CN111141258B - 道路坡度测量方法及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路坡度测量方法及计算机可读存储介质，方法包括：根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列；根据传感器输出的姿态角信息，解析得到俯仰角序列；根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列；根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列。本发明可无需标定传感器初始安装角，且可准确有效地测量出道路坡度。

Description

道路坡度测量方法及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及坡度测量技术领域，尤其涉及一种道路坡度测量方法及计算机可读存储介质。

背景技术

随着城市的高速发展和汽车数量的不断增多，节能减排成为交通发展的主题。坡道作为一种常见的道路形态散落分布在交通路网中，对车辆行驶过程中的油耗问题产生了较大的影响，建立一个实时监测道路坡度模型的需求越来越迫切。

在实际项目应用场景中，要求安装一套组合导航传感器在车辆上以便实时测量道路坡度。传感器的输出中包含有姿态角、经纬度、高程等信息，目前有两种方式可以从中获取道路坡度：

方式1，直接解析出姿态角中的俯仰角。在传感器安装位置合适的前提条件下，俯仰角数值大小表征的就是道路坡度。俯仰角的优点是数据更新频率快，数据精度高，即使车辆快速行驶也可及时采集到道路坡度的细微变化；但是需要在传感器的使用过程中标定初始安装角，同时由于车辆加减速运动，以及零漂，温漂等测量噪声的影响，传感器在长时间运行后其输出曲线会出现整体向上或向下的偏移现象，需要后期处理去除噪声。

方式2，通过两点间的高程差与水平距离之比求正切的计算公式获得道路坡度，简称高程衍生坡度。该方式采用的高程和经纬度两组来源数据本身不受车辆加减速运行的影响，不受传感器是否水平安装的影响，由两者算出的高程衍生坡度不存在标定初始安装角的问题，即使用过程中无需标定传感器初始安装角；但是由于高程和经纬度的更新频率慢，高程衍生坡度仅为两GPS点位间的平均坡度，数值精度较低，在车辆快速行驶过程中无法及时获得道路坡度的细微变化，即更新频率慢，数据精度不足。

如何更加准确有效地测量出道路坡度成为函待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种道路坡度测量方法及计算机可读存储介质，可无需标定传感器初始安装角，且可准确有效地测量出道路坡度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种道路坡度测量方法，包括：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列；

根据传感器输出的姿态角信息，解析得到俯仰角序列；

根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列；

根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列。

本发明还涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列；

根据传感器输出的姿态角信息，解析得到俯仰角序列；

根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列；

根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列。

本发明的有益效果在于：以俯仰角作为原始坡度数据，可以保留道路坡度的瞬间细微变化情况；以高程衍生坡度作为基准来对原始坡度数据进行纠偏，又保证了数据整体准确性。本发明结合俯仰角和高程衍生坡度的各自优点，以俯仰角测量道路坡度的相对变化量，以高程衍生坡度测量道路坡度的绝对变化量，使用俯仰角和高程衍生坡度联合测量的方法测量道路坡度，保留了道路坡度的瞬间细微变化情况，又保证了数据整体准确性。

附图说明

图1为本发明的一种道路坡度测量方法的流程图；

图2为本发明实施例一的方法流程图；

图3为本发明实施例一的俯仰角曲线的示意图；

图4为本发明实施例一的高程衍生坡度曲线的示意图；

图5为本发明实施例一的偏移距离曲线的示意图；

图6为本发明实施例一的联合测量坡度曲线的示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明最关键的构思在于：以俯仰角测量道路坡度的相对变化量，以高程衍生坡度测量道路坡度的绝对变化量，使用俯仰角和高程衍生坡度联合测量的方法测量道路坡度。

请参阅图1，一种道路坡度测量方法，包括：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列；

根据传感器输出的姿态角信息，解析得到俯仰角序列；

根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列；

根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：可无需标定传感器初始安装角，且可准确有效地测量出道路坡度。

进一步地，所述根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列具体为：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，分别计算相邻两点之间的高程差和水平距离；

分别根据相邻两点之间的高程差和水平距离以及第一公式，计算高程衍生坡度，得到高程衍生坡度序列，所述第一公式为

其中，α为高程衍生坡度，Δh为相邻两点之间的高程差，Δl为相邻两点之间的水平距离。

进一步地，所述根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列之前，进一步包括：

对所述高程衍生坡度序列进行中间值插值。

由上述描述可知，使高程衍生坡度序列中的元素个数与俯仰角序列中的元素个数相同，便于后续计算。

进一步地，所述根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列具体为：

根据第二公式计算得到偏移距离序列，所述第二公式为当i≤k时，

当i＞k时，

其中，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离，α_i为高程衍生坡度序列中的第i个高程衍生坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，k为预设的滑动窗口的大小。

由上述描述可知，保证偏移距离的计算准确性。

进一步地，所述根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列具体为：

根据第三公式计算得到联合测量坡度序列，所述第三公式为

其中，

为联合测量坡度序列中的第i个联合测量坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离。

由上述描述可知，使得以俯仰角测量道路坡度的相对变化量，以高程衍生坡度测量道路坡度的绝对变化量，可以免去每次起步阶段的传感器安装角标定工作。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列；

根据传感器输出的姿态角信息，解析得到俯仰角序列；

根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列；

根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列。

进一步地，所述根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列具体为：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，分别计算相邻两点之间的高程差和水平距离；

分别根据相邻两点之间的高程差和水平距离以及第一公式，计算高程衍生坡度，得到高程衍生坡度序列，所述第一公式为

其中，α为高程衍生坡度，Δh为相邻两点之间的高程差，Δl为相邻两点之间的水平距离。

进一步地，所述根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列之前，进一步包括：

对所述高程衍生坡度序列进行中间值插值。

进一步地，所述根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列具体为：

根据第二公式计算得到偏移距离序列，所述第二公式为当i≤k时，

当i＞k时，

其中，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离，α_i为高程衍生坡度序列中的第i个高程衍生坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，k为预设的滑动窗口的大小。

进一步地，所述根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列具体为：

根据第三公式计算得到联合测量坡度序列，所述第三公式为

其中，

为联合测量坡度序列中的第i个联合测量坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离。

实施例一

请参照图2-6，本发明的实施例一为：一种道路坡度测量方法，通过在实验车辆上安装一套组合导航传感器，驾驶该实验车辆经过某个具有坡度的路段，如某大桥(假设事先通过倾角仪器静态测量出该大桥的桥面最大坡度为3度)，采用高程衍生坡度与俯仰角联合测量的方法实时检测桥面坡度。

具体地，如图2所示，所述方法包括如下步骤：

S1：根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列。具体地，从组合导航传感器的输出信息中获取高程信息和经纬度信息，根据相邻两点之间的高程信息，计算相邻两点之间的高程差，根据相邻两点之间的经纬度信息，计算相邻两点之间的水平距离，然后根据相邻两点之间的高程差和水平距离，根据第一公式计算高程衍生坡度，最后得到高程衍生坡度序列。

所述第一公式为

其中，α为高程衍生坡度，Δh为相邻两点之间的高程差，Δl为相邻两点之间的水平距离。

S2：根据传感器输出的姿态角信息，解析得到俯仰角序列。

为了直观显示，将俯仰角序列绘制成曲线，得到如图3所示的俯仰角曲线。从图中可以看出，曲线存在细微震荡的情况，说明俯仰角数据精度高，能够在车辆快速行驶过程中记录下桥面坡度的瞬间细微变化；但是由于传感器初始安装角的影响，俯仰角曲线整体上存在1度左右的向上偏移。

S3：对所述高程衍生坡度序列进行中间值插值。由于高程衍生坡度的输出频率为1Hz，而俯仰角的输出频率为5Hz，为了便于后续偏移距离的计算，对高程衍生坡度序列进行中间值插值，使其频率达到5Hz。

为了直观显示，将插值后的高程衍生坡度序列绘制成曲线，得到如图4所示的高程衍生坡度曲线。从图中可以看出，上下桥过程中坡度测量数值为3度左右，与桥面实际静态测量值3度基本保持一致；但是由于高程衍生坡度更新频率慢，数据精度不足，无法测量出了车辆快速行驶过程中桥面道路坡度的瞬间细微变化，导致坡度曲线较为光滑。

S4：根据俯仰角序列和插值后的高程衍生坡度序列，计算得到偏移距离序列；假设差值后的高程衍生坡度序列为α＝{α₁,α₂,…,α_i,…,α_n}，俯仰角序列为β＝{β₁,β₂,…,β_i,…,β_n}，计算得到的偏移距离序列θ＝{θ₁,θ₂,…,θ_i,…,θ_n}。

根据第二公式计算得到偏移距离序列，所述第二公式为当i≤k时，

当i＞k时，

其中，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离，α_i为高程衍生坡度序列中的第i个高程衍生坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，k为预设的滑动窗口的大小。

优选地，滑动窗口的大小k＝20，即本实施例中，滑动窗口的大小从1递增到20，并保持窗口大小最大为20，窗口覆盖当前位置以及之前的历史数据，计算窗口范围内的平均偏移距离作为当前位置的偏移距离，整个桥面行驶过程中的偏移距离组成偏移距离序列。

为了直观显示，将偏移距离序列绘制成曲线，得到如图5所示的、大小为1度左右的偏移距离曲线。

S5：根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列。具体地，根据第三公式计算得到联合测量坡度序列，所述第三公式为

其中，

为联合测量坡度序列中的第i个联合测量坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离，即依次将所述俯仰角序列中各俯仰角减去所述偏移距离序列中各偏移距离，最后得到的联合测量坡度序列为

为了直观显示，将联合测量坡度序列绘制成曲线，得到图6所示的联合测量坡度曲线。从图6中可以看出，联合测量坡度序列不仅在整体上与实际坡度保持相对一致，并且保留了车辆快速行驶过程中桥面坡度的瞬间细微变化，达到实际生产测量的需要。

本实施例中，由于只是使用俯仰角来测量道路坡度的相对变化量，传感器是否安装在质心位置变得无关紧要了，可以免去每次起步阶段的安装角标定工作；同时，使用高程衍生坡度来测量道路坡度的绝对变化量，其采用的高程和经纬度两组来源数据本身已经在原始GPS信号的基础上进行了校正，数据相对准确，并且不受车辆加减速运行的影响，这在一定程度上简化了数据后期处理噪声的工作，能够更有效地获取可用的道路坡度数据。

实施例二

本实施例是对应实施例一的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列；

根据传感器输出的姿态角信息，解析得到俯仰角序列；

根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列；

根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列。

进一步地，所述根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列具体为：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，分别计算相邻两点之间的高程差和水平距离；

分别根据相邻两点之间的高程差和水平距离以及第一公式，计算高程衍生坡度，得到高程衍生坡度序列，所述第一公式为

其中，α为高程衍生坡度，Δh为相邻两点之间的高程差，Δl为相邻两点之间的水平距离。

进一步地，所述根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列之前，进一步包括：

对所述高程衍生坡度序列进行中间值插值。

进一步地，所述根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列具体为：

根据第二公式计算得到偏移距离序列，所述第二公式为当i≤k时，

当i＞k时，

其中，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离，α_i为高程衍生坡度序列中的第i个高程衍生坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，k为预设的滑动窗口的大小。

进一步地，所述根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列具体为：

根据第三公式计算得到联合测量坡度序列，所述第三公式为

其中，

为联合测量坡度序列中的第i个联合测量坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离。

综上所述，本发明提供的一种道路坡度测量方法及计算机可读存储介质，以俯仰角作为原始坡度数据，可以保留道路坡度的瞬间细微变化情况；以高程衍生坡度作为基准来对原始坡度数据进行纠偏，又保证了数据整体准确性。本发明结合俯仰角和高程衍生坡度的各自优点，以俯仰角测量道路坡度的相对变化量，以高程衍生坡度测量道路坡度的绝对变化量，使用俯仰角和高程衍生坡度联合测量的方法测量道路坡度，保留了道路坡度的瞬间细微变化情况，又保证了数据整体准确性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种道路坡度测量方法，其特征在于，包括：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列；

根据传感器输出的姿态角信息，解析得到俯仰角序列；

对所述高程衍生坡度序列进行中间值插值；

根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列；

根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列；

所述根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列具体为：

根据第二公式计算得到偏移距离序列，所述第二公式为当i≤k时，

当i＞k时，

其中，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离，α_i为高程衍生坡度序列中的第i个高程衍生坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，k为预设的滑动窗口的大小；

所述根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列具体为：

根据第三公式计算得到联合测量坡度序列，所述第三公式为

其中，

为联合测量坡度序列中的第i个联合测量坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离。

2.根据权利要求1所述的道路坡度测量方法，其特征在于，所述根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列具体为：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，分别计算相邻两点之间的高程差和水平距离；

分别根据相邻两点之间的高程差和水平距离以及第一公式，计算高程衍生坡度，得到高程衍生坡度序列，所述第一公式为

其中，α为高程衍生坡度，Δh为相邻两点之间的高程差，Δl为相邻两点之间的水平距离。

3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列；

根据传感器输出的姿态角信息，解析得到俯仰角序列；

对所述高程衍生坡度序列进行中间值插值；

根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列；

根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列；

所述根据所述高程衍生坡度序列和俯仰角序列，计算得到偏移距离序列具体为：

根据第二公式计算得到偏移距离序列，所述第二公式为当i≤k时，

当i＞k时，

其中，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离，α_i为高程衍生坡度序列中的第i个高程衍生坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，k为预设的滑动窗口的大小；

所述根据所述俯仰角序列和所述偏移距离序列，计算得到联合测量坡度序列具体为：

根据第三公式计算得到联合测量坡度序列，所述第三公式为

其中，

为联合测量坡度序列中的第i个联合测量坡度，β_i为俯仰角序列中的第i个俯仰角，θ_i为偏移距离序列中的第i个偏移距离。

4.根据权利要求3所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，计算得到高程衍生坡度序列具体为：

根据传感器输出的高程信息和经纬度信息，分别计算相邻两点之间的高程差和水平距离；

分别根据相邻两点之间的高程差和水平距离以及第一公式，计算高程衍生坡度，得到高程衍生坡度序列，所述第一公式为

其中，α为高程衍生坡度，Δh为相邻两点之间的高程差，Δl为相邻两点之间的水平距离。

Images