CN106515739B - 一种电动汽车坡道识别装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车坡道识别装置及方法，数据测量模块分别负责采集电动车车速，电动汽车纵向X轴、侧向Y轴、垂直方向Z轴的加速度，X轴、Y轴、Z轴角速度；重力加速度补偿算法模块能够接收数据测量模块的数据；基于陀螺仪的算法方法模块能够接收数据测量模块的电动汽车X轴、Y轴、Z轴的角速度，和重力加速度补偿算法模块的重力加速度在X轴、Z轴的分量，并解算出坡度角，坡度角CAN发送模块能将识别出的坡度角通过CAN总线发送给需要坡度信息的控制单元；本发明的一种电动汽车坡道识别装置及方法采用的参数由传感器直接测得，不从电动汽车通讯系统中(如CAN总线)获取任何参数，所以不受电动汽车故障等因素的影响。
Description
技术领域
本发明涉及坡道识别领域，特别涉及到电动汽车坡道识别，实现快速坡道判断，及时改变TCU等控制策略，提高平电动汽车安全性、经济性、舒适性。
背景技术
我国大力发展新能源汽车特别是电动汽车，然而，电动汽车存在许多问题，涉及到安全性、经济性、舒适性方面。
目前，电动汽车VCU没有坡道识别功能，难以判断坡道情况。在坡道起步时，电机的驱动力矩取决于加速踏板开度，如果驾驶员对所需的踏板开度判断失误，极易驱动力矩不足、坡道溜车现象。电动汽车下坡时，制动能量回收率取决于制动踏板开度，易造成制动能量回收率低的现象。
依据坡道信息设计电动汽车VCU可解决坡道溜车、能量回收率低等问题。依据坡道信息设计电动汽车TCU可避免坡道频繁换挡，提高安全性与舒适性。
目前，对电动汽车坡道识别技术的研究主要分两类，其一：基于汽车纵向动力学，由于影响汽车纵向力的因素众多，且涉及的算法复杂，这种方法实时性差，易受干扰。其二，基于驱动电机工作参数，这种识别方法在电动汽车工况稳定时，能够精确识别坡道角，当电动汽车工况发生变化时，识别精度差，且波动大。本发明能够解决目前坡道识别实时性差、误差大、波动大等问题。
目前，关于载体姿态解算的方法普遍使用基于陀螺仪的姿态解算算法，此方法广泛应用于无人机、机器人、轮船等准静态载体的姿态解算，但是，单纯的将此方法应用于汽车这种具有很大的纵向、侧向、垂直加速度的载体上，具有很大的缺陷。本发明通过设计重力加速度补偿算法解决了这个缺陷，使基于陀螺仪的姿态解算算法成功的应用于汽车上，特别是电动汽车的坡度识别上。
发明内容
本发明的目的是为了解决电动汽车坡度判断实时性差、误差大、波动大的问题，提出一种电动汽车坡道识别装置及方法，实现各种工况下都能准确识别坡度角，及时改变能量回馈策略，提高经济性；及时改变VCU控制策略，解决电动汽车坡道起步溜车，提高安全性；及时改变TCU控制策略，解决匹配AMT的电动汽车坡道频繁换挡，提高舒适性坡道行驶安全性。
本发明所提出的技术实施方案如下：
一种电动汽车坡道识别装置，包括数据测量模块、重力加速度补偿算法模块、基于陀螺仪的解算方法模块、坡度角CAN发送模块。所述的数据测量模块由安装在电动汽车上的车速测量装置、安装在电动汽车中心处的加速度计、安装在中心处的陀螺仪构成，分别负责采集电动车车速，电动汽车纵向X轴、侧向Y轴、垂直方向Z轴的加速度，X轴、Y轴、Z轴角速度。所述的重力加速度补偿算法模块能够接收数据测量模块的数据，通过加速度补偿，解耦出重力加速度在电动汽车X轴、Y轴、Z轴的分量，并将重力加速度在Y轴的分量补偿到Z轴。所述的基于陀螺仪的算法方法模块能够接收数据测量模块的电动汽车X轴、Y轴、Z轴的角速度，和重力加速度补偿算法模块的重力加速度在X轴、Z轴的分量，并解算出坡度角。所述的坡度角CAN发送模块能将识别出的坡度角通过CAN总线发送给需要坡度信息的控制单元，如VCU、TCU、BMS等需要坡度角信息的控制单元。
一种电动汽车坡道识别方法，按照如下方法步骤得出：
1.数据测量模块通过安装电动汽车上的车速测量装置实时采集车速，并根据计算电动汽车行驶的纵向加速度，根据ay＝Vt×ωz计算电动汽车侧向加速度(其中：ax、ay单位为m/s2，Vt为采样时刻t的车速，单位m/s，Vt-1为采样时刻t-1的车速，单位m/s，ωz为电动汽车Z轴角速度，单位rad/s，Δt为采样周期，即t-(t-1)，单位ms)；通过安装在电动汽车中心处的加速度计采集X轴加速度Ax、Y轴加速度AY、Z轴加速度Az，单位均为m/s2。(Ax、ax可以这样理解：Ax由加速度计测量的加速度，后面简称X轴测量加速度Ax，ax是根据车速计算的加速度，后面简称X轴计算加速度ax，其中，X轴测量加速度Ax包含重力加速度X轴分量、X轴上的震动加速度、X轴计算加速度ax)；通过安装在电动汽车中心处的陀螺仪采集X轴角速度ωx、Y轴角速度ωy、Z轴角速度ωz，单位是rad/s。
2.对数据测量模块的数据进行信号处理，如卡尔曼滤波最优预测、巴特沃斯平滑处理，得出真实有效、可用的数据。将经过信号处理后的X轴加测量速度Ax、Y轴测量加速度AY、Z轴测量加速度Az、Z轴角速度ωz、X轴计算加速度ax、Y轴计算加速度ay传递到步骤3，将经过处理的ωx、ωy、ωz传递到步骤4。
3.加速度补偿算法模块接收步骤2传递过来的数据，对重力加速度在X轴的分量进行加速度补偿，即Gx＝Ax-ax，并采用卡尔曼滤波处理，得到重力加速度在X轴上的分量Gx；对重力加速度在Y轴的分量进行加速度补偿，即Gy＝Ay-ay(此处ay是电动汽车向心加速度，可用作侧向加速度)，并采用卡尔曼滤波处理，得到重力加速度在Y轴上的分量Gy；对Z轴的测量加速度Az进行均值滤波消除路面随机震动干扰，得到重力加速度在Z轴上的分量Gz；将重力加速度在Y轴分量Gy补偿到Z轴，即(本发明识别的是坡度角，即俯仰角，所以将Gy补偿到Gz，且令Gy＝0)。将本模块得到的Gx、Gz传递到步骤4。
4.基于陀螺仪的解算方法模块接收步骤2传递过来的ωx、ωy、ωz，接收步骤3传递过来的Gx、Gz。令X轴角速度ωx＝0，令Z轴角速度ωz＝0，即认为车载坐标系只能在Y轴有旋转，即只有俯仰角变化。利用基于陀螺仪的算法解算出俯仰角，即坡道角。将坡道角传递至5。
5.坡道角CAN发送模块接收步骤4传递过来的坡度角，并通过CAN总线发送至需要坡度角的控制单元，比如电动汽车整车控制器VCU、电动汽车自动变速器控制单元TCU等。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明一种电动汽车坡道识别装置及方法所需的传感器少，涉及的数据量小，通过MCU编程容易实现。
2.本发明一种电动汽车坡道识别装置及方法识别速度快、准确度高、误差小。
3.本发明一种电动汽车坡道识别装置及方法具有很强的通用性和可移植性。该方法可用于固定传动比电动汽车和匹配自动变速器的电动汽车中。
4.本发明一种电动汽车坡道识别装置及方法采用的参数由传感器直接测得，不从电动汽车通讯系统中(如CAN总线)获取任何参数，所以不受电动汽车故障等因素的影响。
附图说明
图1是本发明一种电动汽车坡道识别装置及方法的功能模块构架示意图。
图2是本发明一种电动汽车坡道识别装置及方法的软件算法流程框图。
图3是本发明一种电动汽车坡道识别装置及方法的信号处理流程图。
图4是本发明一种电动汽车坡道识别装置及方法的信号处理效果图。
图5是本发明一种电动汽车坡道识别装置及方法实施布局示意图。
图6是本发明一种电动汽车坡道识别装置及方法实施布局俯视示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围并不限于此。
参见图1，图1是实现一种电动汽车坡道识别装置及方法控制器程序的功能模块构架的示意框图，实施本发明的一种电动汽车坡道识别装置及方法的软件程序运行在控制器中。实施本发明所述的一种电动汽车坡道识别装置及方法的控制器程序由快速数据采集模块的数据处理系统、加速度补偿算法、基于陀螺仪算法、坡度角CAN发送构成。
该装置包括数据测量模块、重力加速度补偿算法模块、基于陀螺仪的解算方法模块、坡度角CAN发送模块。所述的数据测量模块由安装在电动汽车上的车速测量装置、安装在电动汽车中心处的加速度计、安装在中心处的陀螺仪构成，分别负责采集电动车车速，电动汽车纵向X轴、侧向Y轴、垂直方向Z轴的加速度，X轴、Y轴、Z轴角速度。所述的重力加速度补偿算法模块能够接收数据测量模块的数据，通过加速度补偿，解耦出重力加速度在电动汽车X轴、Y轴、Z轴的分量，并将重力加速度在Y轴的分量补偿到Z轴。所述的基于陀螺仪的算法方法模块能够接收数据测量模块的电动汽车X轴、Y轴、Z轴的角速度，和重力加速度补偿算法模块的重力加速度在X轴、Z轴的分量，并解算出坡度角。所述的坡度角CAN发送模块能将识别出的坡度角通过CAN总线发送给需要坡度信息的控制单元，如VCU、TCU、BMS等需要坡度角信息的控制单元。
参见图2，图2是实现一种电动汽车坡道识别装置及方法的软件算法流程框图，本发明的控制单元对加速度计、陀螺仪的数据每20ms读取一次，进行卡尔曼滤波或其他滤波方式如平均值、巴特沃斯等处理。(关于卡尔曼滤波的实施流程见附图3，传感器将含有噪音干扰的信号传递到信号处理系统中的卡尔曼滤波环节，在卡尔曼滤波环节中，按照如下步骤进行信号处理：
1)、首先按照公式x(k|k-1)＝x(k-1|k-1)由x(k-1|k-1)对x(k|k-1)进行预测(其中x(k|k-1)是信号在k时刻根据k-1时刻的预测值，x(k-1|k-1)是k-1时刻的信号修正值。
2)、按照公式P(k|k-1)＝P(k-1|k-1)+Qk-1更新k时刻的协方差P(k|k-1)，(P(k|k-1)是x(k|k-1)对应的协方差，P(k-1|k-1)是x(k-1|k-1)对应的协方差，Qk-1是系统过程的协方差，本发明，P的初始值为0.02，Qk-1＝0.018)；
3)、由1)和2)完成了对系统的预测得到预测值，结合测量值就能得到最优估算x(k|k)值，按照公式x(k|k)＝x(k|k-1)+kg(k)(zk-x(k|k-1))，(kg(k)是卡尔曼增益kg(k)＝P(k|k-1)(P(k|k-1)+R)-1，yk是k时刻的测量值，R是信号噪音，本发明的R＝0.542)；
4)、按照公式P(k|k)＝(1-kg(k))P(k|k-1)(P(k|k)是k时刻的协方差)；
根据上述步骤对信号处理后的效果图见附图4)；对车速测量装置每20ms计算一次速度(加速度计、陀螺仪、车速测量装置必须同步处理)。控制单元依据计算20ms内电动汽车X轴计算加速度ax的平均值，依据ay＝Vt×ωz计算20ms内电动汽车Y轴计算加速度ay的平均值。通过数据采集和处理之后，得到了本算法的姿态数据和20ms内电动汽车的X轴计算加速度ax、Y轴计算加速度ay。控制器根据重力加速度补偿算法模块的算法，依据数据测量模块的数据，快速计补偿出重力加速度在X、Y、Z轴上的分量Gx、Gy、Gz。并将重力加速度在Y轴的分量补偿到Z轴，使得任何时刻重力加速度只在X轴和Z轴分配。此时，控制器得到了最新的三轴角速度ωx、ωy、ωz和补偿之后的重力加速度在X轴和Z轴的分量Gx、Gz，并将X轴和Z轴的角速度清零，即ωx＝0、ωz＝0，然后控制器执行基于陀螺仪的姿态算法，快速地解算出坡度角，并通过CAN总线发送出去。
实施例一
如图5～6所示，一种电动汽车坡道识别装置，包括电动汽车车体9、加速度计2、陀螺仪3、控制单元4、测速测量装置7，其特征在于，在后轮1和前轮5的中心车架8处安装加速度计2和陀螺仪计3，并与控制单元4相连，实时传递电动汽车三轴加速度和三轴角速度，在电动汽车合适的位置安装车速测量装置7，并与控制单元4向连，实时采集电动汽车9的车速。加速度计2和陀螺仪3必须水平安装，且做防震处理，车速测量装置7必须选择合适的位置可靠安装，防止油污、灰尘等影响。在车辆运行时，控制单元4实时处理加速度计2、陀螺仪3和车速测量装置7的数据，并根据内嵌算法快速计算出当前的坡度角。通过CAN总线可将坡度角发送到VCU控制坡道起步力矩，发送到TCU改善，匹配AMT自动变速器的电动汽车坡道换挡策略。发送至BMS提高坡道能量回收率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种电动汽车坡道识别装置，其特征在于，包括数据测量模块、重力加速度补偿算法模块、基于陀螺仪的解算方法模块、坡度角CAN发送模块；
所述的数据测量模块由安装在电动汽车上的车速测量装置、安装在电动汽车中心处的加速度计、安装在中心处的陀螺仪构成，分别负责采集电动车车速，电动汽车纵向X轴、侧向Y轴、垂直方向Z轴的加速度，X轴角速度ωx、Y轴角速度ωy、Z轴角速度ωz；所述的重力加速度补偿算法模块能够接收数据测量模块的数据，通过加速度补偿，解耦出重力加速度在电动汽车X轴、Y轴、Z轴的分量，并将重力加速度在Y轴的分量补偿到Z轴；所述的基于陀螺仪的算法方法模块能够接收数据测量模块的电动汽车X轴、Y轴、Z轴的角速度，和重力加速度补偿算法模块的重力加速度在X轴、Z轴的分量，并解算出坡度角，所述的坡度角CAN发送模块能将识别出的坡度角通过CAN总线发送给需要坡度信息的控制单元。
2.一种电动汽车坡道识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，数据测量模块通过安装电动汽车上的车速测量装置实时采集车速，并根据计算电动汽车行驶的纵向加速度，根据ay＝Vt×ωz计算电动汽车侧向加速度，其中：ax、ay单位为m/s2，Vt为采样时刻t的车速，单位m/s，Vt-1为采样时刻t-1的车速，单位m/s，ωz为电动汽车Z轴角速度，单位rad/s，Δt为采样周期，即t-(t-1)，单位ms；通过安装在电动汽车中心处的加速度计采集X轴加速度Ax、Y轴加速度AY、Z轴加速度Az，单位均为m/s2；
步骤2，对数据测量模块的数据进行信号处理，通过卡尔曼滤波最优预测或巴特沃斯平滑处理，得出真实有效、可用的数据，将经过信号处理后的X轴加速度Ax、Y轴加速度AY、Z轴加速度Az、Z轴角速度ωz、纵向加速度ax、侧向加速度ay传递到步骤3，将经过处理的ωx、ωy、ωz传递到步骤4；
步骤3，加速度补偿算法模块接收步骤2传递过来的数据，对重力加速度在X轴的分量进行加速度补偿，即Gx＝Ax-ax，并采用卡尔曼滤波处理，得到重力加速度在X轴上的分量Gx；对重力加速度在Y轴的分量进行加速度补偿，即Gy＝Ay-ay，此处ay是电动汽车向心加速度，可用作侧向加速度，并采用卡尔曼滤波处理，得到重力加速度在Y轴上的分量Gy；对Z轴的测量加速度Az进行均值滤波消除路面随机震动干扰，得到重力加速度在Z轴上的分量Gz；将重力加速度在Y轴分量Gy补偿到Z轴，即识别的是坡度角，即俯仰角，所以将Gy补偿到Gz，且令Gy＝0，将本模块得到的Gx、Gz传递到步骤4；
步骤4，基于陀螺仪的解算方法模块接收步骤2传递过来的ωx、ωy、ωz，接收步骤3传递过来的Gx、Gz，令X轴角速度ωx＝0，令Z轴角速度ωz＝0，即认为车载坐标系只能在Y轴有旋转，即只有俯仰角变化，利用基于陀螺仪的算法解算出俯仰角，即坡度角，将坡度角传递至5；
步骤5，坡度角CAN发送模块接收步骤4传递过来的坡度角，并通过CAN总线发送至需要坡度角的控制单元。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车坡道识别方法，其特征在于，所述步骤1中，所述Ax由加速度计测量的加速度，所述ax是根据车速计算的加速度，其中，X轴加速度Ax包含重力加速度X轴分量、X轴上的震动加速度、X轴计算加速度ax；通过安装在电动汽车中心处的陀螺仪采集X轴角速度ωx、Y轴角速度ωy、Z轴角速度ωz，单位是rad/s。
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