專利名稱：基于低成本加速度傳感器的車載道路坡度識(shí)別裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于汽車電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及車載道路坡度識(shí)別裝置及方法。
背景技術(shù)：
加速度傳感器是一種重要的力學(xué)傳感器，其研究與開發(fā)始于60年代末、70年代初。 1977年，美國Stanford大學(xué)、加州大學(xué)Berkley分校和Draper實(shí)驗(yàn)室已開始在硅片上采 用微機(jī)械加工工藝生產(chǎn)微硅加速度傳感器。如今，加速度傳感器已經(jīng)向著越來越小型 化，低成本的方向發(fā)展，它們?cè)诤教臁⒅茖?dǎo)、航海以及汽車等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià) 值。尤其在汽車領(lǐng)域，低成本的微機(jī)械加速度傳感器已經(jīng)成功地應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域， 包括汽車安全氣囊、振動(dòng)補(bǔ)償、防滑系統(tǒng)等方面，用于提高汽車的可操縱性、安全性和 舒適性。
道路坡度識(shí)別是在車輛行駛時(shí)利用安裝在車輛上的傳感元件采集車輛行駛參數(shù)，據(jù) 此計(jì)算車輛行駛所在道路的坡度?，F(xiàn)有的道路坡度識(shí)別方法一般根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)
行坡度識(shí)別。應(yīng)用這類方法時(shí)需要較為精確的采集多個(gè)車輛參數(shù)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，當(dāng) 前檔位，輪速以及制動(dòng)力等。這種方法對(duì)于面向產(chǎn)品化的大批量低成本車載應(yīng)用一般是 難以實(shí)現(xiàn)的。例如，在車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中，需要識(shí)別道路坡度以判斷車輛是否在上下橋行 駛。若利用上述方法實(shí)現(xiàn)坡度識(shí)別，就存在傳感器成本過高，安裝布置不便，以及計(jì)算 過于復(fù)雜等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)低成本產(chǎn)品化車載應(yīng)用的需求，提出一種基于低成本加速度傳 感器的車載道路坡度識(shí)別裝置及方法。本發(fā)明采用低成本加速度傳感器，配合車速模塊 作為傳感元件，具有成本低，體積小，安裝方便等特點(diǎn)。
本發(fā)明提出的基于低成本加速度傳感器的車載道路坡度識(shí)別裝置，其特征在于，該 裝置包括具有兩個(gè)串口的車載嵌入式計(jì)算機(jī)，通過第一個(gè)串口與車載嵌入式計(jì)算機(jī)相連 的加速度模塊，通過第二個(gè)串口與車載嵌入式計(jì)算機(jī)相連的車速模塊；所述加速度模塊 由一個(gè)加速度傳感器， 一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和一個(gè)單片機(jī)構(gòu)成，該加速度傳感器的輸 出端通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)的輸入端相連。
利用該裝置，當(dāng)車速模塊發(fā)出數(shù)據(jù)時(shí)，順序讀取加速度數(shù)據(jù)和車速數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前 車速和上一時(shí)刻車速數(shù)據(jù)及上一時(shí)刻加速度數(shù)據(jù)即可計(jì)算道路坡度。
本發(fā)明提出利用該基于低成本加速度傳感器的車載道路坡度識(shí)別裝置進(jìn)行道路坡度識(shí)別，包括以下步驟
(1) 設(shè)置上一時(shí)刻車速和上一時(shí)刻傳感器加速度為無效值；
(2) 等待串口2接收車速數(shù)據(jù)；
(3) 當(dāng)串口 2接收到車速數(shù)據(jù)時(shí)，順序讀取串口 1緩存上的加速度數(shù)據(jù)和串口 2緩 存.上的車速數(shù)據(jù)；
(4) 清空串口 l和串口 2緩存；
(5) 對(duì)所述步驟(3)得到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，作為當(dāng)前傳感器加速度；
(6) 若當(dāng)前車速和上一時(shí)刻車速均有效時(shí)，則根據(jù)當(dāng)前車速和上一時(shí)刻車速計(jì)算得 到上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度，否則設(shè)置上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度為無效值；
(7) 若上一時(shí)刻的傳感器加速度和上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度均有效，則根據(jù)上一時(shí)刻 的傳感器加速度和上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)算得到道路坡度，作為當(dāng)前識(shí)別的道路坡度 值；否則設(shè)置道路坡度為無效值； 、
(8) 更新當(dāng)前車速為上一時(shí)刻車速，更新當(dāng)前傳感器加速度為上一時(shí)刻傳感器加速
度；
(9) 重復(fù)步驟(3) _ (8),完成時(shí)實(shí)道路坡度的識(shí)別。 本發(fā)明的特點(diǎn)及效果
本發(fā)明提出的基于低成本加速度傳感器的車載道路坡度識(shí)別裝置，采用低成本加速 度傳感器，配合車速模塊，如車速表或全球衛(wèi)星定位模塊作為傳感元件，具有成本低， 體積小，安裝方便等特點(diǎn)。利用該裝置實(shí)時(shí)對(duì)車速數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè) 量數(shù)據(jù)即可計(jì)算出道路坡度。其計(jì)算方法簡(jiǎn)便，高效，可以滿足大部分對(duì)于精度和實(shí)時(shí) 性要求不高的低成本產(chǎn)品化車載應(yīng)用的需求。


圖l是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的基于低成本加速度傳感器的車載道路坡度識(shí)別裝置結(jié)合附圖及實(shí)施例 詳細(xì)說明如下
本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置包括具有兩個(gè)串口的車載嵌入式計(jì)算機(jī)，通 過第一個(gè)串口與車載嵌入式計(jì)算機(jī)相連的加速度模塊，通過第一個(gè)串口與車載嵌入式計(jì)
算機(jī)相連的車速模塊；所述加速度模塊由一個(gè)加速度傳感器， 一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和
一個(gè)單片機(jī)構(gòu)成，該加速度傳感器的輸出端通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)的輸入端相 連。利用該裝置，當(dāng)車速模塊發(fā)出數(shù)據(jù)時(shí)，順序讀取加速度數(shù)據(jù)和車速數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前 車速和上一時(shí)刻車速數(shù)據(jù)及上一時(shí)刻加速度數(shù)據(jù)即可計(jì)算道路坡度。
4本發(fā)明裝置的各部件實(shí)施例的組成及功能分別說明如下
(1) 加速度傳感器，本發(fā)明中采用ADI公司生產(chǎn)的低成本單軸加速度傳感器
ADXL103;用于時(shí)實(shí)感受車輛加速度，并將車輛加速度轉(zhuǎn)化為模擬信息輸出。
(2) 單片機(jī)，本發(fā)明中采用Freescale公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)MC68H908GZ16;用于 定時(shí)采集數(shù)字加速度信息，并將采集的信息通過串口發(fā)送出來。
(3) 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊(簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換)，本發(fā)明中采用單片機(jī)自帶的10位A/D 轉(zhuǎn)換模塊；用于將接收到的加速度模擬信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。
(4) 車速模塊，本發(fā)明中采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱GPS)模塊，用于獲取車速
f曰息；
(5) 嵌入式計(jì)算機(jī)，采用帶有兩個(gè)串口的普通車載嵌入式計(jì)算機(jī)，用于根據(jù)接收到 的加速度信息和車速信息計(jì)算道路坡度。
其中，將加速度傳感器的輸出端通過A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)輸入端相連制作成電路板， 構(gòu)成加速度模塊。在該模塊中，單片機(jī)定時(shí)(0.01秒)采集A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字加 速度信息，并將采集的信息通過串口 l送入嵌入式計(jì)算機(jī)。
車速模塊，即本發(fā)明中的GPS模塊通過串口 2與嵌入式計(jì)算機(jī)相連。 將車載道路坡度識(shí)別裝置安裝在車上，保證加速度傳感器的敏感軸正向?qū)?zhǔn)車頭方向。
利用上述裝置進(jìn)行道路坡度識(shí)別的方法，其流程如圖2所示，包括以下步驟
(1) 設(shè)置上一時(shí)刻車速v(卜l)和上一時(shí)刻傳感器加速度為無效值；(2) 等待串口2接收車速數(shù)據(jù)；
(3) 當(dāng)串口 2接收到車速數(shù)據(jù)時(shí)，順序讀取串口 1緩存中接收到的卜l時(shí)刻到/時(shí) 刻的所有加速度數(shù)據(jù)和串口 2緩存中的車速數(shù)據(jù)；
(4) 清空串口 l和串口2緩存；
(5) 對(duì)所述步驟(3)得到的加速度數(shù)據(jù)取代數(shù)平均值，作為當(dāng)前傳感器加速度
a力)；
(6) 若當(dāng)前車速v(/)和上一時(shí)刻車速v(卜l)均有效，則根據(jù)當(dāng)前車速vW和上一時(shí) 刻車速v(卜l)計(jì)算得到上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度 (/-1)，否則設(shè)置上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度
^(f-l)為無效值；
(7) 若上一時(shí)刻的傳感器加速度a,(卜l)和上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度 (f-l)均有效，則 根據(jù)/f專感器加速度a,(卜l)和上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度^(Nl)計(jì)算得到道路坡度仏作為當(dāng) 前識(shí)別的道路坡度值；否則設(shè)置道路坡度6為無效值；
(8) 更新當(dāng)前車速vW為上一時(shí)刻車速v(卜l)，更新當(dāng)前傳感器加速度",(/)為上一 時(shí)刻傳感器加速度A(卜1);
(9) 重復(fù)步驟(3) - (8)，完成時(shí)實(shí)道路坡度的識(shí)別。上述步驟(6)中，根據(jù)當(dāng)前車速vW和上一時(shí)刻車速v(Z-l)計(jì)算上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加 速度的方法如下式所示
其中，r是接收車速數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔， 一般為i秒。
上述步驟(7)中，.根據(jù)上一時(shí)刻的傳感器加速度^(卜i)和上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度
計(jì)算道路坡度0的方法如下式所示
其中，g是重力加速度常l:，取為9.8附A2。
權(quán)利要求
1、一種基于低成本加速度傳感器的車載道路坡度識(shí)別裝置，其特征在于，該裝置包括具有兩個(gè)串口的車載嵌入式計(jì)算機(jī)，通過第一個(gè)串口與車載嵌入式計(jì)算機(jī)相連的加速度模塊，通過第二個(gè)串口與車載嵌入式計(jì)算機(jī)相連的車速模塊；所述加速度模塊由一個(gè)加速度傳感器，一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和一個(gè)單片機(jī)構(gòu)成，該加速度傳感器的輸出端通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)的輸入端相連。
2、 如權(quán)利要求l所述裝置，其特征在于，所述加速度傳感器采用低成本單軸加速度 傳感器ADXL103，所述單片機(jī)采用8位單片機(jī)MC68H908GZ16;所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊采 用所述單片機(jī)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊；所述車速模塊采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)模塊。
3、 一種采用上述裝置的車載道路坡度識(shí)別方法，其特征在于，該方法包括以下步驟、(1)設(shè)置上一時(shí)刻車速和上一時(shí)刻傳感器加速度為無效值；(2) 等待串口2接收車速數(shù)據(jù)；(3) 當(dāng)串口 2接收到車速數(shù)據(jù)時(shí)，順序讀取串口 1緩存上的加速度數(shù)據(jù)和串口 2緩 存上的車速數(shù)據(jù)；(4) 清空串口 l和串口 2緩存；(5) 對(duì)所述步驟(3)得到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，作為當(dāng)前傳感器加速度；(6) 若當(dāng)前車速和上一時(shí)刻車速均有效時(shí)，則根據(jù)當(dāng)前車速和上一時(shí)刻車速計(jì)算得 到上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度，否則設(shè)置上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度為無效值；(7) 若上一時(shí)刻的傳感器加速度和上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度均有效，則根據(jù)上一時(shí)刻 的傳感器加速度和上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)算得到道路坡度，作為當(dāng)前識(shí)別的道路坡度 值；否則設(shè)置道路坡度為無效值；(8) 更新當(dāng)前車速為上一時(shí)刻車速，更新當(dāng)前傳感器加速度為上一時(shí)刻傳感器加速度；(9) 重復(fù)步驟(3) - (8)，完成時(shí)實(shí)道路坡度的識(shí)別。
4、 如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，所述步驟(6)中，根據(jù)當(dāng)前車速和上一 時(shí)刻車速v(卜l)計(jì)算上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度 (M)，如下式所示,、v(0 —v(卜l)其中，vW為當(dāng)前車速，v(卜i)為上一時(shí)刻車速，r是接收車速數(shù)據(jù)的時(shí)間間 隔，。
5、 如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于，所述步驟(7)中，根據(jù)上一時(shí)刻的傳感 器加速度和上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)算道路坡度&如下式所示"々-1)-"卜1)其中，a(卜l)為上一時(shí)刻的傳感器加速度，^(r-l)為上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度，g是重力加速度常量。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于低成本加速度傳感器的車載道路坡度識(shí)別裝置及方法，屬于汽車電子技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括具有兩個(gè)串口的車載嵌入式計(jì)算機(jī)，分別與車載嵌入式計(jì)算機(jī)相連的加速度模塊和車速模塊；加速度模塊由一個(gè)加速度傳感器，一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和一個(gè)單片機(jī)構(gòu)成。該方法包括順序讀取加速度數(shù)據(jù)和車速數(shù)據(jù)；對(duì)得到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，作為當(dāng)前傳感器加速度；根據(jù)當(dāng)前車速和上一時(shí)刻車速計(jì)算得到上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度，根據(jù)上一時(shí)刻的傳感器加速度和上一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)算得到道路坡度，作為當(dāng)前識(shí)別的道路坡度值。本發(fā)明采用低成本加速度傳感器，具有成本低，體積小，安裝方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C1/00GK101509768SQ20091008069
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者濤 張, 李克強(qiáng), 楊殿閣, 王建強(qiáng), 羅禹貢, 連小珉, 鄭四發(fā) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)