CN106427984B - 一种基于道路参数的挡位变换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于道路参数的挡位变换方法，其包括以下步骤：将汽车的GPS接收机输出的定位数据与电子地图进行匹配确定车辆位置与运行路线，将道路参数与车辆挡位进行匹配，根据具体道路参数切换汽车挡位。根据GPS接收机输出的定位数据，在与电子地图数据匹配后确定了车辆在道路上的具体位置，在此位置基础上，实时获取当前道路环境参数，并根据此参数调整挡位变换参数，使挡位变换更加适合与当前道路环境，增强了挡位变换对道路环境的适应能力，给人们提供了一个更加舒适、安全的驾驶环境，提高了车辆的动力性和经济性，对不同道路情况下挡位变换方法的处理，使车辆能够很好的适应不同坡路情况下的挡位变换需要。

Description

一种基于道路参数的挡位变换方法

技术领域

本发明涉及车辆自动换挡领域，尤其涉及一种基于道路参数的挡位变换方法。

背景技术

随着汽车技术的发展，车辆自动变换技术(广泛使用的是AT和AMT)已经广泛的使用。虽然自动挡位变换在一定程度上减轻了驾驶负担，但是同时人们对汽车驾驶的舒适性、动力性及经济性也提出了越来越高的要求。汽车在行驶过程中，为了使车辆的挡位变换与当前道路环境相适应，需要在行驶中实时根据道路情况执行挡位变换，以使挡位与道路情况相协调，只有符合道路情况的挡位变换，才能增加车辆驾驶的舒适性，提高动力性与经济性，而现在AT和AMT使用的挡位变换是缺少道路参数的常规挡位变换方法，这样的挡位变换有时不适合于当前道路环境，或与驾驶员驾驶意图相违背，如坡路时容易出现循环换挡或频繁换挡的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于道路参数的挡位变换方法，使挡位变换与当前道路环境相适配。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种基于道路参数的挡位变换方法，将汽车的GPS接收机输出的定位数据与电子地图进行匹配确定车辆位置与运行路线，将道路参数与车辆挡位进行匹配，根据具体道路参数切换汽车挡位，其特征在于：根据GPS接收机或其它定位传感器提供的车辆位置信息，在道路网络中搜索满足一定条件的路段作为车辆当前行驶路段的候选路段集，以GPS定位点到各个候选路段的距离和GPS提供的行车方向与各个候选路段的方向夹角为依据，从候选路段集中选出车辆所在的路段，以确定最佳匹配路段；

上述确定最佳匹配路段具体包括以下步骤：

在确定了车辆行驶的候选路段集S后，需要从候选路段集S中从以下两种原则中选出一条最佳匹配路段作为车辆当前行驶的路段：

A、GPS定位点到候选路段的距离大小；

B、车辆行驶方向与候选路段方向的接近程度；

在以上两个原则中，GPS定位点到候选路段的距离大小使用GPS定位点P_gps到候选路段的距离d表示，候选路段的方向与车辆行驶方向的一致程度使用GPS接收机提供的车辆行驶方 向D_gps与候选路段的夹角θ表示；这两个原则分别构成D-S证据推理的距离证据和角度证据；d_j和d_j+1分别是GPS定位点到路段A_j和A_j+1的距离，θ_j和θ_j+1分别是D_gps与路段A_j和A_j+1的夹角；

在使用D-S证据推理确定最佳匹配路段时，首先根据候选路段集合S构造识别框U，集合S中元素个数为n；

U＝{A₁，A₂，…，A_n} A_j∈S 1≤j≤n (1)

在识别框U中A_j称为命题；命题A_j(1≤j≤n)表示当前时刻车辆可能在第j条候选路段上，U表示当前时刻不能确定在那条候选路段上；按照下式分别构造两个证据在识别框U上的基本概率分配函数：

且有

E＝{A₁，A₂…A_n} A_j∈S，1≤j≤n (5)

其中m₁(A_j)为距离证据在U上的基本概率分配函数，m₂(A_j)为角度证据在U上的基本概率分配函数；k₁为距离证据的可靠性参数，k₂为角度证据的可靠性参数；式中C_i，j计算公式如下：

根据D-S证据推理合成规则，距离证据和角度证据的合成概率分配函数计算如下：

m(A_j)＝K^-1[m₁(A_j)m₂(A_j)+m₁(A_j)m₂(E)+m₁(E)m₂(A_j)] j＝1，2...n (8)

在从GPS接收机获得车辆的定位点P_gps和行驶方向后D_gps后，以定位点到每条候选道路的距离d、车行方向和候选道路方向的夹角θ为证据，根据式(8)，计算在距离和角度证据支持下命题A_j的合成概率分配函数值m(A_j)，根据式(2)与式(3)获得命题A_j的置信区间[bel(A_j)，pl(A_j)].

有了各个命题的合成概率分配函数采用Pignistic概率决策规则：

其中

Pr(A)即是命题A的决策值，作为各个命题判断的依据；

在获得各个命题的概率分配函数值及置信区间后，根据式(10)，可以计算命题对应决策值Pr(A)；获取所有命题的决策值后，选择决策值最大的命题对应的路段作为车辆当前行驶的路段，即确定为最佳匹配路段Rop。

所述的挡位变换方法，其中，上述挡位变换方法具体的包括：基于GPS接收机的定位系统包括初始定位模式、中继定位模式与跟踪定位模式，首先进入中继定位模式并查看历史信息是否有效，若为有效，则进入跟踪定位模式确定候选路段集，若能确定候选路段集，则通过跟踪定位模式确定最佳匹配路段，若为不能确定候选路段集，则进入初始定位模式后进行初定位后再进入跟踪定位模式；若中继定位模式并查看历史信息为无效，则进入初始定位模式后进行初定位后再进入跟踪定位模式。

所述的挡位变换方法，其中，上述初始定位模式根据当前GPS接收机给定的定位数据、地图坐标范围及网格划分，以确定车辆所在的地图网格，此网格成为候选路段的搜索范围，落入此网格内或与网格相交的路段成为当前车辆行驶的候选路段搜索集合；如果GPS定位数据落在网格边界一定范围内，则另一方相邻的网格也作为搜索范围；

如果在确定的网格内没有寻找到候选路段，则扩大搜索范围，向与当前网格相邻的网格搜索，当扩大次数达到预定值时，暂时停止搜索；然后每间隔固定的时间再进行网格内的候选路段的搜索，直到找到候选路段为止，或由于地图中缺少相关数据而暂停定位；在确定候选路段集后再确定最佳匹配路段。

所述的挡位变换方法，其中，上述中继定位模式预置车辆位置信息或者在车辆停车时保存了停车时的位置信息，如果经过判断，GPS给定的定位信息与保存的信息一致，则车辆从停车位置处继续行驶，而不必进行候选路段的搜索以及最佳匹配路段的确定，定位系统直接进入跟踪定位模式；如果二者信息不一致，定位系统进入初始定位模式以确定当前行驶的候选路段集；根据车辆行驶的连续性，车辆停车后，正常情况下下次行驶时，会从上次停车的位置处继续行驶，通过对保存的历史信息的判断，避免定位系统每次启动时都要进行候选道路的搜索。

所述的挡位变换方法，其中，上述跟踪定位模式在获得车辆当前行驶的路段后，定位系统确定车辆在当前路段上的具体位置，在车辆行驶到当前路段前方路段交汇处前，车辆将一直在当前路段上行驶，除非车辆驶进入路旁停车场或加油站等非道路区域，此时，将GPS定位点向当前路段做投影，投影点即可认为是车辆在当前路段上的匹配点；

通过道路拓扑关系得知车行方向上前方路段关键节点，以此节点为中心，以最大道路宽度加上GPS最大误差为半径，即可确定了节点处的一个判别区域Z，对每次取得的GPS定位点，判断其是否进入此判别区域，如果在这个判别区域中，则车辆进入路段交汇处，设置车辆在交汇处标志，对以后的GPS定位点的判断，如果没有离开这个判别区域，则对接收到GPS信号不进行匹配定位处理，而以当前关键节点为车辆位置匹配点；

当GPS定位点离开节点判别区域后，清除在交汇处标志，根据道路的拓扑关系确定候选路段集，从候选路段集中选取当前最佳匹配路段。

所述的挡位变换方法，其中，从最佳匹配路段Rop中确定匹配点的步骤包括：

将GPS定位点Pgps在路段Rop上的正交投影点作为车辆当前位置的匹配点Pm，但是当GPS定位点落入关键节点的节点判别域后，此关键节点也作为车辆位置的匹配点Pm；

在地图匹配中已经确定了车辆当前行驶的路段及车辆在此路段上的匹配点，在此基础上进一步获取当前位置及前方道路的参数信息，当车辆位置已知时，车辆当前所在道路及前方相邻道路的道路参数可以预先从电子地图中读出存储在缓存中；

在道路参数预读时，不仅要预读车辆当前所在道路的道路参数，还要读取车辆前进方向前方交叉节点及与其进一步相邻的交叉节点所关联的道路参数信息，扩展读取只需在交叉节点的基础上向前扩展三级；在确定车辆在当前路段上的位置点后，以当前位置为出发点，以车辆行驶方向为前进方向沿道路向前搜索，在道路的交叉点处延续出道路的分支，沿各个分支继续向前搜索，或在道路的端点处终止，或达到扩展级别，则整个搜索路径构成一棵“树”状结构的道路网络；在道路参数预读过程中，缓存中保存的道路参数信息也根据道路网络的树状结构组成“预读树”；在预读算法中，将这些将来可能使用的道路参数信息也提取出来存 放在缓存中；

在“预读树”中，交叉节点构成树中的节点并按构造“预读树”时的搜索方向及道路拓扑关系组成“父亲-兄弟”关系，每个树节点中有两个指针，一个指向其兄弟节点，一个指向其儿子节点，各个树节点按“左儿子-右兄弟”的关系构成树状链表结构；在每次进行地图匹配首次确定车辆位置所在的路段及相应的匹配点后，需构造初始“预读树”，在除树根外的每个节点中存储该节点与其父节点之间的道路参数信息，即在父节点和儿子节点之间所夹道路上，沿车辆前进方向道路高程发生变化的高程节点序列以及在弯曲道路的采样节点及相应的曲率信息；

当车辆在当前路段上行驶并越过前方交叉节点时，此前在“预读树”中保存的一些节点及此节点中保存的道路参数信息就变成无用数据，需要对预读树进行相应的剪枝操作，剪掉已经确定是车辆不可能继续行驶的道路分支在预读树中对应的节点，据车辆当前位置所在的道路及行驶方向上道路的拓扑连接关系，进一步进行道路参数的扩展读取并将相应的节点加入预读树中，够造新的“预读树”，如果在扩展读取中遇到道路的终点，则此道路上的预读操作终止；

在车辆的行驶过程中，每越过一个交叉节点，则保留车辆当前行驶道路在“预读树”中对应的节点，将不可能是车辆越过交叉节点后继续行驶的道路在“预读树”中对应的节点剪去，并以车辆当前行驶道路为起点进行扩展读取，在树中添加新的节点，继续构造“预读树”；

在构造完“预读树”后，即可从“预读树”根节点的唯一儿子节点中获取当前道路上的高程节点序列，将车辆当前位置的匹配点与此序列中高程节点坐标进行比较，即可确定车辆当前所处位置前后两个高程节点，进而确定车辆当前位置及前方的道路坡度特征参数；并且在车辆行驶过程中，缓存中至少存储有以交叉节点为基础的两级道路参数信息，使自动变速控制系统随时获取相关位置处的道路参数并应用在挡位变换操作上。

所述的挡位变换方法，其中，上述挡位变换方法包括：

在换挡控制中使用道路参数时，根据当前的道路环境，在原有自动变速器挡规律的基础上，选择使用经济性或动力性换挡规律，或在不修改和增加换挡数据的前提下，使自动变速器的挡位变换操作和当前的道路环境相协调。

本发明提供了一种基于道路参数的挡位变换方法，根据GPS接收机输出的定位数据，在与电子地图数据匹配后确定了车辆在道路上的具体位置，在此位置基础上，实时获取当前道路环境参数(主要是坡度参数)，并根据此参数调整挡位变换参数，使挡位变换更加适合与当前道路环境，增强了挡位变换对道路环境的适应能力，给人们提供了一个更加舒适、安全的驾驶环境，提高了车辆的动力性和经济性，对不同道路情况下挡位变换方法的处理，使车辆 能够很好的适应不同坡路情况下的挡位变换需要。

附图说明

图1为本发明挡位变换方法的流程示意图；

图2为本发明中定位系统匹配模式的示意图；

图3为本发明中保存的历史信息的判断的示意图；

图4为本发明中车辆在交汇处的判断的示意图；

图5为本发明中在网格内寻找候选路段的示意图；

图6为本发明中位置坐标法判断候选路段的示意图；

图7为本发明中根据拓扑关系寻找候选路段集的示意图；

图8为本发明中距离和角度的示意图；

图9为本发明中确定匹配点的示意图；

图10为本发明中道路网络的示意图；

图11为本发明中初始预读树的结构示意图；

图12为本发明中预读树剪枝操作的示意图；

图13为本发明中进行剪枝并扩展读取后的预读树结构；

图14为本发明中由平直道路→上坡的示意图；

图15为本发明中由上坡→平直道路的示意图；

图16为本发明中由上坡→长下坡的示意图；

图17为本发明中连续上坡的示意图；

图18为本发明中由平直道路→长下坡的示意图；

图19为本发明中由长下坡→平直道路的示意图；

图20为本发明中由长下坡→长上坡的示意图；

图21为本发明中定位系统具体的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于道路参数的挡位变换方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

其具体如下：

如图1与图21所示的，本发明主要完成以下三个功能：地图匹配(将GPS接收机输出的定位数据与电子地图进行匹配以确定车辆位置)、道路参数预读(提前将相关道路参数读出)和基于道路参数的挡位变换(根据道路参数执行挡位变换)。

地图匹配

一个完整的地图匹配算法包括三个处理过程：确定候选路段集，选择最佳匹配路段、计算车辆在最佳匹配路段上的具体位置(即匹配点的确定)。具体匹配点的确定是以最佳匹配路段的正确选择为基础。

确定候选路段集是根据GPS接收机或其它定位传感器提供的车辆位置信息，在道路网络中搜索满足一定条件的路段作为车辆当前行驶路段的候选路段集。确定候选路段集是实现正确定位的前提，只有候选路段集中包含了车辆当前行驶的路段，地图匹配才能正确的进行。此外，考虑到定位系统工作的实时性，应使候选路段集中尽量包含较少的元素以减少后续的计算量。根据道路网络的拓扑关系及车辆行驶的连续性，候选路段集的确定并不是时刻都在执行的，只有在车辆即将从当前路段驶入前方关键节点相连的多条路段中的某条路段，即车辆即将通过前方交叉节点或采样节点，或者由于丢失GPS信号等原因需要重新确定当前行驶的路段时才需要进行候选路段的确定。在确定候选路段集之后，需要从中选出车辆所在的路段，这项工作是以GPS定位点到各个候选路段的距离和GPS提供的行车方向与各个候选路段的方向夹角为依据进行的，这也是确定最佳匹配路段的过程。在确定最佳匹配路段后，需要确定车辆在此路段上的具体位置。

定位系统匹配模式

本发明使用的地图匹配算法中，针对车辆在道路网络中行驶的连续性及道路网络的拓扑连接关系，定位系统主要有三种工作模式：初始定位模式、中继定位模式和跟踪定位模式。各种模式相互独立的工作并且可以根据情况进行工作模式的转换，模式转换关系如图2所示。

初始定位模式

在初始定位模式中，主要是根据电子地图网格划分及GPS提供的车辆位置坐标确定候选路段集。

当不能根据保存的历史信息确定候选路段或需要在道路网格内寻找候选路段集时，或由于GPS定位数据异常且在定位数据稳定后需要重新定位的情况下，定位系统进入初始定位模式。具体来说，根据当前GPS接收机给定的定位数据、地图坐标范围及网格划分，可以确定车辆所在的地图网格，此网格成为候选路段的搜索范围，落入此网格内或与网格相交的路段成为当前车辆行驶的候选路段搜索集合。如果GPS定位数据落在网格边界一定范围内，则另一方相邻的网格也作为搜索范围。

如果在确定的网格内没有寻找到候选路段，则扩大搜索范围，向与当前网格相邻的网格搜索，当扩大次数达到预定值时，暂时停止搜索。以后每间隔固定的时间再进行网格内的候选路段的搜索，直到找到候选路段为止，或由于地图中缺少相关数据而暂停定位。在确定候 选路段集后，根据D-S证据推理理论从中确定最佳匹配路段。

中继定位模式

当定位系统开始工作时，首先进入中继定位模式。在中继定位模式中，主要是根据保存的历史信息确定进一步的系统匹配定位模式。

为了避免每次定位系统启动时，都要进行候选道路的搜索及最佳匹配路段的确定，使用保存的历史信息则可加快这一过程。在每次车辆停止行驶、定位系统停止工作时，停车处的位置信息可以作为下次定位的起点，则可将当前停车位置处的匹配点数据及所在的道路路段信息保存在持久存储区中。在系统初次匹配时，此保存的相关历史信息预置为0。本系统应用中需要保存的历史信息是：

(1)P_{m_s}(x，y)——停止匹配定位时车辆位置匹配点坐标；

(2)P_s，P_e——停止匹配定位时车辆所在路段的起点和终点坐标(以车辆停止时的行驶方向为起点和终点判断方向)；

(3)L，θ——停止匹配定位时车辆所在路段的长度和方向。

由于已经预置了车辆位置信息或者在车辆停车时保存了停车时的位置信息，这里的主要工作就是验证这些存储的历史信息是否可以作为车辆当前继续行驶的起点。如果经过判断，GPS给定的定位信息与保存的信息一致，则车辆从停车位置处继续行驶，而不必进行候选路段的搜索以及最佳匹配路段的确定，定位系统直接进入跟踪定位模式；如果二者信息不一致，定位系统进入初始定位模式以确定当前行驶的候选路段集。根据车辆行驶的连续性，车辆停车后，正常情况下下次行驶时，会从上次停车的位置处继续行驶，通过对保存的历史信息的判断，可以避免定位系统每次启动时都要进行候选道路的搜索，提高了定位的实时性及准确性。

对保存的历史信息的判断方法如下图3所示，如果GPS定位点P_GPs到路段R_s的距离d₁小于指定的阈值D₁，P_GPs到点P_{m_s}的距离d₂小于指定的阈值D₂，并且GPS给定的车辆行驶方向D_gps与路段R_s的方向夹角λ小于阈值A，则保存的历史信息有效，否则无效。

跟踪定位模式

在跟踪定位模式中，主要是在已经确定的最佳匹配路段的基础上确定车辆在此路段上的位置，或是通过道路网络的拓扑连接关系确定候选路段集。

在获得车辆当前行驶的路段后，定位系统还需确定车辆在当前路段上的具体位置。在车辆行驶到当前路段前方路段交汇处前，车辆将一直在当前路段上行驶，除非车辆驶进入路旁 停车场或加油站等非道路区域。此时，将GPS定位点向当前路段做投影，投影点即可认为是车辆在当前路段上的匹配点。

本定位模式中还要判断车辆是否离开当前路段并进入下一条路段。通过道路拓扑关系可以得知车行方向上前方路段关键节点，以此节点为中心，以最大道路宽度加上GPS最大误差为半径，即可确定了节点处的一个判别区域Z，如图4所示。对每次取得的GPS定位点，判断其是否进入此区域，如果在这个区域中，则车辆进入路段交汇处，设置车辆在交汇处标志，如图6中P4点。对以后的GPS定位点的判断，如果没有离开这个区域，则对接收到GPS信号不进行匹配定位处理，而以当前关键节点为车辆位置匹配点。

当GPS定位点离开节点判别区域后，清除在交汇处标志。根据道路的拓扑关系确定候选路段集，同理依据D-S证据推理理论从候选路段集中选取当前最佳匹配路段。定位系统继续处在跟踪定位模式。

确定候选路段集

根据定位系统工作模式的不同，确定候选路段集主要分为根据车辆位置坐标在地图网格内寻找候选路段集和根据道路拓扑关系确定候选路段集。

(1)在网格内寻找候选路段集

如图5所示的，当接收到GPS定位数据P_GPS后，根据地图坐标范围可以确定车辆所在的地图网格，进而可以从此网格内获取所有与网格相交或在网格内的路段，所有这些路段作为候选路段的搜索范围。在确定车辆当前所处的网格后，道路路段 作为候选路段的搜索范围。对此范围内的路段，并不是所有的路段都可以作为候选路段，需要使用位置坐标法根据车辆位置剔除非候选路段的路段。

对搜索范围内的每条路段R_i，满足如下条件的路段将作为候选路段，如下图6所示。由电子地图可知路段R_i的两个端点坐标分别为P_L1(X_L1，Y_L1)和P_L2(X_L2，Y_L2)，对GPS接收机输出的车辆位置坐标，经过坐标转换后为P_GPs(X_g，Y_g)，若有：

X_L1≤X_g≤X_L2(X_L1＜X_L2时)或X_L2≤X_g≤X_L1(X_L2＜X_L1时)

或：Y_L1≤Y_g≤Y_L2(Y_L1＜Y_L2时)或Y_L2≤Y_g≤Y_L1(Y_L2＜Y_L1时)

且：点P_GPs到路段R_i的距离d小于指定的阈值时，则R_i为候选路段。所有候选路段组成候选路段集S。

(2)根据拓扑关系寻找候选路段集

根据道路的拓扑连接关系及车辆行驶的连续性，在车辆通过前方交叉节点或采样节点后，与此节点相连的所有路段中的某条将是车辆继续行驶的路段，所有这些路段将作为车辆通过前方关键节点后的候选路段加入候选路段集S中。

如图7道路网络示意图所示，三角符号为车辆当前位置，箭头为车辆行驶方向，P1为交叉节点，P3为采样节点。根据道路的拓扑连接关系及车辆行驶的连续性，当车辆由当前位置驶向P1并且驶过P1点后，与P1点相连的四条路段都作为车辆继续行驶的候选路段，路段(P1→P5)也作为候选路段是因为车辆经过P1点后有可能掉头重新驶入刚经过的路段，这些候选路段组成候选路段集S。同样，当车辆由P1驶向P3并且驶过P3点后，与P3点相连的两条路段都作为候选路段组成候选路段集合S。

确定最佳匹配路段

在确定了车辆行驶的候选路段集S后，需要从S中根据某种原则选出一条最佳匹配路段作为车辆当前行驶的路段，此时通常考虑以下两个原则：

(1)GPS定位点到候选路段的距离大小。

(2)车辆行驶方向与候选路段方向的接近程度。

如图8所示的，在以上两个原则中，GPS定位点到候选路段的距离大小使用GPS定位点P_gps到候选路段的距离d表示，候选路段的方向与车辆行驶方向的一致程度使用GPS接收机提供的车辆行驶方向D_gps与候选路段的夹角θ表示。这两个原则分别构成D-S证据推理的距离证据和角度证据。如图10所示，d_j和d_j+1分别是GPS定位点到路段A_j和A_j+1的距离，θ_j和θ_j+1分别是D_gps与路段A_j和A_j+1的夹角。

在使用D-S证据推理确定最佳匹配路段时，首先根据候选路段集合S构造识别框U，集合S中元素个数为n。

U＝{A₁，A₂，…，A_n} A_j∈S 1≤j≤n (1)

在识别框U中A_j称为命题。命题A_j(1≤j≤n)表示当前时刻车辆可能在第j条候选路段上，U表示当前时刻不能确定在那条候选路段上。针对实际的应用情况，按照下式分别构造两个证据在识别框U上的基本概率分配函数：

且有

E＝{A₁，A₂…A_n}A_j∈S，1≤j≤n (5)

其中m₁(A_j)为距离证据在U上的基本概率分配函数，m₂(A_j)为角度证据在U上的基本概率分配函数。k₁为距离证据的可靠性参数，k₂为角度证据的可靠性参数。式中C_i，j计算公式如下：

根据D-S证据推理合成规则，距离证据和角度证据的合成概率分配函数计算如下：

m(A_j)＝K^-1[m₁(A_j)m₂(A_j)+m₁(A_j)m₂(E)+m₁(E)m₂(A_j)]j＝1，2...n (8)

在从GPS接收机获得车辆的定位点P_gps和行驶方向后D_gps后，以定位点到每条候选道路的距离d、车行方向和候选道路方向的夹角θ为证据，根据式(8)，计算在距离和角度证据支持下命题A_j的合成概率分配函数值m(A_j)，根据式(2)与式(3)获得命题A_j的置信区间[bel(A_j)，pl(A_j)]。

有了各个命题的合成概率分配函数，在此基础上选择一个合适的决策规则是至关重要的。Pignistic概率是采用不确定推理方法进行信息融合时的一种有效的决策方法，其目的是对系统已经获得的各命题的信度进行重新分配以获得更可靠的决策依据。以有的研究成果表明，Pignistic概率能有效的利用现有信息扩大各个命题间的信度差异，在不提高决策风险的前提下，使满足决策需要的命题数量降至最少。

在本匹配算法中使用的决策规则是：

其中

Pr(A)即是命题A的决策值，作为各个命题判断的依据。

在获得各个命题的概率分配函数值及置信区间后，根据式(10)，可以计算命题对应决策值Pr(A)。获取所有命题的决策值后，选择决策值最大的命题对应的路段作为车辆当前行驶的路段，即确定为最佳匹配路段Rop。

确定匹配点

在确定车辆行驶的最佳匹配路段Rop之后，还需确定车辆在此路段上的当前位置。本算法中采用正交投影方法，即把GPS定位点Pgps在路段Rop上的正交投影点作为车辆当前位置的匹配点Pm，如下图9所示。但是当GPS定位点落入关键节点的节点判别域后，此关键节点也作为车辆位置的匹配点Pm。

道路参数预读

在地图匹配中已经确定了车辆当前行驶的路段及车辆在此路段上的匹配点，在此基础上可以进一步获取当前位置及前方道路的参数信息。在车载计算单元有限的计算能力及存储空间情况下，为了避免从电子地图中读取数据对换挡控制单元产生数据延迟，当车辆位置已知时，车辆当前所在道路及前方相邻道路的道路参数可以预先从电子地图中读出存储在缓存中。这样当换挡控制需要道路参数时，可以直接从缓存中获取，做到道路参数的随用随取，提高数据获取的实时性。

为了保证缓存中数据的充足性，在道路参数预读时，不仅要预读车辆当前所在道路的道路参数，还要在车辆前进方向上进行扩展读取，即进一步读取前方交叉节点及与其进一步相邻的交叉节点所关联的道路参数信息，根据实际情况考虑，扩展读取只需在交叉节点的基础上向前扩展三级。

在确定车辆在当前路段上的位置点后，以当前位置为出发点，以车辆行驶方向为前进方向沿道路向前搜索，在道路的交叉点处延续出道路的分支，沿各个分支继续向前搜索，或在道路的端点处终止，或达到扩展级别，则整个搜索路径构成一棵“树”状结构的道路网络。在道路参数预读过程中，缓存中保存的道路参数信息也根据道路网络的树状结构组成“预读树”。

如图10所示的道路网络中，所有标号的节点都是交叉节点，且各个未用黑点标记的节点都有道路继续相连。当车辆处在位置1时，根据道路的拓扑连接关系及车辆行驶方向，与节点2相连的道路将是车辆驶过节点2后可能行驶的道路，而分别与节点1、3、7、11相邻的道路将是车辆驶过相应的交叉节点后可能继续行驶的道路。在预读算法中，将这些将来可能使用的道路参数信息也提取出来存放在缓存中，可以保证换挡控制系统在获取道路参数时数据的完整性与充足性。

在“预读树”中，交叉节点构成树中的节点并按构造“预读树”时的搜索方向及道路拓扑关系组成“父亲-兄弟”关系，每个树节点中有两个指针，一个指向其兄弟节点，一个指向其儿子节点，各个树节点按“左儿子-右兄弟”的关系构成树状链表结构。在每次进行地图匹配首次确定车辆位置所在的路段及相应的匹配点后，需构造初始“预读树”。对图12所示的道路网络结构，首次确定车辆在位置1时，节点1为“预读树”的根节点，其前方节点2为节点1的唯一儿子节点，节点2的儿子指针指向其儿子节点3，其余的儿子节点链接在节点3的兄弟指针上，道路网络中的其余节点以此关系进行指针链接。在除树根外的每个节点中存储该节点与其父节点之间的道路参数信息，即在父节点和儿子节点之间所夹道路上，沿车辆前进方向道路高程发生变化的高程节点序列(在此序列中每个高程节点保存其坐标及相关高程值等信息)以及在弯曲道路的采样节点及相应的曲率信息。

当车辆在当前路段上行驶并越过前方交叉节点时，此前在“预读树”中保存的一些节点及此节点中保存的道路参数信息就变成无用数据，需要对预读树进行相应的剪枝操作，剪掉已经确定是车辆不可能继续行驶的道路分支在预读树中对应的节点，如图11所示，车辆在位置2时，节点2和节点3之间的道路及节点2和节点7之间的道路已经确定不是车辆当前行驶的道路，即可从图13所示的“预读树”中将相应的树分支剪掉，“预读树”中的根节点及其唯一儿子节点也做相应修改，剪枝操作如图12所示。据车辆当前位置所在的道路及行驶方向上道路的拓扑连接关系，进一步进行道路参数的扩展读取并将相应的节点加入预读树中，够造新的“预读树”。如果在扩展读取中遇到道路的终点，则此道路上的预读操作终止。如当车辆在所示位置2时对初始“预读树”进行剪枝处理并进行扩展读取后构造的新的“预读树”结构如下图13所示。

在车辆的行驶过程中，每越过一个交叉节点，则保留车辆当前行驶道路在“预读树”中对应的节点，将不可能是车辆越过交叉节点后继续行驶的道路在“预读树”中对应的节点剪去，并以车辆当前行驶道路为起点进行扩展读取，在树中添加新的节点，继续构造“预读树”。

在构造完“预读树”后，即可从“预读树”根节点的唯一儿子节点中获取当前道路上的高程节点序列，将车辆当前位置的匹配点与此序列中高程节点坐标进行比较，即可确定车辆 当前所处位置前后两个高程节点，进而可确定车辆当前位置及前方的道路坡度特征参数，如：道路弧长、高程节点位置及相应高程等。并且在车辆行驶过程中，缓存中至少存储有以交叉节点为基础的两级道路参数信息，使自动变速控制系统可以随时获取相关位置处的道路参数并应用在挡位变换操作上。

基于道路参数的挡位变换方法的具体实施如下：

在以往没有道路参数参与的自动变速系统换挡控制中，由于节气门开度和车辆速度响应之间的不同步(车速响应普遍滞后)，从而导致在很多时候出现了频繁换挡和挡位选择不够准确的现象出现。而对于自动变速系统绝大部分对换挡工况的约束而言，其普遍结论是：尽可能不要或绝对不能在当前挡位的基础上向高挡位换挡。

在换挡控制中使用道路参数时，并不是将道路参数加入已有的两参数或三参数换挡规律中使之成为增加了道路参数的三参数或四参数换挡规律，而是根据当前的道路环境，在原有自动变速器挡规律的基础上，选择使用经济性或动力性换挡规律，或在不修改和增加换挡数据的前提下，引入代数换挡系数η来校正换挡执行机构函数入口的车速值v或节气门开度输入值d，达到平移换挡曲线、消除频繁换挡或不必要换挡的目的，使自动变速器的挡位变换操作和当前的道路环境相协调，以避免在相应的道路环境下执行不必要的换挡操作。

针对实际的道路环境，道路坡度信息对挡位变换的影响主要分为以下几种情况：

1)平直道路→上坡(道路情况1)

如图14所示的，通过GPS定位可以确定当前行驶道路为平路并可知前方为上坡路段。由于在坡路上需要有足够的后备动力，如果在接近拐点处升挡，一般在上坡后很快会降下来。应当避免这样的换挡。采取的调节策略如下：

在以动力性换挡规律为依据的前提下，推后升挡，加大升降挡间的差距。对于换挡执行函数入口的速度输入值v作如下调整：

v′＝(1-η)v (11)

其中，v是给定节气门开度下的降挡速度，选取适当的η值，就相当于推后升挡线。

2)上坡→平直道路(道路情况2)

如图15所示的，上坡时使用坡路换挡规律(动力性换挡规律)，在平直道路上车辆通过点A之后，使用正常换挡规律(经济性换挡)。

3)上坡→长下坡(道路情况3)

如图16所示的，在上坡过程中使用坡路换挡规律，在长下坡过程中使用长下坡换挡规律。但需要注意的是当车辆通过A点之后，由于重力的切向分量由行车阻力变为车辆牵引助力， 因此有可能瞬间加大车辆加速度而使得车辆速度激增，导致变速箱由原来的低挡位在短时间内迅速跃升为较高挡位，为了保证行车安全性，同时保证长下坡换挡规律得以实施的基础上，尽量避免在A点附近出现的频繁换挡情况，尽量使升挡过程滞后。对于换挡执行函数入口的速度输入值v作如下调整：

v′＝(1-η)v (12)

在一定程度上保证升挡过程的滞后，从而避免频繁换挡的产生。

4)阶梯形道路(道路情况4)

如图17所示的，当车辆行驶在OA段坡路情况下，使用动力性换挡规律，当车辆通过A点行驶在AB段平直道路上时，换挡规律进行切换之后，车辆有可能进行升挡处理。假设AB段长度d不是一个很大的距离(如d＜500m)，当车辆到达B点并由B点驶向C点时，又重新切换到动力性换挡规律，这样就造成了在0→A→B→C段的降→升→降的不必要的频繁换挡。因此，可以考虑当车辆通过A点后，使用η对v进行调整，尽量延迟升挡过程，从而使得车辆在0→A→B→C的道路过程中使用基本不变的抵挡位通过。

5)平直道路→长下坡(道路情况5)

如图18所示的，在平直道路上行驶时，使用正常的经济性换挡规律执行换挡；当车辆接近A点时，根据AB段道路坡度值查看坡路AB段为缓坡还是陡坡，若坡路AB段为缓坡依然按照正常经济性换挡规律换挡，否则，控制自动变速系统使用发动机制动。

6)下坡→平直道路(道路情况6)

如图19所示的，在坡路BA段时，使用经济性换挡规律；当车辆在BA段上接近A点时，有可能出现节气门增大而使得车辆在A点附近降挡的情况；或者在接近A点时刚好升挡，而进入平到后，由于坡阻的增加而降回原挡。采取降低降挡线，提高升挡线的方法，避免在拐点附近的多余换挡。

7)下坡→长上坡(道路情况7)

如图20所示的，当车辆行驶在AC段时使用动力性换挡规律；当车辆在坡路BA段上接近A点时，由于车速的不断增大有可能出现升挡过程，这与AC段的抵挡位行驶相冲突，可能出现不必要的频繁换挡。因此，当车辆有B→A行驶即将到达坡底A点时，要限制变速箱的升挡过程。对于换挡执行函数入口的速度输入值作如下调整：

v′＝(1-η)v (13)

在一定程度上保证升挡过程的滞后，从而避免频繁换挡的产生。

为了使车辆在行驶过程中，其挡位变换能够适应当前的道路环境，车辆的自动挡位变换 控制单元需要实时获取当前位置处的道路参数。但是当前车辆的自动换挡控制单元还缺少对道路参数的获取及使用能力。

本发明主要实现了实时获取车辆当前位置处的道路参数并根据此参数指导换挡，这样的方式增强了挡位变换对道路环境的适应能力，给人们提供了一个更加舒适、安全的驾驶环境，提高了车辆的动力性和经济性。概括的说，本软件有如下特点：

通过设计高效、准确的地图匹配方法来获取车辆的位置，为进一步获取道路参数打下了基础。

通过预读算法提取读取相关道路参数，提高了数据获取的实时性。

对不同道路情况下挡位变换方法的处理，使车辆能够很好的适应不同坡路情况下的挡位变换需要。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (7)

1.一种基于道路参数的挡位变换方法，包括将汽车的GPS接收机输出的定位数据与电子地图进行匹配确定车辆位置与运行路线，将道路参数与车辆挡位进行匹配，根据具体道路参数切换汽车挡位，其特征在于：根据GPS接收机或其它定位传感器提供的车辆位置信息，在道路网络中搜索满足一定条件的路段作为车辆当前行驶路段的候选路段集，以GPS定位点到各个候选路段的距离和GPS提供的行车方向与各个候选路段的方向夹角为依据，从候选路段集中选出车辆所在的路段，以确定最佳匹配路段，

上述确定最佳匹配路段具体包括以下步骤：

在确定了车辆行驶的候选路段集S后，需要从候选路段集S中从以下两种原则中选出一条最佳匹配路段作为车辆当前行驶的路段：

A、GPS定位点到候选路段的距离大小；

B、车辆行驶方向与候选路段方向的接近程度；

在以上两个原则中，GPS定位点到候选路段的距离大小使用GPS定位点P_gps到候选路段的距离d表示，候选路段的方向与车辆行驶方向的一致程度使用GPS接收机提供的车辆行驶方向D_gps与候选路段的夹角θ表示；这两个原则分别构成D-S证据推理的距离证据和角度证据；d_j和d_j+1分别是GPS定位点到路段A_j和A_j+1的距离，θ_j和θ_j+1分别是D_gps与路段A_j和A_j+1的夹角；

在使用D-S证据推理确定最佳匹配路段时，首先根据候选路段集合S构造识别框U，集合S中元素个数为n；

U＝{A₁，A₂，…，A_n} A_j∈S 1≤j≤n (1)

在识别框U中A_j称为命题；命题A_j(1≤j≤n)表示当前时刻车辆可能在第j条候选路段上，U表示当前时刻不能确定在那条候选路段上；按照下式分别构造两个证据在识别框U上的基本概率分配函数：

且有

E＝{A₁，A₂…A_n} A_j∈S，1≤j≤n (5)

其中m₁(A_j)为距离证据在U上的基本概率分配函数，m₂(A_j)为角度证据在U上的基本概率分配函数；k₁为距离证据的可靠性参数，k₂为角度证据的可靠性参数；式中C_i，j计算公式如下：

根据D-S证据推理合成规则，距离证据和角度证据的合成概率分配函数计算如下：

m(A_j)＝K^-1[m₁(A_j)m₂(A_j)+m₁(A_j)m₂(E)+m₁(E)m₂(A_j)]j＝1，2...n (8)

在从GPS接收机获得车辆的定位点P_gps和行驶方向后D_gps后，以定位点到每条候选道路的距离d、车行方向和候选道路方向的夹角θ为证据，根据式(8)，计算在距离和角度证据支持下命题A_j的合成概率分配函数值m(A_j)，根据式(2)与式(3)获得命题A_j的置信区间[bel(A_j)，pl(A_j)]；

有了各个命题的合成概率分配函数采用Pignistic概率决策规则：

其中A∈2^U，

Pr(A)即是命题A的决策值，作为各个命题判断的依据；

在获得各个命题的概率分配函数值及置信区间后，根据式(10)，可以计算命题对应决策值Pr(A)；获取所有命题的决策值后，选择决策值最大的命题对应的路段作为车辆当前行驶的路段，即确定为最佳匹配路段Rop。

2.根据权利要求1所述的挡位变换方法，其特征在于，上述挡位变换方法具体的包括：基于GPS接收机的定位系统包括初始定位模式、中继定位模式与跟踪定位模式，首先进入中继定位模式并查看历史信息是否有效，若为有效，则进入跟踪定位模式确定候选路段集，若能确定候选路段集，则通过跟踪定位模式确定最佳匹配路段，若为不能确定候选路段集，则进入初始定位模式后进行初定位后再进入跟踪定位模式；若中继定位模式并查看历史信息为无效，则进入初始定位模式后进行初定位后再进入跟踪定位模式。

3.根据权利要求2所述的挡位变换方法，其特征在于，上述初始定位模式根据当前GPS接收机给定的定位数据、地图坐标范围及网格划分，以确定车辆所在的地图网格，此网格成为候选路段的搜索范围，落入此网格内或与网格相交的路段成为当前车辆行驶的候选路段搜索集合；如果GPS定位数据落在网格边界一定范围内，则另一方相邻的网格也作为搜索范围；

如果在确定的网格内没有寻找到候选路段，则扩大搜索范围，向与当前网格相邻的网格搜索，当扩大次数达到预定值时，暂时停止搜索；然后每间隔固定的时间再进行网格内的候选路段的搜索，直到找到候选路段为止，或由于地图中缺少相关数据而暂停定位；在确定候选路段集后再确定最佳匹配路段。

4.根据权利要求2所述的挡位变换方法，其特征在于，上述中继定位模式预置车辆位置信息或者在车辆停车时保存了停车时的位置信息，如果经过判断，GPS给定的定位信息与保存的信息一致，则车辆从停车位置处继续行驶，而不必进行候选路段的搜索以及最佳匹配路段的确定，定位系统直接进入跟踪定位模式；如果二者信息不一致，定位系统进入初始定位模式以确定当前行驶的候选路段集；根据车辆行驶的连续性，车辆停车后，正常情况下下次行驶时，会从上次停车的位置处继续行驶，通过对保存的历史信息的判断，避免定位系统每次启动时都要进行候选道路的搜索。

5.根据权利要求2所述的挡位变换方法，其特征在于，上述跟踪定位模式在获得车辆当前行驶的路段后，定位系统确定车辆在当前路段上的具体位置，在车辆行驶到当前路段前方路段交汇处前，车辆将一直在当前路段上行驶，除非车辆驶进入路旁停车场或加油站等非道路区域，此时，将GPS定位点向当前路段做投影，投影点即可认为是车辆在当前路段上的匹配点；

通过道路拓扑关系得知车行方向上前方路段关键节点，以此节点为中心，以最大道路宽度加上GPS最大误差为半径，即可确定了节点处的一个判别区域Z，对每次取得的GPS定位点，判断其是否进入此判别区域，如果在这个判别区域中，则车辆进入路段交汇处，设置车辆在交汇处标志，对以后的GPS定位点的判断，如果没有离开这个判别区域，则对接收到GPS信号不进行匹配定位处理，而以当前关键节点为车辆位置匹配点；

当GPS定位点离开节点判别区域后，清除在交汇处标志，根据道路的拓扑关系确定候选路段集，从候选路段集中选取当前最佳匹配路段。

6.根据权利要求1所述的挡位变换方法，其特征在于，从最佳匹配路段Rop中确定匹配点的步骤包括：

将GPS定位点Pgps在路段Rop上的正交投影点作为车辆当前位置的匹配点Pm，但是当GPS定位点落入关键节点的节点判别域后，此关键节点也作为车辆位置的匹配点Pm；

在地图匹配中已经确定了车辆当前行驶的路段及车辆在此路段上的匹配点，在此基础上进一步获取当前位置及前方道路的参数信息，当车辆位置已知时，车辆当前所在道路及前方相邻道路的道路参数可以预先从电子地图中读出存储在缓存中；

在道路参数预读时，不仅要预读车辆当前所在道路的道路参数，还要读取车辆前进方向前方交叉节点及与其进一步相邻的交叉节点所关联的道路参数信息，扩展读取只需在交叉节点的基础上向前扩展三级；在确定车辆在当前路段上的位置点后，以当前位置为出发点，以车辆行驶方向为前进方向沿道路向前搜索，在道路的交叉点处延续出道路的分支，沿各个分支继续向前搜索，或在道路的端点处终止，或达到扩展级别，则整个搜索路径构成一棵“树”状结构的道路网络；在道路参数预读过程中，缓存中保存的道路参数信息也根据道路网络的树状结构组成“预读树”；在预读算法中，将这些将来可能使用的道路参数信息也提取出来存放在缓存中；

在“预读树”中，交叉节点构成树中的节点并按构造“预读树”时的搜索方向及道路拓扑关系组成“父亲-兄弟”关系，每个树节点中有两个指针，一个指向其兄弟节点，一个指向其儿子节点，各个树节点按“左儿子-右兄弟”的关系构成树状链表结构；在每次进行地图匹配首次确定车辆位置所在的路段及相应的匹配点后，需构造初始“预读树”，在除树根外的每个节点中存储该节点与其父节点之间的道路参数信息，即在父节点和儿子节点之间所夹道路上，沿车辆前进方向道路高程发生变化的高程节点序列以及在弯曲道路的采样节点及相应的曲率信息；

当车辆在当前路段上行驶并越过前方交叉节点时，此前在“预读树”中保存的一些节点及此节点中保存的道路参数信息就变成无用数据，需要对预读树进行相应的剪枝操作，剪掉已经确定是车辆不可能继续行驶的道路分支在预读树中对应的节点，据车辆当前位置所在的道路及行驶方向上道路的拓扑连接关系，进一步进行道路参数的扩展读取并将相应的节点加入预读树中，够造新的“预读树”，如果在扩展读取中遇到道路的终点，则此道路上的预读操作终止；

在车辆的行驶过程中，每越过一个交叉节点，则保留车辆当前行驶道路在“预读树”中对应的节点，将不可能是车辆越过交叉节点后继续行驶的道路在“预读树”中对应的节点剪去，并以车辆当前行驶道路为起点进行扩展读取，在树中添加新的节点，继续构造“预读树”；

在构造完“预读树”后，即可从“预读树”根节点的唯一儿子节点中获取当前道路上的高程节点序列，将车辆当前位置的匹配点与此序列中高程节点坐标进行比较，即可确定车辆当前所处位置前后两个高程节点，进而确定车辆当前位置及前方的道路坡度特征参数；并且在车辆行驶过程中，缓存中至少存储有以交叉节点为基础的两级道路参数信息，使自动变速控制系统随时获取相关位置处的道路参数并应用在挡位变换操作上。

7.根据权利要求1所述的挡位变换方法，其特征在于，上述挡位变换方法包括：

在换挡控制中使用道路参数时，根据当前的道路环境，在原有自动变速器挡规律的基础上，选择使用经济性或动力性换挡规律，或在不修改和增加换挡数据的前提下，使自动变速器的挡位变换操作和当前的道路环境相协调。