CN106672075B - 一种用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统及控制方法，该系统安装在汽车的转向拨杆上，包括控制单元，以及与控制单元均相连的加速度传感器和按键；其中：加速度传感器，用于检测汽车拨动转向拨杆时产生的加速度；按键，用于实现按键功能并产生触发信号，控制单元实时检测触发信号；控制单元，用于在检测到按键触发信号后，等待设定时间后开始采集加速度值；在检测到加速度传感器的触发信号后，采集加速度值，通过算法对加速度值进行运算，得到汽车转向状态。本发明能够准确判断转向拨杆的位置，在将要发生危险转向和变道时，能够及时的向驾驶员发出报警信号，大大提高了驾驶过程的安全性。

Description

一种用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统及控制方法

技术领域

本发明涉及汽车电子技术领域，尤其涉及一种用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统及控制方法。

背景技术

目前实现转向状态检测的方法是拆解汽车部件破线接入车辆CAN总线提取汽车转向数据，安装非常麻烦，需要专业汽车维护人员来操作，并且有些汽车的CAN总线加密而导致部分汽车无法提取汽车转向数据，存在一定的适配性。有一部分车载产品需要获取汽车转向状态，例如ADAS(Advanced Driving Assistant System)，即高级驾驶辅助系统，其代表性企业是以色列的Mobileye。Mobileye的方案是拆解汽车部件破线接入车辆内部的CAN总线来获取转向灯状态。该方法不仅开发成本高，安装维护成本也很高，提供一种简单方便低成本解决方案非常有必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中成本高、效率低、耗时间，且需要拆解汽车接入车辆的CAN总线的缺陷，提供一种用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统，该系统安装在汽车的转向拨杆上，包括控制单元，以及与控制单元均相连的加速度传感器和按键；其中：

加速度传感器，用于检测汽车拨动转向拨杆时产生的加速度，并将加速度数据发送给控制单元；

按键，用于实现按键功能并产生触发信号，控制单元实时检测触发信号；

控制单元，用于通过按键和加速度传感器两种检测方式对汽车转向状态进行检测；按键检测方式：控制单元检测到按键触发信号后，等待设定时间后开始采集加速度值；加速度传感器检测方式：加速度传感器实时检测加速度状态变化，控制单元检测到加速度传感器的触发信号后，采集加速度值，并通过算法消除汽车震动对加速度传感器的干扰，获取一个稳定的加速度值，再通过算法对加速度值进行运算，得到汽车转向状态。

进一步地，本发明的系统还包括与控制单元相连的供电单元，用于为系统供电并实现功耗管理。

进一步地，本发明的系统还包括主机，主机与控制单元通过无线的方式相连；主机用于在进行拨杆位置检测前，进行不同状态的加速度值的标定；并接收控制单元得到的汽车转向状态和按键命令，进行转向预警。

进一步地，本发明的系统还包括与控制单元相连的无线收发单元，用于将汽车转向状态或按键命令通过无线发送到主机。

进一步地，本发明的系统还包括与主机相连的视频采集模块和预警模块；其中：

视频采集模块，用于实时采集车辆前方的视频图像；

预警模块，用于根据拨杆状态和车辆前方的视频图像，判断当前的转向变道是否安全，在检测到将要发生危险的转向变道时，向驾驶员发出预警信号。

本发明提供一种用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、车辆静态时，将转向传感器模块安装在汽车的转向拨杆上，通过客户端启动标定过程，记录拨杆处于上、中、下三个位置的三轴加速度数据；

S2、初始化：计算拨杆在各个位置之间的运动姿态角，即旋转矩阵，其公式为：

其中，和为拨杆两个位置的三轴加速度值，M为一个3X3阶的旋转矩阵，该旋转矩阵包含拨杆两位置间运动信息；

初始化计算后，得到拨杆各位置之间运动的一系列旋转矩阵；

S3、计算并判别：车辆运动时，将得到的各个旋转矩阵依次与前一拨杆状态时记录的加速度数据矩阵点乘，得到的结果依次与当前拨杆状态的加速度矩阵进行对比，计算两矩阵空间夹角，空间夹角最小者所对应的旋转矩阵即是车辆转向状态判断依据；

S4、保存数据：将当前拨杆位置的加速度数据存储，作为下次计算的前一拨杆位置加速度数据；

S5、车辆运动过程中，反复执行步骤S3和步骤S4，实时判断车辆的转向意图。

进一步地，本发明的步骤S1中标定过程的具体方法为：

汽车处于静止状态，手松开按键后等待设定时间，使拨杆停止震动处于静止状态；

根据客户端的提示，向一侧拨动转向拨杆，短按转向传感器模块的按键，记录按键之后的加速度数据，作为该侧位置的加速度值；

完成左转、右转和直行三个位置的加速度值的标定。

进一步地，本发明的步骤S2中还包括消除汽车震动对加速度计干扰的方法：

消除汽车震动干扰的过程称为找静态点，定时采样三个轴的加速度值，采集到一个序列后，开始判断静态点；判断找到静态点的条件为：

序列中，X轴任意两点的差值小于阈值；Y轴任意两点的差值小于阈值；Z轴任意两点的差值小于阈值；

将每个轴中的点取平均值，就得到了当前的加速度值，然后利用该值去判断汽车拨杆状态。

进一步地，本发明的步骤S2中计算运动姿态角的方法为：计算三轴加速度传感器的笛卡尔坐标系与大地笛卡尔坐标系的角度值，这个角度值为运动姿态角。

本发明产生的有益效果是：本发明的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统，通过在使用前进行加速度标定，能够准确的获取各个位置对应的加速度阈值，并根据标定的加速度阈值判断转向拨杆的转向状态；该方法能够准确判断转向拨杆的位置，在将要发生危险转向和变道时，能够及时的向驾驶员发出报警信号，大大提高了驾驶过程的安全性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构框图；

图2是本发明实施例的客户端界面示意图；

图3是本发明实施例的标定操作界面示意图；

图4是本发明实施例的拨杆操作示意图；

图5是本发明实施例的方法流程图；

图中，1-加速度传感器，2-按键，3-供电单元，4-无线收发单元，5-控制单元，6-主机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统，该系统安装在汽车的转向拨杆上，包括控制单元，以及与控制单元均相连的加速度传感器和按键；其中：

加速度传感器，用于检测汽车拨动转向拨杆时产生的加速度，并将加速度数据发送给控制单元；

按键，用于实现按键功能并产生触发信号，控制单元实时检测触发信号；

控制单元，用于通过按键和加速度传感器两种检测方式对汽车转向状态进行检测；按键检测方式：控制单元检测到按键触发信号后，等待1s后开始采集加速度值；加速度传感器检测方式：加速度传感器实时检测加速度状态变化，控制单元检测到加速度传感器的触发信号后，采集加速度值，并通过算法消除汽车震动对加速度传感器的干扰，获取一个稳定的加速度值，再通过算法对加速度值进行运算，得到汽车转向状态。

该系统还包括与控制单元相连的供电单元，用于为系统供电并实现功耗管理。该系统还包括主机，主机与控制单元通过无线的方式相连；主机用于在进行拨杆位置检测前，进行不同状态的加速度值的标定；并接收控制单元得到的汽车转向状态和按键命令，进行转向预警。该系统还包括与控制单元相连的无线收发单元，用于将汽车转向状态或按键命令通过无线发送到主机。

该系统还包括与主机相连的视频采集模块和预警模块；其中：

视频采集模块，用于实时采集车辆前方的视频图像；

预警模块，用于根据拨杆状态和车辆前方的视频图像，判断当前的转向变道是否安全，在检测到将要发生危险的转向变道时，向驾驶员发出预警信号。

在本发明的另一个具体实施例中，ADAS预警系统硬件系统方案框图见图1所示，主要包括4个设备：转向传感器模块(蓝牙传感拍照器)、主机、预警模块以及手机APP(客户终端)。

转向传感器模块与主机通过蓝牙通讯，转向传感器模块有一个加速度传感器和按键，粘贴在汽车拨杆上，拨动汽车拨杆或单击按键时，将加速度数据或按键数据上报给主机，主机根据加速度值计算出拨杆的位置(左转、右转、直行)，按键主要用于控制主机拍照。

预警模块与主机通过蓝牙通讯，显示主机发送的相关报警信息。

客户终端与主机通过WIFI实现通讯，主要功能是与主机交互，查看和检索相关图像、视频等信息。

主机用于实现ADAS算法。

使用加速度传感器计算拨杆位置：拨杆拨动后，转向传感器模块将加速度数据上报给主机，主机通过一定的算法，将当前收到的加速度值与预先标定好的车辆拨杆在不同状态下(左转、右转、直行)传感器加速度值进行运算，判断车辆拨杆状态。

转向传感器模块在汽车拨杆上的安装位置，传感器要尽量保持水平安装。

需要预先保存车辆拨杆在不同位置时，传感器的加速度值，而且这三组加速度值必须要稳定可靠。这三组预设的加速度值直接关系到计算的准确性。

三组预设的加速度值的标定方法为：

首先通过客户端进入标定界面，然后再按照提示进行标定，直到标定完成。我们的产品使用过两种标定方法。

如图5所示，本发明实施例的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、车辆静态时，将转向传感器模块安装在汽车的转向拨杆上，通过客户端启动标定过程，记录拨杆处于上、中、下三个位置的三轴加速度数据；

S2、初始化：计算拨杆在各个位置之间的运动姿态角，即旋转矩阵，其公式为：

其中，和为拨杆两个位置的三轴加速度值，M为一个3X3阶的旋转矩阵，该旋转矩阵包含拨杆两位置间运动信息；

初始化计算后，得到拨杆各位置之间运动的一系列旋转矩阵；

S3、计算并判别：车辆运动时，将得到的各个旋转矩阵依次与前一拨杆状态时记录的加速度数据矩阵点乘，得到的结果依次与当前拨杆状态的加速度矩阵进行对比，计算两矩阵空间夹角，空间夹角最小者所对应的旋转矩阵即是车辆转向状态判断依据；

S4、保存数据：将当前拨杆位置的加速度数据存储，作为下次计算的前一拨杆位置加速度数据；

S5、车辆运动过程中，反复执行步骤S3和步骤S4，实时判断车辆的转向意图。

步骤S1中标定过程的具体方法为：

汽车处于静止状态，手松开按键后等待1s，使拨杆停止震动处于静止状态；

根据客户端的提示，向一侧拨动转向拨杆，短按转向传感器模块的按键，记录按键之后的加速度数据，作为该侧位置的加速度值；

完成左转、右转和直行三个位置的加速度值的标定。

步骤S2中还包括消除汽车震动对加速度计干扰的方法：

消除汽车震动干扰的过程称为找静态点，定时采样三个轴的加速度值，采集到一个序列后，开始判断静态点；判断找到静态点的条件为：

序列中，X轴任意两点的差值小于阈值；Y轴任意两点的差值小于阈值；Z轴任意两点的差值小于阈值；

将每个轴中的点取平均值，就得到了当前的加速度值，然后利用该值去判断汽车拨杆状态。

步骤S2中计算运动姿态角的方法为：计算三轴加速度传感器的笛卡尔坐标系与大地笛卡尔坐标系的角度值，这个角度值为运动姿态角。

实施例1：主机收到3个不同位置的加速度数据后，将这3组数据自动排序，识别出每组数据对应的拨杆位置。

1、将转向传感器安装在拨杆上，在客户端上启动标定过程；

2、按一定的顺序打转向灯，在每个位置都停留一段时间；

3、如果左打、右打、复位这3个位置都标定好，结束标定过程；

如图3所示，按照APP提示分别拨动转向拨杆到左转、正常位置、右转，并在每个位置保持2秒，此时界面上的三个图标将从左到右依次变亮，其过程如图4所示。

实施例1的标定方法比较简单，但是找到的三组加速度值不是最稳定的，因为在拨杆拨动后，有可能还没拨到位就将加速度值上报给主机了。

实施例2：每一步标定都通过传感器模块上的按键确认。传感器模块的工作机制是：加速度值的变化超过一个阈值时，开始查找静态点；按键释放后1s，开始查找静态点。本标定方法就是利用短按按键后的加速度数据当做标定数据，这个时候拨杆的状态是静止不动的。

1、将转向传感器安装在拨杆上，在客户端上启动标定过程；

2、短按转向传感器的按键，激活标定进入下一步；

3、根据客户端提示，按一定的顺序打转向灯，打到每个位置后，短按转向传感器或者通过其他方式进行确认；

4、左打、右打、复位，这3个位置都要进行标定，3个位置全部标定好以后标定结束。

本发明的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统，通过在使用前进行加速度标定，能够准确的获取各个位置对应的加速度阈值，并根据标定的加速度阈值判断转向拨杆的转向状态；该方法能够准确判断转向拨杆的位置，在将要发生危险转向和变道时，能够及时的向驾驶员发出报警信号，大大提高了驾驶过程的安全性。

实施例3：车辆转向状态检测装置安装在汽车转向拨杆上，其主要包括以下几个部分：

加速度传感器1：用于检测汽车拨动转向拨杆时产生的加速度；

按键2：用于实现按键功能；

供电单元3：整机供电及功耗管理实现；

无线收发单元4：用于将汽车转向状态或按键命令通过无线发送到主机单元；

控制单元5：用于实现算法、无线协议栈管理、功耗管理以及整机管理等；

主机单元6：用于接收汽车转向状态和按键命令，管理标定过程等。

按下按键时，将产生触发信号，控制单元会检测该触发信号。实时检测加速度值，当加速度值的变化超过阈值时，也会产生触发信号。

当驾驶员拨动拨杆时，三轴加速度计检测的加速度值发生较大变化，产生触发信号，控制单元检测到该信号后采集加速度值，并通过算法消除汽车路面颠簸以及汽车震动等场景的干扰，判断出当前汽车实际的转向状态，然后通过无线网络将汽车实际转向状态发送给主机单元。

汽车转向状态检测方法主要包括以下步骤：

步骤1：加速度计随时检测加速度状态变化，控制单元检测到加速度计的触发信号后，采集加速度值，并通过算法消除汽车震动对加速度计的干扰，获取一个稳定的加速度值，再通过算法对这个加速度值进行一系列的运算，得到汽车转向状态。最后将汽车转向状态上报给主机单元。

步骤2：控制单元检测到按键触发信号后，将按键命令上报给主机单元，然后再等待1s后开始采集加速度值，后面的过程见步骤1。

标定方法：

要计算出汽车拨杆的位置，需要预先保存汽车拨杆在上、中、下三个位置时，加速度计的加速度值。在按键之后再采集加速度数据，是为了更好的完成标定过程。

标定时，汽车处于静止状态，手松开按键后等待1s，拨杆已经停止震动，几乎处于静止状态，这个时候采集的加速度值是最稳定可靠的。标定值的可靠性影响汽车转向判断的准确度。

标定过程由用户通过主机单元启动，设定一个固定的标定顺序，以便控制单元识别拨杆的位置，例如按照上、中、下的顺序标定，那么第一个记录的加速度数据就对应拨杆在上的位置。先将拨杆拨到第一个位置，然后按键，等待这次的标定结果。如果先有按键，然后再获取到稳定的加速度值，本次标定完成，开始标定下一个位置。三个位置都标定完成后，标定过程结束，控制单元就可以开始判断汽车转向状态了。

消除汽车震动对加速度计的干扰：

消除汽车震动干扰的过程称为找静态点。定时采样三个轴的加速度值，采集到一个长度为M的序列后，开始判断静态点。判断找到静态点的条件：

1、M序列中，X轴任意两点的差值小于一个阈值；

2、M序列中，Y轴任意两点的差值小于一个阈值；

3、M序列中，Z轴任意两点的差值小于一个阈值；

然后将每个轴中的M个点取平均值，就得到了当前的加速度值，然后利用该值去判断汽车拨杆状态。

该算法得出的静态点比较可靠，判断汽车拨杆状态的准确率最高，但是查找静态点的速度比较慢，还有其他找静态点的算法，可以并行运行，加快查找速度。

判断汽车转向状态的算法：

计算三轴加速度传感器的笛卡尔坐标系与大地笛卡尔坐标系的角度值，这个角度值被称为姿态角。根据姿态角判断汽车拨杆的状态，进而判断出汽车转向状态。此算法不受地形限制，平直路面及坡道路面都可保证准确率。

算法过程如下：

(1)标定：传感器安装完成后，通过标定步骤，记录拨杆处于上、中、下三个位置的三轴加速度数据。

(2)初始化：计算拨杆各位置间运动姿态角(旋转矩阵)：

其中，和为拨杆两个位置的三轴加速度值，M为一个3X3阶的旋转矩阵，该旋转矩阵包含拨杆两位置间运动信息；

初始化计算后，得到拨杆各位置之间运动的一系列旋转矩阵；

S3、计算并判别：车辆运动时，将得到的各个旋转矩阵依次与前一拨杆状态时记录的加速度数据矩阵点乘，得到的结果依次与当前拨杆状态的加速度矩阵进行对比，计算两矩阵空间夹角，空间夹角最小者所对应的旋转矩阵即是车辆转向状态判断依据；

S4、保存数据：将当前拨杆位置的加速度数据存储，作为下次计算的前一拨杆位置加速度数据；

S5、车辆运动过程中，反复执行步骤S3和步骤S4，实时判断车辆的转向意图。

算法流程如上，标定和初始化步骤在车辆静态时，一次完成。车辆运动时，反复进行步骤三和步骤四运算，以判断车辆转向意图。

根据实测，此算法受地形限制小，平直路面及坡道路面都可保证准确率。

判断汽车转向状态的第二种算法：

使用三轴加速度传感器，计算出加速度值的空间夹角并比较预先标定好的车辆拨杆不同状态下空间夹角值，并以此判断车辆拨杆状态。此方法物理原理直观，算法实现简单，在平直路面上可取得较好效果。但也存在致命缺陷，使用场景过于单一，仅可在平直路段保证准确率。若车身稍有俯仰，加速度空间夹角变化巨大，出现误判。针对上述问题，本文中使用了判断姿态角的算法，对上述算法进行了改进。

第二种标定方法：

不使用按键，启动标定过程后，按照任意顺序将拨杆分别拨到三个位置，在每个位置上停留几秒钟，以便找到静态点。程序自动对三个位置记录到的加速度值排序，找到每个记录值对应的位置。

有益效果：

a.采用加速度计方案，监测汽车拨杆进而实现精确汽车转向状态判断；

b.采用可靠的标定方法，对加速度传感器进行标定；

c.采用算法消除汽车震动对加速度计的干扰；

采用高效的算法，根据加速度值计算汽车转向状态，提高判断的准确率。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统的控制方法，其特征在于,通过用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统实现，该系统安装在汽车的转向拨杆上，包括控制单元，以及与控制单元均相连的加速度传感器和按键；其中：

加速度传感器，用于检测汽车拨动转向拨杆时产生的加速度，并将加速度数据发送给控制单元；

按键，用于实现按键功能并产生触发信号，控制单元实时检测触发信号；

控制单元，用于通过按键和加速度传感器两种检测方式对汽车转向状态进行检测；按键检测方式：控制单元检测到按键触发信号后，等待设定时间后开始采集加速度值；加速度传感器检测方式：加速度传感器实时检测加速度状态变化，控制单元检测到加速度传感器的触发信号后，采集加速度值，并通过算法消除汽车震动对加速度传感器的干扰，获取一个稳定的加速度值，再通过算法对加速度值进行运算，得到汽车转向状态。

该方法包括以下步骤：

S1、车辆静态时，将转向传感器模块安装在汽车的转向拨杆上，通过客户端启动标定过程，记录拨杆处于上、中、下三个位置的三轴加速度数据；

S2、初始化：计算拨杆在各个位置之间的运动姿态角，即旋转矩阵，其公式为：

其中，和为拨杆两个位置的三轴加速度值，M为一个3X3阶的旋转矩阵，该旋转矩阵包含拨杆两位置间运动信息；

初始化计算后，得到拨杆各位置之间运动的一系列旋转矩阵；

S3、计算并判别：车辆运动时，将得到的各个旋转矩阵依次与前一拨杆状态时记录的加速度数据矩阵点乘，得到的结果依次与当前拨杆状态的加速度矩阵进行对比，计算两矩阵空间夹角，空间夹角最小者所对应的旋转矩阵即是车辆转向状态判断依据；

S4、保存数据：将当前拨杆位置的加速度数据存储，作为下次计算的前一拨杆位置加速度数据；

S5、车辆运动过程中，反复执行步骤S3和步骤S4，实时判断车辆的转向意图。

2.根据权利要求1所述的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统的控制方法，其特征在于，该系统还包括与控制单元相连的供电单元，用于为系统供电并实现功耗管理。

3.根据权利要求1所述的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统的控制方法，其特征在于，该系统还包括主机，主机与控制单元通过无线的方式相连；主机用于在进行拨杆位置检测前，进行不同状态的加速度值的标定；并接收控制单元得到的汽车转向状态和按键命令，进行转向预警。

4.根据权利要求3所述的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统的控制方法，其特征在于，该系统还包括与控制单元相连的无线收发单元，用于将汽车转向状态或按键命令通过无线发送到主机。

5.根据权利要求3所述的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统的控制方法，其特征在于，该系统还包括与主机相连的视频采集模块和预警模块；其中：

视频采集模块，用于实时采集车辆前方的视频图像；

预警模块，用于根据拨杆状态和车辆前方的视频图像，判断当前的转向变道是否安全，在检测到将要发生危险的转向变道时，向驾驶员发出预警信号。

6.根据权利要求1所述的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统的控制方法，其特征在于，步骤S1中标定过程的具体方法为：

汽车处于静止状态，手松开按键后等待设定时间，使拨杆停止震动处于静止状态；

根据客户端的提示，向一侧拨动转向拨杆，短按转向传感器模块的按键，记录按键之后的加速度数据，作为该侧位置的加速度值；

完成左转、右转和直行三个位置的加速度值的标定。

7.根据权利要求1所述的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统的控制方法，其特征在于，步骤S2中还包括消除汽车震动对加速度计干扰的方法：

消除汽车震动干扰的过程称为找静态点，定时采样三个轴的加速度值，采集到一个序列后，开始判断静态点；判断找到静态点的条件为：

序列中，X轴任意两点的差值小于阈值；Y轴任意两点的差值小于阈值；Z轴任意两点的差值小于阈值；

将每个轴中的点取平均值，就得到了当前的加速度值，然后利用该值去判断汽车拨杆状态。

8.根据权利要求1所述的用于检测汽车拨杆位置的转向传感器系统的控制方法，其特征在于，步骤S2中计算运动姿态角的方法为：计算三轴加速度传感器的笛卡尔坐标系与大地笛卡尔坐标系的角度值，这个角度值为运动姿态角。