芯片的型号为MPU6050。所述电源模块4的输入电压为5伏，输出电压为3.3伏。

实施例3：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

所述第一步中，所述对采集到的车速信号进行处理以得到等效坡度值是指：处理器1先根据采集到的车速信号建立一个数组，一个车速信号对应数组中的一个数据，并对数组中的数据进行FIFO操作，再分别对数组中前一半和后一半的数据进行均值滤波，然后将所得的两个滤波值相减，再除以时间，以计算出车辆纵向加速度，然后用车辆纵向加速度反算出等效坡度值。

所述对数组中的数据进行FIFO操作是指：以采集到的车速信号作为数据，数据按照先后顺序存入数组，每新接收一个数据，数组内的数据往前移动一位，新数据存入数组末尾，数组存满后，每次移动，都会将数组头部的那一个数据删除，从而在数组末尾为新收到的数据提供空间。

实施例4：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

所述第二步中，所述处理器1对运动处理模块3中加速度计31采集到的XYZ三方向上的加速度测量值进行处理以得到倾角是指：处理器1先通过运动处理模块3读取加速度计31在XYZ三方向上的加速度测量值，再对所述XYZ三方向上的加速度测量值进行均值滤波，然后利用四元数计算法，将XYZ三方向上的加速度折算成倾角。

实施例5：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

所述第三步中，所述二次修正的方式为加权平均算法，即给陀螺仪32测量的倾角测量值X一个权重系数a，给一次修正值Y一个权重系数b，权重系数满足a<b，a+b=1，则输出的二次修正值为aX+bY。

Claims (10)

1.一种汽车用实时坡度传感器，包括处理器（1）、CAN通信模块（2）、其余模块与电源模块（4），所述电源模块（4）的输出端与处理器（1）、CAN通信模块（2）、其余模块的进电端进行电连接，所述处理器（1）的信号输入端与CAN通信模块（2）、其余模块的信号输出端进行信号连接，其特征在于：

所述其余模块是运动处理模块（3），该运动处理模块（3）包括一块芯片及其上所集成的加速度计（31）、陀螺仪（32），所述CAN通信模块（2）的信号输入端与车速测量器（5）进行信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种汽车用实时坡度传感器，其特征在于：所述CAN通信模块（2）通过CAN总线与车速测量器（5）信号连接，所述处理器（1）通过IIC总线与运动处理模块（3）信号连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种汽车用实时坡度传感器，其特征在于：所述车速测量器（5）为变速箱控制单元。

4.根据权利要求1或2所述的一种汽车用实时坡度传感器，其特征在于：所述处理器（1）为内嵌式处理器，其采取的芯片的型号为STM32F103；所述运动处理模块（3）中采取的芯片的型号为MPU6050。

5.根据权利要求1或2所述的一种汽车用实时坡度传感器，其特征在于：所述电源模块（4）的输入电压为5伏，输出电压为3.3伏。

6.一种权利要求1所述的汽车用实时坡度传感器的使用方法，其特征在于所述使用方法包括以下步骤：

第一步：先由处理器（1）通过CAN通信模块（2）读取车速测量器（5）采集到的车速信号，再对采集到的车速信号进行处理以得到等效坡度值；

第二步：在第一步进行的同时，处理器（1）对运动处理模块（3）中加速度计（31）采集到的XYZ三方向上的加速度测量值进行处理以得到倾角；

第三步：先用第二步中的倾角减去第一步中的等效坡度值以得到一次修正值，同时，处理器（1）通过运动处理模块（3）读取陀螺仪（32）绕XYZ三轴的倾角测量值，再用所述倾角测量值对一次修正值进行二次修正以得到二次修正值，该二次修正值即为最终输出的坡度信号。

7.根据权利要求6所述的一种汽车用实时坡度传感器的使用方法，其特征在于：所述第一步中，所述对采集到的车速信号进行处理以得到等效坡度值是指：

处理器（1）先根据采集到的车速信号建立一个数组，一个车速信号对应数组中的一个数据，并对数组中的数据进行FIFO操作，再分别对数组中前一半和后一半的数据进行均值滤波，然后将所得的两个滤波值相减，再除以时间，以计算出车辆纵向加速度，然后用车辆纵向加速度反算出等效坡度值。

8.根据权利要求7所述的一种汽车用实时坡度传感器的使用方法，其特征在于：所述对数组中的数据进行FIFO操作是指：以采集到的车速信号作为数据，数据按照先后顺序存入数组，每新接收一个数据，数组内的数据往前移动一位，新数据存入数组末尾，数组存满后，每次移动，都会将数组头部的那一个数据删除，从而在数组末尾为新收到的数据提供空间。

9.根据权利要求6所述的一种汽车用实时坡度传感器的使用方法，其特征在于：所述第二步中，所述处理器（1）对运动处理模块（3）中加速度计（31）采集到的XYZ三方向上的加速度测量值进行处理以得到倾角是指：

处理器（1）先通过运动处理模块（3）读取加速度计（31）在XYZ三方向上的加速度测量值，再对所述XYZ三方向上的加速度测量值进行均值滤波，然后利用四元数计算法，将XYZ三方向上的加速度折算成倾角。

10.根据权利要求6所述的一种汽车用实时坡度传感器的使用方法，其特征在于：所述第三步中，所述二次修正的方式为加权平均算法，即给陀螺仪（32）测量的倾角测量值X一个权重系数a，给一次修正值Y一个权重系数b，权重系数满足a<b，a+b=1，则输出的二次修正值为aX+bY。