CN107585210B - 一种检测车辆方向盘转角的方法及装置 - Google Patents

一种检测车辆方向盘转角的方法及装置 Download PDF

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CN107585210B
CN107585210B CN201610530734.XA CN201610530734A CN107585210B CN 107585210 B CN107585210 B CN 107585210B CN 201610530734 A CN201610530734 A CN 201610530734A CN 107585210 B CN107585210 B CN 107585210B
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Abstract

本发明提出一种检测车辆方向盘转角的方法及装置，采用车载智能终端MCU及其自带的3D加速度传感器，通过实时采集车辆加速度及速度等参数，计算出车轮转角，并间接检测车辆方向盘转角，在此基础上引入了低通数字滤波算法对采集到向心加速度进行滤波，使检测精度得到显著的提高。

Description

一种检测车辆方向盘转角的方法及装置
技术领域
本发明涉及车辆控制技术，具体涉及一种检测车辆方向盘转角的方法及装置。
背景技术
随着国家经济的发展，车辆保有量正以巨大的数字逐年增加，而车辆驾驶安全的问题也越发显得重要。疲劳驾驶是造成车辆行车安全隐患的重要原因之一，因此对疲劳驾驶的检测和预警成为目前各类商用车、乘用车需要扩展甚至标配的功能之一。
目前在一些疲劳驾驶检测方案中，需要采集车辆的方向盘转角数据，进而通过数学建模分析这些数据，从而判断驾驶员的驾驶状态。然而，目前很多商用车，尤其是载货车，绝大部分没有配备ESC(电子车身稳定控制系统)，通常也就无法检测到方向盘转角数据，如果加装方向盘转角传感器，通常成本高且安装十分不方便。
发明内容
为此，本发明提出一种检测车辆方向盘转角的方法及装置，采用车载智能终端及其自带的3D加速度传感器，在不增加硬件成本的前提下，实现了间接检测车辆方向盘转角。
具体方案如下：
一种检测车辆方向盘转角的方法，包括步骤
S1、标定重力影响矢量
Figure BDA0001043357330000011
车辆前进方向矢量
Figure BDA0001043357330000012
以及实际车辆侧向方向矢量
Figure BDA0001043357330000013
并指定车辆左侧方向为负，车辆右侧方向为正：
S11、车辆静止并停在水平路面时，记录加速度传感器的读数，记为重力影响矢量
Figure BDA0001043357330000021
S12、车辆启动时，每经过时间t1记录一次车速，并以不大于t2的间隔记录加速度传感器的读数，记为加速度传感器读数矢量
Figure BDA0001043357330000022
计算并记录水平面投影分量
Figure BDA0001043357330000023
其中
Figure BDA0001043357330000024
是颠簸影响矢量，
当判断到连续t3时间内
Figure BDA0001043357330000025
为同向，且车速增加，则取该持续加速时间段中段时刻计算得到的
Figure BDA0001043357330000026
记为车辆前进方向矢量
Figure BDA0001043357330000027
S13、车辆右拐弯时，以不大于t2的间隔计算并记录车辆侧向方向矢量
Figure BDA0001043357330000028
当判断到连续t4时间内
Figure BDA0001043357330000029
保持同向且不为0，则获取该持续转弯时间段t4中段时刻计算得到的
Figure BDA00010433573300000210
记为实际车辆侧向方向矢量
Figure BDA00010433573300000211
满足关系：
Figure BDA00010433573300000212
S2、在行车过程中定时采集加速度传感器的数据，并计算
Figure BDA00010433573300000213
S3、根据公式
Figure BDA00010433573300000214
计算车轮转角绝对值，其中L为车辆轴距，ace为
Figure BDA00010433573300000215
在转弯半径方向上的投影，v为车辆速度，设当前转向轮方向上的加速度为af，af＝v2-v1，v2和v1为最近的间隔为t1秒的瞬时车速，
Figure BDA00010433573300000216
确定θ值的正负及转角方向，若
Figure BDA00010433573300000217
则
Figure BDA00010433573300000218
与
Figure BDA00010433573300000219
同向，θ为正值，方向为右侧，若
Figure BDA00010433573300000220
则
Figure BDA00010433573300000221
与
Figure BDA00010433573300000222
反向，θ为负值，方向为左侧；
S4、计算车辆方向盘转角α，其中α＝k·θ，系数k为车辆参数。
进一步的，所述的步骤S3还包括对ace值序列进行数字低通滤波的操作，并使用滤波后的ace值计算车轮转角绝对值。
一种检测车辆方向盘转角的装置，包括加速度传感器、MCU，所述的加速度传感器采集车辆加速度数据，所述的MCU包括标定模块，用于标定重力影响矢量
Figure BDA0001043357330000031
车辆前进方向矢量
Figure BDA0001043357330000032
以及实际车辆侧向方向矢量
Figure BDA0001043357330000033
并指定车辆左侧方向为负，车辆右侧方向为正：车辆静止并停在水平路面时，记录加速度传感器的读数，记为重力影响矢量
Figure BDA0001043357330000034
车辆启动时，每经过时间t1记录一次车速，并以不大于t2的间隔记录加速度传感器的读数，记为加速度传感器读数矢量
Figure BDA0001043357330000035
计算并记录水平面投影分量
Figure BDA0001043357330000036
其中
Figure BDA0001043357330000037
是颠簸影响矢量，
当判断到连续t3时间内
Figure BDA0001043357330000038
为同向，且车速增加，则取该持续加速时间段中段时刻计算得到的
Figure BDA0001043357330000039
记为车辆前进方向矢量
Figure BDA00010433573300000310
车辆右拐弯时，以不大于t2的间隔计算并记录车辆侧向方向矢量
Figure BDA00010433573300000311
当判断到连续t4时间内
Figure BDA00010433573300000312
保持同向且不为0，则获取该持续转弯时间段t4中段时刻计算得到的
Figure BDA00010433573300000313
记为实际车辆侧向方向矢量
Figure BDA00010433573300000314
满足关系：
Figure BDA00010433573300000315
定时采集计算模块，用于在行车过程中定时采集加速度传感器的数据，并计算
Figure BDA00010433573300000316
车轮转角计算模块，用于根据公式
Figure BDA00010433573300000317
计算车轮转角绝对值，其中L为车辆轴距，ace为
Figure BDA00010433573300000318
在转弯半径方向上的投影，v为车辆速度，设当前转向轮方向上的加速度为af，af＝v2-v1，v2和v1为最近的间隔为t1秒的瞬时车速，
Figure BDA00010433573300000319
确定θ值的正负及转角方向，若
Figure BDA00010433573300000320
则
Figure BDA00010433573300000321
与
Figure BDA00010433573300000322
同向，θ为正值，方向为右侧，若
Figure BDA00010433573300000323
则
Figure BDA00010433573300000324
与
Figure BDA00010433573300000325
反向，θ为负值，方向为左侧，
车辆方向盘转角计算模块，用于计算车辆方向盘转角α，其中α＝k·θ，系数k为车辆参数。
进一步的，所述的车轮转角计算模块还包括一数字滤波模块，用于对ace值序列进行低通滤波，并使用滤波后的ace值计算车轮转角绝对值。
本发明具有如下有益效果：本发明使用车载终端现有的硬件资源，在基本不增加成本的情况下，实现间接检测车辆方向盘转角；引入了低通数字滤波算法对采集到向心加速度进行滤波，使检测精度得到显著的提高。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明车辆加速度矢量关系图；
图3为本发明车辆方向矢量关系图；
图4为本发明车辆前轮转向角和转向半径几何关系图；
图5(a)为本发明一实施例ace值序列低通滤波前图像；
图5(b)为本发明一实施例ace值序列低通滤波后图像。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1为本发明检测车辆方向盘转角的方法的主要流程，首先标定重力影响矢量
Figure BDA0001043357330000041
车辆前进方向矢量
Figure BDA0001043357330000042
以及实际车辆侧向方向矢量
Figure BDA0001043357330000043
其次定时采集加速度传感器的数据，并计算水平面投影分量
Figure BDA0001043357330000044
然后计算车轮转角计算车轮转角并确定转角方向，最后计算车辆方向盘转角。
参阅图2，其中加速度传感器读数矢量水平面投影分量
Figure BDA0001043357330000045
水平面投影分量
Figure BDA0001043357330000046
颠簸影响矢量
Figure BDA0001043357330000047
重力影响矢量
Figure BDA0001043357330000048
满足如图的关系：即：
Figure BDA0001043357330000051
参阅图3，水平面投影分量
Figure BDA00010433573300000521
和车辆前进方向矢量
Figure BDA0001043357330000052
车辆侧向方向矢量
Figure BDA0001043357330000053
车辆前进方向矢量分量
Figure BDA0001043357330000054
满足如下图的关系：
Figure BDA0001043357330000055
标定重力影响矢量
Figure BDA0001043357330000056
和车辆前进方向矢量
Figure BDA0001043357330000057
以及实际车辆侧向方向矢量
Figure BDA0001043357330000058
并指定左侧为负，右侧为正，标定的具体步骤：
1)将车辆静止停在水平路面上，通过串口发送命令触发车载终端记录当前3D加速度传感器的三轴读数，记录为重力影响矢量
Figure BDA0001043357330000059
2)操纵车辆从静止向正前方加速，车载终端以1秒的间隔记录车速，以不大于0.2s的间隔计算并记录
Figure BDA00010433573300000510
当判断到连续2秒内(即连续采集到10次以上)
Figure BDA00010433573300000511
为同向，且车速增加，则取该持续加速时间段中段时刻计算得到的
Figure BDA00010433573300000512
记为车辆前进方向矢量
Figure BDA00010433573300000513
3)操纵车辆在行驶中进行右拐弯，车载终端以不大于0.2s的间隔计算并记录
Figure BDA00010433573300000514
当判断到连续2秒内(即连续采集到10次以上)
Figure BDA00010433573300000515
保持同向且不为0，则去该持续转弯时间段中段时刻计算得到的
Figure BDA00010433573300000516
记为车辆侧向方向矢量
Figure BDA00010433573300000517
本领域的相关技术人员可以知道的是，本实施例中的采集及计算数据的间隔时间经过多次实验得出的较为合理的数据，对于时间的数值可以做适当的微调。
根据阿克曼转向原理，参阅图4，为车辆前轮转向角和转向半径R几何关系，其中L为轴距，d为轮距，则有：
Figure BDA00010433573300000518
Figure BDA00010433573300000519
Figure BDA00010433573300000520
其中ace为在转弯半径方向上的投影，设当前转向轮方向 上的加速度为af，af＝v2-v1，v2和v1为最近的间隔为1秒的瞬时车速，则有：
Figure BDA0001043357330000062
由上述公式计算得到的θ为车轮转角的绝对值，其符号由
Figure BDA0001043357330000063
与
Figure BDA0001043357330000064
的关系确定，判断规则如下：
1)若
Figure BDA0001043357330000065
则表示
Figure BDA0001043357330000066
与
Figure BDA0001043357330000067
同向，即θ为正值；
2)若
Figure BDA0001043357330000068
则表示
Figure BDA0001043357330000069
与
Figure BDA00010433573300000610
反向，即θ为负值；
车辆方向盘转角α和车轮转向角存在一个近似固定的比例关系：α＝k·θ，系数k可从车辆厂商查询到或直接通过实验测试得到。
由于车辆自身振动或路面颠簸等原因，从传感器读取到的加速度值存在多种频段的干扰因素，为了排除这些干扰因素，提高参与数学建模数据的有效性和数据分析结果的准确性，本发明引入了Butterworth数字低通滤波算法，对计算得到的αce值序列进行低通滤波，由于人为操作导致车辆左右波动的频率远小于振动或路面颠簸引起的左右晃动频率，经反复测试验证，优选了滤波算法中rp、rs参数分别为2和8，wp、ws参数分别为0.1和0.2，即通带频率为0～0.5HZ，阻带频率为1HZ以上，使滤波后的曲线最接近于实际波形。
结合图5(a)及图5(b)，给出了一段实际采样数据滤波前后的波形图对比，对比可知，经过滤波后，干扰杂波已基本被滤除，再用滤波后的数据进行分析计算，可大大提高了分析结果的准确性。
基于上述的方法，本发明还提出一种检测车辆方向盘转角的装置，包括加速度传感器、MCU，所述的加速度传感器采集车辆加速度数据，所述的MCU包括标定模块，用于标定重力影响矢量
Figure BDA00010433573300000611
车辆前进方向矢量
Figure BDA00010433573300000612
以及实际车辆侧向方向矢量
Figure BDA00010433573300000613
并指定车辆左侧方向为负，车辆右侧方向为正：车辆静止并停在水平路面时，记录加速度传感器的读数，记为重力影响矢量
Figure BDA0001043357330000071
车辆启动时，每经过时间t1记录一次车速，并以不大于t2的间隔记录加速度传感器的读数，记为加速度传感器读数矢量
Figure BDA0001043357330000072
计算并记录水平面投影分量
Figure BDA0001043357330000073
其中
Figure BDA0001043357330000074
是颠簸影响矢量，当判断到连续t3时间内
Figure BDA00010433573300000722
为同向，且车速增加，则取该持续加速时间段中段时刻计算得到的
Figure BDA0001043357330000075
记为车辆前进方向矢量
Figure BDA0001043357330000076
车辆右拐弯时，以不大于t2的间隔计算并记录车辆侧向方向矢量
Figure BDA0001043357330000077
当判断到连续t4时间内
Figure BDA0001043357330000078
保持同向且不为0，则获取该持续转弯时间段t4中段时刻计算得到的
Figure BDA0001043357330000079
记为实际车辆侧向方向矢量
Figure BDA00010433573300000710
满足关系：
Figure BDA00010433573300000711
定时采集计算模块，用于在行车过程中定时采集加速度传感器的数据，并计算
Figure BDA00010433573300000712
车轮转角计算模块，用于根据公式
Figure BDA00010433573300000713
计算车轮转角绝对值，其中L为车辆轴距，ace为
Figure BDA00010433573300000714
在转弯半径方向上的投影，v为车辆速度，设当前转向轮方向上的加速度为af，af＝v2-v1，v2和v1为最近的间隔为t1秒的瞬时车速，
Figure BDA00010433573300000715
确定θ值的正负及转角方向，若
Figure BDA00010433573300000716
则
Figure BDA00010433573300000717
与
Figure BDA00010433573300000718
同向，θ为正值，方向为右侧，若
Figure BDA00010433573300000719
则
Figure BDA00010433573300000720
与
Figure BDA00010433573300000721
反向，θ为负值，方向为左侧，
车辆方向盘转角计算模块，用于计算车辆方向盘转角α，其中α＝k·θ，系数k为车辆参数。
进一步的，所述的车轮转角计算模块还包括一数字滤波模块，用于对ace值序列进行低通滤波，并使用滤波后的ace值计算车轮转角绝对值。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种检测车辆方向盘转角的方法，其特征在于：包括步骤
S1、标定重力影响矢量
Figure FDA0002386417870000011
车辆前进方向矢量
Figure FDA0002386417870000012
以及实际车辆侧向方向矢量
Figure FDA0002386417870000013
并指定车辆左侧方向为负，车辆右侧方向为正：
S11、车辆静止并停在水平路面时，记录加速度传感器的读数，记为重力影响矢量
Figure FDA0002386417870000014
S12、车辆启动时，每经过时间t1记录一次车速，并以不大于t2的间隔记录加速度传感器的读数，记为加速度传感器读数矢量
Figure FDA0002386417870000015
计算并记录水平面投影分量
Figure FDA0002386417870000016
其中
Figure FDA0002386417870000017
Figure FDA0002386417870000018
是颠簸影响矢量，
当判断到连续t3时间内
Figure FDA0002386417870000019
为同向，且车速增加，则取该持续加速时间段中段时刻计算得到的
Figure FDA00023864178700000110
记为车辆前进方向矢量
Figure FDA00023864178700000111
S13、车辆右拐弯时，以不大于t2的间隔计算并记录车辆侧向方向矢量
Figure FDA00023864178700000112
当判断到连续t4时间内
Figure FDA00023864178700000113
保持同向且不为0，则获取该持续转弯时间段t4中段时刻计算得到的
Figure FDA00023864178700000114
记为实际车辆侧向方向矢量
Figure FDA00023864178700000115
满足关系：
Figure FDA00023864178700000116
S2、在行车过程中定时采集加速度传感器的数据，并计算
Figure FDA00023864178700000117
S3、根据公式
Figure FDA00023864178700000118
计算车轮转角绝对值，其中L为车辆轴距，ace为
Figure FDA00023864178700000119
在转弯半径方向上的投影，v为车辆速度，设当前转向轮方向上的加速度为af，af＝(v2-v1)/t1，v2和v1为最近的间隔为t1秒的瞬时车速，
Figure FDA00023864178700000120
确定θ值的正负及转角方向，若
Figure FDA00023864178700000121
则
Figure FDA00023864178700000122
与
Figure FDA00023864178700000123
同向，θ为正值，方向为右侧，若
Figure FDA00023864178700000124
则
Figure FDA00023864178700000125
与
Figure FDA00023864178700000126
反向，θ为负值，方向为左侧；
S4、计算车辆方向盘转角α，其中α＝k·θ，系数k为车辆参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤S3还包括对ace值序列进行数字低通滤波的操作，并使用滤波后的ace值计算车轮转角绝对值。
3.一种检测车辆方向盘转角的装置，包括加速度传感器、MCU，所述的加速度传感器采集车辆加速度数据，所述的MCU包括标定模块，用于标定重力影响矢量
Figure FDA0002386417870000021
车辆前进方向矢量
Figure FDA0002386417870000022
以及实际车辆侧向方向矢量
Figure FDA0002386417870000023
并指定车辆左侧方向为负，车辆右侧方向为正：车辆静止并停在水平路面时，记录加速度传感器的读数，记为重力影响矢量
Figure FDA0002386417870000024
车辆启动时，每经过时间t1记录一次车速，并以不大于t2的间隔记录加速度传感器的读数，记为加速度传感器读数矢量
Figure FDA0002386417870000025
计算并记录水平面投影分量
Figure FDA0002386417870000026
其中
Figure FDA0002386417870000027
Figure FDA0002386417870000028
是颠簸影响矢量，
当判断到连续t3时间内
Figure FDA0002386417870000029
为同向，且车速增加，则取该持续加速时间段中段时刻计算得到的
Figure FDA00023864178700000210
记为车辆前进方向矢量
Figure FDA00023864178700000211
车辆右拐弯时，以不大于t2的间隔计算并记录车辆侧向方向矢量
Figure FDA00023864178700000212
当判断到连续t4时间内
Figure FDA00023864178700000213
保持同向且不为0，则获取该持续转弯时间段t4中段时刻计算得到的
Figure FDA00023864178700000214
记为实际车辆侧向方向矢量
Figure FDA00023864178700000215
满足关系：
Figure FDA00023864178700000216
定时采集计算模块，用于在行车过程中定时采集加速度传感器的数据，并计算
Figure FDA00023864178700000217
车轮转角计算模块，用于根据公式
Figure FDA00023864178700000218
计算车轮转角绝对值，其中L为车辆轴距，ace为
Figure FDA00023864178700000219
在转弯半径方向上的投影，v为车辆速度，设当前转向轮方向上的加速度为af，af＝(v2-v1)/t1，v2和v1为最近的间隔为t1秒的瞬时车速，
Figure FDA00023864178700000220
确定θ值的正负及转角方向，若
Figure FDA00023864178700000221
则
Figure FDA00023864178700000222
与
Figure FDA0002386417870000031
同向，θ为正值，方向为右侧，若
Figure FDA0002386417870000032
则
Figure FDA0002386417870000033
与
Figure FDA0002386417870000034
反向，θ为负值，方向为左侧，
车辆方向盘转角计算模块，用于计算车辆方向盘转角α，其中：α＝k·θ，系数k为车辆参数。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的车轮转角计算模块还包括一数字滤波模块，用于对ace值序列进行低通滤波，并使用滤波后的ace值计算车轮转角绝对值。
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