CN109827580A - 一种汽车姿态数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车姿态采集系统，其结构为，传感器模块采集汽车行驶过程中的各种原始姿态数据，并把原始姿态数据传送给处理器模块，气压采集模块采集大气压强数据，并把大气压强数据传送给处理器模块，处理器模块通过数据处理模块对采集的原始姿态数据和大气压强数据进行处理，并把处理后的数据保存到存储器模块中，通过数据接口模块，把数据上传到电脑中；电源模块给上述模块提供电源。本发明采集汽车运行姿态数据，并把汽车运行轨迹在屏幕上描绘出来；把三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计集成为一体应用于汽车黑匣子，减小了尺寸，降低了成本和功耗，提高了精度和性能。

Description

一种汽车姿态数据采集系统

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体为一种汽车姿态数据采集系统。

背景技术

随着汽车的快速发展，汽车监控系统越来越受到重视，汽车监控系统一方面可以监督驾驶员的驾驶行为，另一方面，也可以在发生事故后，进行事故回放，判定事故责任，保护驾驶人员的合法权利。

目前的监控手段有：车速检测、GPS定位、行车记录仪等等。车速检测普遍采用霍尔传感器检测传动轴的转速，经过换算，得到汽车的速度；GPS通过卫星进行定位；行车记录仪通过摄像头进行视频采集；这些监控手段功能单一，精度不高，数据读取不方便。

随着集成电路技术、微机电系统（MEMS）技术和网络技术的快速发展，记录监控设备亦向着微型化、集成化、智能化方向发展。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种汽车姿态数据采集系统，以高性能嵌入式处理器为核心，融合微机电系统（MEMS）技术，实时采集汽车运行时的姿态数据，并把姿态数据保存起来；这些数据可以在电脑屏幕上显示，以曲线的形式把汽车运行轨迹描绘出来；这些数据也可以用来进行事故分析、驾驶员驾驶行为分析、行驶路线回放。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种汽车姿态采集系统，包括处理器模块、传感器模块、数据处理模块、数据接口模块、数据存储模块、气压采集模块、电源模块；传感器模块采集汽车行驶过程中的各种原始姿态数据，并把原始姿态数据传送给处理器模块，气压采集模块采集大气压强数据，并把大气压强数据传送给处理器模块，处理器模块通过数据处理模块对采集的原始姿态数据和大气压强数据进行处理，并把处理后的数据保存到存储器模块中，通过数据接口模块，把数据上传到电脑中；电源模块给上述模块提供电源。

所述的处理器模块采用高性能嵌入式处理器，实现对传感器模块采集的姿态数据进行运算和处理，及数据的传输和存储；所述的嵌入式处理器是32位处理器或64位多核处理器。

所述的传感器模块采用九轴运动传感器，实现对汽车姿态数据的采集；所述的九轴运动传感器为MEMS(Micro-Electro-Mechanical System ,微机电系统)运动传感器；所述的九轴运动传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，整合三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计为一片芯片。

所述的汽车姿态数据为汽车的位置、速度和运动姿态信息。

所述的数据处理模块实现对采集到的原始数据进行运算，得到最终的可以使用的数据；所述的数据处理模块包括数据校准模块、坐标变换模块、数据融合模块、气压换算模块。

所述的数据校准模块完成对传感器模块采集到的数据进行校准，包括三轴加速度的校准，三轴角速度的校准，三轴磁向量的校准；所述的坐标变换模块是指实现载体坐标系和导航坐标系之间的坐标变换；所述的数据融合模块是将采集到三轴加速度、三轴角速度以及三轴磁向量数据进行互补滤波，再使用方向余弦法，通过转换得到姿态数据；所述的气压换算模块实现大气压强的换算。

所述的三轴加速度的校准是将加速度计水平放置，读取一段时间的三轴加速度数据，将这三轴读数用统计均值的方式求出偏移量，进行校准；所述的三轴角速度的校准是将陀螺仪静止放置，读取一段静止时的三轴陀螺仪数据，将这三轴读数用统计均值的方式求出偏移量，进行校准；所述的三轴磁向量的校准是将采集设备旋转360°后的数据进行校准。

所述的数据接口模块实现对数据的上传；数据接口模块为USB接口、网口、串口、无线方式中的任一种。

所述的数据存储模块实现对姿态数据和海拔高度数据的存储，所述的姿态数据和海拔高度数据是经过数据处理模块处理后的最终可以使用的数据；所述数据存储模块采用两片闪存芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用九轴MEMS运动传感器采集汽车运行姿态数据，并把汽车运行轨迹在屏幕上描绘出来；把三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计集成为一体的运动传感器应用于汽车黑匣子，减小了尺寸，降低了成本，降低了功耗，提高了精度，提高了整体性能。

本发明数据读取方便，可以在汽车内部，用笔记本电脑通过有线或无线方式连接本发明，读取数据；也可以把本发明拿到室内，通过有线或无线方式和电脑连接，读取数据。

本发明体积小，可以安装在汽车的任意固定位置，也可以随身携带。

本发明不仅可以用来采集汽车的姿态数据，还可以用在运输车辆上，和货物放在一起，作为运输冲击记录仪来使用，采集运输过程中运输车辆的姿态数据，这些数据可以用来分析货物运输过程中受到的颠簸和冲击。

本发明汽车姿态数据采集系统工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。

附图说明

图1为本发明汽车姿态数据采集系统的组成示意图。

图2为本发明汽车姿态数据采集系统数据处理模块组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种汽车姿态数据采集系统，包括处理器模块、传感器模块、数据处理模块、数据接口模块、数据存储模块、气压采集模块、电源模块；传感器模块采集汽车行驶过程中的各种原始姿态数据，并把原始姿态数据传送给处理器模块，气压采集模块采集大气压强数据，并把大气压强数据传送给处理器模块，处理器模块通过数据处理模块对采集的原始姿态数据和大气压强数据进行处理，并把处理后的数据保存到数据存储模块中，通过数据接口模块，可以把数据上传到电脑中；这些数据可以在电脑屏幕上显示，以曲线的形式把汽车运行轨迹描绘出来；这些数据也可以用来进行事故分析、驾驶员驾驶行为分析、行驶路线回放。

所述的处理器模块采用高性能嵌入式处理器，实现对传感器模块采集的原始姿态数据和大气压强数据进行运算和处理，及数据的传输和存储。

所述的嵌入式处理器可以是32位处理器，也可以是64位多核处理器，功耗低，集成度高，具有丰富的I/O接口。

所述的传感器模块采用九轴运动传感器，实现对汽车姿态数据的采集；所述的九轴运动传感器为MEMS(Micro-Electro-Mechanical System ,微机电系统)运动传感器，整合三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计为一片芯片，消除了陀螺仪、加速度计和磁力计的焊接误差，避免了多传感器之间数据通信不同步的问题，减小了电路板和整体空间；动态响应快，集成度高，精度高，体积小；易于实现批量化、数字化及智能化。

所述的汽车姿态数据为汽车的位置、速度和运动姿态信息。

所述的运动姿态信息也称为姿态角，包括航向角（yaw）、俯仰角（pitch）和横滚角（roll）。

所述的三轴加速度计采集加速度数据信息。

所述的三轴陀螺仪采集角速度数据信息。

所述的三轴磁力计采集磁向量数据信息。

所述的传感器模块通过IIC接口和处理器模块连接。

所述的气压采集模块采集大气压强数据。

所述的气压采集模块通过IIC接口和处理器模块连接。

所述的数据处理模块实现对采集到的汽车姿态数据和大气压强数据进行运算，得到最终的可以使用的数据。

本发明利用惯性导航原理来实现汽车姿态数据的处理。

惯性导航原理是一种自主式定位方法，其基本原理是利用运动信息推算目标物体的位置，并使得检测设备具有便携和灵活的特点，它是利用加速度传感器、陀螺仪和磁力计实时测量物体的线运动、角运动以及其他外界的运动信息，根据运动特性和惯性微分方程，并在给定初始条件下，由计算机推算运动物体的位置、速度和运动姿态信息。

组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。

由于使用陀螺仪、加速度计和磁力计单独计算姿态信息，都有各自存在的无法规避的物理缺陷：使用陀螺仪测量值计算在积分的过程中较容易由于漂移效应产生较大的累积误差，使用加速度计测量值计算则无法分离加速度测量值中的重力分量与运动分量，而使用磁力计测量时会由于磁力计的测量原理中较易受到环境中磁场干扰的影响，上述中这三种误差在使用过程中是无法预先消除的，所以就必须要使用相应的数据处理方式来最大限度上消除单一传感器产生的误差。

数据处理模块的细化组成示意图如图2所示。

所述的数据处理模块包括数据校准模块、坐标变换模块、数据融合模块、气压换算模块。

所述的数据校准模块完成对传感器模块采集到的数据进行校准，包括三轴加速度的校准，三轴角速度的校准，三轴磁向量的校准。

所述的三轴加速度的校准是将加速度计水平放置，读取一段时间的三轴加速度数据，将这三轴读数用统计均值的方式求出偏移量，进行校准。

所述的三轴角速度的校准是将陀螺仪静止放置，读取一段静止时的三轴陀螺仪数据，将这三轴读数用统计均值的方式求出偏移量，进行校准。

所述的三轴磁向量的校准是将采集设备旋转360°后的数据进行校准。

所述的坐标变换模块是指实现载体坐标系和导航坐标系之间的坐标变换。

所述的载体坐标系是以载体自身为参考的坐标系，原点在载体质心，定义为右手直角坐标系，取载体向前的方向为 Y 轴正方向，取载体向右的方向为X轴正方向，取载体向上的方向为Z轴正方向。

所述的载体这里是指汽车，也可以是舰船、飞机、人体、动物、手机。

所述的导航坐标系是惯性测量和导航计算的基准，这里是指地理坐标系。

所述的地理坐标系，其原点在载体质心，取当地水平面内指东为X轴正方向，取当地子午线指北为Y轴正方向，取当地的地垂线指天为Z轴正方向，称为“东北天”地理坐标系。

加速度/磁力计和陀螺仪在频域上的特性互补，可以融合这三种传感器的数据，提高精度和系统的动态特性。

所述的数据融合模块是将采集到三轴加速度、三轴角速度以及三轴磁向量数据进行互补滤波，再使用方向余弦法，通过转换得到姿态数据。

所述的互补滤波法就是根据不同传感器的各自特性，即加速度计/磁力计具有高频噪声（需要低通滤波），陀螺仪具有低频噪声（需要高通滤波），通过高通或低通滤波器来滤波，然后再进行组合来进行数据的融合。

所述的方向余弦就是载体坐标系和导航坐标系对应两个坐标轴夹角的余弦函数；本发明应用中，由于导航参数的更新率较低，采用方向余弦法进行计算。

所述的姿态数据为汽车的位置、速度和运动姿态信息。

所述的运动姿态信息也称为姿态角，包括航向角（yaw）、俯仰角（pitch）和横滚角（roll），载体的姿态角就是根据载体坐标系与地理坐标系的夹角来确定的。地理坐标系和载体坐标系都是以载体为原点，可以经过简单的旋转进行转换。

所述的气压换算模块实现大气压强的换算，大气压强除了受海拔高度影响外，还受温度影响。因此，需通过温度补偿，计算出大气压强，进而换算出所对应的海拔高度值。

所述的数据接口模块实现对数据的上传；数据接口可以是USB接口，通过USB数据线和电脑连接，实现数据的上传；也可以是网口，通过网线和电脑连接，实现数据的上传；也可以是串口，通过串口线和电脑连接，实现数据的上传；还可以是无线方式，如蓝牙、WIFI，和电脑连接，实现数据的上传。

所述的数据存储模块实现对姿态数据和海拔高度数据的存储，所述的姿态数据和海拔高度数据是经过数据处理模块处理后的最终可以使用的数据。

所述的数据存储模块采用两片闪存芯片，分别是独立且冗余的工作方式，即一片闪存芯片正常存储，另一片闪存芯片备份存储；

所述的电源模块为本发明提供电源，可以是电池供电，也可以用汽车上的电源供电，如果随身携带，则必须用电池供电。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种汽车姿态采集系统，其特征在于包括处理器模块、传感器模块、数据处理模块、数据接口模块、数据存储模块、气压采集模块、电源模块；传感器模块采集汽车行驶过程中的各种原始姿态数据，并把原始姿态数据传送给处理器模块，气压采集模块采集大气压强数据，并把大气压强数据传送给处理器模块，处理器模块通过数据处理模块对采集的原始姿态数据和大气压强数据进行处理，并把处理后的数据保存到存储器模块中，通过数据接口模块，把数据上传到电脑中；电源模块给上述模块提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种汽车姿态采集系统，其特征在于所述的处理器模块采用高性能嵌入式处理器，实现对传感器模块采集的姿态数据进行运算和处理，及数据的传输和存储；所述的嵌入式处理器是32位处理器或64位多核处理器。

3.根据权利要求1所述的一种汽车姿态采集系统，其特征在于所述的传感器模块采用九轴运动传感器，实现对汽车姿态数据的采集；所述的九轴运动传感器为MEMS(Micro-Electro-Mechanical System ,微机电系统)运动传感器；所述的九轴运动传感器包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，整合三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计为一片芯片。

4.根据权利要求3所述的一种汽车姿态采集系统，其特征在于所述的汽车姿态数据为汽车的位置、速度和运动姿态信息。

5.根据权利要求1所述的一种汽车姿态采集系统，其特征在于所述的数据处理模块实现对采集到的原始数据进行运算，得到最终的可以使用的数据；所述的数据处理模块包括数据校准模块、坐标变换模块、数据融合模块、气压换算模块。

6.根据权利要求5所述的一种汽车姿态采集系统，其特征在于所述的数据校准模块完成对传感器模块采集到的数据进行校准，包括三轴加速度的校准，三轴角速度的校准，三轴磁向量的校准；所述的坐标变换模块是指实现载体坐标系和导航坐标系之间的坐标变换；所述的数据融合模块是将采集到三轴加速度、三轴角速度以及三轴磁向量数据进行互补滤波，再使用方向余弦法，通过转换得到姿态数据；所述的气压换算模块实现大气压强的换算。

7.根据权利要求6所述的一种汽车姿态采集系统，其特征在于所述的三轴加速度的校准是将加速度计水平放置，读取一段时间的三轴加速度数据，将这三轴读数用统计均值的方式求出偏移量，进行校准；所述的三轴角速度的校准是将陀螺仪静止放置，读取一段静止时的三轴陀螺仪数据，将这三轴读数用统计均值的方式求出偏移量，进行校准；所述的三轴磁向量的校准是将采集设备旋转360°后的数据进行校准。

8.根据权利要求1所述的一种汽车姿态采集系统，其特征在于所述的数据接口模块实现对数据的上传；数据接口模块为USB接口、网口、串口、无线方式中的任一种。

9.根据权利要求1所述的一种汽车姿态采集系统，其特征在于所述的数据存储模块实现对姿态数据和海拔高度数据的存储，所述的姿态数据和海拔高度数据是经过数据处理模块处理后的最终可以使用的数据；所述数据存储模块采用两片闪存芯片。