道路坡度识别方法的技术实现

道路坡度识别方法的技术实现 道路坡度识别方法的技术实现 第21卷 V01.21 第3期 No.3 重庆交通学院 JOURNALOFCHONGQINGJIAOTONGUNIVERSITY 2002年9月 Sep.,2002 道路坡度识别方法的技术实现 杨志刚,曹长修,苏玉刚 重庆400044) (重庆大学A区自动化学院, 摘要:笔者在动态识别道路坡度角的多传感器信息融合方法的数学模型基础上,介绍采用数字信号融合和模拟信 号融合两种技术方法实现其融合算法.以达到识到坡度角的目的. 关键词:信息硅合方法;道路坡度识别;数字信号融合;模拟信号融合 中图分类号:T1~74.2文献标识码:B文章编号:1001.716X(2002)03.0112.04 采用多个传感器信息融合识别道路坡度的方法 从理论上解决了汽车在行驶过程中对道路坡度的动 态识别问题.文献[1]对此进行了专门讨论,并 给出了如下信息融合算法的数学模型: a: 考?一??+1?+.一'+'+ 吉?一?孥 0一?z1+?z2(1) 在实际应用中,如何从技术上实现式(1)所 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达的融合算法则是笔者在本文中所讨论的中心问 题.道路坡度的多传感器信息融合识别方法可以从 两个方面来实现,数字信号融合和模拟信号融合但 各有利弊. 式中,a——道路坡度角;——单摆式角位 移传感器转角;r一单摆长度;d/df——车辆 加速度;Z1,Z2——车身分别在前,后悬架处的 上下位移;——车辆轴距;——重力加速度. 1数字信号融合识别方法 数字信号融合方法也称软件融合法,其主要原 理是: 将各传感器测出的模拟信号dVa/dt,Z1,Z2 和0进行放大,抗干扰处理和A/D转换后,送入 控制微机作进一步的信号处理和运算.为此,需将 公式(1)中各个变量进行离散化处理,并采用二 阶后向差商代替式中的二阶导数[.若设信号采样 周期为,且令口():d/dt,则在t:k?T时 刻有: d200(k)一20(k一1)+0(k一2) dt2T2 d2Z1Z1(k)一2Z1(k一1)+Z1(k一2) dt2 所以 )=寿[)-2o(k_1)+o(k_2)]一专+ =().82()+—[z.()一2Z.(一1)+2 gg'T''' z?(一2)2?()一—l_—[z?()一2z?(一)+ z1(一2)]?.()+()一?z1()+ 了.Itz 2()=0,1,2,…(2) 公式(2)即为道路坡度角数字信号融合算式. 采用软件融合方法的最大优点是信号处理电路 简单,抗干扰能力强,同时,可灵活,方便地采用 数字滤波方法去除干扰信号.但由于汽车换档控制 过程要求控制器不仅对选换档操纵能实时控制,而 且还要求对离合器接合速度和位置,油门启闭速度 与位置进行精确的控制,此外还必须对发动机转 速,车速,加速踏板位置,制动踏板位置,油门实 ? 收稿日期:2001.07.12;修订日期:200209.19 基金项目:国家教育部博士点基金资助(项目编号:97061104) 作者简介:杨志刚(1957一),男,河南信阳人,重庆大学博士研究生,重庆交通学院交 通与汽车工程系副教授,主 要从事汽车智能控制技术研究. 等:道路坡度识别方法的技术实现113 第3期杨志刚, 际开度等信息进行周期性的 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 .为了保证良好的 实时性能,信号检测和执行器的控制周期必须限制 在数十毫秒内.对于采用单微处理机的控制器,在 仅有数十毫秒的控制周期内,再挤出一些时间进行 道路坡度的数字信号融合处理,时间资源就显得十 分紧张,同时,每个模拟信号传感器还需要增加一 个A/D转换通道.因此,软件融合法仅适合于采 用双微处理机的控制系统. 2模拟信号融合方法 模拟信号融合方法亦称硬件电路融合法,也就 是采用模拟集成运算电路来实现多个传感器信号的 融合,从而识别出所需信号的算法. 在采用单微处理机控制器的条件下,为了解决 时间资源危机的矛盾,对道路坡度角的多传感器信 号融合宜采用由硬件电路构成的融合器来实现.由 于模拟电路对信号的响应具有快速,直接的特点, 故经过信号融合器后,其输出量就是道路坡度信 号,将该信号变为数字量送入微处理机仅需一路 A/D转换器即可完成.这也是硬件电路融合法的 显着特点. 模拟信号融合器组成原理如下: 由公式(1)知,采用多个传感器信息融合方 法动态识别道路坡度,除需要单摆式角位移传感器 的角位移量,汽车行驶加速度dvo/dt,车身在 前,后悬架处上下振动的位移量Z.和z2这四个 直接测量参数外,还需要反映和z变化趋势的 信号d2O/dt以及dZ/dt,因此要利用模拟微分 电路来从变化的和z中提取这两个信号.此外, 对于式中的几个耦合项dvo/dt?0,d2Z1/dt?0和 dZ/dt-0,可采用模拟乘法电路来实现[.最 后,各种信号的综合是通过"和"或"差"来完成 的,需要通过由运算放大器构成的加,减法电路来 实现. 因为各直接测量0,dvo/dt,Z1和z2分别与 由相应传感器检测的信号经过处理电路后输出的电 压信号,‰,z. 和Z^对应成正比,即: 角位移信号0=k?11,(3) 加速度信号dvo/dt=k?11,(4) z1位移信号Z1=kz?11,z(5) z2位移信号Z2=kz.11,z(6) 其中,k,k,kz——比例系数;11,0——角位移传 感器信号处理电路的输出电压;II,a——加速度传感 器信号处理电路的输出电压;u,. —— 分别为 z和z2位移传感器信号处理电路的输出电压. 设坡度角a也与融合器输出电压u成正比, 即a=k?u,k为比例系数.则公式(1)可写成: …=一+? ".一.. u+幻?一kz ?lJ'Z 1 + kz ?uz : (7) 当汽车在坡道上处于静止状态,且车身无附加 倾斜角度时,应有 孥:_0'一o,(,, 由(1)式知,此时有a=0,也就是k?u=k8? 若取比例系数k与角位移传感器的电压比例 系数k8相同,即k=k8,以便使静态的坡度角融合 值的电压信号与此时角位移传感器处理电路所输出 的电压值保持一致.则公式(7)变为: rdkk.k8, 一 a+a+ z dzlz? dz l3'' kzkz 8一'z .+三'z2 =】+2+3+4+一5(8) 式中, rd ' 2=一k?//'a/(g-ko) u3=k-ko/2g-u?u u4=uo?(u8一k2o/6?u) z dz l . (9) (10) (11) (12) (13) U1"5:(1J'Z1 一 uz)(14)一z2 H 以上各电压信号融合过程通过以下电路来实 现: ?//,电压信号的电路实现 由式(9)知,//,.与//,间为二阶导数关系, 而系数r/g为常数.故采用由图1所示的两级微 分电路来完成从信号电压11,到11,.的变换. 电路中,11,1与11,的关系为: 11,1:(R3?R5-C1?C3)d//,/dt 对比式(9),只要取电路参数尺3?R5'C1'C3=r/g 即可. 此外,R的作用是限制高频噪声干扰L 114重庆交通学院第21卷 图1II,l信号电路 于相位补偿. ?11,2信号的电路实现 因为11,2=一./(g?k口)?11,.,用反向放大器 即可实现,见图2. 图2u2信号电路 取尺7/尺6=./ 图中U2=一尺7/尺6'u.,比较两式, g'ko. ?11,0信号电路 11,0与11,z. 之间也是二阶导数关系,也可用两级 微分电路实现(见图3).其中,电阻和电容参数 应满足关系: Rio?Rl2?C4?C5=kz/g 图3II,0信号电路 ?实现11,3和11,信号的电路 11,3和11,均为两个以上的电压信号乘积形式所 融合而成,需采用模拟乘法电路来实现,其电路原 理如图4所示. 图4u3和u4信号电路 图中,A6,A7,A9和All采用四象限差动输入 式模拟乘法集成电路,如AD532等,其输出与 四个输入l,2,Yl,Y2的关系为V=1/10(l— 2).(Yl—Y2)[.因此在图4电路中采用同相放 大器A8和A,0来调整输出信号.在由A8构成的电 路中,将其输出与输入之间的关系表达式与式 (11)比较,得到电路参数应满足的条件是: 1,.R】4,k?kd 而\?』百 同理,Alo的输出矗(1+尺Rl5/16/与式(12)中;/6 ?u项比较,得到该电路参数应满足的条件为: 志(?+R16)=和 由于A,0的输出连接在A,,的-端,故A--的输 出应为//,电压的一1/10. ?//,信号电路 u信号电路采用差动输出电路见图5实现由 uz. 和uz到u5的转换. 只,n 图5信号电路 第3期杨志刚,等:道路坡度识别方法的技术实现115 由电路有5=R:.Uz . :I一R17 1],与公式(14) 比较知,应取R.=R.8,且使电路参数满足条件 R2o/R18=R2o/Rl7=kz/(L?),便可达到对U5 信号的融合目的. ?实现电压信号U的电路 图6u信号电路 根据公式(8)可设计图6所示的加减法运算电路, 以实现各信号最终融合成与坡度角a成正比的电 压信号U. 电路参数应满足条件 R2l:R22R23R24=R26 R"=R29=R3l:10R28 若将上述各部分电路连接成一体后,集成在一块芯 片上,就构成了专用的信号融合器.而且,可以提 高电路的抗干扰能力和可靠性. 3结语 笔者讨论了采用数字信号融合以及模拟信号融 合两种方法来实现动态识别道路坡度角的思路.它 们从技术上都是切实可行的,但各有利弊,应根据 具体情况合理选用.各种方法对坡度角识别精度的 高低还有待于通过进一步的实车试验得出结论. 参考文献: [1]杨志刚,曹长修,苏玉刚.动态识别道路坡度的多 传感器信息融合方法[J].重庆交通学院, 2002:21(2):97—102. [2]孙和平.计算机控制系统原理及设计[M].北京: 中国计量出版社,1987:37—42. [3]程开明.模拟电子技术[M].重庆:重庆大学出版 社,1993:124—137 Thepracticaltechniquesofidentifyingroadgrade YANGZhi-gang,CAOChang-xin,SUYu-gang (AutomationInstituteofChongqingUniversity,Chongqing400(M~,China) Abstract:Inthispaper,accordingtothemathematicsmodelidentifyingdynamicallygradean glebymeansofmulti—sen- $orinformationfusion,theauthorsintroducetwomethodsofpracticaltechniquesrealizingthesignalfusionalgorithm,i. e.thedigitalinformationfusionandtheanaloguesignalfusion,SOastoidentifyroadgradeangle. Keywords:informationfusionmethod;identificationofroadgrade;digitalsignalfusion;analoguesignalfusion 责任编辑:万仁玉