CN107462911A - 汽车上下高架的检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能交通领域，公开了一种汽车上下高架的检测方法及其装置。本发明中，包括以下步骤：获取汽车的卫星定位信息，并根据该卫星定位信息计算该汽车的第一加速度信息；获取来自加速度传感器的第二加速度信息；根据第一加速度信息与第二加速度信息的差值计算代表坡度角的值；如果代表坡度角的值高于预定的第一角度阈值的时间超过预定的第一时间门限则判定为上高架；如果代表坡度角的值低于预定的第二角度阈值的时间超过预定的第二时间门限则判定为下高架；其中第一角度阈值为正值，第二角度阈值为负值。利用手机里的加速度传感器和GPS提供的速度信息判断车辆是否上下高架，适用于车辆任意运动情况下的坡度及上下高架测量。

Description

汽车上下高架的检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及智能交通领域，特别涉及一种汽车上下高架的检测技术。

背景技术

为了应对城市的高速发展和汽车数量的不断增多，国内很多城市都采用了“高架道路”的方式来疏散交通密度，提高运输效率。由于技术的限制，以往的地图、导航软件往往无法精确地定位汽车到底是处于高架道路上，还是处于高架下的地面道路上，这导致用户在使用地图导航等功能时经常遇到困扰。

传统测量倾斜的方法包括水泡式框式(条式)水平仪和倾角仪检测方法。前者功能单一、测量范围小；后者不能实现加速运动情况下的测量，应用受到较大限制。在智能手机上，有的检测方法采用GPS的高度信息判断，但误差较大，准确率很低。有的采用气压计判断，但气压计容易受到温度及汽车空调的干扰，准确率也比较低，同时气压计只在个别高端手机上装配，适用性较差。

因此，目前亟需一种更可靠的车辆任意运动情况下的坡度及上下高架的检测技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车上下高架的检测方法及其装置，能够低成本、高可靠地判断车辆上下高架的情况。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种汽车上下高架的检测方法，包括以下步骤：

获取汽车的卫星定位信息，并根据该卫星定位信息计算该汽车的第一加速度信息；

获取来自加速度传感器的第二加速度信息；

根据第一加速度信息与第二加速度信息的差值计算代表坡度角的值；

如果代表坡度角的值高于预定的第一角度阈值的时间超过预定的第一时间门限则判定为上高架；如果代表坡度角的值低于预定的第二角度阈值的时间超过预定的第二时间门限则判定为下高架；其中第一角度阈值为正值，第二角度阈值为负值。

本发明的实施方式还公开了一种汽车上下高架的检测装置，包括：

GPS单元，用于获取汽车的卫星定位信息；

第一加速度信息单元，用于根据GPS单元获取的卫星定位信息计算该汽车的第一加速度信息；

第二加速度信息单元，用于获取来自加速度传感器的第二加速度信息；

坡度角计算单元，用于根据第一加速度信息单元输出的第一加速度信息和第二加速度信息单元输出的第二加速度信息的差值计算代表坡度角的值；

判断单元，用于根据坡度角计算单元输出的代表坡度角的值判断汽车是否上下高架；如果代表坡度角的值高于预定的第一角度阈值的时间超过预定的第一时间门限则判定为上高架；如果代表坡度角的值低于预定的第二角度阈值的时间超过预定的第二时间门限则判定为下高架；其中第一角度阈值为正值，第二角度阈值为负值。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

利用手机里的加速度传感器和GPS提供的速度信息判断车辆是否上下高架，适用于车辆任意运动情况下的坡度及上下高架测量，且具有低成本、高可靠、简便易行等特点，能够满足复杂条件下坡度与相对高度变化的准确识别与计算的要求。

进一步地，手机在汽车上的安装方式变化很大，通过加速度传感器安装角计算和零偏直流分量估计，补偿原始加速传感器输出误差，使坡度角的计算不受手机安装限制，可以让检测结果更准确。

进一步地，根据汽车速度，动态调整时间门限和角度阈值，能够进一步提高汽车上下高架检测的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明第一实施方式中一种汽车上下高架的检测方法的流程示意图；

图2是本发明第一实施方式中一种优选的汽车上下高架的检测方法的流程示意图；

图3是本发明第二实施方式中一种汽车上下高架的检测装置的结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种汽车上下高架的检测方法。图1是该汽车上下高架的检测方法的流程示意图。

重力加速度是地球表面附近的物体因受重力产生的加速度叫做重力加速度，也叫自由落体加速度，用G表示。重力加速度G的方向总是竖直向下的。在同一地区的同一高度，任何物体的重力加速度都是相同的。通过加速度传感器测量的加速度信息补偿汽车本身的运动加速度后的加速度便是重力因姿态变化投影导致的加速度分量，通过计算该分量变可以提取出汽车上下高架状态信息。

当汽车在加速运动情况下，沿运动方向用加速度传感器测量的加速度不再是重力加速度的投影，所以加速运动时不能直接利用测量的加速度信息与重力的投影关系来识别由于汽车上下高架引起的倾斜角度变化，此时需要对运动方向的真实运动加速度进行补偿，其基本思想是：若单轴加速度计敏感轴和车辆运动方向一致，该轴加速度测量值感应的是车辆运动方向上的非引力加速度，在数值上表现为重力加速度在此方向上的分量G×sinθ与车辆真实运动加速度的和，这里θ为代表坡度角的值。

具体地说，如图1所示，该汽车上下高架的检测方法包括以下步骤：

在步骤101中，获取汽车的卫星定位信息。GPS卫星定位信息提供的速度信息可以计算出汽车的加速度。

此后进入步骤102，根据该卫星定位信息计算该汽车的第一加速度信息。

在本实施方式中，优选地，在步骤102中，将卫星定位信息提供的速度信息通过kalman滤波器实现对该汽车的第一加速度信息的估计。

此后进入步骤103，获取来自加速度传感器的第二加速度信息。

需要说明的是，在本发明的其它某些实施方式中，也可以先执行步骤103，再执行步骤101，它们之间的顺序可以互换。当然，步骤101和步骤103也可以同时执行。

此外，需要说明的是，加速度传感器是一种能够测量加速度的电子设备。在本实施方式中，优选地，加速度传感器可以直接利用目前智能手机上普遍内置的加速度传感器，也可以为汽车上专门放置的加速度传感器。

此后进入步骤104，根据第一加速度信息与第二加速度信息的差值计算代表坡度角的值。

具体地，步骤104中，计算公式为：其中，θ为代表坡度角的值，G为重力加速度，a_v为第一加速度信息，a_s为第二加速度信息，a₀为加速度传感器安装角和零偏的直流分量。

因为手机在汽车上的安装方式变化很大，所以为精确起见，加速度传感器的安装角是需要考虑的。安装角的计算方法为：

利用重力向量在两个坐标系下的投影，比如车载坐标系是[0，0，g]，手机坐标系是[a_x，a_y，a_z],有这两个向量可以计算出一个坐标系相对于另一个坐标系的旋转矩阵。

在上述公式1中，直流分量a₀的计算公式为：a₀＝a₀+a_x×(1.0/D)，其中，D为一常数值，一般设为100，a_x为当前加速度传感器输出的x轴的值，等式右边的a₀为上一次计算出来的a₀。

手机在汽车上的安装方式变化很大，通过加速度传感器安装角计算和零偏直流分量估计，补偿原始加速传感器输出误差，使坡度角的计算不受手机安装限制，可以让检测结果更准确。

在计算出直流分量a₀后，并进一步将直流分量a₀通过低通滤波器去除噪声。

此后进入步骤105，判断汽车是否上下高架，具体地，如果代表坡度角的值高于预定的第一角度阈值的时间超过预定的第一时间门限则判定为上高架。如果代表坡度角的值低于预定的第二角度阈值的时间超过预定的第二时间门限则判定为下高架。其中第一角度阈值为正值，第二角度阈值为负值。

需要说明的是，在本发明的各实施方式中，代表坡度角的值是指与坡度角一一对应的值，一个坡度角就有一个对应的值。代表坡度角的值可以是坡度角本身，也可以是坡度角经过一个数学运算后的值，例如坡度角加一个常量、坡度角乘以一个常量、或者坡度角进行Sin运算后乘一个常量再加一个常量，等等。

在实际应用的过程中，可以根据汽车速度的不同，动态地调整第一角度阈值、第一时间门限、第二角度阈值和第二时间门限的值。

在本实施方式中，优选地：

当汽车速度为0～30公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为9秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为9秒。也就是说，当汽车速度在0～30公里/小时，如果连续9秒计算出的坡度角的值大于2.5度，则判定为上坡；如果连续9秒计算出的坡度角的值小于－2.5度，则判定为下坡。

当汽车速度为30～60公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为6秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为6秒。也就是说，当汽车速度在30～60公里/小时，如果连续6秒计算出的坡度角的值大于2.5度，则判定为上坡；如果连续6秒计算出的坡度角的值小于－2.5度，则判定为下坡。

当汽车速度大于60公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为3秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为3秒。也就是说，当汽车速度大于60公里/小时，如果连续3秒计算出的坡度角的值大于2.5度，则判定为上坡；如果连续3秒计算出的坡度角的值小于－2.5度，则判定为下坡。

根据汽车速度，动态调整时间门限和角度阈值，能够进一步提高汽车上下高架检测的鲁棒性。

利用手机里的加速度传感器和GPS提供的速度信息判断车辆是否上下高架，适用于车辆任意运动情况下的坡度及上下高架测量，且具有低成本、高可靠、简便易行等特点，能够满足复杂条件下坡度与相对高度变化的准确识别与计算的要求。

图2是本发明一种优选的汽车上下高架的检测方法的流程示意图，具体地说，如图2所示，包括以下步骤：

(1)将加速度传感器数据按20HZ的频率进行采集，GPS卫星定位信息数据按1HZ的频率进行采集。

(2)如果第n秒和第n-1秒的GPS速度都有效，则通过kalman滤波估计第n秒的加速度数据a_v。kalman滤波器状态采用速度、加速度、加加速度三个状态。

(3)将第n秒至第n-m秒之间加速度传感器的加速度数据计算安装角和直流分量并去除高频部分的影响，m为事先定义的一个时间窗长度，经计算得到a₀。安装角就是加速度传感器的三个轴与垂直于地面的Z轴的夹角，直流分量是加速度传感器自身误差导致的分量，也就是由于加速度传感器安装角及加速度传感器零偏引起的误差。

(4)将第n秒至第n-1秒之间加速度传感器的加速度数据经过平均处理滤除白噪声得到第n秒降噪后加速度输出a_s。

(5)将a₀、a_v、a_s，代入上述公式1得到代表坡度角的值θ。

(6)若计算出的θ连续一段时间T超出一个正阈值Y，则判断为是上高架；若计算出的θ连续一段时间T小于一个负阈值Z，则判断为下高架。时间T和阈值Y、Z为可以根据速度动态变化调整的值。

在本实施方式中，优选地，将汽车速度分成区间：0～30公里/小时、30～60公里/小时和大于60公里/小时，对应的时间T分别为9秒、6秒和3秒，对应的正阈值Y为2.5度，负阈值Z为-2.5度。

(7)重复步骤(1)到(6)完成对汽车上下高架的判断识别

本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。

本发明第二实施方式涉及一种汽车上下高架的检测装置。图3是该汽车上下高架的检测装置的结构示意图。

具体地说，如图3所示，该汽车上下高架的检测装置包括：

GPS单元，用于获取汽车的卫星定位信息。

第一加速度信息单元，用于根据GPS单元获取的卫星定位信息计算该汽车的第一加速度信息。

第二加速度信息单元，用于获取来自加速度传感器的第二加速度信息。

坡度角计算单元，用于根据第一加速度信息单元输出的第一加速度信息和第二加速度信息单元输出的第二加速度信息的差值计算代表坡度角的值。

进一步地，具体地，

坡度角计算单元的计算公式为：其中，θ为代表坡度角的值，G为重力加速度，a_v为第一加速度信息，a_s为第二加速度信息，a₀为加速度传感器安装角和零偏的直流分量。

判断单元，用于根据坡度角计算单元输出的代表坡度角的值判断汽车是否上下高架。如果代表坡度角的值高于预定的第一角度阈值的时间超过预定的第一时间门限则判定为上高架。如果代表坡度角的值低于预定的第二角度阈值的时间超过预定的第二时间门限则判定为下高架。其中第一角度阈值为正值，第二角度阈值为负值。

在实际应用的过程中，可以根据汽车速度的不同，动态地调整第一角度阈值、第一时间门限、第二角度阈值和第二时间门限的值。

在本实施方式中，优选地，

当汽车速度为0～30公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为9秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为9秒。也就是说，当汽车速度在0～30公里/小时，如果连续9秒计算出的坡度角的值大于2.5度，则判断单元判断汽车为上坡；如果连续9秒计算出的坡度角的值小于－2.5度，则判断单元判断汽车为下坡。

当汽车速度为30～60公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为6秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为6秒。也就是说，当汽车速度在30～60公里/小时，如果连续6秒计算出的坡度角的值大于2.5度，则判断单元判断汽车为上坡；如果连续6秒计算出的坡度角的值小于－2.5度，则判断单元判断汽车为下坡。

当汽车速度大于60公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为3秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为3秒。也就是说，当汽车速度大于60公里/小时，如果连续3秒计算出的坡度角的值大于2.5度，则判断单元判断汽车为上坡；如果连续3秒计算出的坡度角的值小于－2.5度，则判断单元判断汽车为下坡。

更进一步地，优选地，该汽车上下高架的检测装置还包括：直流分量计算单元，低通滤波器和kalman滤波器。

直流分量单元，用于计算加速度传感器安装角和零偏的直流分量，计算公式为：a₀＝a₀+a_x×(1.0/D)，其中，D为一常数值100，a_x为当前加速度传感器输出的x轴的值，等式右边的a₀为上一次计算出来的a₀

低通滤波器，用于对直流分量单元输出的直流分量进行低通滤波去除噪声。

第一加速度信息单元，通过kalman滤波器对GPS单元获取的速度信息进行滤波实现对该汽车的第一加速度信息的估计。

第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

需要说明的是，本发明各装置实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各装置实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种汽车上下高架的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取汽车的卫星定位信息，并根据该卫星定位信息计算该汽车的第一加速度信息；

获取来自加速度传感器的第二加速度信息；

根据第一加速度信息与第二加速度信息的差值计算代表坡度角的值；

如果所述代表坡度角的值高于预定的第一角度阈值的时间超过预定的第一时间门限则判定为上高架；如果所述代表坡度角的值低于预定的第二角度阈值的时间超过预定的第二时间门限则判定为下高架；其中第一角度阈值为正值，第二角度阈值为负值。

2.根据权利要求1所述的汽车上下高架的检测方法，其特征在于，所述“根据第一加速度信息与第二加速度信息的差值计算代表坡度角的值”的步骤中，计算公式为：其中，θ为代表坡度角的值，G为重力加速度，a_v为第一加速度信息，a_s为第二加速度信息，a₀为加速度传感器安装角和零偏的直流分量。

3.根据权利要求2所述的汽车上下高架的检测方法，其特征在于，直流分量a₀的计算公式为：a₀＝a₀+a_x×(1.0/D)，其中，D为一常数值，a_x为当前加速度传感器输出的x轴的值，等式右边的a₀为上一次计算出来的a₀。

4.根据权利要求3所述的汽车上下高架的检测方法，其特征在于，在计算出直流分量a₀后，将直流分量a₀通过低通滤波器去除噪声。

5.根据权利要求1所述的汽车上下高架的检测方法，其特征在于，当汽车速度为0～30公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为9秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为9秒；

当汽车速度为30～60公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为6秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为6秒；

当汽车速度大于60公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为3秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为3秒。

6.根据权利要求1所述的汽车上下高架的检测方法，其特征在于，所述“获取汽车的卫星定位信息，并根据该卫星定位信息计算该汽车的第一加速度信息”的步骤中，将卫星定位信息提供的速度信息通过kalman滤波器实现对该汽车的第一加速度信息的估计。

7.一种汽车上下高架的检测装置，其特征在于，包括：

GPS单元，用于获取汽车的卫星定位信息；

第一加速度信息单元，用于根据GPS单元获取的卫星定位信息计算该汽车的第一加速度信息；

第二加速度信息单元，用于获取来自加速度传感器的第二加速度信息；

坡度角计算单元，用于根据第一加速度信息单元输出的第一加速度信息和第二加速度信息单元输出的第二加速度信息的差值计算代表坡度角的值；

判断单元，用于根据坡度角计算单元输出的代表坡度角的值判断汽车是否上下高架；如果所述代表坡度角的值高于预定的第一角度阈值的时间超过预定的第一时间门限则判定为上高架；如果所述代表坡度角的值低于预定的第二角度阈值的时间超过预定的第二时间门限则判定为下高架；其中第一角度阈值为正值，第二角度阈值为负值。

8.根据权利要求7所述的汽车上下高架的检测装置，其特征在于，所述坡度角计算单元的计算公式为：其中，θ为代表坡度角的值，G为重力加速度，a_v为第一加速度信息，a_s为第二加速度信息，a₀为加速度传感器安装角和零偏的直流分量。

9.根据权利要求8所述的汽车上下高架的检测装置，其特征在于，还包括：直流分量计算单元，低通滤波器和kalman滤波器；

所述直流分量单元，用于计算加速度传感器安装角和零偏的直流分量a₀，计算公式为：a₀＝a₀+a_x×(1.0/D)，其中，D为一常数值，a_x为当前加速度传感器输出的x轴的值，等式右边的a₀为上一次计算出来的a₀；

所述低通滤波器，用于对直流分量单元输出的直流分量a₀进行低通滤波去除噪声；

所述第一加速度信息单元，通过kalman滤波器对GPS单元获取的速度信息进行滤波实现对该汽车的第一加速度信息的估计。

10.根据权利要求7所述的汽车上下高架的检测装置，其特征在于，当汽车速度为0～30公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为9秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为9秒；

当汽车速度为30～60公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为6秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为6秒；

当汽车速度大于60公里/小时，第一角度阈值为2.5度，第一时间门限为3秒，第二角度阈值为-2.5度，第二时间门限为3秒。