一种车辆行驶坡度与相对高度动态估计方法技术

本发明专利技术公开了一种车辆行驶坡度与相对高度动态估计方法，该方法是在单轴加速度计和里程仪硬件基础上运用算法计算出道路坡度及车辆行驶相对高度信息。单轴加速度计传感器测量车辆纵轴方向上的加速度ａｃｃｙ；里程仪可精确测量车辆行驶速度，这样就可以提供车辆加速度信息ａ↓［车］，由ａｃｃｙ和ａ↓［车］两者之间的几何关系，可得到坡度值及高度变化值，然后由高度变化和限制规则判断出车辆上下坡。在具体实施过程中要考虑单轴加速度计安装误差、加速度数据的噪声处理、两种传感器数据的对准以及上下坡的判断规则问题。该方法测量精度高；提高了系统的稳定可靠性；实现了实时检测车辆坡度和高度，很高的灵敏度和响应速度；功耗小，启动快，简单易行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于车载导航
，具体涉及一种导航系统中动态检测车辆行驶道路坡度和 高度的方法。
技术介绍
在现有的车载导航系统中，通过GPS可以获得海拔高度信息，但是由于GPS系统测量 特性所限，高度信息误差很大，因此GPS接收机直接输出的高度信息不能满足车辆上下坡判 定，以及行驶相对高度变化估计的需要。当前，测量倾角(即道路坡度)的方法主要有两种传统的水泡式框式(条式)水平仪其 检测方法依然是"水泡移动，肉眼分辨"。这种原始的检测方法有诸多缺点，如测量值因人而 易、功能单一、测量范围小等；另外一种是基于加速度传感器的倾角仪它与传统的水泡式 框式(条式)水平仪相比具有电子检测、测量精度高、测量范围大、使用及携带方便等特点， 但是这种方法不能实现加速运动情况下角度测量，应用受到较大限制。 专利技术 内容本专利技术的目的是为了解决车载导航中判断车辆上下坡的问题，从而实现更精确定位，提 供了一种动态检测车辆行驶道路坡度及行驶相对高度的方法，该方法釆用了中位值滤波和信 息融合技术手段，达到了实时判断车辆上下坡技术效果。本专利技术在单轴加速度计和里程仪测量信息基础上，利用加速度的分配关系计算车辆行驶 坡度角。若单轴加速度计敏感方向和车辆纵轴方向一致，此单轴加速度计传感器测量车辆纵 轴方向上的加速度accy;里程仪可精确测量车辆行驶速度，这样就可以提供车辆加速度信息 a车，由加速度accy车辆加速度和a车两者之间的几何关系，可得到坡度值及高度变化值，然后由高度变化判断出车辆上下坡。在具体设计过程中要考虑单轴加速度计安装误差、加速度 数据的噪声处理、两种传感器数据的对准以及上下坡的判断规则问题。此方法相对于三轴、 双轴加速度计测量倾角稳定性更好。本专利技术提出的是在现有车载导航系统的硬件 设备基础上，首先实时检测出车辆行驶的坡度，然后结合车辆行驶的距离信息得到行驶相对 高度。车辆坡度计算结果的好坏直接影响着高度的精确性，因此本方法的关键就在于坡度的 计算。具体步骤为步骤一、安装角"装定。设备安装角的获得方式有两种① 根据装定的安装角初始化安装角《 。② 测量安装角"。当无法获得装定时候的安装角信息时，釆用单轴加速度计方式^即 利用静态情况下坡度计箅公式粗标设备安装角"，具体如下单轴加速度计测量的加速度accy感应的是非引力加速度，即车辆推力F、支持力N和摩擦力f分别在此方向分量的合力，即有accy = (F x cosor + sinor -/x cos") / w (1)式中附为车辆质量。根据车辆纵轴和横轴方向上的受力平衡有a车=(F-f)/m-G0 x sin ^ (2)式中GO为车辆重力加速度，^为车辆所在位置的坡度。 由式(1)、式(2)得到accy-a车xcosa + GOxsin夕xcosa + GOxcosexsina (3) accy-a车xcosa+GOxsin(P + or) (4)由式<4)得到坡度的计算公式<formula>formula see original document page 5</formula>(5)当"=0时，由由式(4)得到<formula>formula see original document page 5</formula> (6)此时的坡度P计算公式为<formula>formula see original document page 5</formula>当车辆静止，不考虑设备安装角时，即静态情况下a*=0， a = 0，<formula>formula see original document page 5</formula>(8)采集车辆静止时的加速度计输出数据accy,尽量保证车辆在水平面，此时测量的坡度0 就是设备的安装角""-0-sin"(:)。为下面计算坡度过程中设备安装角的补偿提供依据。在此过程中尽管不能完全保证车辆静止在水平面上，但安装角的这种估计误差对高度变化小时误差不大，不影响判断上下坡趋势。步骤二、对单轴加速度计传感器输出的数据进行中位值滤波处理。 对加速度计!Waccy进行长度为n (—般取5)的中位值滤波处理以得到剔除野点后的数据再进行后续工作。本方法中单轴加速度计敏感车辆纵轴方向的加速度，其数据记为accy,因此对加速度accy进行中位值滤波得到滤波后的结果记为accy—filted;步骤三、对加速度计传感器和里程仪传感器传输的信息进行时间对准。利用信息融合方法对加速度计传感器和里程仪传感器传输的信息进行时间对准。同时利 用两种传感器的信息，保证这二者的同步是最为关键的，考虑硬件成本需选择合适的数据传 输频率，将信息量较大的加速度计的采集频率设为nlHz,而停息量较小的里程仪的采样频 率设为n2Hz， n2<nl，本文中取nl-50Hz， n2=l Hz，即里程仪输出的脉冲数是ls — 次输出，而单轴加速度计输出的数据是ls有50次输出，因此在时间对准的原则下统一两部 分数据。若系统具有GPS，以GPS时间(也即里程仪时间)为基准，对应GPS当前时间n 秒的加速度输出处理是这样的对加速度传感器的时间在n和n+l之间(包括n秒的数据) 的所有加速度数据取均值，把这个均值作为与GPS时间n秒对应的加速度数据 accy—filted_AVG,这样就实现了在时间对准原则下加速度计和里程仪数据的融合；若系统 无GPS,则以加速度计采集次数作为与里程仪脉冲对准依据。最后数据格式是每一秒对应有一个加速度值accy—filted_AVG和一个里程仪脉冲数 odopulse。步骤四、计算车辆的加速度3^。由里程仪传感器每秒输出的脉冲数odopulse和里程仪的刻度因数K—od (封装好的参 数)求得车辆每秒行驶的距离Disj3DM-odopulseXlCod，然后根据距离差可以计算出车 辆每秒的加速度％:a车0) = — O爐(0 — 。/s — O層"—1)。 步骤五、计算车辆坡度e。本方法融合了里程仪和惯性传感器的信息，这样就避免了单方面信息的不足带来的影响, 实现实时检测到坡度。将步骤三中得到的加速度数据accy jilted—AVG代入坡度计算公式(5):.accy-a车xcosa 0-sm1(-^-(5)得到车辆坡度^:^. , ,accy filted AVG-a主xcosor、 …P = sin—1 (~^=——=-S-) 一 ff (9)、 GO 7其中GO为车辆的重力加速度，accy—filted—AVG为融合对准后的加速度值。步骤六、计箅高度变化由车辆每秒行驶的距离Dis—ODM和每秒坡度e ，计算出每秒的高度差Wg/ :/ 妙=加—OZWxsi, (10)步骤七、判断上下坡。由步骤六可以实时得到车辆每秒行驶的高度，由于是进行单秒计算，此高度差即使是在上下坡也不会很大，其中数据误差、计算误差等一些随机误差在此高度差中所占比重就会比 较大，因此由每秒的高度差判断上下坡就很不可靠。可选择分段计算高度差，降低误差的影 响，此处取3秒作为一个时间段，即毎3秒进行积分，计算出一个高度差。此积分时间若太 长则会产生积分累积误本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车辆行驶坡度与相对高度动态估计方法，其特征在于：　步骤一、粗标设备安装角α；　（１）根据装定的安装角初始化安装角α；　（２）测量安装角α；　若无法提供安装信息，设备的安装角α通过如下公式获得：α＝θ＝ｓｉｎ↑［－１］（ａｃｃｙ／Ｇ０），其中Ｇ０为车辆的重力加速度，ａｃｃｙ为单轴加速度计感应的加速度信息，θ为坡度；　步骤二、对单轴加速度计传感器输出的数据ａｃｃｙ进行中位值滤波处理；　对加速度计数据进行窗口宽度为ｎ的中位值滤波处理，得到滤波ｓ则认为此时间段［Ｔ２（ｎ），Ｔ２（ｎ＋１）］为下坡段，反之则不是。后的结果记为ａｃｃｙ＿ｆｉｌｔｅｄ，ｎ为自然数；　步骤三、对单轴加速度计传感器和里程仪传感器传输的信息进行时间对准；　若系统具有ＧＰＳ，以ＧＰＳ时间为基准，对应ＧＰＳ当前时间ｎ秒的加速度输出处理是这样的：对加速度传感器的时间在ｎ和ｎ＋１之间的所有加速度数据取均值，把这个均值作为与ＧＰＳ时间ｎ秒对应的加速度数据ａｃｃｙ＿ｆｉｌｔｅｄ＿ＡＶＧ，这样就实现了在时间对准原则下加速度计和里程仪数据的融合；若系统无ＧＰＳ，以加速度计采集次数作为与里程仪脉冲对准依据；　步骤四、计算车辆的加速度ａ↓［车］；　由里程仪传感器每秒输出的脉冲数ｏｄｏｐｕｌｓｅ和里程仪的刻度因数Ｋ＿ｏｄ求得车辆每秒行驶的距离Ｄｉｓ＿ＯＤＭ＝ｏｄｏｐｕｌｓｅ×Ｋ＿ｏｄ，然后计算出车辆每秒的加速度ａ↓［车］：　ａ↓［车］（ｔ）＝Ｄｉｓ＿ＯＤＭ（ｔ）－Ｄｉｓ＿ＯＤＭ（ｔ－１）；　步骤五、计算车辆坡度θ；　计算每秒的坡度，并对安装角进行补偿，得到坡度如下：　θ＝ｓｉｎ↑［－１］（ａｃｃｙ＿ｆｉｌｔｅｄ＿ＡＶＧ－ａ↓［车］×ｃｏｓα／Ｇ０）－α其中Ｇ０为车辆的重力加速度；　步骤六、计算高度变化；　由车辆每秒行驶的距离Ｄｉｓ＿ＯＤＭ和每秒坡度θ计算出每秒的高度差ｈｉｇｈ：　ｈｉｇｈ＝Ｄｉｓ＿ＯＤＭ×ｓｉｎ（θ）；　步骤七、上下坡判断；　（１）分段计算高度：设置每段时间为３秒，即每３秒进行一次积分，每３秒计算出一个高度差ｈｉｇｈ＿ｓｔｅｐ；　（２）设置上下坡高度阈值：上坡阈值Ｄｅｌｔ＿ＵＰ＝０．４，下坡阈值Ｄｅｌｔ＿ＤＯＷＮ＝－０．４；　当ｈｉｇｈ＿ｓｔｅｐ＞Ｄｅｌｔ＿ＵＰ时则认为是在上坡，并记录下满足此条件的时刻，构造满足上坡条件的时刻序列Ｔ１；　当ｈｉｇｈ＿ｓｔｅｐ＜Ｄｅｌｔ＿ＤＯＷＮ则认为是在下坡，并记录下满足此条件的时刻，构造满足下坡条件的时刻序列Ｔ２；...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张海，高婷婷，沈晓蓉，范耀祖，周艳丽，刘倩，张晓鸥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]