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(shí)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(jī)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(jī)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(biāo)定，操作復(fù)雜，成本高，且受 到主動(dòng)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(biāo)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(zhǔn)確定 位的技術(shù)問題。
[0004] 為達(dá)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(jí)穩(wěn)壓電路1、二級(jí)穩(wěn)壓電路2、加速度傳感器3、信號(hào)處理電路4、單片 機(jī)5、藍(lán)牙發(fā)送模塊6、藍(lán)牙接收模塊7、上位機(jī)8和GI^S模塊9組成。其中，加速度傳感器3 通過強(qiáng)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(hào)處理電路4輸 入端，信號(hào)處理電路4輸出端連接單片機(jī)5的AD轉(zhuǎn)換接口，單片機(jī)5的自帶UART串口輸出 端連接藍(lán)牙發(fā)送模塊6輸入端，藍(lán)牙發(fā)送模塊6和藍(lán)牙接收模塊7進(jìn)行無線傳輸，藍(lán)牙接收 模塊7輸出端連接上位機(jī)8輸入端，GI^S模塊9輸出端連接藍(lán)牙接收模塊7輸入端；汽車點(diǎn) 煙器+12V電源輸出端連接一級(jí)穩(wěn)壓電路1輸入端，一級(jí)穩(wěn)壓電路1輸入端連接二級(jí)穩(wěn)壓電 路2輸出端；一級(jí)穩(wěn)壓電路1給加速度傳感器3、信號(hào)處理電路4和GI^S模塊9供電，二級(jí) 穩(wěn)壓電路2給單片機(jī)5和藍(lán)牙發(fā)送模塊6供電。
[0005] 其中，一級(jí)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(jí)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(diǎn)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(jí)穩(wěn)壓巧片VIN電壓輸入引腳，第一電解電容C1負(fù)極、第一普通電容C2另一端和一級(jí)穩(wěn)壓 巧片GND接地引腳和EN使能端接地；一級(jí)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(jí)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(fù)極接地；第一二極管D1負(fù)極連接一級(jí)穩(wěn)壓巧 片OUT電壓輸出引腳，另一端接地。
[0006] 其中，二級(jí)穩(wěn)壓電路2由第S電解電容C4、第二普通電容C5、二級(jí)穩(wěn)壓巧片、保險(xiǎn) 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(jí)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(xiǎn)絲即沈1正 極，第S電解電容C4負(fù)極、第二普通電容巧另一端和二級(jí)穩(wěn)壓巧片GND接地引腳和EN使 能端接地；即SE1負(fù)極連接二級(jí)穩(wěn)壓巧片VIN電壓輸入引腳；二級(jí)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(fù)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(hào)處理電路4由第一運(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器、第=運(yùn)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(hào)輸出端分別連接第一運(yùn)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(diǎn)，第一可調(diào)電阻R7另一端固定觸點(diǎn)連 接第五電阻R11-端，第一可調(diào)電阻R7滑動(dòng)觸點(diǎn)接一級(jí)穩(wěn)壓電路1輸出端，第五電阻R11 另一端分別接第一運(yùn)算放大器差分負(fù)輸入端和加速度傳感器3空引腳；第一運(yùn)算放大器正 電源輸入端連接一級(jí)穩(wěn)壓電路1，第一運(yùn)算放大器負(fù)電源輸入端接模擬地，第一運(yùn)算放大器 參考輸入端連接單片機(jī)5的參考電壓引腳，第一運(yùn)算放大器兩個(gè)增益設(shè)置端之間串聯(lián)第九 電阻R17 ;第一運(yùn)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(yùn)算放大器差分正負(fù)輸入端之間；加速度傳感器3的Y軸信號(hào)輸出端分別連接第二運(yùn)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(diǎn)，第二可調(diào)電阻R8另一端固定觸點(diǎn)連接第六電阻R12-端，第二可調(diào)電阻R8滑動(dòng)觸 點(diǎn)接一級(jí)穩(wěn)壓電路1輸出端，第六電阻R12另一端分別接第二運(yùn)算放大器差分負(fù)輸入端和 加速度傳感器3空引腳；第二運(yùn)算放大器正電源輸入端連接一級(jí)穩(wěn)壓電路1，第二運(yùn)算放大 器負(fù)電源輸入端接模擬地，第二運(yùn)算放大器參考輸入端連接單片機(jī)5的參考電壓引腳，第 二運(yùn)算放大器兩個(gè)增益設(shè)置端之間串聯(lián)第十一電阻R19;第二運(yùn)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(yùn)算放大器差分正負(fù)輸入端之間；加速度 傳感器3的Z軸信號(hào)輸出端分別連接第=運(yùn)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(diǎn)，第S可調(diào)電阻R9另一端固定觸 點(diǎn)連接第走電阻R13 -端，第=可調(diào)電阻R9滑動(dòng)觸點(diǎn)接一級(jí)穩(wěn)壓電路1輸出端，第走電阻 R13另一端分別接第=運(yùn)算放大器差分負(fù)輸入端和加速度傳感器3空引腳；第=運(yùn)算放大 器正電源輸入端連接一級(jí)穩(wěn)壓電路1，第=運(yùn)算放大器負(fù)電源輸入端接模擬地，第=運(yùn)算放 大器參考輸入端連接單片機(jī)5的參考電壓引腳，第=運(yùn)算放大器兩個(gè)增益設(shè)置端之間串 聯(lián)第十=電阻R21 ;第=運(yùn)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(hào)濾波 使用，第九普通電容C14接在第=運(yùn)算放大器差分正負(fù)輸入端之間，做信號(hào)平滑使用。
[000引上述所述的加速度傳感器3采用強(qiáng)磁力吸附式化T2755S軸加速度傳感器。
[0009] 上述所述的一級(jí)穩(wěn)壓電路1采用TPS76930-5. 0穩(wěn)壓巧片，二級(jí)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(yùn)算放大器、第二運(yùn)算放大器和第S運(yùn)算放大器采用INA122運(yùn) 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(qiáng)磁力吸附于汽車靠近左后輪的懸架上，打開一級(jí)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(hào)輸入至信號(hào)處理電路4;
[0014] (2)采集的加速度信號(hào)分別進(jìn)入信號(hào)處理電路4對(duì)應(yīng)運(yùn)算放大器的差分正輸入 端，調(diào)節(jié)各個(gè)運(yùn)算放大器差分負(fù)輸入端的可調(diào)電阻，從而調(diào)節(jié)對(duì)地電壓，改變運(yùn)算放大器的 輸出電壓，使其輸出到單片機(jī)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(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍后，信號(hào)處理電路4輸出的模擬量信號(hào)，通過單 片機(jī)5進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，單片機(jī)5通過串口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸至藍(lán)牙發(fā)送模塊6;
[0016] (4)藍(lán)牙接收模塊7連接上位機(jī)8,上位機(jī)8根據(jù)藍(lán)牙配置自動(dòng)為其分配串口，設(shè) 置上位機(jī)8藍(lán)牙串口的相關(guān)參數(shù)，和藍(lán)牙發(fā)送模塊6進(jìn)行匹配連接；
[0017] (5)GI^S模塊9定位當(dāng)前路段，通過串口將當(dāng)前地理位置信息發(fā)送至藍(lán)牙發(fā)送模塊 6,藍(lán)牙發(fā)送模塊6無線傳輸至藍(lán)牙接收模塊7,由藍(lán)牙接收模塊7發(fā)送至上位機(jī)8存儲(chǔ)；
[0018] (6)在需要測量路面不平度的路段開動(dòng)汽車，加速度傳感器3穩(wěn)定工作一段時(shí)間 后，進(jìn)行=軸的加速度信息采集，并發(fā)送至上位機(jī)8;上位機(jī)8通過程序顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn) 行存儲(chǔ)，記錄在相應(yīng)GI^S地理位置信息下；采集完畢后，上位機(jī)8通過圖表顯示完整信息，同 時(shí)計(jì)算出該路段的加速度樣本曲線的均值和標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(shí)懸架垂直振動(dòng)的加速度，每隔At時(shí)刻，加速度傳 感器將采集到一個(gè)路面加速度a(t)值，得到a(t)數(shù)組。
[0021] 步驟2 ;設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器進(jìn)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(xiàng)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(dú)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(gè)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(jì)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：