基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法,解决现有的汽车运行工况设计中因道路坡度信息存在的对GPS信号依赖性强、误差大而无法应用于运行工况设计的问题，包括以下步骤：1、采集数据及建立原始数据库Database；2、处理数据：将原始数据库Database中的数据降频，设置怠速时刻的海拔值为统一值hidle，将行驶段划分为若干个微行程，并将微行程距离小于设定限值smin的微行程合并到相邻的微行程中；3、计算微行程内坡度-里程i3-s3；4、转化坡度-时间i4-t4序列：对步骤S3计算出的微行程内坡度-里程i3-s3数据进行合并，并将合并后整体的坡度-里程i4-s4数据按照车辆的里程-时间s1-t1数据转化为坡度-时间i4-t4数据输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种道路坡度计算方法，特别涉及一种应用于工况设计的基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法。
技术介绍
车辆的燃油消耗量与排放量是评价车辆的重要指标。在测量车辆的燃油消耗量与排放量时，通常是将车辆在室内转鼓试验台上按标准的运行工况运行一段时间，测量此段时间内车辆的排放量。上述标准工况中包含车辆运行的速度和加速度数据，并假设道路坡度值为定值零。但是，车辆在实际道路坡度变化的情况下运行时，存在标准的零坡度不反映实情的情况，在正确预测车辆的燃油消耗量与排放量这一点上未必充分。重型车辆、混合动力汽车对道路坡度变化十分敏感，不同的道路坡度会对车辆运行工况产生显著影响，因此准确的道路坡度计算方法对车辆运行工况的设计具有重要意义。对于车辆行驶过程中获取道路坡度信息的方法，最为常见的方法有两种，一种是从动力学方程出发，使用状态估计的方法计算道路坡度；另一种是基于GPS高程信息，计算道路坡度。使用状态估计的方法计算坡度，需要准确的测量发动机驱动力矩、车速、风速等信息，而对这些参数的准确测量存在一定难度，计算的坡度值也存在一定的误差。而现有的基于GPS高程信息计算道路坡度值的方法，主要运用GPS采集的高程差与车辆水平位移差的比值Δh/Δs，经过简单滤波后作为道路坡度的计算值。由此可见，现有的通过GPS信息计算道路坡度值的方法是一种利用GPS高程信息和位置信息直接计算道路坡度的方法，由于这种方法对于GPS信号依赖性强，当GPS信号受干扰时，道路坡度计算结果误差极大，使计算结果严重偏离真实值，此结果直接应用在车辆运行工况设计中会影响对车辆的动力性和经济性评价，这一方面体现在设计的运行工况致使车辆动力输出不足或过大，另一方面体现在对控制器提出了不合理的功率需求，进而增加了燃油消耗量。最终导致设计车辆的动力性和经济性在试验台架和实际道路上的性能不一致。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的汽车运行工况设计中因道路坡度信息存在的对GPS信号依赖性强、误差大而无法应用于运行工况设计的问题，提供一种准确度高的基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法，用来设计出更合理的汽车运行工况。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法，包括以下步骤：S1：采集数据及建立原始数据库Database；S2：处理数据；将原始数据库Database中的数据降频，设置怠速时刻的海拔值为统一值hidle，将行驶段划分为若干个微行程，并将微行程距离小于设定限值smin的微行程合并到相邻的微行程中；S3：计算微行程内坡度-里程i3-s3；首先，根据步骤S2处理后的数据计算道路里程间隔为1米的坡度值i3；其次，对坡度值i3进行功率谱密度分析；最后，滤波得到满足道路线型约束的坡度-里程i3-s3；S4：转化坡度-时间i4-t4序列；对步骤S3计算出的微行程内坡度-里程i3-s3数据进行合并，并将合并后整体的坡度-里程i4-s4数据按照车辆的里程-时间s1-t1数据转化为坡度-时间i4-t4数据输出。技术方案中步骤S1所述的采集数据及建立数据库包括以下步骤：步骤S11：采集道路坡度相关信息；通过车载GPS传感器进行道路试验，采集得到时间t1、车速v1、道路高程h1、行驶里程s1数据；步骤S12：建立数据库；从步骤S11中采集的道路坡度相关信息中提取时间t1、速度v1、道路高程h1、行驶里程s1数据建立原始数据库Database。技术方案中步骤S2所述的处理数据包括以下步骤：步骤S21：原始数据降频为1Hz数据；原始数据采样频率为20Hz，使用降频方法将其降频为1Hz数据；降频后得到1Hz的时间t2，速度v2，道路高程h2，行驶里程s2数据；步骤S22：处理怠速时刻海拔值；由于GPS信号存在噪声干扰，使得在怠速时刻的海拔值存在波动，将怠速时刻海拔设置为最末时刻海拔，保证该状态下海拔为统一值hidle；对于多个微行程组成的行驶段，按照从后向前的顺序处理怠速时刻海拔；步骤S23：划分微行程；以“一段怠速的开始到下一段怠速的开始”为依据划分微行程，将行驶段s2划分为多个微行程s21,s22,s23...；步骤S24：合并低速、短行程微行程；按照S23的划分标准进行微行程划分后，所得到的结果中可能会有最高行驶速度小于最小车速限值vmin，或者有总行驶里程小于最小里程限制smin的微行程；将这两种微行程合并到相邻微行程，合并时优先向前一个微行程合并。技术方案中所述最小车速限值0.1km/h≤vmin≤3km/h；所述最小里程限值10m≤vmin≤30m。技术方案中步骤S3所述的计算微行程内坡度-里程i3-s3包括以下步骤：步骤S31：计算间隔1米的坡度-里程i3-s3数据；根据GPS车速-时间v2-t2及高程h2数据计算相邻两个采样点间的行驶距离Δs及高程差Δh，然后按照道路坡度定义式:i=ΔhΔs×100%]]>计算每一个采样点对应的道路坡度值isample，使用样条插值方法得到行驶距离间隔1米的道路坡度计算值i3，得到微行程内的坡度-里程i3-s3数据；步骤S32：分析坡度-里程i3-s3数据的功率谱密度；使用功率谱密度分析函数分析单个微行程内的坡度-里程i3-s3数据，获得功率谱密度-频率数据对；步骤S33：初选滤波器截止频率f0；根据S32的功率谱密度分析结果，选取总功率谱密度上限值A对应的频率为初始截止频率f0；步骤S34：坡度-里程i3-s3数据滤波；根据S33确定的截止频率f0构造零相移巴特沃斯滤波器，使用零相移巴特沃斯滤波器对坡度初步计算结果进行滤波处理。步骤S35：判定滤波结果；对S34计算结果进行差分计算，计算单位距离内道路坡度变化：Δi＝is+1-is；如果坡度变化Δi满足道路线形约束，那么滤波结束，执行步骤S37；否则执行步骤S36；步骤S36：滤波器截止频率衰减；以一定系数λ作为衰减系数，对滤波器截止频率f0进行衰减并构造新的滤波器截止频率fnew进行滤波，返回执行步骤S34；步骤S37：判断道路坡度计算结果是否超过限值imax；当坡度结果满足滤波结束的判定条件后，再对坡度结果是否超过道路竖曲线设计规范限值imax进行判定；如果超过限值，则执行步骤S38；否则执行步骤S39；步骤S38：处理超过限值的坡度数据；对微行程内超过道路竖曲线设计规范限值imax的坡度值，采用等比例压缩的方式将该微行程内的坡度值压缩到道路竖曲线设计规范以内；将起步加速段和减速停车段内超出±5％的坡度值等比例压缩到±2％以内，并执行步骤S37；步骤S39：判断是否为最后一段微行程；判断此段微行程是否为最后一段微行程，若是最后一段微行程则执行步骤S41，否则执行步骤S31本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：采集数据及建立原始数据库Database；S2：处理数据；将原始数据库Database中的数据降频，设置怠速时刻的海拔值为统一值hidle，将行驶段划分为若干个微行程，并将微行程距离小于设定限值smin的微行程合并到相邻的微行程中；S3：计算微行程内坡度‑里程i3‑s3；首先，根据步骤S2处理后的数据计算道路里程间隔为1米的坡度值i3；其次，对坡度值i3进行功率谱密度分析；最后，滤波得到满足道路线型约束的坡度‑里程i3‑s3；S4：转化坡度‑时间i4‑t4序列；对步骤S3计算出的微行程内坡度‑里程i3‑s3数据进行合并，并将合并后整体的坡度‑里程i4‑s4数据按照车辆的里程‑时间s1‑t1数据转化为坡度‑时间i4‑t4数据输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集数据及建立原始数据库Database；
S2：处理数据；
将原始数据库Database中的数据降频，设置怠速时刻的海拔值为统一值hidle，将行驶段
划分为若干个微行程，并将微行程距离小于设定限值smin的微行程合并到相邻的微行程中；
S3：计算微行程内坡度-里程i3-s3；
首先，根据步骤S2处理后的数据计算道路里程间隔为1米的坡度值i3；其次，对坡度值
i3进行功率谱密度分析；最后，滤波得到满足道路线型约束的坡度-里程i3-s3；
S4：转化坡度-时间i4-t4序列；
对步骤S3计算出的微行程内坡度-里程i3-s3数据进行合并，并将合并后整体的坡度-里
程i4-s4数据按照车辆的里程-时间s1-t1数据转化为坡度-时间i4-t4数据输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法，其特征在
于：
步骤S1所述的采集数据及建立数据库包括以下步骤：
步骤S11：采集道路坡度相关信息；
通过车载GPS传感器进行道路试验，采集得到时间t1、车速v1、道路高程h1、行驶里程
s1数据；
步骤S12：建立数据库；
从步骤S11中采集的道路坡度相关信息中提取时间t1、速度v1、道路高程h1、行驶里程
s1数据建立原始数据库Database。
3.根据权利要求1所述的一种基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法，其特征在
于：
步骤S2所述的处理数据包括以下步骤：
步骤S21：原始数据降频为1Hz数据；
原始数据采样频率为20Hz，使用降频方法将其降频为1Hz数据；降频后得到1Hz的时间
t2，速度v2，道路高程h2，行驶里程s2数据；
步骤S22：处理怠速时刻海拔值；
由于GPS信号存在噪声干扰，使得在怠速时刻的海拔值存在波动，将怠速时刻海拔设置
为最末时刻海拔，保证该状态下海拔为统一值hidle；对于多个微行程组成的行驶段，按照从

\t后向前的顺序处理怠速时刻海拔；
步骤S23：划分微行程；
以“一段怠速的开始到下一段怠速的开始”为依据划分微行程，将行驶段s2划分为多个
微行程s21,s22,s23...；
步骤S24：合并低速、短行程微行程；
按照S23的划分标准进行微行程划分后，所得到的结果中可能会有最高行驶速度小于最小
车速限值vmin，或者有总行驶里程小于最小里程限制smin的微行程；将这两种微行程合并到相
邻微行程，合并时优先向前一个微行程合并。
4.根据权利要求3所述的一种基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法，其特征在
于：
所述最小车速限值0.1km/h≤vmin≤3km/h；
所述最小里程限值10m≤vmin≤30m。
5.根据权利要求1所述的一种基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法，其特征在
于：
步骤S3所述的计算微行程内坡度-里程i3-s3包括以下步骤：
步骤S31：计算间隔1米的坡度-里程i3-s3数据；
根据GPS车速-时间v2-t2及高程h2...

【专利技术属性】
技术研发人员：施树明，马力，岳柄剑，张曼，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22