路面综合阻力系数检测方法、系统以及车辆导航系统与车辆与流程

本发明属于交通信息技术领域，具体涉及路面综合阻力系数检测方法、系统以及车辆导航系统与车辆。

背景技术：

智能交通已经成为各国发展的重点方向和领域，智能交通的发展必须建立在大量有效的交通道路信息基础上。交通道路信息主要包括：道路地图、道路构造、路面状况、交通流量、车速及车道占有率、交通阻塞情况、公交组织状况、道路施工以及交通事故等。这些交通道路信息大致可以分为动态数据和静态数据两类，动态数据只能实时监测，静态数据则可以预先进行采集、处理、记录和保存，形成各种类型的数据库，为智能交通的发展提供支撑和保障。

车辆在道路行驶时，所受到的阻力包括：路面滚动阻力、路面坡度阻力、车辆加速阻力、车辆空气阻力。其中，车辆的路面滚动阻力和坡度阻力与道路路面直接相关，且与车辆的重量成正比，该两种路面阻力的和，本发明称为路面的综合阻力。本发明把车辆行驶时，单位重量受到的上述路面综合阻力称为“路面综合阻力系数”，值得注意的是，这种路面综合阻力，在某些下坡路段也表现为向前的驱动力。

为满足智能交通未来发展的需要，本发明提出一种“能准确、快捷地获取或计算车辆在已知道路上行驶的每一点所受到的行驶阻力大小”的方法。

现有交通道路信息的采集和记录技术极少涉及对路面信息的采集和记录，为了表征路面对车辆的综合影响，发明人特此提出“路面综合阻力系数”这一指标，路面综合阻力系数表征了路面的滚动摩擦与路面坡度对车辆(车轮)行驶的综合影响程度。车辆在获取该道路每一点的“路面综合阻力系数”数据后，再与其重量相乘积便能计算出车辆在该道路每一点受到的路面综合阻力，这种方法为以后的智能交通打下基础。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种路面综合阻力系数检测方法，能够检测出路面综合阻力系数。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种路面综合阻力系数检测方法，将待测道路段按照检测间距划分为若干分段区间；检测间距按如下规则确定：计算预估检测间距所对应的转速增量δn，并在车辆的速度特性曲线上任意选取陡峭段上的转速为n的一点进行验证，所述速度特性曲线以转速为横坐标，并以车辆驱动扭矩为纵坐标；若在n±δn的转速范围内所对应的车辆驱动扭矩的变化范围小于阈值，阈值在-2％～+2％范围内选取，则预估检测间距通过验证，将通过验证的预估检测间距作为检测间距；车辆持续行驶在待测道路段上，每个分段区间的路面综合阻力系数按如下步骤进行检测：

步骤1：车辆在分段区间的路面上近似为加速度不变的匀变速直线运动，并获取车辆在分段区间上的运动过程中的以下参数：车辆平均牵引力f、车辆加速度a以及车辆平均速度v；

步骤2：计算车辆受到的空气阻力fa：

其中，c表示风阻系数，a表示迎风面积，v表示车辆平均速度；

步骤3：令车辆受到的路面综合阻力为f：

f＝ρ.m.g；(2)

其中，ρ表示路面综合阻力系数，m表示车辆总质量，g表示重量加速度；步骤4：根据牛顿第二定律建立以下方程：

f-f-fa＝(m+m0).a；(3)

其中，m0表示与车辆转动部分的质量等效的转动质量；

步骤5：联立公式(1)、(2)与(3)得到：

根据公式(4)计算得到车辆在分段区间的路面综合阻力系数。

进一步的，车辆平均速度v采用以下方式获取：采集车辆分别经过分段区间起点位置与终点位置的瞬时速度v1、v2；车辆平均速度v按如下公式计算：车辆加速度a采用如下方式获取：采集车辆从分段区间起点到终点的行驶时间t；采集车辆分别经过分段区间起点位置与终点位置的瞬时速度v1、v2；车辆加速度a按如下公式计算：

进一步的，根据车辆输出轴的平均驱动力计算车辆的平均牵引力，按如下公式：f＝η.β.f′，其中，η表示车辆传动机构的传动效率，β表示车辆动力输出轴至驱动轮的减速比，f′表示车辆输出轴的平均驱动力；并且，f′1、f′2分别表示车辆经过分段区间起点位置与终点位置时车辆动力输出轴的驱动力。

本发明还公开了一种路面综合阻力系数检测系统，用于实现本发明的路面综合助力系数检测方法，包括采集控制器、参数设置模块以及分别与采集控制器的信号输入端连接的车辆牵引力采集模块、角度编码器与采集开关按键；采集控制器内还配置有计时器与数据采集控制程序；采集开关按键用于触发采集控制程序的开始或停止；

参数设置模块用于设置包括车辆总质量、与车辆转动部分的质量等效的转动质量、车辆传动机构的传动效率、车辆动力输出轴至驱动轮的减速比、车轮半径、轮胎类型、道路段编号、检测间距、风阻系数以及迎风面积在内的参数；

角度编码器用于安装在车辆的驱动力输出轴上；采集控制器内配置有能够连续记录角度编码器的角度计数值的第一角度计数器，采集控制器能够根据第一角度计数器采集到的角度计数值计算出车轮的瞬时角速度与瞬时线速度；

采集控制器能够计算出与检测间距相应的分段区间角度计数增量值l；采集控制器内还配置有计时器、第二角度计数器、标记点计数器、数据采集控制程序；第二角度计数器能够在每计数到分段区间角度计数增量值l后进行复位，以重新记录角度编码器的角度计数值；标记点计数器能够在第二角度计数器每计数到分段区间角度计数增量值l时增加一次计数；采集开关按键用于触发采集控制程序的开始或停止；

车辆牵引力采集模块包括用于设置在车辆的动力输出轴上的力传感器，采集控制器能够根据力传感器采集到的驱动力计算车辆平均牵引力；采集控制器能够根据车辆平均牵引力f、车辆加速度a以及车辆平均速度v计算路面综合阻力系数。

进一步的，车辆的瞬时线速度按如下方式计算：计算第一角度计数器当前时刻到其计数值+1时刻的时间间隔δt，车辆当前时刻的瞬时角速度其中，δθ为第一角度计数器每增加一次计数值所对应的车辆驱动力输出轴的角度增量；当前时刻的瞬时线速度其中，r为车轮半径。

进一步的，所述数据采集控制程序按如下步骤执行：

s1：采集控制程序初始化，根据检测间距为角度编码器计算对应的分段区间角度计数增量值l；

s2：判断是否收到启动采集控制程序的信号；若否，则退出程序；若是，则进入s3；

s3：标记点计数器、第一角度计数器、第二角度计数器与计时器复位，并且初始化标记点计数器的当前计数值m＝0，表示车辆进行待测道路段起点，也表示进入第一分段区间的起点；

s4：采集车辆经过待测道路段起点位置时的车辆动力输出轴的驱动力f′0、瞬时角速度ω0与瞬时线速度v0；

s5：当第二角度计数器的当前计数值达到l时，表示车辆到达当前分段区间终点，当前标记点计数值m＝m+1；并同时采集车辆经过当前分段区间终点时的车辆动力输出轴的驱动力f′2,m、瞬时角速度ω2,m与瞬时线速度v2,m；

s6：将车辆经过上一分段区间终点时的车辆动力输出轴驱动力f′2,m-1、瞬时角速度ω2,m-1、瞬时线速度v2,m-1，分别作为车辆经过当前分段区间起点时的车辆动力输出轴驱动力f′1,m、瞬时角速度ω1,m、瞬时线速度v1,m，并计算车辆在当前分段区间内行驶的加速度am、平均加速度vm、平均牵引力fm与空气阻力fa,m；当m＝1时，f′1,1＝f′0，ω1,1＝ω0，v1,1＝v0；

根据车辆在当前分段区间内行驶的加速度am、平均加速度vm、平均牵引力fm与空气阻力fa,m，计算当前分段区间的路面综合阻力系数；

s7：以待测道路段的编号为主名称并按照当前标记点计数值m对当前分段区间编号，存储当前分段区间的路面综合阻力系数；第二角度编码器计数值与计时器同时复位；

s8：判断是否收到停止采集控制程序的信号；若否，则回到步骤s5；若是，则保存当前标记点计数值，退出程序。

进一步的，所述采集控制器的信号输入端还连接有卫星定位模块，并且卫星定位模块为每个分段区间进行定位，在进行步骤s7时，以当前道路段编号为主名称，按标记点计数值对分段区间编号并存储当前分段区间的路面综合阻力系数与卫星定位位置信息。

进一步的，采集控制器的信号输出端可插拔连接有外置存储器，并以道路段编号为主名，按标记点计数值对分段区间编号，将分段区间的路面综合阻力系数与卫星定位位置信息存储到外置存储器中。

本发明还提供一种车辆导航系统，车辆导航系统的数据库中存储有与卫星定位位置信息对应的路面综合阻力系数。

本发明还提供一种车辆，配置有本发明的车辆导航系统，还配置有车辆路面综合阻力计算模块，并按如下公式计算：f＝ρ.m.g，其中，f表示车辆受到的路面综合阻力，ρ表示路面综合阻力系数，m表示车辆总质量，g表示重力加速度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、填补了路面综合阻力系数检测的空白，并且采用车辆对道路段进行分段检测，检测效率高，能进行长距离检测。

2、本发明的路面综合阻力系数检测系统通过数据采集控制程序自动完成路面综合阻力系数检测过程的控制，无需人工干预，降低人力成本与劳动强度。

3、本发明的检测系统在检测过程中实时计算当前采样时刻的区间行驶路程，并判断区间行驶路程是否等于检测间距，从而确定瞬时速度(线速度)与瞬时驱动力的采集时刻，实现按需采集，这样能够大大降低数据采集量与计算量，从而节省数据存储空间与功耗。

4、本发明根据分段区间进行数据采集、计算与存储，从而将路面综合阻力系数精细化到各个分段区间，提高了路面综合阻力系数的准确性。另外，通过卫星定位模块采集各分段区间的位置信息，将位置信息与路面综合阻力系数相结合，能够更好的将路面综合阻力系数应用于智能交通中。

5、本发明的检测系统在设定的道路段编号相同、道路段的起点相同、设定的检测间距互为整数倍的前提下，可对多次采集的数据进行平均计算处理，能够不断修正和提高数据精度。

6、本发明的车辆导航系统在提供位置信息的同时，一并提供路面综合阻力系数信息，为智能交通打下了基础。本发明的车辆配置有本发明的车辆导航系统，能够根据车辆导航系统提供的路面综合阻力系数，计算出在行驶路段上受到的路面综合阻力，能够有助于提高车辆的智能化水平，如根据路面综合阻力的大小，自动控制增加或减少驱动力，为无人驾驶提供辅助作用。

7、本发明的采集控制过程以采集到的角度编码器的第二角度计数器的计数值作为控制依据，实现了每到达分段区间终点自动采集相关参数(瞬时角速度、瞬时速度、瞬时驱动力)。对于瞬时速度的计算则根据第一角度计数器当前时刻到其计数值+1时刻的时间间隔δt，由于计数值+1的角度增量是固定的，时间间隔可以达到较高的精度，如微秒级别，因此能够大大提高瞬时速度的计算精度。

附图说明

图1是本具体实施方式中路面综合阻力系数检测方法的原理图；

图2是检测间距的设定规则原理图；

图3是本具体实施方式中路面综合阻力系数检测系统的电路框图；

图4是本具体实施方式中待测道路段分段区间划分参考图；

图5是本具体实施方式中采集控制程序的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参考图1所示，一种路面综合阻力系数检测方法，将待测道路段按照检测间距划分为若干分段区间；

检测间距的设定采用以下原则：根据车辆的速度特性曲线(为提高精度，可采用实测获得的速度特性曲线)，尽量使检测间距取值足够小(例如：小于0.2米)，瞬时速度与平均速度差值较小，车辆驱动力(驱动扭矩)可近似为幅度很小的线性变化；可近似用车辆平均牵引力代替瞬时牵引力，用平均速度代替瞬时速度计算风阻。假如某车轮半径r＝0.5m的车辆以匀加速方式加速到100km时间为8秒，由0加速到100km/h(27.8m/s)的距离约为111m，平均每一米的速度增量为0.2527m/s，若设定预估检测间距(分段区间)设为0.2m，对应于检测间距的速度增量为0.0505m/s，则检测间距的转速增量δn＝(0.0505×60)÷(2πr)＝0.965转/分。参考图2所示，为该车的速度特性曲线，在曲线上某一速度点n±δn的范围内车辆驱动力(驱动扭矩)为幅度很小的线性变化，即车辆驱动扭矩的变化范围小于阈值，阈值可根据需要进行设定，可在阈值在-2％～+2％范围内选取。

车辆持续行驶在待测道路段上，每个分段区间的路面综合阻力系数按如下步骤进行检测：

步骤1：车辆在分段区间的路面上进行加速度不变的匀变速直线运动，并获取车辆在分段区间上的运动过程中的以下参数：车辆平均牵引力f、车辆加速度a以及车辆平均速度v；

步骤2：计算车辆受到的空气阻力fa：

其中，c表示风阻系数，a表示迎风面积，v表示车辆平均速度；

步骤3：令车辆受到的路面综合阻力为f：

f＝ρ.m.g；(2)

其中，ρ表示路面综合阻力系数，m表示车辆总质量，g表示重量加速度；步骤4：根据牛顿第二定律建立以下方程：

f-f-fa＝(m+m0).a；(3)

其中，m0表示与车辆转动部分的质量等效的转动质量；

步骤5：联立公式(1)、(2)与(3)得到：

根据公式(4)计算得到待测路段的路面综合阻力系数。

为实现上述路面综合阻力系数检测方法，参考图2所示，提供一种路面综合阻力系数检测系统，包括采集控制器4、参数设置模块以及分别与采集控制器的信号输入端连接的车辆牵引力采集模块、角度编码器1与采集开关按键。

参数设置模块用于设置包括车辆总质量、与车辆转动部分的质量等效的转动质量、车辆传动机构的传动效率、车辆动力输出轴至驱动轮的减速比、车轮半径、轮胎类型、道路段编号、检测间距、风阻系数以及迎风面积在内的参数。

由于不同类型的轮胎的摩擦系数有差异，故设置轮胎类型，以表明检测出的路面综合阻力系数适用于何种类型的轮胎，方便用于进行选择性应用。

角度编码器用于安装在车辆的驱动力输出轴上；采集控制器内配置有能够连续记录角度编码器的角度计数值的第一角度计数器，采集控制器能够根据第一角度计数器采集到的角度计数值计算出车轮的瞬时角速度与瞬时线速度。

采集控制器能够计算出与检测间距相应的分段区间角度计数增量值l；采集控制器内还配置有计时器、第二角度计数器、标记点计数器、数据采集控制程序；第二角度计数器能够在每计数到分段区间角度计数增量值l后进行复位，以重新记录角度编码器的角度计数值；标记点计数器能够在第二角度计数器每计数到分段区间角度计数增量值l时增加一次计数；采集开关按键用于触发采集控制程序的开始或停止。

采集控制器根据设定检测间距d，计算出角度编码器分段区间角度计数增量值l，l＝d.x÷(2πr.β)；l取为整数，取整误差可以通过增加距离修正系数予以补偿；计算角度编码器每个计数量值的角度增量δθ，δθ＝2π÷x；其中r为车轮半径，β为车辆动力输出轴至驱动轮的减速比，x为角度编码器每一圈计数值。

收到启动采集控制程序的信号，标记车辆进入检测道路起点，标记点计数器复位、第一角度计数器、第二角度计数器与计时器复位；标记该位置为分段区间起点；开启第一角度计数器、第二角度计数器、开启计时器；当第二角度计数器计数值达到l时，标记该位置为到达分段区间终点；标记点计数器+1、角度编码器计数值复位、计时器复位。采集控制器在分段区间起点和终点分别采集与之对应的车辆动力输出轴的驱动力、上一点至本点的行驶时间t；第一角度计数器当前时刻到其计数值+1时刻的时间间隔δt；收到停止采集控制程序的信号，保存标记点计数值，退出程序。

车辆的瞬时线速度按如下方式计算：计算第一角度计数器当前时刻到其计数值+1时刻的时间间隔δt，车辆当前时刻的瞬时角速度其中，δθ为第一角度计数器每增加一次计数值所对应的车辆驱动力输出轴的角度增量；当前时刻的瞬时线速度其中，r为车轮半径。

车辆行驶路程(从道路起点开始累计)＝标记点计数值m×检测间距d。

车辆牵引力采集模块包括用于设置在车辆的动力输出轴上的力传感器2，采集控制器能够根据力传感器采集到的驱动力计算车辆平均牵引力；采集控制器4能够根据车辆平均牵引力f、车辆加速度a以及车辆平均速度v计算路面综合阻力系数。

力传感器可采用现有技术中力传感器实现，如以下两种方案：

1)车辆驱动力输出轴连接一个行星齿轮机构传递动力，由行星齿轮组(或太阳轮)输入动力、由太阳轮(或行星齿轮组)输出动力，在预留一定转动幅度且具有弹性限位的外齿圈上安装力传感器，通过检测与输入力成正比的外齿圈上的转动力，即可测出车辆驱动动力实时值。该方案可具体参见专利：一种行星力矩传感器，公开(公告)号103162885a。

2)车辆驱动力输出轴连接一个可产生微量扭曲变形的弹性扭转机构且作为其输入轴，弹性扭转机构的输出轴采用可轴向移动的滚珠螺旋槽方式与输入轴滑动连接，车辆驱动力变化就造成输出轴沿轴线方向的弹性位移，采用固定于车架上的位移传感器即可测出输出轴的轴向位移进而测出车辆驱动动力实时值。该方案可具体参见现有汽车电动助力转向机构中的方向盘转向力传感器结构。

为便于理解，下面进行举例说明：

如图4所示，待测道路段a的长度为10km，检测间距设定为0.2m，从而将待测道路段a划分为50000个分段区间。设车轮半径r＝0.5m,车辆动力输出轴至驱动轮的减速比β＝8，角度编码器每一转1024个计数脉冲，则：角度编码器分段区间角度计数增量值l＝0.2×1024÷(r×2×π×β)＝8.15，l取整为8，误差可以对分段区间起点至终点的行驶时间t加修正系数ε(ε＝8.15÷8＝1.01875)予以补偿。

将上述路面综合阻力系数检测系统安装在车辆(汽车或电动车)上，并持续行驶在待测道路段a上。车辆的起点位置可以在待测道路段a的起点位置上(初始速度v0＝0km/h，瞬时驱动力为零)，也可以在待测道路段a的起点上游，初始速度v0不为0。

当车辆到达待测道路段a的起点位置时，按下采集开关按键，从而触发数据采集控制程序，参考图5所示，数据采集控制程序按如下步骤执行：

s1：采集控制程序初始化，根据检测间距为角度编码器计算对应的分段区间角度计数增量值l；根据参数设置模块设定检测间距d＝0.2计算出角度编码器分段区间角度计数增量值l＝8,取整为8，误差可以对分段区间起点至终点的行驶时间加修正系数(ε＝8.15÷8＝1.01875)予以补偿。

s2：判断是否收到启动采集控制程序的信号；若否，则退出程序；若是，则进入s3。

s3：标记点计数器、第一角度计数器、第二角度计数器与计时器复位，并且初始化标记点计数器的当前计数值m＝0，表示车辆进行待测道路段起点，也表示进入第一分段区间的起点。

s4：采集车辆经过待测道路段起点位置时的车辆动力输出轴的驱动力f′0、瞬时角速度ω0与瞬时线速度v0。假定第一角度计数器初始时刻到其计数值+1时刻的时间间隔δt0＝1000μs，δθ＝2π÷x＝2π÷1024，则

s5：当第二角度编码器当前计数值达到l时，表示车辆到达当前分段区间终点，当前标记点计数值m＝m+1；并同时采集车辆经过当前分段区间终点时的车辆动力输出轴的驱动力f′2,m、瞬时角速度ω2,m与瞬时线速度v2,m。假定第一角度计数器在车辆到达第一分段区间终点时刻到其计数值+1时刻的时间间隔δt1＝980μs，δθ＝2π÷x＝2π÷1024，那么：

s6：将车辆经过上一分段区间终点时的车辆动力输出轴驱动力f′2,m-1、瞬时角速度ω2,m-1、瞬时线速度v2,m-1，分别作为车辆经过当前分段区间起点时的车辆动力输出轴驱动力f′1,m、瞬时角速度ω1,m、瞬时线速度v1,m，并计算车辆在当前分段区间内行驶的加速度am、平均加速度vm、平均牵引力fm与空气阻力fa,m；当m＝1时，f′1,1＝f′0，ω1,1＝ω0，v1,1＝v0；

假定第一分段驱动的行驶的实测值为：7700us，经过修正后，t＝7700×ε＝7844us，车辆在第一分段区间的平均速度、加速度：

根据车辆在当前分段区间内行驶的加速度am、平均加速度vm、平均牵引力fm与空气阻力fa,m，计算当前分段区间的路面综合阻力系数；按如下公式：

s7：以待测道路段的编号为主名称并按照当前标记点计数值m对当前分段区间编号，存储当前分段区间的路面综合阻力系数；第二角度编码器计数值与计时器同时复位；

s8：判断是否收到停止采集控制程序的信号；若否，则回到步骤s5；若是，则保存当前标记点计数值，退出程序。

由于第二角度计数增量值达到l时，进行数据采集，并将角度编码器计数值复位、计时器复位；则下一分段区间从零开始，这样能够消除累积误差，提高区间行驶路程判断的准确性。如果车辆不是刚进入道路的起点(标记点计数器≠0)，那么就将当前分段区间的终点为下一分段区间的起点，下一分段区间起点上的瞬时速度为当前分段区间终点上的瞬时速度；下一分段区间起点上的瞬时驱动力为当前分段区间终点上的瞬时驱动力。

为了便于扩容和对数据进行拷贝，采集控制器的信号输出端可插拔连接有外置存储器5(如sd卡、u盘等)，并将以道路段编号为主名称存储的分段区间的路面综合阻力系数与卫星定位位置信息存储到外置存储器5中。

为了能够更好的将路面综合阻力系数应用于智能交通中，通过卫星定位模块采集各分段区间的位置信息，将位置信息与路面综合阻力系数相结合，具体地：采集控制器的信号输入端还连接有卫星定位模块3，并且卫星定位模块3为每个分段区间进行定位，在进行步骤s7时，以当前道路段编号为主名称，按标记点计数值对分段区间编号并存储当前分段区间的路面综合阻力系数与卫星定位位置信息。

对于路面综合阻力系数的具体应用，可将其应用到车辆导航系统中，并将车辆导航系统配置在车辆上，车辆导航系统的数据库中存储与卫星定位位置信息对应的路面综合阻力系数。车辆行驶到某高速公路的某路段上(事先已采用本发明的检测系统检测过该高速公路的路面综合阻力系数)，通过导航系统的位置信息，便能在数据库中对应查找到与该位置信息对应的分段区间的路面综合阻力系数。车辆还配置有车辆路面综合阻力计算模块，并按如下公式计算：f＝ρ.m.g，其中，f表示车辆受到的路面综合阻力，ρ表示路面综合阻力系数，m表示车辆总质量，g表示重量加速度。计算出在行驶路段上受到的路面综合阻力，能够有助于提高车辆的智能化水平，如根据路面综合阻力的大小，自动控制增加或减少驱动力，为无人驾驶提供辅助作用。