基于加速度傳感器的車載式路面不平度采集系統(tǒng)及工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種路面不平度采集系統(tǒng)及工作方法,具體設(shè)及一種基于加速度傳感 器的車載式路面不平度采集系統(tǒng)及工作方法,屬于路面特征識別領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 路面不平度通常是用來描述路面的起伏程度。目前,國內(nèi)的路面不平度采集主要 使用激光慣性平整度儀與車載機械式顛鑛累積儀。其檢測原理是根據(jù)車輛的垂直彈跳位移 來反映路面的平整度。隨著國內(nèi)各類道路不斷增加W及IRI值不斷普及傳統(tǒng)車載機械式顛 鑛累積儀的應(yīng)用已開始受到制約。其主要局限是儀器須定期標定,操作復(fù)雜,成本高,且受 到主動懸架數(shù)學(xué)模型的精確建立和測量技術(shù)的限制,無法直接獲得國際平整度指標IRI。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明的目的是為了滿足現(xiàn)有道路的需要,提供一種基于加速度傳感器的車載式 路面不平度采集系統(tǒng),W解決傳統(tǒng)路面不平度采集儀器采集不便、操作復(fù)雜和不能準確定 位的技術(shù)問題。
[0004] 為達到上述目的,本發(fā)明采用W下技術(shù)方案;基于加速度傳感器的車載式路面不 平度采集系統(tǒng),由一級穩(wěn)壓電路1、二級穩(wěn)壓電路2、加速度傳感器3、信號處理電路4、單片 機5、藍牙發(fā)送模塊6、藍牙接收模塊7、上位機8和GI^S模塊9組成。其中,加速度傳感器3 通過強磁力固定于汽車靠左后輪的懸架上,加速度傳感器3輸出端連接信號處理電路4輸 入端,信號處理電路4輸出端連接單片機5的AD轉(zhuǎn)換接口,單片機5的自帶UART串口輸出 端連接藍牙發(fā)送模塊6輸入端,藍牙發(fā)送模塊6和藍牙接收模塊7進行無線傳輸,藍牙接收 模塊7輸出端連接上位機8輸入端,GI^S模塊9輸出端連接藍牙接收模塊7輸入端;汽車點 煙器+12V電源輸出端連接一級穩(wěn)壓電路1輸入端,一級穩(wěn)壓電路1輸入端連接二級穩(wěn)壓電 路2輸出端;一級穩(wěn)壓電路1給加速度傳感器3、信號處理電路4和GI^S模塊9供電,二級 穩(wěn)壓電路2給單片機5和藍牙發(fā)送模塊6供電。
[0005] 其中,一級穩(wěn)壓電路1由開關(guān)S1、第一電解電容C1、第一普通電容C2、一級穩(wěn)壓巧 片、第一二極管D1、第一電感L1和第二電解電容C3組成;汽車點煙器+12V電壓輸出端連 接開關(guān)S1 -端,開關(guān)S1另一端分別連接第一電解電容C1正極、第一普通電容C2 -端和一 級穩(wěn)壓巧片VIN電壓輸入引腳,第一電解電容C1負極、第一普通電容C2另一端和一級穩(wěn)壓 巧片GND接地引腳和EN使能端接地;一級穩(wěn)壓巧片OUT電壓輸出引腳和BYP反饋電壓輸入 引腳分別連接第一電感L1 一端,第一電感L1另一端輸出端分別接二級穩(wěn)壓電路2輸入端 和第二電解電容C3正極,第二電解電容C3負極接地;第一二極管D1負極連接一級穩(wěn)壓巧 片OUT電壓輸出引腳,另一端接地。
[0006] 其中,二級穩(wěn)壓電路2由第S電解電容C4、第二普通電容C5、二級穩(wěn)壓巧片、保險 絲即SE1、第二二極管D2、濾波電阻R1、第二電解電容C6和第S普通電容口組成;一級穩(wěn) 壓電路1輸出端分別連接第S電解電容C4正極、第二普通電容巧一端和保險絲即沈1正 極,第S電解電容C4負極、第二普通電容巧另一端和二級穩(wěn)壓巧片GND接地引腳和EN使 能端接地;即SE1負極連接二級穩(wěn)壓巧片VIN電壓輸入引腳;二級穩(wěn)壓巧片OUT電壓輸出引 腳和BYP反饋電壓輸入引腳分別連接第一電阻R1 -端和第二二極管D2負極,第一電阻R1 另一端輸出+3. 3V電壓;第=普通電容C7 -端和第二電解電容C6正極端連接+3. 3V電壓 輸出端,另一端分別接地。
[0007] 其中,信號處理電路4由第一運算放大器、第二運算放大器、第=運算放大器、第 二電阻R2、第S電阻R3、第四電阻R4、第一可調(diào)電阻R7、第二可調(diào)電阻R8、第S可調(diào)電阻R9、第五電阻R11、第六電阻R12、第走電阻R13、第八電阻R16、第九電阻R17、第十電阻R18、 第^^一電阻R19、第十二電阻R20、第十S電阻R21、第四普通電容C9、第五普通電容CIO、第 六普通電容Cll、第^;:普通電容(:12、第八普通電容C13和第九普通電容C14組成;加速度傳 感器3的X軸信號輸出端分別連接第一運算放大器差分正輸入端和第二電阻R2 -端,第二 電阻R2另一端連接第一可調(diào)電阻R7的一端固定觸點,第一可調(diào)電阻R7另一端固定觸點連 接第五電阻R11-端,第一可調(diào)電阻R7滑動觸點接一級穩(wěn)壓電路1輸出端,第五電阻R11 另一端分別接第一運算放大器差分負輸入端和加速度傳感器3空引腳;第一運算放大器正 電源輸入端連接一級穩(wěn)壓電路1,第一運算放大器負電源輸入端接模擬地,第一運算放大器 參考輸入端連接單片機5的參考電壓引腳,第一運算放大器兩個增益設(shè)置端之間串聯(lián)第九 電阻R17 ;第一運算放大器輸出端連接第八電阻R16 -端,第八電阻R16另一端分別輸出和 連接第四普通電容C9 一端,第四普通電容C9另一端接模擬地,第走普通電容C12接在第一 運算放大器差分正負輸入端之間;加速度傳感器3的Y軸信號輸出端分別連接第二運算放 大器差分正輸入端和第S電阻R3 -端,第S電阻R3另一端連接第二可調(diào)電阻R8的一端固 定觸點,第二可調(diào)電阻R8另一端固定觸點連接第六電阻R12-端,第二可調(diào)電阻R8滑動觸 點接一級穩(wěn)壓電路1輸出端,第六電阻R12另一端分別接第二運算放大器差分負輸入端和 加速度傳感器3空引腳;第二運算放大器正電源輸入端連接一級穩(wěn)壓電路1,第二運算放大 器負電源輸入端接模擬地,第二運算放大器參考輸入端連接單片機5的參考電壓引腳,第 二運算放大器兩個增益設(shè)置端之間串聯(lián)第十一電阻R19;第二運算放大器輸出端連接第十 電阻R18 -端,第十電阻R18另一端分別輸出和連接第五普通電容CIO-端,第五普通電容 CIO另一端接模擬地,第八普通電容C13接在第二運算放大器差分正負輸入端之間;加速度 傳感器3的Z軸信號輸出端分別連接第=運算放大器差分正輸入端和第四電阻R4 -端,第 四電阻R4另一端連接第S可調(diào)電阻R9的一端固定觸點,第S可調(diào)電阻R9另一端固定觸 點連接第走電阻R13 -端,第=可調(diào)電阻R9滑動觸點接一級穩(wěn)壓電路1輸出端,第走電阻 R13另一端分別接第=運算放大器差分負輸入端和加速度傳感器3空引腳;第=運算放大 器正電源輸入端連接一級穩(wěn)壓電路1,第=運算放大器負電源輸入端接模擬地,第=運算放 大器參考輸入端連接單片機5的參考電壓引腳,第=運算放大器兩個增益設(shè)置端之間串 聯(lián)第十=電阻R21 ;第=運算放大器輸出端連接第十二電阻R20-端,第十二電阻R20另一 端分別輸出和連接第六普通電容C11 一端,第六普通電容C11另一端接模擬地,作信號濾波 使用,第九普通電容C14接在第=運算放大器差分正負輸入端之間,做信號平滑使用。
[000引上述所述的加速度傳感器3采用強磁力吸附式化T2755S軸加速度傳感器。
[0009] 上述所述的一級穩(wěn)壓電路1采用TPS76930-5. 0穩(wěn)壓巧片,二級穩(wěn)壓電路2采用 TPS76930-3. 3 穩(wěn)壓巧片。
[0010] 上述所述的第一運算放大器、第二運算放大器和第S運算放大器采用INA122運 算放大器巧片。
[0011] 上述所述的GI^S模塊9為野火肥0-6MGI^S模塊。
[0012] 一種基于加速度傳感器的車載式路面不平度采集系統(tǒng)的工作方法,具體包括W下 步驟:
[0013] (1)加速度傳感器3通過強磁力吸附于汽車靠近左后輪的懸架上,打開一級穩(wěn)壓 電路1開關(guān)S1,加速度傳感器3采集X、Y、Z=軸加速度信號輸入至信號處理電路4;
[0014] (2)采集的加速度信號分別進入信號處理電路4對應(yīng)運算放大器的差分正輸入 端,調(diào)節(jié)各個運算放大器差分負輸入端的可調(diào)電阻,從而調(diào)節(jié)對地電壓,改變運算放大器的 輸出電壓,使其輸出到單片機5的電壓在模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi);
[001引 做輸出電壓均達到模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍后,信號處理電路4輸出的模擬量信號,通過單 片機5進行模數(shù)轉(zhuǎn)化,單片機5通過串口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸至藍牙發(fā)送模塊6;
[0016] (4)藍牙接收模塊7連接上位機8,上位機8根據(jù)藍牙配置自動為其分配串口,設(shè) 置上位機8藍牙串口的相關(guān)參數(shù),和藍牙發(fā)送模塊6進行匹配連接;
[0017] (5)GI^S模塊9定位當前路段,通過串口將當前地理位置信息發(fā)送至藍牙發(fā)送模塊 6,藍牙發(fā)送模塊6無線傳輸至藍牙接收模塊7,由藍牙接收模塊7發(fā)送至上位機8存儲;
[0018] (6)在需要測量路面不平度的路段開動汽車,加速度傳感器3穩(wěn)定工作一段時間 后,進行=軸的加速度信息采集,并發(fā)送至上位機8;上位機8通過程序顯示實時數(shù)據(jù)并進 行存儲,記錄在相應(yīng)GI^S地理位置信息下;采集完畢后,上位機8通過圖表顯示完整信息,同 時計算出該路段的加速度樣本曲線的均值和標準差信息;
[0019] (7)由W上該路段加速度樣本曲線通過AR建模得出功率譜密度曲線圖,并通過功 率譜密度計算得出路面不平度指數(shù)IRI值,具體包括W下步驟:
[0020] 步驟1 ;通過加速度傳感器采集路面加速度a(t)值;將加速度傳感器安裝在車輛 靠近左后輪的懸架平面下方,檢測行駛時懸架垂直振動的加速度,每隔At時刻,加速度傳 感器將采集到一個路面加速度a(t)值,得到a(t)數(shù)組。
[0021] 步驟2 ;設(shè)計卡爾曼濾波器進行數(shù)據(jù)處理;
[0022] 首先建立卡爾曼濾波狀態(tài)空間模型,其中:
[0023] 狀態(tài)方程;
[0024] X(n) = B(n)X(n-l)+w(n) (1)
[0025] 觀測方程;
[0026]Z (n)=J (n) X (n) +v (n) 似
[0027] 式中,X(n)為狀態(tài)向量,且X(n) = {x(n),x(n-l),…,x(n-k+l)}T;系統(tǒng)的觀測 方程的輸出項Z(n)為采集到的加速度a(t)值巧(n)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,w(n)為零均值、方差 為^"的白噪聲J(n)為測量矩陣/(?) = {?),…,〇}L.v(n)為零均值、方差為Wv且與W" 相互獨立的白噪聲;
[002引由狀態(tài)空間模型得到如下遞推公式:
[0029]狀態(tài)的一步預(yù)測方程(基于系統(tǒng)的上一個狀態(tài)):
[0030] X(n|n_l)二B(n)X(n_l|n_l) (3)
[0031] 協(xié)方差的一步預(yù)測方程:
[003引 P(n|n-1) =B(n)P(n-l|n-l)B(n)T+W" (4)
[0033] 濾波增益:
[0034] A (n) =P(nIn-1)J(n)T[J(n)P(nIn-1)J(n)T+Wv] 妨
[0035] 濾波估計方程:
[0036] X(nIn) =X(nIn_l)+A(n)[Z(n)-J(n)X(nIn_l) ] (6)
[0037] 濾波協(xié)方差更新方程: