CN107351915B - 一种汽车方向盘转角信息采集系统及采集方法 - Google Patents
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Abstract
一种汽车方向盘转角信息采集系统及采集方法，本发明涉及方向盘转角信息采集系统及方法。本发明为了解决现有信息采集系统存在安装困难、器件容易磨损、安装后影响驾驶员操作以及采集信息精度低的问题。本发明装置包括：三轴加速度计、三轴角速度计、单片机、电源模块、蓝牙发送模块、蓝牙接收模块、智能手机和便携电脑；三轴加速度计将数据通过输出端输入到单片机的加速度输入端，三轴角速度计将数据通过输出端输入到单片机的角速度输入端，单片机将接收到数据处理后通过输出端输入到蓝牙发送模块，蓝牙发送模块将接收到的数据传输到蓝牙接收模块，蓝牙接收模块将接收到的数据传输给智能手机或便携电脑；本发明用于驾驶员驾驶行为信息采集领域。
Description
技术领域
本发明涉及驾驶员驾驶行为信息采集领域，特别是涉及汽车方向盘转角信息采集系统及方法。
背景技术
方向盘转角检测，对于研究各种情境下驾驶员的操作行为、驾驶状态等具有重要作用。方向盘转动角度特性曲线可以有效表征驾驶人的换道意图，同时，方向盘转角不动时间能够表明驾驶员疲劳程度，对驾驶员进行预警；方向盘转角检测更是汽车动力学稳定控制(ESP)系统的重要组成部分，其精度和稳定性直接关系着行车安全。目前已公开的针对汽车方向盘转角信息提取方法有在传感器壳体内与方向盘转向管柱固定连接的主动齿轮，利用齿轮啮合来检测方向盘的转动角度，此类技术方案的不利之处在于：安装困难；器件存在磨损问题；此外，该传感器属于接触式传感器，会对驾驶员的操作造成影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有信息采集系统存在安装困难、器件容易磨损、安装后影响驾驶员操作以及采集信息精度低等缺点，而提出一种汽车方向盘转角信息采集系统及采集方法。
一种汽车方向盘转角信息采集系统包括：三轴加速度计、三轴角速度计、单片机、电源模块、蓝牙发送模块、蓝牙接收模块、智能手机和便携电脑；
三轴加速度计将三轴加速度数据通过三轴加速度计的输出端输入到单片机的加速度输入端，三轴角速度计将三轴角速度数据通过三轴角速度计的输出端输入到单片机的角速度输入端，单片机将接收到三轴加速度数据和三轴角速度数据处理后通过单片机的输出端输入到蓝牙发送模块的输入端，蓝牙发送模块将接收到的数据传输到蓝牙接收模块，蓝牙接收模块将接收到的数据传输给智能手机或便携电脑；
电源模块与单片机电连接，用于为单片机三轴加速度计、三轴角速度计和蓝牙发送模块供电；
三轴加速度计、三轴角速度计、单片机、电源模块和蓝牙发送模块组成信息采集装置。
一种汽车方向盘转角信息采集方法包括以下步骤：
步骤一：单片机对接收到的三轴加速度数据和三轴角速度数据进行数据的预处理；所述预处理包括数据的读取、校准和滤波；所述三轴为x轴、y轴和z轴，x轴和y轴在信息采集装置平面上互相垂直，x轴和y轴所构成的平面与信息采集装置构成的平面平行，z轴与信息采集装置构成的平面垂直(三轴加速度计和三轴角速度计和信息采集装置采用相同的坐标系)；
步骤二：单片机将预处理后的三轴角速度数据中的沿着坐标轴正向的三轴加速度为分量，构成加速度向量a，信息采集装置绕x轴角度θa为加速度向量a与加速度向量a在xoz平面上投影(x，0，z)的夹角；其中
步骤三：单片机对x轴的角速度进行积分，获得通过角速度解析的角度θω，利用一阶互补算法，对θa进行修正，得到修正后的信息采集装置的偏转角度为θi，i＝0,1,2，…，n；n为正整数。
步骤四：为获得以零度为初始角度，区间范围在±180°的标准方向盘偏转角度，信息采集装置通过归零补偿方法对信息采集装置检测的绕x轴角度θa进行处理，根据步骤三中得到的修正后的信息采集装置的偏转角度为θi，得到标准的方向盘转角
归零补偿方法的具体过程为：
单片机(3)记录信息采集装置的初始角度，设其为θ0，检测信息采集装置的偏转角度θi，设标准的方向盘转角为的计算公式为：
若0<θ0<180°，且θ0－180°≤θi<180°时：
若0<θ0<180°，且－180°<θi<θ0－180°时：
若－180°<θ0≤0，且－180°<θi≤θ0+180°时：
若－180°<θ0≤0，且θ0+180°<θi<180°时：
步骤五：单片机将预处理后的三轴角速度数据中的绕x轴角速度作为方向盘的角速度，单片机将方向盘的角速度和通过步骤四得到的标准的方向盘转角转换为蓝牙发送模块可读取的数据形式，通过蓝牙接收模块将传输到智能手机或便携电脑。
本发明的有益效果为：
本发提供了一种相对简单的方向盘转角及转角速度测量装置，该装置将三轴加速度计、三轴角速度计、单片机、电源模块、蓝牙发送模块进行集成，外观小巧，不会对驾驶人视线和方向盘操作造成干扰；目前关于方向盘转角检测的专利技术主要是利用方向盘内部驱动的机械结构，通过在转向柱的轴线放置电位器或通过齿轮啮合来测量方向盘的转角，长时间的使用会对检测装置造成磨损，与此类方法相比，本发明装置安装于方向盘饰盘的侧面上，不会对信息检测装置造成磨损。
本发明的集成装置内部均采用固态元件，无转动部件，稳定性和可靠性较高。
本发明的单片机中采用校准算法和卡尔曼滤波算法对三轴加速度和三轴角速度进行预处理，用处理后的三轴加速度解算集成装置的姿态转动，并结合三轴角速度的积分角度对三轴加速度的解析角度进行修正，系统具有较高的测量精度，姿态测量精度可达到0.1°；
安装便利，可在方向盘上进行无损安装，且安装位置较为灵活，系统内置自动归零算法，可实现在方向盘上表面以任意位置安装，上电后均可输出以0°为初始角度，角度范围在±180°的方向盘转角数据；
采用蓝牙进行数据的无线传输，避免导线缠绕对驾驶员的方向盘操作产生干扰。
附图说明
图1是本发明一种汽车方向盘转角信息采集系统的结构示意图；
图2是本发明一种汽车方向盘转角信息采集系统的安装位置正视图；
图3是本发明一种汽车方向盘转角信息采集系统的安装位置俯视图；
图4是本发明一种汽车方向盘转角信息采集系统角度解算的模型图；图中g为重力加速度；
图5是本发明一种汽车方向盘转角信息采集系统自动归零补偿算法的流程图；
图6是本发明一种汽车方向盘转角信息采集方法流程图。
图7是本发明一种汽车方向盘信息采集装置采集的x轴加速度波形；图中Ax为x轴加速度；
图8是本发明一种汽车方向盘信息采集装置采集的y轴加速度波形；图中Ay为y轴加速度；
图9是本发明一种汽车方向盘信息采集装置采集的z轴加速度波形；图中Az为z轴加速度；
图10是本发明一种汽车方向盘信息采集装置通过三轴加速度解析的信息采集装置倾角波形；
图11是本发明一种汽车方向盘信息采集装置检测的方向盘转动角度波形。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，一种汽车方向盘转角信息采集系统包括：三轴加速度计1、三轴角速度计2、单片机3、电源模块4、蓝牙发送模块5、蓝牙接收模块6、智能手机7和便携电脑8；
三轴加速度计1将三轴加速度数据通过三轴加速度计1的输出端输入到单片机3的加速度输入端，三轴角速度计2将三轴角速度数据通过三轴角速度计2的输出端输入到单片机3的角速度输入端，单片机3将接收到三轴加速度数据和三轴角速度数据处理后通过单片机3的输出端输入到蓝牙发送模块5的输入端，蓝牙发送模块5将接收到的数据传输到蓝牙接收模块6，蓝牙接收模块6将接收到的数据传输给智能手机7或便携电脑8；
电源模块4与单片机3电连接，用于为单片机3三轴加速度计1、三轴角速度计2和蓝牙发送模块5供电；
三轴加速度计1、三轴角速度计2、单片机3、电源模块4和蓝牙发送模块5组成信息采集装置。
所述单片机3可将三轴加速度计1和三轴角速度计2的电信号进行数据采集、校准和滤波。
所述三轴角速度计2用于将X轴的角速度计算方向盘的角速度。
所述三轴加速度计1用于将当前加速度向量同重力加速度的位置变化来解算集成装置当前的转角数据，利用一阶互补算法，结合角速度计解算的转角，对角度进行修正，提高系统的测量精度。
所述电源模块4为上述三轴加速度计1、三轴角速度计2、单片机3、蓝牙发送模块5提供适配、稳定的电压源。
所述蓝牙接收模块6用于接收蓝牙发送模块5发出的汽车方向盘转角及转角速率数据，并将多参数数据传输到便携电脑8或智能手机7等其他智能终端，实现对数据的处理与记录。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述信息采集装置安装于固定安装于方向盘饰盘的侧面上，如图2和图3所示。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图4和图6所示，一种汽车方向盘转角信息采集方法包括以下步骤：
步骤一：单片机3对接收到的三轴加速度数据和三轴角速度数据进行数据的预处理；所述预处理包括数据的读取、校准和滤波；所述三轴为x轴、y轴和z轴，x轴和y轴在信息采集装置平面上互相垂直，x轴和y轴所构成的平面与信息采集装置构成的平面平行，z轴与信息采集装置构成的平面垂直(三轴加速度计和三轴角速度计和信息采集装置采用相同的坐标系)；
步骤二：单片机3将预处理后的三轴角速度数据中的沿着坐标轴正向的三轴加速度为分量(以三轴向上的加速度为分量)，构成加速度向量a，信息采集装置绕x轴角度θa为加速度向量a与加速度向量a在xoz平面上投影(x，0，z)的夹角；其中
步骤三：单片机3对x轴角速度进行积分，获得通过角速度解析的角度θω，利用一阶互补算法，对θa进行修正，得到修正后的信息采集装置的偏转角度为θi，i＝0,1,2，…，n；n为正整数。
步骤四：为获得以零度为初始角度，区间范围在±180°的标准方向盘偏转角度，信息采集装置通过归零补偿方法对信息采集装置检测的绕x轴角度θa进行处理(如图5所示)，根据步骤三中得到的修正后的信息采集装置的偏转角度为θi，得到标准的方向盘转角
所述步骤四中归零补偿方法的具体过程为：
单片机(3)记录信息采集装置的初始角度，设其为θ0，检测信息采集装置的偏转角度θi，设标准的方向盘转角为的计算公式为：
若0<θ0<180°，且θ0－180°≤θi<180°时：
若0<θ0<180°，且－180°<θi<θ0－180°时：
若－180°<θ0≤0，且－180°<θi≤θ0+180°时：
若－180°<θ0≤0，且θ0+180°<θi<180°时：
步骤五：单片机3将预处理后的三轴角速度数据中的绕x轴角速度作为方向盘的角速度，单片机3将方向盘的角速度和通过步骤四得到的标准的方向盘转角转换为蓝牙发送模块5可读取的数据形式，通过蓝牙接收模块6将传输到智能手机7或便携电脑8。
所述信息采集装置内置归零补偿算法，可实现将信息采集装置安装于方向盘上平面任意位置，均可实现自动归零，测量时输出以0度为初始角度，角度范围在±180度的方向盘转角信息。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤二中θa的计算公式为：
当ay值为负时，θa取负值；其中ax为x轴加速度，ay为y轴加速度，az为z轴加速度。
其它步骤及参数与具体实施方式三相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例中，采用六轴姿态传感器MPU-6050作为3轴加速度和3轴角速度传感器，单片机采用Arduino单片机，蓝牙发送模块采用蓝牙4.0通讯协议进行方向盘信息的无线传输，上电前，将信息采集装置按图2方式紧固安装于方向盘饰盖上侧面任意位置，并将方向盘置于正中位置，便于系统进行自动归零，单片机对三轴加速度数据与三轴角速度数据进行数据的读取、校正和滤波，其中滤波过程使用卡尔曼滤波器去除数据中夹杂的大量噪音，将处理后的三轴角速度数据中的绕x轴角速度作为方向盘角速度输出，将三轴加速度数据(如图2、图3、图4所示)按公式进行姿态解算，可获得信息采集装置的倾角(如图5所示)，最后对信息采集装置的倾角用上述归零补偿算法进行处理，可实现信息采集装置以任意x轴初始角度放置，都可以采集到以0°为初始角度，区间范围在-180°～180°的标准方向盘转角数据(如图6所示)。信息采集装置采集的x轴、y轴和z轴加速度如图7至图9所示，信息采集装置倾角如图10所示，方向盘转动角度如图11所示。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种汽车方向盘转角信息采集方法，其特征在于：所述汽车方向盘转角信息采集方法包括以下步骤：
步骤一：单片机(3)采用校准算法和卡尔曼滤波算法对接收到的三轴加速度数据和三轴角速度数据进行数据的预处理；所述预处理包括数据的读取、校准和滤波；
三轴加速度计(1)、三轴角速度计(2)、单片机(3)、电源模块(4)和蓝牙发送模块(5)组成信息采集装置；信息采集装置固定安装于方向盘饰盘的侧面上；
三轴加速度计和三轴角速度计和信息采集装置采用相同的坐标系，其中x轴和y轴在信息采集装置平面上互相垂直，x轴和y轴所构成的平面与信息采集装置构成的平面平行，z轴与信息采集装置构成的平面垂直；
步骤二：单片机(3)将预处理后的三轴加速度数据中的沿着坐标轴正向的三轴加速度为分量，构成加速度向量a，信息采集装置绕x轴角度θa为加速度向量a与加速度向量a在xoz平面上投影(x，0，z)的夹角；
所述θa的计算公式为：
当ay值为负时，θa取负值；其中ax为x轴加速度，ay为y轴加速度，az为z轴加速度；
步骤三：单片机(3)对x轴的角速度进行积分，获得角度θω，利用一阶互补算法，对θa进行修正，得到修正后的信息采集装置的偏转角度为θi，i＝0,1,2，…，n；n为正整数；
步骤四：采集装置通过归零补偿方法对信息采集装置的偏转角度θi进行处理，根据步骤三中得到的修正后的信息采集装置的偏转角度为θi，得到标准的方向盘转角
归零补偿方法的具体过程为：
单片机(3)记录信息采集装置的初始角度，设其为θ0，检测信息采集装置的偏转角度θi，设标准的方向盘转角为 的计算公式为：
若0<θ0<180°，且θ0－180°≤θi<180°时：
若0<θ0<180°，且－180°<θi<θ0－180°时：
若－180°<θ0≤0，且－180°<θi≤θ0+180°时：
若－180°<θ0≤0，且θ0+180°<θi<180°时：
步骤五：单片机(3)将预处理后的三轴角速度数据中的绕x轴角速度作为方向盘的角速度，单片机(3)将方向盘的角速度和通过步骤四得到的标准的方向盘转角转换为蓝牙发送模块(5)可读取的数据形式，通过蓝牙接收模块(6)将传输到智能手机(7)或便携电脑(8)。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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