一种道路坡度车载实时测试系统及其测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种道路坡度车载实时测试系统及其测试方法，其特征是：测试系统由GPS测试设备、轮速传感器、加速度计组及数据采集与处理板卡构成；加速度计组用于测试不同位置处的加速度，GPS测试设备用于测试车顶平面的A点处的运动学参数，轮速传感器用于实时检测汽车车轮角速度；数据采集与处理板卡用于实时接收A点处的运动学参数、轮速传感器发送的汽车车轮角速度的方波信号及加速度计组所测得的加速度，计算获得道路坡度并通过CAN输出。本发明所采用的测试系统及其测试方法在汽车内集成测试设备能够避免人工实地作业的限制，抗干扰性能强，适合于在车载环境下长时间采集坡度数据。
【专利说明】一种道路坡度车载实时测试系统及其测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于汽车测试与控制领域，具体的说是涉及一种道路坡度车载实时测试系统及其测试方法。
【背景技术】
[0002]道路坡度是影响车辆行驶安全性和操纵稳定性的重要参数，坡度过大时车辆行驶速度会有所下降，而下坡时车辆速度则会上升，在连续下坡过程中容易出现制动失效而引发重大交通事故。对道路坡度的精确获取为分析操纵稳定性提供良好的基础，同时为整车电子安全系统提供控制依据。
[0003]在汽车行驶平顺性方面，汽车在行驶过程中遇到坡道时，变速器会自动降到低档，增大扭矩克服坡度阻力爬坡，从而减小档位变换带来的齿轮冲击，保证换挡平顺性。在汽车燃油经济性方面，自动挡汽车需要根据汽车的行驶工况自动变换档位，避免不必要的换挡时机，减少燃油消耗。
[0004]因此，精确获取汽车行驶过程中的道路坡度信息有着重要的意义。现有技术中对道路坡度获取方法有:利用水箱或钟摆等仪器直接读取倾斜角作为道路的坡度角；基于卡尔曼滤波器，比例积分观测器，龙贝格联合观测等估计方法；基于滑行阻力的方法。
[0005]通过水箱或钟摆等仪器直接读取倾斜角作为道路的坡度角的方法易受到路面条件、行驶车速、仪器安装位置的制约，对水箱和钟摆的相关控制及其准确操作也有一定的难度。
[0006]基于卡尔曼滤波器，比例积分观测器，龙贝格联合观测，估计结果精度取决于汽车模型的复杂程度。
[0007]基于滑行阻力的方法也能计算出道路坡度。这种方法需要对汽车行驶方程式中的各阻力系数进行标定，建立的滑行阻力模型，包含的未知参数个数不同，带入微分方程求解得到的各阻力系数精度也有一定差异。
【发明内容】
[0008]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种适用操作方便、精度较高的道路坡度车载实时测试方法与装置。
[0009]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0010]本发明道路坡度车载实时测试系统，其特点在于:所述测试系统由GPS测试设备、轮速传感器、加速度计组及数据采集与处理板卡构成；
[0011]所述加速度计组包括四个第一加速度计、四个第二加速度计及四个第三加速度计；所述四个第一加速度计分别安装在前悬架的左侧上支点处、前悬架的右侧上支点处、后悬架的左侧上支点处及后悬架的右侧上支点处，用于实时检测相应安装位置处的加速度；所述四个第二加速度计分别安装在前悬架的左侧下摆臂处、前悬架的右侧下摆臂处、后悬架的左侧下摆臂处及后悬架的右侧下摆臂处，用于实时检测相应安装位置处的加速度；所述四个第三加速度计分别安装在汽车四个轮胎的中心位置，用于实时检测相应安装位置处的加速度；
[0012]所述GPS测试设备包括GPS地面基站、GPS车载天线和GPS车载接收机；所述GPS地面基站安装在试验场地内，用于将接收到得GPS卫星信号解算为RTK差分信息，并发送所述RTK差分信息；所述GPS车载天线安装在车顶平面的A点处，所述A点与质心的连线垂直与车顶平面；所述GPS车载接收机安装在汽车车内且与GPS车载天线相连；所述GPS车载天线用于接收GPS卫星信号和GPS地面基站发送的RTK差分信息；所述GPS车载接收机用于解算所述GPS车载天线接收到的GPS卫星信号和RTK差分信息，实时获得汽车A点处的运动学参数，并将所述汽车A点处的运动学参数发送至数据采集与处理板卡，所述运动学参数包括水平速度V、经度、纬度和海拔高度；
[0013]所述轮速传感器用于实时检测汽车车轮角速度ω，并将所述汽车车轮角速度ω以方波信号的形式发送至数据采集与处理板卡；
[0014]所述数据采集与处理板卡用于实时接收所述GPS车载接收机发送的汽车A点处的运动学参数、所述轮速传感器发送的汽车车轮角速度ω的方波信号及所述加速度计组所测得的加速度，计算获得道路坡度并通过CAN输出。
[0015]本发明道路坡度车载实时测试系统，其特点也在于:
[0016]所述GPS车载接收机通过串口连接在所述数据采集与处理板卡上；
[0017]所述轮速传感器通过CAN连接在所述数据采集与处理板卡上；
[0018]所述加速度计组中各个加速度计分别通过模拟信号端口连接在所述数据采集与处理板卡上。
`[0019]本发明测试系统测试道路坡度的方法，其特点在于:
[0020]首先，通过四个第一加速度计分别获得前悬架的左侧上支点处、前悬架的右侧上支点处、后悬架的左侧上支点处及后悬架的右侧上支点处在h时刻的加速度afll、afrl, arll及anl ;通过四个第二加速度计分别获得前悬架的左侧下摆臂处、前悬架的右侧下摆臂处、后悬架的左侧下摆臂处及后悬架的右侧下摆臂处在^时刻的加速度a' fll、a' M、a' rll及a' rrl ;通过四个第三加速度计分别获得汽车左前轮、右前轮、左后轮及右后轮的中心位置处在A时刻的加速度a" fll、a" frl, a" rll及a" rrl ;通过GPS测试设备获得A点在&时刻的水平速度V1、经度、纬度和海拔高度；通过轮速传感器检测汽车在^时刻的车轮角速度W1 ；
[0021]然后，通过四个第一加速度计分别获得前悬架的左侧上支点处、前悬架的右侧上支点处、后悬架的左侧上支点处及后悬架的右侧上支点处在t2时刻的加速度afl2、afr2, arl2及a?2 ;通过四个第二加速度计分别获得前悬架的左侧下摆臂处、前悬架的右侧下摆臂处、后悬架的左侧下摆臂处及后悬架的右侧下摆臂处在〖2时刻的加速度a' fl2、a' ft2、a' rl2及a' rr2 ;通过四个第三加速度计(3)分别获得汽车左前轮、右前轮、左后轮及右后轮的中心位置处在t2时刻的加速度a" fl2、a" ft2、a" 及a" ;通过GPS测试设备获得A点在七2时刻的水平速度V2、经度、纬度和海拔高度；通过轮速传感器检测汽车在t2时刻的车轮角速度ω2 ；
[0022]由所述数据采集与处理板卡对A点在h时刻的经度、纬度和海拔高度经过高斯投影后获得A点在h时刻的位置信息为Xl、yi> Z1，对A点在t2时刻的经度、纬度和海拔高度经过高斯投影后获得A点在t2时刻的位置信息为x2、y2、z2 ;位置信息的坐标系方向为:X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向，Z轴指向海拔高度方向。
[0023]所述数据采集与处理板卡对h时刻由加速度计组获取的加速度通过FFT-DDI滤波方法进行积分，其中:通过afll和a' fll得到h时刻前悬架左侧垂直变化量dfll ;通过a&1和a' frl得到h时刻前悬架右侧垂直变化量dftl ;通过aril和a' rll得到I1时刻后悬架左侧垂直变化量dril ;通过anl和a' rrl得到&时刻后悬架右侧垂直变化量Clnl ;通过a" fll、a" fr1、a" rll及a" rrl得到时刻相应车轮的垂直跳动量Δ sfll、Δ sfrl> Δ srll及Δ srrl ；
[0024]所述数据采集与处理板卡对t2时刻由所述加速度计组获取的加速度通过FFT-DDI滤波方法进行积分，其中:通过afl2和a' fl2得到t2时刻前悬架左侧垂直变化量dfl2 ;通过a&2和a' fr2得到t2时刻前悬架右侧垂直变化量dft2 ;通过art2和a' rl2得到t2时刻后悬架左侧垂直变化量dri2 ;通过a?2和a' rr2得到t2时刻后悬架右侧垂直变化量d?2 ;通过a" fl2、a" fr2> a" rl2及a" rr2得到t2时刻相应车轮的垂直跳动量Δ sfl2 Δ sfr2 Δ srl2及
A Q.^rr2 9
[0025]最后，由数据采集与处理板卡按式(I)计算获得道路坡度1:
[0026]i=tan α (I)
[0027]式中α为道路坡度角；
[0028]所述道路坡度角α由式(2)获取:
[0029]α = θ-α2-α3 (2)
[0030]式中Θ为车身俯仰角；α 2为汽车前悬架和后悬架变形导致的车身俯仰角；α 3为汽车前轮胎和后轮胎垂直变形导致的车身俯仰角；
[0031]所述车身俯仰角Θ由式(3)获取:
[0032]Θ =arctan (h/m) (3)
[0033]式中
【权利要求】
1.一种道路坡度车载实时测试系统，其特征在于:所述测试系统由GPS测试设备、轮速传感器、加速度计组及数据采集与处理板卡构成； 所述加速度计组包括四个第一加速度计(I)、四个第二加速度计(2)及四个第三加速度计(3);所述四个第一加速度计(I)分别安装在前悬架的左侧上支点处、前悬架的右侧上支点处、后悬架的左侧上支点处及后悬架的右侧上支点处，用于实时检测相应安装位置处的加速度；所述四个第二加速度计(2)分别安装在前悬架的左侧下摆臂处、前悬架的右侧下摆臂处、后悬架的左侧下摆臂处及后悬架的右侧下摆臂处，用于实时检测相应安装位置处的加速度；所述四个第三加速度计(3)分别安装在汽车四个轮胎的中心位置，用于实时检测相应安装位置处的加速度； 所述GPS测试设备包括GPS地面基站、GPS车载天线(4)和GPS车载接收机；所述GPS地面基站安装在试验场地内，用于将接收到得GPS卫星信号解算为RTK差分信息，并发送所述RTK差分信息；所述GPS车载天线(4)安装在车顶平面的A点处，所述A点与质心的连线垂直与车顶平面；所述GPS车载接收机安装在汽车车内且与GPS车载天线(4)相连；所述GPS车载天线(4)用于接收GPS卫星信号和GPS地面基站发送的RTK差分信息；所述GPS车载接收机用于解算所述GPS车载天线(4)接收到的GPS卫星信号和RTK差分信息，实时获得汽车A点处的运动学参数，并将所述汽车A点处的运动学参数发送至数据采集与处理板卡，所述运动学参数包括水平速度V、经度、纬度和海拔高度； 所述轮速传感器用于实时检测汽车车轮角速度ω，并将所述汽车车轮角速度ω以方波信号的形式发送至数据采集与处理板卡； 所述数据采集与处理板卡用于实时接收所述GPS车载接收机发送的汽车A点处的运动学参数、所述轮速传感器发送的汽车车轮角速度ω的方波信号及所述加速度计组所测得的加速度，计算获得道路坡度并通过CAN输出。
2.根据权利要求1所·述的道路坡度车载实时测试系统，其特征在于: 所述GPS车载接收机通过串口连接在所述数据采集与处理板卡上； 所述轮速传感器通过CAN连接在所述数据采集与处理板卡上； 所述加速度计组中各个加速度计分别通过模拟信号端口连接在所述数据采集与处理板卡上。
3.一种利用权利要求1或2所述的测试系统测试道路坡度的方法，其特征在于: 首先，通过四个第一加速度计分别获得前悬架的左侧上支点处、前悬架的右侧上支点处、后悬架的左侧上支点处及后悬架的右侧上支点处在A时刻的加速度afll、afrl, arll及arrl ;通过四个第二加速度计分别获得前悬架的左侧下摆臂处、前悬架的右侧下摆臂处、后悬架的左侧下摆臂处及后悬架的右侧下摆臂处在h时刻的加速度a' fll、a' &1、a' rll及a' rrl ;通过四个第三加速度计分别获得汽车左前轮、右前轮、左后轮及右后轮的中心位置处在&时刻的加速度a" fll、a" &1、a" rll及a" rrl ;通过GPS测试设备获得A点在&时刻的水平速度V1、经度、纬度和海拔高度；通过轮速传感器检测汽车在^时刻的车轮角速度ω I ； 然后，通过四个第一加速度计分别获得前悬架的左侧上支点处、前悬架的右侧上支点处、后悬架的左侧上支点处及后悬架的右侧上支点处在t2时刻的加速度afl2、afr2, arl2及ara2;通过四个第二加速度计分别获得前悬架的左侧下摆臂处、前悬架的右侧下摆臂处、后悬架的左侧下摆臂处及后悬架的右侧下摆臂处在t2时刻的加速度a' fl2、a' &2、a' 及a' rr2 ;通过四个第三加速度计(3)分别获得汽车左前轮、右前轮、左后轮及右后轮的中心位置处在七2时刻的加速度a" fl2、a" ft2、a" 及a" ;通过GPS测试设备获得A点在t2时刻的水平速度V2、经度、纬度和海拔高度；通过轮速传感器检测汽车在t2时刻的车轮角速度ω2 ； 由所述数据采集与处理板卡对A点在^时刻的经度、纬度和海拔高度经过高斯投影后获得A点在h时刻的位置信息为Xl、y1、Z1，对A点在t2时刻的经度、纬度和海拔高度经过高斯投影后获得A点在t2时刻的位置信息为x2、y2、Z2 ; 所述数据采集与处理板卡对^时刻由加速度计组获取的加速度通过FFT-DDI滤波方法进行积分，其中:通过afll和a' fll得到h时刻前悬架左侧垂直变化量dfll ;通过a&1和frl得到h时刻前悬架右侧垂直变化量d&1 ;通过aril和a' rll得到I1时刻后悬架左侧垂直变化量dm ;通过anl和a' rrl得到h时刻后悬架右侧垂直变化量Clnl ;通过a" fll、a" fr1、a" rll及a" rrl得到时刻相应车轮的垂直跳动量Δ sfll、Δ sfrl> Δ srll及Δ srrl ；所述数据采集与处理板卡对t2时刻由所述加速度计组获取的加速度通过FFT-DDI滤波方法进行积分，其中:通过afl2和a' fl2得到t2时刻前悬架左侧垂直变化量dfl2 ;通过a&2和a' fr2得到t2时刻前悬架右侧垂直变化量dft2 ;通过ari2和a' rl2得到t2时刻后悬架左侧垂直变化量dri2 ;通过a?2和a' rr2得到t2时刻后悬架右侧垂直变化量d?2 ;通过a" fl2、a" ft2、a" rl2及a" rr2得到t2时刻相应车轮的垂直跳动量Δ sfl2 Δ sfr2 Δ srl2及Δ srr2 ；最后，由数据采集与处理板卡按式(I)计算获得道路坡度i:
【文档编号】G01C9/00GK103852064SQ201410124026
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】张小龙, 王啟永, 潘登, 陈彬, 夏萍 申请人:安徽农业大学