CN112298418A - 一种适用于人力驱动交通工具的制动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于人力驱动交通工具的制动系统，包括设置于交通工具的警示灯、加速度传感器和处理器；加速度传感器用于检测制动产生的制动加速度Ab，并且将该加速度Ab传输至处理器；还包括算术均值滤波器和动态低通滤波器，用于移除地面不平整产生的噪声信号；还包括自动角度补偿系统，用于纠正由于加速度传感器的轴与交通工具行驶方向的角度差产生的重力加速度G的分量加速度G’；处理器，接收制动加速度Ab和分量加速度G’后，进行数据分析后，判断制动加速度是否达到阈值，达到阈值后输出制动使能信号；警示灯，接收制动使能信号，发出光警示。本发明简化制动检测算法，减少运算量，降低了处理器性能及能耗要求，制动检测响应时间小100ms。

Description

一种适用于人力驱动交通工具的制动系统及方法
技术领域
本发明涉及警示装置技术领域，特别是涉及一种适用于人力驱动交通工具的制动系统及方法。
背景技术
现有技术中，人力驱动交通工具的警示灯通常都是通过电池供电并且一般没有连接刹车的信号，例如，自行车尾灯没有刹车灯的功能，仅有一般警示功能。
美国专利号为US10,427,594B2公开了一种警示装置，采用加速度传感器检测制动力加速度，其具有通过加速度传感器检测制动并且触发制动信号的功能，但该方案需要较高的传感器数据输出率(约200Hz)、需要处理大量数据以及进行数据转换，处理器性能要求较高并且功耗相对较高，不利于降低产品成本及在电池供电的低功耗方案中使用。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种适用于人力驱动交通工具的制动系统，其技术方案如下：
一种适用于人力驱动交通工具的制动系统，其特征在于，包括设置于交通工具的警示灯、加速度传感器和处理器；
加速度传感器用于检测制动产生的制动加速度Ab，并且将该加速度Ab传输至处理器；
还包括算术均值滤波器和动态低通滤波器，用于移除地面不平整产生的噪声信号；
还包括自动角度补偿系统，用于纠正由于加速度传感器的轴与交通工具行驶方向的角度差产生的重力加速度G的分量加速度G’；
处理器，接收制动加速度Ab和分量加速度G’后，进行数据分析后，判断制动加速度是否达到阈值，达到阈值后输出制动使能信号；
警示灯，接收制动使能信号，发出光警示。
所述自动角度补偿系统采用3轴陀螺仪或6轴陀螺仪。
本发明还提供一种适用于人力驱动交通工具的制动警示方法，加速度传感器获取制动产生的制动加速度Ab，算术均值滤波器和动态低通滤波器移除振动产生的噪声信号，自动角度补偿系统纠正由于加速度传感器的轴与交通工具行驶方向的角度差产生的重力加速度G的分量加速度G’，处理器接收到制动加速度Ab和分量加速度G’后，进行数据分析后，判断制动加速度是否达到阈值，达到阈值后输出制动使能信号，警示灯的驱动电路接收制动使能信号后，警示灯发出光警示。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明简化制动检测算法，减少运算量，降低了处理器性能及能耗要求，其中，加速度传感器的数据速度为50-100Hz，降低功耗；通过算术均值滤波器和动态低通滤波器移除振动产生的噪声信号，自动角度补偿系统纠正由于加速度传感器的轴与交通工具行驶方向的角度差产生的重力加速度G的分量加速度G’，使制动检测响应时间小100ms。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的制动系统安装示意图；
图2为本发明的制动系统与水平方向的误差示意图；
图3为本发明的数据处理及控制逻辑示意图；
图4为本发明的算术均值滤波器和动态低通滤波器处理示意图；
图5为本发明的制动信号判断示意图；
图6为本发明的制动系统的结构示意图；
图7为本发明的3轴角度补偿示意图；
图8为本发明的6轴角度补偿示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，但实例并不对本说明做任何形式的限定。
一种适用于人力驱动交通工具的制动系统，其特征在于，包括设置于交通工具的警示灯、加速度传感器和处理器；
加速度传感器用于检测制动产生的制动加速度Ab，并且将该加速度Ab传输至处理器；
还包括算术均值滤波器和动态低通滤波器，用于移除地面不平整产生的噪声信号；
还包括自动角度补偿系统，用于纠正由于加速度传感器的轴与交通工具行驶方向的角度差产生的重力加速度G的分量加速度G’；
处理器，接收制动加速度Ab和分量加速度G’后，进行数据分析后，判断制动加速度是否达到阈值，达到阈值后输出制动使能信号；
警示灯，接收制动使能信号，发出光警示。
所述自动角度补偿系统采用3轴陀螺仪或6轴陀螺仪。
本发明还提供一种适用于人力驱动交通工具的制动警示方法，加速度传感器获取制动产生的制动加速度Ab，算术均值滤波器和动态低通滤波器移除振动产生的噪声信号，自动角度补偿系统纠正由于加速度传感器的轴与交通工具行驶方向的角度差产生的重力加速度G的分量加速度G’，处理器接收到制动加速度Ab和分量加速度G’后，进行数据分析后，判断制动加速度是否达到阈值，达到阈值后输出制动使能信号，警示灯的驱动电路接收制动使能信号后，警示灯发出光警示。
如图1所示，制动检测警示装置BL安装远车尾位置，运动方向为自行车的行驶方向，假设制动力Fb(制动力加速度Ab)的方向与运动方向平行，方向相反，由粗糙路面引起的震动会产生震动力Fv(加速度Av)。
制动检测警示装置BL的主要构成如图6所示，制动判断主要由加速度传感器及处理器完成，并且由处理器输出制动使能信号控制驱动电路控制制动警示灯。
基本原理：如图1所示，自行车均速向前行驶，此时如果在运动方向上施加制动力(运动相反方向加上制动力Fb)时会在运动相反方向产生加速度Ab。当Ab到达一定阈值时Ab_thd，系统将会输出制动使能信号。同时，在自行车行驶时，地面不平整会导致自行车会受到垂直方向的作用力Fv(产生加速度Av)并且作用力会通过结构件传递在水平方向产生大量噪声信号，最终会叠加在Ab上，干扰制动检测的判断，本系统通过算术均值滤波器(AF1&AF2)及动态低通滤波器(DLPF)移除高频噪声信号。
另外，在实际应用中，传感器的轴与自行车行驶方向会出现夹角α，如图2所示，导致重力加速度(G)的分量(G’)会叠加到运动方向上，最终会影响对刹车的判断，本发明通过加入一个自动纠正算法，在检测到夹角出现时自动纠正。自动角度校正可以只用加速度数据(3轴系统)实现，如果系统对角度校正时间有较高要求时，可引入陀螺仪数据(组成6轴系统)缩短角度校准时间，提高在复杂路面行驶时对制动的正确识别率。
数据处理及工作原理：如图3所示，处理器从加速度传感器读取三轴(X,Y,Z)中一轴的数据，该轴上的方向必须与图1的行驶方向平行，方向与时间产品PCB板的放置方向有关，但正负不影响最终判断，因为只要调整阈值(Ab_THD1 or Ab_THD2)的符号即可。
如图3所示，读取自加速度传感器的原始数据(Ain)将会先加上角度补偿值Aoffse,得到的Ain’将保存在滤波器1(AF1)，AF1与AF2实际上是数据长度一样的算数平均值滤波器，其长度可以根据处理器性能使用合适数据长度，本发明中数据长度在5～10个数据即可。
AF1与AF2的数据保存方式类似先入先出缓冲器(FIFO),每当一个新数据进入时最早进入AF1或AF2的一个数据将会被移除，每次有一个新数据进入缓冲器时将会对AF1或AF2里的所有数据进行一次算是平均值计算，也就是每次有一个新数据输入AF1或者AF2时将会产生一个新的输出数据，此数据将会使用在下一级滤波器中。
如图3所示，DLPF滤波器是一个可以根据输入信号波动范围(Ad)自动选择滤波深度的低通滤波器。其工作原理是通过输出信号与输入信号进行比较，低通滤波选择器(DLPFS)根据输入信号的波动幅度(Ad)选择合适的滤波参数。在输入信号波动(高频振动信号)较大时会选择较大滤波深度，保证输出信号的平滑性，防止在颠簸路面行驶时误触发制动信号。此时对制动检测响应时间会延长，此滤波参数比较适合颠簸路面使用。当输入信号波动较小时，低通滤波选择器(DLPFS)将会选择较浅的滤波深度，此时系统对制动感应速度更快，但对高频振动信号滤波效果较差，此时滤波参数适合在路面震动轻微时使用。
当数据经过AF0,AF1及DLPF滤波器过滤后，高频成分将基本上被移除，如图4所示，一个典型的颠簸路面行驶的数据滤波效果。系统读取加速度传感器的数据减去角度补偿值Aoffset，然后经过算术均值滤波器AF0,AF1及动态低通滤波器DLPF滤波器处理后，输出值Aout即为与运动方向平行的加速度Ab值。
加速度Aout将会与制动检测阈值Ab_THD1及Ab_THD2进行比较，当Aout大于Ab_THD1并且持续时间超过Tb1时，或者当Aout大于Ab_THD2并且持续时间超过Tb2时，只要其中一个条件满足时，制动使能信号(Brake_EN)将置1,如图5所示。其中，Ab_THD1>Ab_THD2，Tb1<Tb2.设置两种阈值的目的是为了让系统可以更准确识别到急刹车(加速度大，时间短)及缓慢刹车(加速度小，时间长)两种状态，提高制动检测正确识别率。
角度补偿计算：当系统处于非水平状态，假设自行车行驶在斜坡上，如图2中所示的倾斜状态1或倾斜状态2，地心引力G会在运动方向产生加速度分量G’,其运动方向与Ab相同或者相反，其值可以通过运行方向与地面的夹角α计算：G’＝G*sinα，当α不为0时加速度分量G’必然与Ab叠加并且会影响制动条件的判断，因为Ab_THD1及Ab_THD2是一个固定的值。当α不为0时，角度补偿值会周期性(其频率约为加速度传感器数据输出频率的1/5)持续向相Ab相反方向增长，因此，当自行车进入斜坡时且没有制动时，角度补偿值会使加速度输出Aout逐渐接近0，此过程需要时间取决于α值的大小及α值改变的速度。因此，角度补偿具有一定延时，如果行驶在复杂路面上有可能会导致制动使能信号的误触发。
如图7中实例所示，系统处于静止状态并且未发生制动(Ab＝0)，加速度数据输出率为100Hz，Aoffset更新速率为16Hz，α从0°改变为34°，Aoffset在角度变化后开始自动递增，大小与Aout最大值相等,符号相反,直到Aout＝0,此时,Td为系统角度补偿的延时,可以通过增加Aoffset的刷新速率减少Td。
本发明提供一个可选的6轴增强模块以提高对角度α的识别速度及增强复杂地形的适应性。如图3所示，陀螺仪角度补偿模块由虚线内结构组成：陀螺仪原始数据通过滤波器GF1滤波后得到Gout值，Gout与时间T的积分可以得到角度变化值△α,由△α可以算出当前运动方向与水平方向夹角α，再根据G’＝G*sinα，可计算出G’,也就是Aoffset＝G’.
当系统使用陀螺仪补偿模式时(Gryo_En＝1)，DLPF滤波器的输出值Aout用于在静止时矫正Aoffset的值，因为陀螺仪仅适合检测角度变化量，无法矫正静态误差。
如图8中实例所示，系统处于静止状态并且未发生制动(Ab＝0)，加速度及陀螺仪的数据输出率均为100Hz，α从0°改变为34°，系统会根据陀螺仪输出数据计算出角度变化值△α，Aoffset将会跟随角度变化而实时更新，因此，Aout值恢复为0的时间Td将会大大减少。系统角度变化时导致Aout的扰动时间将会大大减少，提高在复杂地形制动辨识的准确率。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，可以根据具体的工况环境适当调节各项参数以达到较佳的实施效果。其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于人力驱动交通工具的制动系统，其特征在于，包括设置于交通工具的警示灯、加速度传感器和处理器；
加速度传感器用于检测制动产生的制动加速度Ab，并且将该加速度Ab传输至处理器；
还包括算术均值滤波器和动态低通滤波器，用于移除地面不平整产生的噪声信号；
还包括自动角度补偿系统，用于纠正由于加速度传感器的轴与交通工具行驶方向的角度差产生的重力加速度G的分量加速度G’；
处理器，接收制动加速度Ab和分量加速度G’后，进行数据分析后，判断制动加速度是否达到阈值，达到阈值后输出制动使能信号；
警示灯，接收制动使能信号，发出光警示。
2.根据权利要求1所述的一种适用于人力驱动交通工具的制动系统，其特征在于，所述自动角度补偿系统采用3轴陀螺仪或6轴陀螺仪。
3.一种适用于人力驱动交通工具的制动警示方法，其特征在于，加速度传感器获取制动产生的制动加速度Ab，算术均值滤波器和动态低通滤波器移除振动产生的噪声信号，自动角度补偿系统纠正由于加速度传感器的轴与交通工具行驶方向的角度差产生的重力加速度G的分量加速度G’，处理器接收到制动加速度Ab和分量加速度G’后，进行数据分析后，判断制动加速度是否达到阈值，达到阈值后输出制动使能信号，警示灯的驱动电路接收制动使能信号后，警示灯发出光警示。
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