CN110398244A - 一种基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法，属于车辆状态检测技术领域。该检测方法内容涉及加速度传感器的安装误差校正矩阵、基于车辆瞬时速度的加速度矢量、加速度数据预处理、基于重力加速度矢量投影的车辆倾斜姿态检测；本发明方法考虑到了在实际安装条件下安装加速度传感器时必然产生的安装误差，采用计算校准矩阵的办法对三轴加速度进行校正，并考虑到了车辆运动加速度以及重力加速度的影响，要求静止状态安装加速度传感器，通过坐标系校准，消除误差，对于获取车辆各方向上更加准确的加速度值、更加精确检测行驶车辆状态、更加准确地判断车辆行驶安全具有重要的意义。

Description

一种基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法

技术领域

本发明属于车辆状态检测技术和自然驾驶技术领域，具体涉及一种基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法。

背景技术

随着经济快速发展，我国汽车保有量逐年升高，这在增加了人们出行便利性的同时，也为社会带来了更多的交通安全隐患。评价交通安全的一个重要指标是道路上机动车辆的行驶状态。随着车联网技术的发展，人们对于机动车辆行驶安全、行驶稳定性的要求越来越高。因此，如何有效地获取车辆准确的行驶状态是目前道路交通安全评价的重要课题。而车辆行驶状态的一个重要参数便是车辆各方向的加速度，测量车辆各方向加速度常用加速度传感器，但由于车载采集设备在车身加装的情况下很难提供精密的安装条件，无法保证车辆坐标系各轴方向与加速度传感器敏感轴方向的一致，不可避免的会产生安装误差，对安装误差的标定和校准可以提高传感器测量数据的可靠性。

采用加速度传感器的现有技术中没有对于加速度传感器的安装误差问题没给出解决方案，而实际传感器的安装时，不可能保证绝对水平，误差不可避免。本发明特别针对这一情况给出了误差的自校准方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法，该方法考虑了在实际安装条件下安装加速度传感器时必然产生的安装误差，采用计算校准矩阵的办法对三轴加速度进行校正，并考虑了车辆运动加速度以及重力加速度的影响，要求静止状态安装加速度传感器，通过坐标系校准，消除误差，从而获取车辆各方向上更加准确的加速度值，从而更加精确地检测行驶车辆状态。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法，包括如下步骤：

步骤(1)，定义A_V表示在车辆坐标系下的三轴加速度向量，表示为：

A_V＝[A_VX A_VY A_VZ]^T

其中，A_VX表示在车辆坐标系下X轴方向的加速度值，A_VY表示在车辆坐标系下Y轴方向的加速度值，A_VZ表示在车辆坐标系下Z轴方向的加速度值，其中，所述X轴与车辆前进方向一致，Y轴与车辆车身左右方向一致，Z轴与车辆车身上下方向一致；

定义A_S表示在实际安装条件下加速度传感器的加速度测量值向量，表示为：

A_S＝[A_SX A_SY A_SZ]^T

其中，A_SX表示在实际安装条件下X轴方向的加速度值，A_SY表示在实际安装条件下Y轴方向的加速度值，A_SZ表示在实际安装条件下Z轴方向的加速度值；

按照欧拉公式，A_V与A_S的关系为：

其中，θ、γ分别是传感器坐标系X轴，Y轴和Z轴的安装误差角度；如果没有安装误差，则θ＝0、γ＝0；

步骤(2)，实际安装时，要求传感器各个坐标轴都不能与在水平安装条件下车辆的坐标系完全重合；即：

令加速度传感器的安装误差校正矩阵C，

在θ、γ的取值范围内采用穷举法取值，计算加速度传感器的安装误差校正矩阵C，并将安装误差校正矩阵C与在实际安装条件下加速度传感器的加速度测量值向量A_S进行矩阵相乘运算，获得乘积A_w；将A_w与A_V相减并求模值e，

e＝|A_w-A_v|

当模值最小时，所对应的θ、γ的值为最终的误差角，从而计算得到相应的最终的安装误差校正矩阵C；

步骤(3)，设车辆行驶运行中，相对于路面X轴方向的瞬时速度为v_RX，Y轴方向的瞬时速度为v_RY，计算X轴方向的加速度A_RX＝v′_RX，Y轴方向的加速度A_RY＝v′_RY；从而获得车辆相对于路面的加速度向量A_R[i]＝[A_RX[i] A_RY[i] 0]^T；

设i为采样时间点，则

步骤(4)，通过加速度传感器采集车辆行驶中的加速度测量值序列A_S[i]，之后，根据步骤(2)得到的最终的安装误差校正矩阵C对车辆行驶中的加速度测量值序列A_S[i]进行坐标系校准，如下式：

A_V[i]＝C·A_S[i]；

采用递推平均滤波法对经校准后的加速度数据进行平滑滤波，得到平滑滤波后的矩阵A′_v[i]，之后通过下式计算消除运动加速度影响，得到

步骤(5)，根据步骤(4)得到的求解倾斜姿态。

进一步，优选的是，步骤(2)中，θ、γ的取值范围分别为：±30°，±30°，±30°。

进一步，优选的是，步骤(2)中，在θ、γ的取值范围采用穷举法取值时，每隔0.1°取一次。

进一步，优选的是，采样频率不低于10Hz。

进一步，优选的是，平滑滤波后的矩阵A′_v为：

其中，A′_VX[i]为第i个采样时间点滤波后的X轴加速度输出值，A_VX[i-k]为依次向前递推k次的校正后的采样值，N为递推平均项数；A′_VY[i]为第i个采样时间点滤波后的Y轴加速度输出值，A_VY[i-k]为依次向前递推k次的校正后的采样值；A′_VZ[i]为第i个采样时间点滤波后的Z轴加速度输出值，A_VZ[i-k]为依次向前递推k次的校正后的采样值。

进一步，优选的是，递推平均项数N＝0.1f，f为加速度传感器的采样率。

进一步，优选的是，步骤(5)中，所述的倾斜姿态包括俯仰角和侧倾角；

俯仰角a>0，在前进状态下表示下坡，a＜0，在前进状态下表示上坡；

侧倾角β>0表示向右侧倾，β＜0表示向左侧倾。

θ、γ的取值范围分别为±30°，±30°，±30°中，±30°含义为-30°到30°。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明所提出的基于加速度传感器的车辆倾斜状态的检测方法，考虑了在实际安装条件下安装加速度传感器时必然产生的安装误差，采用计算校准矩阵的办法对三轴加速度进行校正，并考虑了车辆运动加速度以及重力加速度的影响，要求静止状态安装加速度传感器，通过坐标系校准，消除误差，从而获取车辆各方向上更加准确的加速度值，从而更加精确地检测行驶车辆状态。可以在加速度传感器相对于车辆坐标系出现X轴±30°范围，Y轴±30°范围，Z轴±30°范围的安装误差条件时正常实现车辆倾斜状态的检测。

附图说明

图1为车辆坐标系示意图；

图2为实际检测效果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

1、加速度传感器的安装误差校正矩阵的计算

定义车辆坐标系如图1所示。

由于安装过程中，往往不能保证加速度传感器的坐标轴与车辆坐标系坐标轴方向完全一致，需要进行校正，为此需要计算校准矩阵。

定义A_V表示在车辆坐标下的三轴加速度向量，表示为：

A_V＝[A_VX A_VY A_VZ]^T

其中，各分量分别表示在三个坐标轴方向的加速度值。

定义A_S表示实际安装条件下加速度传感器的加速度测量值向量，表示为：

A_S＝[A_SX A_SY A_SZ]^T

其中，各分量分别表示在三个坐标轴方向的加速度值。

按照欧拉公式，A_V与A_S的关系为：

其中，θ、γ分别是传感器坐标系X轴，Y轴和Z轴的安装误差角度。如果没有安装误差，则θ＝0、γ＝0，A_S与A_V相等。θ、γ的取值范围分别为±30°，±30°，±30°。

车辆静止停放在水平地面上，则应有A_V＝[0 0 g]^T，但是由于安装误差的存在，实际由加速度传感器获得的数据A_S≠[0 0 g]^T，其中g表示重力加速度，可由式(2)求得。

因此可以根据式(1)求解误差角θ、γ，进而得到加速度传感器的安装误差校正矩阵：

本发明提出，为了保证误差矩阵可解性，要求安装时传感器各个坐标轴都不能与车辆坐标系完全重合，即保证加速度传感器安装固定后，车辆静止停放在水平地面的条件下，三轴加速度传感器的输出值都不能为零，即

由于计算矫正矩阵仅在安装时进行一次，且考虑到矫正矩阵的非单调性，本发明采用穷举法进行安装误差校正矩阵C的求解。即，在正常安装情况下，误差角θ、γ的有一定的取值范围，在此范围内分别间隔0.1°对θ、γ进行取值，对每一种取值组合进行误差矩阵C的计算，并将每次计算获得的误差矩阵带入式(1)右边，与实测数据A_S进行矩阵相乘运算，获得的乘积A_w与A_V相减并求模值e，

e＝|A_w-A_v|

则在上述的组合中模值最小(最接近0)的一组θ、γ组合，取为误差角，进而可以得到所需的安装误差校正矩阵C。

2、基于车辆瞬时速度的加速度矢量

根据车辆相对于路面的纵向瞬时速度v_RX和横向瞬时速度v_RY，计算车辆纵向与横向加速度：

A_RX＝v′_RX

A_RY＝v′_RY

又有车辆相对于地面的速度为0，从而获得车辆相对于路面的加速度向量A_R[i]＝[A_RX[i] A_RY[i] 0]^T。需要指出的是瞬时速度值的采样率不得低于10Hz。此时：

A_RX[i]＝v_RX[i]-v_RX[i-1]

A_RY[i]＝v_RY[i]-v_RY[i-1]

3、加速度数据预处理

低通滤波器能够剔除高于截止频率的所有频率信号并且允许低于截止频率的信号不受影响地通过。设定合适的截止频率，使用低通滤波器预先剔除过大，不符合实际情况的加速度数据，确保加速度传感器的安装误差校正矩阵计算的准确性。本发明采用平滑滤波算法作为低通滤波器，选用平滑滤波算法中的递推平均滤波法对加速度数据进行过滤。递推平均滤波法：

上式中，y[i]为第k次滤波后的输出值，x[i-k]为依次向前递推i次的采样值，N为递推平均项数。应用于本发明场景，得到下式：

其中，A′_VX[i]为第i个采样时间点滤波后的X轴加速度输出值，A_VX[i-k]为依次向前递推k次的校正后的采样值，N为递推平均项数；

A′_VY[i]为第i个采样时间点滤波后的Y轴加速度输出值，A_VY[i-k]为依次向前递推k次的校正后的采样值，N为递推平均项数；

A′_VZ[i]为第i个采样时间点滤波后的Z轴加速度输出值，A_VZ[i-k]为依次向前递推k次的校正后的采样值，N为递推平均项数。

滤波后得到的三轴加速度向量A′_v[i]表示为：

A′_V[i]＝[A′_VX[i] A′_VY[i] A′_VZ[i]]^T

递推平均项数的选取是比较重要的环节，N选得过大，平均效果好，但是，对参数变化的反应不灵敏；N选得过小，滤波效果不显著。本发明选择N值取值条件为：

N＝0.1f

其中f为加速度传感器的采样率。

4、基于重力加速度矢量投影的车辆倾斜姿态检测

本发明提出的，在运动过程中测量车辆的实时爬坡角度与侧倾角度的具体过程如下：

(1)通过加速度传感器采集加速度测量值序列A_S[i]；

(2)坐标系校准，即根据已经获得的安装误差校正矩阵C，对加速度测量值进行修正，获得基于车辆坐标系的三轴加速度向量A_V[i]＝C·A_S[i]

(3)数据预处理，对加速度数据进行平滑滤波；

即：

(4)获得并消除运动加速度影响；

(5)求解倾斜姿态：为方便直观，俯仰角α[i]>0，在前进状态下表示下坡，α[i]＜0，在前进状态下表示上坡；

侧倾角β[i]>0表示向右侧倾，β[i]＜0表示向左侧倾。

应用实例

采用的加速度传感器，分辨率0.01g，采样率2kHz，相对于地面速度的传感器采样率25Hz；

由于加速度传感器与地面速度的传感器采样率不一样，需要使用差分的方法进行处理，使两者的采样率都为10Hz。

静止条件下使用加速度传感器进行实验，进行10秒的加速度数据实测，取其平均值得到A_S＝[-0.454132434 0.188285478 -9.787729035]^T，按照上述方法进行计算得到误差角θ＝-2.7°、γ＝-1.0°。最终的安装误差校正矩阵为：

在车辆实际运行过程中倾斜角的实时测量过程如下：

1)通过加速度传感器采集三轴加速度数据；

2)应用上述校正矩阵对于获得加速度数据进行安装误差校正；

3)对校正后的加速度数据进行平滑，即每200个数据点进行一次平均，获得10Hz的平滑加速度数据；

4)利用下视差动摄像头测量车辆相对于路面的速度，采样率20Hz，通过相邻数据点差分获得实时的运动加速度；

5)将平滑加速度数据减去运动加速度，消除运动影响；

6)最终根据方法中的倾斜姿态解算方法得到的俯仰角结果下图2所示，从中可以看到解算出的俯仰角(虚线表示)与道路实际坡度一致性非常高，误差小于1°。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，定义A_V表示在车辆坐标系下的三轴加速度向量，表示为：

A_V＝[A_VX A_VY A_VZ]^T

其中，A_VX表示在车辆坐标系下X轴方向的加速度值，A_VY表示在车辆坐标系下Y轴方向的加速度值，A_VZ表示在车辆坐标系下Z轴方向的加速度值，其中，所述X轴与车辆前进方向一致，Y轴与车辆车身左右方向一致，Z轴与车辆车身上下方向一致；

定义A_S表示在实际安装条件下加速度传感器的加速度测量值向量，表示为：

A_S＝[A_SX A_SY A_SZ]^T

其中，A_SX表示在实际安装条件下X轴方向的加速度值，A_SY表示在实际安装条件下Y轴方向的加速度值，A_SZ表示在实际安装条件下Z轴方向的加速度值；

按照欧拉公式，A_V与A_S的关系为：

其中，θ、γ分别是传感器坐标系X轴，Y轴和Z轴的安装误差角度；如果没有安装误差，则θ＝0、γ＝0；

步骤(2)，实际安装时，要求传感器各个坐标轴都不能与在水平安装条件下车辆的坐标系完全重合；即：

令加速度传感器的安装误差校正矩阵C，

在θ、γ的取值范围内采用穷举法取值，计算加速度传感器的安装误差校正矩阵C，并将安装误差校正矩阵C与在实际安装条件下加速度传感器的加速度测量值向量A_S进行矩阵相乘运算，获得乘积A_w；将A_w与A_V相减并求模值e，

e＝|A_w-A_v|

当模值最小时，所对应的θ、γ的值为最终的误差角，从而计算得到相应的最终的安装误差校正矩阵C；

步骤(3)，设车辆行驶运行中，相对于路面X轴方向的瞬时速度为v_RX，Y轴方向的瞬时速度为v_RY，计算X轴方向的加速度A_RX＝v′_RX，Y轴方向的加速度A_RY＝v′_RY；从而获得车辆相对于路面的加速度向量A_R[i]＝[A_RX[i] A_RY[i] 0]^T；

设i为采样时间点，则

步骤(4)，通过加速度传感器采集车辆行驶中的加速度测量值序列A_S[i]，之后，根据步骤(2)得到的最终的安装误差校正矩阵C对车辆行驶中的加速度测量值序列A_S[i]进行坐标系校准，如下式：

A_V[i]＝C·A_S[i]；

采用递推平均滤波法对经校准后的加速度数据进行平滑滤波，得到平滑滤波后的矩阵A′_v[i]，之后通过下式计算消除运动加速度影响，得到

步骤(5)，根据步骤(4)得到的求解倾斜姿态。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法，其特征在于，步骤(2)中，θ、γ的取值范围分别为：±30°，±30°，±30°。

3.根据权利要求1或2所述的基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法，其特征在于，步骤(2)中，在θ、γ的取值范围采用穷举法取值时，每隔0.1°取一次。

4.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法，其特征在于，采样频率不低于10Hz。

5.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法，其特征在于，平滑滤波后的矩阵A′_v为：

其中，A′_VX[i]为第i个采样时间点滤波后的X轴加速度输出值，A_VX[i-k]为依次向前递推k次的校正后的采样值，N为递推平均项数；A′_VY[i]为第i个采样时间点滤波后的Y轴加速度输出值，A_VY[i-k]为依次向前递推k次的校正后的采样值；A′_VZ[i]为第i个采样时间点滤波后的Z轴加速度输出值，A_VZ[i-k]为依次向前递推k次的校正后的采样值。

6.根据权利要求5所述的基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法，其特征在于，递推平均项数N＝0.1f，f为加速度传感器的采样率。

7.根据权利要求1或5所述的基于加速度传感器的车辆倾斜状态检测方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的倾斜姿态包括俯仰角和侧倾角；

俯仰角a>0，在前进状态下表示下坡，a＜0，在前进状态下表示上坡；

侧倾角β>0表示向右侧倾，β＜0表示向左侧倾。