基于道路线形和频谱特征的道路坡度计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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Δ h/ △ s，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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -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：
[0008] S1:采集数据及建立原始数据库Database;
[0009] S2:处理数据；
[0010] 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hldle，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s min的微行程合并到相邻的微 行程中；
[0011] S3:计算微行程内坡度-里程i3-S3;
[0012] 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i 3_S3 ;
[0013] S4:转化坡度-时间i4_t4序列；
[0014] 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-时间幻-七数据转化为坡度-时间i4-t4数据输出。
[0015] 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：
[0016] 步骤Sh:采集道路坡度相关信息；
[0017] 通过车载GPS传感器进行道路试验，采集得到时间、车速V1、道路高程hi、行驶里 程81数据；
[0018] 步骤si2:建立数据库；
[0019] 从步骤Sh中采集的道路坡度相关信息中提取时间t、速度V1、道路高程lu、行驶里 程si数据建立原始数据库Database。
[0020] 技术方案中步骤S2所述的处理数据包括以下步骤：
[0021 ]步骤S2i:原始数据降频为1Hz数据；
[0022]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82数据；
[0023] 步骤S22:处理怠速时刻海拔值；
[0024] 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h ldle;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；
[0025] 步骤S23:划分微行程；
[0026] 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···;
[0027] 步骤S24:合并低速、短行程微行程；
[0028] 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s min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。
[0029] 技术方案中所述最小车速限值0. lkm/h < Vmin < 3km/h;
[0030] 所述最小里程限值10m < Vmin < 30m。
[0031] 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：
[0032] 步骤531:计算间隔1米的坡度-里程i3_S3数据；
[0033]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△ s及高 程差A h，然后按照道路坡度定义式：
[0034]
[0035]计算每一个采样点对应的道路坡度值isa_le，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；
[0036] 步骤S32:分析坡度-里程i3_S3数据的功率谱密度；
[0037] 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；
[0038]步骤S33:初选滤波器截止频率fo;
[0039] 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f〇;
[0040] 步骤S34:坡度-里程i3_S3数据滤波；
[0041] 根据S33确定的截止频率fo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。
[0042]步骤S35:判定滤波结果；
[0043] 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：Δ i = is+1-is;如果 坡度变化A i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;
[0044] 步骤S36:滤波器截止频率衰减；
[0045] 以一定系数λ作为衰减系数，对滤波器截止频率fQ进行衰减并构造新的滤波器截 止频率f new进行滤波，返回执行步骤S34;
[0046] 步骤S37:判断道路坡度计算结果是否超过限值imax;
[0047] 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S3 8;否则执行步骤S39;
[0048] 步骤S38:处理超过限值的坡度数据；
[0049] 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;
[0050] 步骤S39:判断是否为最后一段微行程；
[0051]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S4i，否 则执行步骤S310;
[0052] 步骤S31Q:调取下一段微行程；
[0053]选取下一段微行程数据作为计算对象，并执行步骤S31(J
[0054] 技术方案中所述样条插值方法的范围是2-5次样条插值；
[0055] 所述功率谱密度上限值95% < AS 99.9%;
[0056] 所述零相移巴特沃斯滤波器阶数范围是2-6阶；
[0057] 所述的衰减系数0.9 0.99。
[0058] 技术方案中步骤S4所述的转化坡度-时间i4_t4序列包括以下步骤：
[0059]步骤S4i:合并微行程计算结果；
[0060]对步骤S39计算得到的微行程内的坡度-里程i3_S3数据进行合并，得到整个行程的 坡度-里程i4_S4数据；
[0061 ]步骤S42:坡度-时间i4-t4数据转换与输出；
[0062] 根据坡度-里程i4-S4数据和里程-时间数据，依据行驶距离一致这一原则，结 合线性插值方法，转换得到道路坡度-时间i4_t4数据，作为最终计算结果输出。
[0063] 与现有技术相比本发明的有益效果是：
[0064] 1.与现有道路坡度计算方法相比，本发明的道路坡度计算方法基于高程与距离比