CN106218329A - 基于无线传感器的车辆参数采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器的车辆参数采集方法，该方法包括：车载监控模块通过传感器获取各车轮的脉冲计数和车辆加速度数据，得到各车轮和正常胎压差值的比例阈值，以进行胎压监测和异常警告。本发明提出了一种基于无线传感器的车辆参数采集方法，仅通过现有的传感器元件进行运算处理，在行车过程中有效地动态监测胎压，节约硬件成本并提高运算准确率。

Description

基于无线传感器的车辆参数采集方法

技术领域

本发明涉及车辆控制，特别涉及一种基于无线传感器的车辆参数采集方法。

背景技术

随着我国汽车数量的不断增长，汽车行驶的安全性变得越来越重要。而确保汽车各个部件状态在规定允许的范围内工作对促进节能减排具有重要意义。特别在胎压监测方面，无线胎压监测系统已成为提升安全行车、节能行车与智能行车的一个主要研究方向。监测系统在车辆行驶时自动地监测轮胎压力，当发现轮胎处于异常状况时进行警告，促使驾驶员采取有效措施，避免发生危险，还可有效避免油耗增加，确保车辆最佳操控性和舒适性。然而在现有技术中，胎压监测系统多通过信号采集系统采集车轮转速脉冲计数据，但需要外加信号处理模块，并且在车速过高时无法准确地监测胎压。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种基于无线传感器的车辆参数采集方法，包括：

车载监控模块通过传感器获取各车轮的脉冲计数和车辆加速度数据，得到各车轮和正常胎压差值的比例阈值，以进行胎压监测和异常警告。

优选的，所述车载监控模块包括无线通信层、传感层和应用层；无线通信层建立和车辆通信的通道，处理通信时序，完成信息交互，对车载监控模块标准支持的协议进行解析；所述传感层获取有效的车辆数据，以进行胎压监测核心算法的处理；应用层按照软件制定的各个模块，执行系统设定的相关功能，包括：信息收集模块、加速度定标及采集模块、车轮转速数据采集模块、轮胎自检模块、行驶状况等级模块、胎压监测运算模块和警告输出模块；每个进程的实现均基于相对应设备的驱动程序；

车辆启动时，胎压检测系统自休眠状态中被唤醒，开始进行系统自检，若系统硬件正常，车载监控模块和加速度传感器输出正常，则系统开始工作；初次使用时，用户选择是否进行轮胎定标，消除非胎压因素对车轮转速数据的影响；当车辆速度在系统工作范围内且处于平稳行驶状态时，系统进入训练学习阶段，并进行车轮转速数据信号的统一化处理；获取通过车载串行总线输出的车轮转速数据、车辆的行车数据、从加速度传感器输出的各轴加速度，作为行驶状况的判断依据；删除无效数据，对数据进行分段求和，再通过均值计算处理，实现胎压异常的识别；根据不同的行驶状况，选择合适的胎压监测算法；在胎压判定为异常的情况下，进行警告输出；

其中在系统自检过程中，采集电源电压，判断其是否是在正常电压范围之内，其次，监测与汽车电子控制单元是否正常通信，系统的单片机向汽车的电子控制单元发送初始化指令；若电子控制单元有响应，则自检成功；若电子控制单元在预定时间内无响应，则自检失败，系统进行重启；监测加速度传感器是否正常工作，读取当前测量的各轴加速度，若读取的加速度在允许范围内，确定其正常工作；若超出允许范围，则连续读取三次；三次均超出允许范围，确定加速度传感器异常，进行警告输出；最后，向显示屏发送初始化指令，若收到响应，则证明显示屏正常；若无响应，则确定显示屏异常，进行警告输出。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

本发明提出了一种基于无线传感器的车辆参数采集方法，仅通过现有的传感器元件进行运算处理，在行车过程中有效地动态监测胎压，节约硬件成本并提高运算准确率。

附图说明

图1是根据本发明实施例的基于无线传感器的车辆参数采集方法的流程图。

具体实施方式

下文与图示本发明原理的附图一起提供对本发明一个或者多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。

本发明的一方面提供了一种基于无线传感器的车辆参数采集方法。图1是根据本发明实施例的基于无线传感器的车辆参数采集方法流程图。

本发明提出了基于车轮转速数据的胎压监测方法，选择车轮转速信号作为胎压监测的原始数据，从通过车载总线读出的车轮转速数据，结合多传感器多参数算法排除行驶状况干扰，删除影响胎压监测的无效数据；建立监测胎压的算法模型和胎压不足判断准则，对警告阈值进行确定，确定警告机制，实现数据采集、算法处理和警告输出。车载监控模块包括无线通信层、传感层和应用层。无线通信层建立和车辆通信的通道，处理通信时序，完成信息交互。无线通信层需对车载监控模块标准支持的协议进行解析，使该系统可以满足当前符合车载监控模块标准的车型。传感层制定完善的对外通信标准，以满足稳定可靠数据传输的需要，保证可获取到正确的、有效的车辆数据，以便胎压监测系统进行胎压监测核心算法的处理，并最终输出胎压结果。应用层是按照软件制定的各个模块，执行系统设定的相关功能，包括：信息收集模块、加速度定标及采集模块、车轮转速数据采集模块、轮胎自检模块、行驶状况等级模块、胎压监测运算模块和警告输出模块。每个进程的实现均基于相对应设备的驱动程序。

本发明胎压监测系统是基于车轮转速数据对胎压实现监测的。汽车在行驶过同等距离时，各车轮滚动经过的圈数与其滚动半径成反比，车轮转速与其滚动半径成反比。车轮上安装的转速传感器发出的脉冲计数与其滚动半径也成反比。胎压监测系统进行异常警告，是通过消除非胎压因素，确定与统一化处理校正后，确定各个轮胎的初始条件一致，则校正处理后的车轮转速或处理后的转速传感器脉冲计数与该车轮的轮胎压力成反比。此时，测得各轮的脉冲计数，得到各轮气压的关系。根据胎压不足的轮胎和正常轮胎差值的比例阈值即反映两轮的气压差。

每次车辆启动时，系统自休眠状态中被唤醒，开始进行系统自检，若系统硬件正常，车载监控模块和加速度传感器输出正常，则系统开始工作；初次使用时，用户选择是否进行轮胎定标，使系统消除非胎压因素对车轮转速数据的影响；当车辆速度在系统工作范围内且处于平稳行驶状态时，系统进入训练学习阶段，并进行车轮转速数据信号的统一化处理，消除前后轮胎压正常时的要求不一致，轮胎磨损等对胎压监测精度的影响；获取通过车载串行总线输出的车轮转速数据；车辆的行车数据，包含车速，转向信号等；从加速度传感器输出的各轴加速度，以此为作为行驶状况的判断依据；根据速度在时间特性的变化上，删除无效数据，对数据进行分段求和，之后再通过均值计算处理，实现胎压异常的识别；根据不同的行驶状况，选择合适的胎压监测算法；在胎压判定为异常的情况下，进行警告输出，提醒驾驶员注意及时采取措施。

在系统自检过程中，包含检查电源电压是否正常，系统是否可与电子控制单元通信，加速度传感器是否正常工作，显示屏是否正常显示。车辆的发动机点火之后系统进入自检模式，首先，系统采集电源电压，判断其是否是在正常电压范围之内，其次，监测与汽车电子控制单元是否正常通信，系统的单片机向汽车的电子控制单元发送初始化指令。若电子控制单元有响应，则自检成功；若电子控制单元在预定时间内无响应，则自检失败，系统进行重启；监测加速度传感器是否正常工作，读取当前测量的各轴加速度。若读取的加速度在允许范围内，确定其正常工作；若超出允许范围，则连续读取三次；三次均超出允许范围，确定加速度传感器异常，进行警告输出；最后，向显示屏发送初始化指令，若收到响应，则证明显示屏正常；若无响应，则确定显示屏异常，进行警告输出。

接下来，根据从车载监控模块获取的车辆数据和从加速度传感器获取的车辆各轴加速度，来判断行驶状况，根据不同的行驶状况，决定胎压监测的过程。

设前后向加速度为a_x，横向加速度为a_y，垂直加速度为a_z，各加速度的权重系数为k₁,k₂,k₃，加速度阈值设定为Ta，g为重力加速度，则：

T_a＝k₁|a_x|+k₂|a_y|+k₃|(a_z-g)|

当T_a超过设定阈值时，则确定车辆处于加减速、颠簸或转弯状态，则丢弃掉当前采样点。并将有转向灯信号时间段内的所有采样点均丢弃。

并且车速v满足，v_L<v<v_H

v_L，v_H分别为胎压监测系统进行工作的最低和最高车速。

从车载监控模块接口获取到各车轮的转速数据，根据行驶状况信息丢弃掉不适合进行胎压监测的无效点后，经过筛选之后进行分段存储。根据各个车速区间的不同，把有效点进行分类后，存储为n个数组为一组的数据，连续存储3组后，缓存器进行溢出处理。溢出后系统先进行滤波处理，删除噪声点，之后连续三次判断某车轮是否为胎压不足状态。若某车轮连续三次均处于胎压不足状态，则进行漏气速度的加速度计算。若此值超过预设阈值，则判定其为快速漏气；反之，则为慢速漏气。确定某轮的胎压不足状态后，根据不同的状态进行不同的警告输出。

具体地，依据速度在时间特性的变化上，进行分段求和，提高系统进行胎压监测的精度与准确性。假定车轮转速在微小时间段内保持不变，设微小单位时间段为T。D_ij(i＝1,2,3,…...,8，j＝1,2,3,…...,3n)为采集到的车轮转速样本值。各采样点在微小时间段T附近行驶的距离为

S_ij＝D_ijT

式中S_ij为各采样点附近时间行驶的距离，n为采样时间段所采集的有效点个数；

采样点采集满3n之后，将采集点以n为一段分成3段，计算各段的平均角速度任意一段的平均角速度用表示。

式中r_c为车轮滚动半径。

在采样时将速度按10千米/时为单位划分为区间，然后把各个样点放入各区间对应的存储区。因采样点的不连续性，需要计算每n个点的区间平均速度v_k为：

v_ij为车速传感器采集到的车速样本值

为了减少轮胎差异引入的误差，在计算胎压之前对车轮转速信号进行统一化处理，得到每个车轮相同的特征参数，该统一化处理就是将车轮原始脉冲计数N_i乘以各自对应的脉冲计数的校正系数k_i，转化为标准脉冲计数SN_i，即通过以下公式进行计算：

SN_i＝k_i·N_i＝1800Zk_iA_i/πvnT i＝1,2,3,4

其中A_i为车轮标准n个周期的旋转角值；v为平均车速；Z为齿轮的齿数；T为预定义标准周期。

计算第i个轮胎标准脉冲计数与实际脉冲计数的误差并获得旋转角度误差ΔN_i：

${\mathrm{\&Delta;N}}_i=\left|\frac{{\mathrm{SN}}_i-N_i}{N_i}\right|$

当所有车轮均为正常胎压时求得ΔN_i≤2％时，确定数据正确，将k_i作为各轮的脉冲计数的校正系数。

将第i个车轮旋转角与其它三轮旋转角均值的比较。计算除第i轮之外的其它三个轮胎的旋转角的均值ā_i：

且i≠j

然后获取第i轮的旋转角与其它三轮旋转角均值的相对误差

$\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_i=\left|\frac{A_i-{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_i}{{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_i}\right|$

当超过预先设定的阈值时，则判定该轮胎的压力异常。

为排除非胎压因素对车轮转速信号数据的影响，采用以下过程对不同车速区间的警告阈值进行定标，来减少系统的误报率。

将车速保持在各车速区间不变，将各个转速传感器发出的原始脉冲计数记录下来，并将其进行统一化处理。然后仅改变单个轮胎的胎压，求得胎压不足的轮胎千米脉冲计数。将胎压不足警告分为三级：即轻度，中度，重度。再转化为比例阈值T_ij，i表示轮胎序号，j表示警告级别，作为最终设定的警告阈值。

在时间特性上，漏气的快慢是依据车轮转速数据的变化量在时间上的变化速率而决定的。根据处理后的车轮转速数据，采集三段由n个采样点组成的数据段并判断是否漏气，若连续三次均判定为漏气，确定该轮胎处于漏气状态，并记录每次的比值ΔN_ik，其中k＝1,2,3表示三次判定。若三次判定均大于轻度漏气阈值T_ik，即：

ΔN_i1＞T_i1

ΔN_i2＞T_i2

ΔN_i3＞T_i3

则该轮判定为漏气。然后判断处于哪一级的漏气状态，计算三次比值的均值：

比较和T_ij，即可得出漏气状态。对不同的胎压不足状态进行不同的声音和图像显示，来告知驾驶员轮胎的状态，提醒驾驶员采取合适的措施。

从三次的胎压变化中提取出轮胎的漏气速率。设漏气速率为h_i，则

h_i＝[(ΔN_i2-ΔN_i1)/ΔN_i2]/2+[(ΔN_i3-ΔN_i2)/ΔN_i2]/2

当h_i超过预设阈值时，表示胎压在这段范围内有明显变化，判定为快速漏气，否则判定为慢速漏气。

本发明的另一可选实施例同时估计每个轮胎的前后向应力Cx和滚动半径R。设置目标函数：

ma＝2Cx(V-Rω)V-ηV²；

m和a分别为车辆的总质量和加速度，V为车速，ω为驱动轮角速度，η为常量系数；将上式记为

E＝ma＝F(T,B)，其中T＝(ω,V)；B＝(Cx,R)

1.选择初始点；x⁽¹⁾＝(Cx,R)，初始步长(SPAN1，SPAN2)>0，e₁＝(1,0),e₂＝(0,1)；步长增量λ>1，步长递减量β∈(0,1)，加速因子θ，分辨率τ，ma初始近似解E_k，二元组T初始近似解T_k，置y⁽¹⁾＝x⁽¹⁾，搜索循环步数r＝1。

2.对于i＝1,2：

若

∑_k∈[1，n][E_k-F(T_k,y⁽¹⁾+SPAN1(i)*e_i)]²＜[E_k-F(T_k,y⁽ⁱ⁾)]

则置y⁽ⁱ⁺¹⁾＝y⁽ⁱ⁾+SPAN1(i)*e_i，SPAN1(i)＝SPAN1(i)*λ；

否则若

∑_k∈[1，n][E_k-F(T_k,y⁽¹⁾+SPAN1(i)*e_i)]²≥[E_k-F(T_k,y⁽ⁱ⁾)]

则置y⁽ⁱ⁺¹⁾＝y⁽ⁱ⁾-SPAN1(i)*e_i，SPAN1(i)＝SPAN1(i)*λ；

若

∑_k∈[1，n][E_k-F(T_k,y⁽¹⁾+SPAN2(i)*e_i)]²＜[E_k-F(T_k,y⁽ⁱ⁾)]

则置y⁽ⁱ⁺¹⁾＝y⁽ⁱ⁾-SPAN2(i)*e_i，SPAN2(i)＝SPAN2(i)*λ；

否则若

∑_k∈[1，n][E_k-F(T_k,y⁽¹⁾+SPAN2(i)*e_i)]²≥[E_k-F(T_k,y⁽ⁱ⁾)]

则置y⁽ⁱ⁺¹⁾＝y⁽ⁱ⁾+SPAN2(i)*e_i，SPAN2(i)1＝SPAN2(i)*λ；

令x^(r+1)＝y⁽³⁾，

y⁽¹⁾＝x^(r+1)+θ*(x(r+1)—x(r))，

SPAN1＝SPAN1*λ，

SPAN2＝SPAN2*λ，

置r＝r+1，转第2步。

4.若y⁽¹⁾≠x^(r)，则置y(1)＝x^(r)，转第2步。

5.若SPAN1(i)+SPAN2(i)<τ，i∈[1,2]，则停止计算，输出x^(r)为近似最优解；否则

SPAN1＝SPAN1*β，

SPAN2＝SPAN2*β，

转第2步。

综上所述，本发明提出了一种基于无线传感器的车辆参数采集方法，仅通过现有的传感器元件进行运算处理，在行车过程中有效地动态监测胎压，节约硬件成本并提高运算准确率。

显然，本领域的技术人员应该理解，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算系统来实现，它们可以集中在单个的计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成的网络上，可选地，它们可以用计算系统可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储系统中由计算系统来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (2)

1.一种基于无线传感器的车辆参数采集方法，其特征在于，包括：

车载监控模块通过传感器获取各车轮的脉冲计数和车辆加速度数据，得到各车轮和正常胎压差值的比例阈值，以进行胎压监测和异常警告。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车载监控模块包括无线通信层、传感层和应用层；无线通信层建立和车辆通信的通道，处理通信时序，完成信息交互，对车载监控模块标准支持的协议进行解析；所述传感层获取有效的车辆数据，以进行胎压监测核心算法的处理；应用层按照软件制定的各个模块，执行系统设定的相关功能，包括：信息收集模块、加速度定标及采集模块、车轮转速数据采集模块、轮胎自检模块、行驶状况等级模块、胎压监测运算模块和警告输出模块；每个进程的实现均基于相对应设备的驱动程序；

车辆启动时，胎压检测系统自休眠状态中被唤醒，开始进行系统自检，若系统硬件正常，车载监控模块和加速度传感器输出正常，则系统开始工作；初次使用时，用户选择是否进行轮胎定标，消除非胎压因素对车轮转速数据的影响；当车辆速度在系统工作范围内且处于平稳行驶状态时，系统进入训练学习阶段，并进行车轮转速数据信号的统一化处理；获取通过车载串行总线输出的车轮转速数据、车辆的行车数据、从加速度传感器输出的各轴加速度，作为行驶状况的判断依据；删除无效数据，对数据进行分段求和，再通过均值计算处理，实现胎压异常的识别；根据不同的行驶状况，选择合适的胎压监测算法；在胎压判定为异常的情况下，进行警告输出；

其中在系统自检过程中，采集电源电压，判断其是否是在正常电压范围之内，其次，监测与汽车电子控制单元是否正常通信，系统的单片机向汽车的电子控制单元发送初始化指令；若电子控制单元有响应，则自检成功；若电子控制单元在预定时间内无响应，则自检失败，系统进行重启；监测加速度传感器是否正常工作，读取当前测量的各轴加速度，若读取的加速度在允许范围内，确定其正常工作；若超出允许范围，则连续读取三次；三次均超出允许范围，确定加速度传感器异常，进行警告输出；最后，向显示屏发送初始化指令，若收到响应，则证明显示屏正常；若无响应，则确定显示屏异常，进行警告输出。