专利名称：用于连续测量道路的坡度值的设备的制作方法
技术领域：
用于连续测量道路的坡度值的设备
技术领域：
本实用新型涉及一种用于测量坡形场地的坡度值的设备。具体地说，本实用新型 涉及一种测量道路的坡度值的设备。
背景技术：
在汽车领域中，通常要对新研发的车型进行车辆道路测试，以获知该车型在实际 道路运行中的各项参数是否满足设计要求。这种车辆道路测试包括了车辆在具有坡度的坡 道上行驶的测试，而特定的坡度会带来测量特定负载或者特定设计参数的相应改变。因此， 为了更精确地计算新车型是否满足设计标准，通常也需要对坡度的坡角进行测量，并且，将 该测量所获得的坡度与车辆当前参数相比较，以确知车辆的设计是否满足标准。传统上常用的坡度测量方法为逐点静态测量，即在间隔一定距离的每一点使用机 械测量设备或者电子设备来测量该点的坡度。这种用来测量坡度的机械测量设备的示例 为道路坡度尺(如2003年4月9日公告授权的、公告号为CN2544249Y的中国实用新型专 利)、重锤式坡度架(如1992年公告授权的、公告号为CN2093381U的中国实用新型专利)、 U型管式道路坡度仪(如2002年公告授权的、公告号为CN2498030Y的中国实用新型专利) 等；这种用来测量坡度的电子设备的示例为基于倾角传感器的电子水平仪等。上述现有设备的缺点在于，如果所设定的测量点分布疏散，则不能精确地反映出 测量点与测量点之间的坡度变化；如果所设定的测量点过于密集，则过度增加了测量人员 的工作负担，减慢了测量速度，大大地减低了工作效率。另外，机械测量设备读数不便并且 容易产生读数误差；电子水平仪虽然读数便捷，而且某些型号可能有存储或计算机通信功 能，但其工作原理限制其必须在静止状态下、离散地工作，从而无法进行连续动态测量。
公开日为2006年7月12日、公开号为CN1800780A的中国发明专利申请公开了一 种车载道路坡度角度测量系统。该道路坡度角测量系统包括车辆速度传感器、陀螺仪、前悬 架位移传感器、后悬架位移传感器、电子控制单元等，这种坡度角度测量系统具有多个传感 器，需要用陀螺仪测量机动车的俯仰角速度，结构复杂，成本较高。因此，提供一种结构简单、费用低廉并且能方便、稳定、连续、准确地测量道路坡度 值的设备，诚为本领域亟需解决的问题。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的道路坡度值测量设备。根据本实用新型的主要方面，提供了一种用于连续测量道路的坡度值的设备，所 述设备包括车辆速度传感器，用于输出与车辆当前速度相关的当前车辆速度信号；车辆加速度传感器，用于输出与车辆当前加速度相关的当前车辆加速度信号；电子运算部件，其分别与所述车辆速度传感器以及所述车辆加速度传感器通信连 接，用于读取并处理所述车辆速度传感器发送的所述当前车辆速度信号以及所述车辆加速度传感器发送的所述当前车辆加速度信号，从而获得道路的当前坡度值；数据接收部件，其与所述电子运算部件通信连接，用于在测量过程中连续地接收 所述当前坡度值；供电部件，其与所述车辆速度传感器、车辆加速度传感器、电子运算部件以及数据 接收部件电连接，用于向所述车辆速度传感器、车辆加速度传感器、电子运算部件以及数据 接收部件供电。根据本实用新型如上所述主要方面的设备可以装载在车辆上，测量的过程与车辆 的行驶过程同时进行，从而在车辆行驶过程中，所述电子运算部件都根据由相应传感器所 检测的车辆速度和车辆加速度自动地计算当前地面的坡度，并将该数据直接传输至连续数 据接收部件，最终实现道路坡度值的连续测量。据此，装载本实用新型的用于连续测量道路 的坡度值的设备的车辆从待测道路上行驶一次即可获取道路全程上的连续的坡度数据，这 尤其适合于长距离、快速、方便地进行坡度数据收集。传感器对车辆速度和车辆加速度数据 的采集、电子运算部件对车辆速度和车辆加速度数据的处理都是连续进行的，因而该设备 所获得的道路坡度数据也是连续的，保留了各个位置处道路坡度的详细信息，使得测量结 果更加准确、详细。全部测量过程中，由车辆速度信号、车辆加速度信号等的检测及处理、坡 度数据的收集和识别均由相应的部件自动地进行，消除了工作人员的手工操作和肉眼读数 的步骤，避免了测量误差或者读数误差等传统方法的弊病。该设备减少了传感器的数量，取 消了陀螺仪等部件，有效地简化了设备结构，降低了成本。可选地，在根据本实用新型如上所提供的设备中，所述当前车辆速度信号与所述 车辆当前速度成正比；当所述车辆行驶于水平道路上时，所述当前车辆加速度信号与所述车辆行驶方向 上的车辆加速度成正比；当所述车辆行驶于坡形道路上时，所述当前车辆加速度信号与所 述车辆的加速度以及重力加速度沿所述坡形道路上的分量的代数和成正比。可选地，在根据本实用新型如上所提供的设备中，所述电子运算部件包括至少一个模数转换模块，其与所述车辆速度传感器及所述车辆加速度传感器通信 连接，用于接收来自所述车辆速度传感器及所述车辆加速度传感器的当前车辆速度信号及 当前车辆加速度信号并对其进行模数转换；微分实现模块，其与所述至少一个模数转换模块中与所述当前车辆速度信号相关 的部分通信连接，用于对经过模数转换过的当前车辆速度信号进行微分处理；减法实现模块，其与所述微分实现模块及所述至少一个模数转换模块中与所述当 前车辆加速度信号相关的部分通信连接，并将所述当前车辆加速度信号与经过微分处理的 当前车辆速度信号相减获得正比于重力加速度在坡道上的分量的信号；反余弦实现模块，其与所述减法实现模块及所述数据接收部件通信连接，用于求 所述重力加速度在坡道上的分量的信号的反余弦值，并将此反余弦值输送到所述数据接收 部件。可选地，在根据本实用新型如上所提供的设备中，所述通信联接和所述电联接是 能够拆卸开的。据此，该设备的各组成部件可以拆分为单独部件以用于其它用途，无需单列 成本，进一步提高了经济性。可选地，在根据本实用新型如上所提供的设备中，所述数据接收部件是用于分析
4计算的数据处理设备。可选地，在根据本实用新型如上所提供的设备中，所述数据处理设备是计算机。可选地，在根据本实用新型如上所提供的设备中，所述数据接收部件是存储部件， 用于在车辆行驶过程中连续记录所述当前坡度值。可选地，在根据本实用新型如上所提供的设备中，所述存储部件为外置存储部件。可选地，在根据本实用新型如上所提供的设备中，所述外置存储部件为USB闪存 存储器、移动硬盘、CF卡或SD卡。
以下结合附图对本实用新型的技术方案进行详细描述，图中
图1是根据本实用新型用于连续测量道路的坡度值的设备的总体示意性框图；图2是根据本实用新型用于连续测量道路的坡度值的设备中电子运算部件的示 意性框图。
具体实施方式下面根据附图具体说明根据本实用新型的用于连续测量道路的坡度值的设备1 的具体实施方式
。容易理解，根据本实用新型的上述以及下述技术方案，在未改变本实用新型的总 体构思的情况下，所属技术领域的技术人员可以将本实用新型的不同特征进行重新组合、 改型从而得到多个不同的实施方式，但无疑这些不同的实施方式均落入本实用新型的保护 范围内。因此根据附图对根据本实用新型的用于连续测量道路的坡度值的设备所做的如下 说明也仅是说明性、示例性的，而不应被理解为对本实用新型的范围或技术方案构成了任 何的限制。图1是根据本实用新型用于连续测量道路的坡度值的设备1的总体示意性框图， 其中，用虚线箭头表示通信连接，用实线箭头表示电连接。从图1中可以看出，该设备1整 体上包括车辆速度传感器2、车辆加速度传感器3、电子运算部件4、数据接收部件5及供电 部件6。进一步地，车辆速度传感器2、车辆加速度传感器3及数据接收部件5分别与电子 运算部件4通信连接；并且，这些车辆速度传感器2、车辆加速度传感器3、电子运算部件4 及数据接收部件5分别电连接至供电部件6。在另一实施方式中，这些通信连接和电连接均 能够拆卸开，从而这些传感器2、3及电子运算部件4、数据接收部件5、供电部件6等部件可 适于其它应用。可以理解，在本实用新型其它实施例中，所提及的通信连接同样也可以是无 线通信连接来传送信号，如通过蓝牙设备等的通信连接。在实际应用中，可以将该设备1放置于车辆内，例如放置在车辆副驾驶座椅上并 可靠地固定在适当的位置。可选地，可以将车辆速度传感器2可靠地固定于车尾或者车身 侧面。可选地，可以将车辆加速度传感器3可靠地固定于车内地板上。优选地，可以使用尼 龙捆扎带等紧固装置、随附的夹具或者螺栓联接等适当的方式进行上述固定过程。传感器 2、3可以通过信号电缆等通信连接至电子运算部件，也可以通过无线方式通信连接。对于所 属技术领域的技术人员来说，通过本实用新型的教示，可以了解，这些设备和部件的设置位 置和固定方式、连接方式仅是示例性的。根据具体情况，这些设置位置和固定方式、连接方式可以有所不同，但这些不同的结构变型均应落在本实用新型的保护范围之内。下面将具体说明上述各部件在道路坡度测量过程中的功能及其实现形式。在实际测量过程中，车辆速度传感器2输出与车辆当前速度相关的电压信号，即 当前车辆速度信号vspd。该当前车辆速度信号vspd与车辆当前速度成正比。在本实用新型 的一个实施例中，可以选用德国Corrsys-Datron公司生产的非接触式车速仪S350作为车 辆速度传感器，在该示例中，输出信号为IV对应于50km/h。可以理解，也可以使用其它类型 的车辆速度传感器、其它的对应方式来获取所述的当前车辆速度信号Vspd。在实际测量过程中，车辆加速度传感器3输出与车辆当前加速度相关的电压信 号，即当前车辆加速度信号Va。s。当所述车辆行驶于水平道路上时，该当前车辆加速度信号 vacs与所述车辆行驶方向上的车辆加速度Va。。成正比；当所述车辆行驶于坡形道路上时，所 述当前车辆加速度信号Va。s与车辆行驶方向上的所述车辆的加速度va。。以及重力加速度沿 所述坡形道路上的分量Vslp的代数和成正比，即va。s = va。。+vslp。在本实用新型的一个实施 例中，可以选用美国Jewell公司生产的伺服型加速度传感器LFA_2g，在该示例中，输出信 号为IV对应0.4g。可以理解，也可以使用其它类型的车辆加速度传感器、其它的对应方式 来获取所述的当前车辆加速度信号Va。s。图2是根据本实用新型用于连续测量道路的坡度值的设备1中电子运算部件4的 示意性框图。如图2中所示，电子运算部件4可以包括至少一个模数转换模块7、微分实现 模块8、减法实现模块9及反余弦实现模块10等。所述至少一个模数转换模块7与车辆速 度传感器2及车辆加速度传感器3通信连接，用于接收来自车辆速度传感器2及车辆加速 度传感器3的当前车辆速度信号及当前车辆加速度信号并对其进行模数转换。所述微分实 现模块8与所述至少一个模数转换模块7中与当前车辆速度信号相关的部分通信连接，用 于接收经过模数转换过的当前车辆速度信号并对其进行微分处理。所述减法实现模块9与 微分实现模块8及所述至少一个模数转换模块7中与当前车辆加速度信号相关的部分通信 连接，用于接收当前车辆加速度信号与经过微分处理的当前车辆速度信号并将其相减获得 正比于重力加速度在坡道上的分量的信号。所述反余弦实现模块10与所述减法实现模块 9及数据接收部件5通信连接，用于求解所述重力加速度在坡道上的分量的信号的反余弦 值，并将此反余弦值输送到所述数据接收部件5。可选地，所述至少一个模数转换模块17可 以包括两个模数转换模块，其中，一个模数转换模块与所述车辆速度传感器2以及微分实 现模块8通信连接，用于接收来自所述车辆速度传感器2的当前车辆速度信号并将其转换 成数字信号，然后将该数字信号输送到微分实现模块8进行微分处理；另一个模数转换器 与所述车辆加速度传感器3以及减法实现模块9通信连接，用于接收来自所述车辆加速度 传感器3的当前车辆加速度信号并将其转换成数字信号，然后将该数字信号输送到减法实 现模块9。虽然在本示例中考虑设备的快速开发和应用而选用了数字方法来实现上述微分 实现模块和减法实现模块等，例如使用数字信号处理芯片(DSP)或现场可编程门阵列电路 (FPGA)进行数学运算及数据接收部件的控制，但是，可以理解，上述的微分实现模块和减法 实现模块等也可以直接由模拟电路来实现。在直接由模拟电路实现上述模块的情况下，还 可以省去所述至少一个模数转换模块7。该电子运算部件4的功能是当车辆行驶时根据车辆速度和加速度自动计算当前 地面的坡度。具体地说，在该电子运算部件4中，首先通过模数转换模块将当前车辆速度信号及当前车辆加速度信号等电压型模拟信号转换为数字信号，然后再由数字信号处理 芯片或现场可编程门阵列电路等进行数学运算及对数据接收部件的控制。例如可以采 用National Instruments (简称NI，美国国家仪器公司)的NI 9215进行当前车辆速度信 号及当前车辆加速度信号等电压型模拟信号的模数转换，进而采用NI9004内置的现场可 编程门阵列电路进行数学运算，完成该数学计算所需要的门阵列电路代码通过NI公司的 Labview软件生成，而整个系统的控制可以通过NI9012控制器实现。电子运算部件4的具体执行步骤可以包括读取从车辆速度传感器2输出的当 前车辆速度信号和车辆加速度传感器3输出的当前车辆加速度信号；对当前车辆速度信 号和当前车辆加速度信号进行数字化转换；对当前车辆速度信号进行微分处理，获得汽车 行驶方向上的加速度Va。。= dVspd/dt ；从车辆加速度传感器3输出的当前车辆加速度信号 中减去微分处理当前车辆速度信号，获得正比于重力加速度在坡道上的方向的分量Vslp = Vacs-Vacc ；求该分量的反正弦值，获得坡道的坡度值slope = arcsin(Vslp/g)。数据接收部件5可以是用于处理这些数据以进行分析计算的计算机等设备，也 可以是用于连续存储数据的存储部件，例如USB闪存存储器等外置存储部件，可以插在 9012控制器提供的USB接口内。NI 9012控制器与NI 9004内置的现场可编程门阵列电路 直接通信。可以理解，所述外置存储部件也可以包括软盘、移动硬盘等存储部件。以上详细描述了本实用新型用于连续测量道路的坡度值的设备1的各部件及其 功能、安装方式、连接方式。在以上各部件安装、连接完成之后，仅需开启电源然后在待测路 面上正常行驶即可，各部件自动执行各项测量并输出结果。在测量完毕之后，即可卸下供电 部件等各部件，在需要时再应用于其它应用场合。本说明书在不同的部分中分别地记述了各个部件的不同的变型。虽然在本实用新 型的说明书中没有对它们的组合进行进一步的详细说明，但应当了解，每一部件的不同的 变型均可以与其它部件的不同的变型进行组合，从而组成本实用新型的不同的实施方式， 并且很显然，这些实施方式也都是落入本实用新型的保护范围之内的。
权利要求一种用于连续测量道路的坡度值的设备，其特征是，所述设备包括车辆速度传感器(2)，用于输出与车辆当前速度相关的当前车辆速度信号；车辆加速度传感器(3)，用于输出与车辆当前加速度相关的当前车辆加速度信号；电子运算部件(4)，其分别与所述车辆速度传感器(2)以及所述车辆加速度传感器(3)通信连接，用于读取并处理所述车辆速度传感器(2)发送的所述当前车辆速度信号以及所述车辆加速度传感器(3)发送的所述当前车辆加速度信号，从而获得道路的当前坡度值；数据接收部件(5)，其与所述电子运算部件(4)通信连接，用于在测量过程中连续地接收所述当前坡度值；供电部件(6)，其与所述车辆速度传感器(2)、车辆加速度传感器(3)、电子运算部件(4)以及数据接收部件(5)电连接，用于向所述车辆速度传感器(2)、车辆加速度传感器(3)、电子运算部件(4)以及数据接收部件(5)供电。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述当前车辆速度信号与所述车辆当前速 度成正比；当所述车辆行驶于水平道路上时，所述当前车辆加速度信号与所述车辆行驶方向上的 车辆加速度成正比；当所述车辆行驶于坡形道路上时，所述当前车辆加速度信号与所述车 辆的加速度以及重力加速度沿所述坡形道路上的分量的代数和成正比。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征是，所述电子运算部件(4)包括至少一个模数转换模块(7)，其与所述车辆速度传感器(2)及所述车辆加速度传感器 (3)通信连接，用于接收来自所述车辆速度传感器(2)及所述车辆加速度传感器(3)的当前 车辆速度信号及当前车辆加速度信号并对其进行模数转换；微分实现模块(8)，其与所述至少一个模数转换模块(7)中与所述当前车辆速度信号 相关的部分通信连接，用于对经过模数转换过的当前车辆速度信号进行微分处理；减法实现模块(9)，其与所述微分实现模块(8)及所述至少一个模数转换模块(7)中与 所述当前车辆加速度信号相关的部分通信连接，并将所述当前车辆加速度信号与经过微分 处理的当前车辆速度信号相减获得正比于重力加速度在坡道上的分量的信号；反余弦实现模块(10)，其与所述减法实现模块(9)及所述数据接收部件(5)通信连接， 用于求所述重力加速度在坡道上的分量的信号的反余弦值，并将此反余弦值输送到所述数 据接收部件(5)。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征是，所述通信联接和所述电联接是能够拆卸 开的。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征是，所述数据接收部件(5)是用于分析计算 的数据处理设备。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征是，所述数据处理设备是计算机。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征是，所述数据接收部件(5)是存储部件，用 于在车辆行驶过程中连续记录所述当前坡度值。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征是，所述存储部件为外置存储部件。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征是，所述外置存储部件为USB闪存存储器、移动 硬盘、CF卡或SD卡。
专利摘要本实用新型涉及一种用于测量道路坡度值的设备(1)。所述设备包括车辆速度传感器(2)、车辆加速度传感器(3)、电子运算部件(4)、数据接收部件(5)及供电部件(6)。其中，所述电子运算部件(4)从车辆速度传感器(2)和车辆加速度传感器(3)读取当前车辆速度信号以及当前车辆加速度信号并进行处理从而获得道路的当前坡度值，并将其连续输送至数据接收部件(5)。该设备(1)使得道路坡度测量快速、连续、精确、经济。
文档编号G01C9/00GK201583271SQ20092020894
公开日2010年9月15日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者张烽, 陈士杰 申请人:上海通用汽车有限公司;泛亚汽车技术中心有限公司