一种采集汽车方向盘转角信息的系统及方法.pdf

本发明涉及一种采集汽车方向盘转角信息的系统及方法。方向盘转角传感器3、信号处理与数据计算模块1、无线发送模块4、电源模块2形成一个集成装置7；安装于汽车方向盘盘面8上。方向盘转角传感器3上电后，可与汽车方向盘同步、同轴心转动，并实时输出与方向盘转角信息相关的电信号；信号处理与数据计算模块1将电信号经离散、采样、模数转换、平滑处理后，根据角度转化系数、初始位置参数、发送周期计算出角度值、角速度值等方向盘转角信息，以串行数据形式传送至无线发送模块4的输入端口；无线发送模块4、无线接收模块5构成的链路自动将汽车方向盘转角信息传输至计算机6或其他智能终端，以便研究人员进行分析、处理、转化。本发明具有安装便利、适用性强、对驾驶安全无影响等优点。

1.  一种采集汽车方向盘转角信息的系统，包括方向盘转角传感器（3），其特征在于：系统还包括信号处理与数据计算模块（1）、无线发送模块（4）、电源模块（2）、无线接收模块（5）；信号处理与数据计算模块（1）的信号输入端与方向盘转角传感器（3）绕轴运动产生的有效信号输出端相连接；方向盘转角传感器（3）、信号处理与数据计算模块（1）、无线发送模块（4）、电源模块（2）形成一个集成装置（7）；集成装置（7）安装于汽车方向盘盘面（8）上，集成装置（7）上设有标准接口，无线接收模块（5）、计算机（6）或其他智能终端通过标准接口与集成装置（7）连接，并从中取电。

2.  一种采集汽车方向盘转角信息的系统，其特征在于：
所述方向盘转角传感器（3）用于将方向盘转动运行状态直接转换成便于信号处理与数据计算的标准电信号；
所述信号处理与数据计算模块（1）用于将方向盘转角传感器（3）采集的电信号进行离散、采样、模数转换、平滑处理，并由模块内的中央处理单元进行逻辑计算，最终将转角信息输送至无线发送模块（4）相应端口；
所述无线发送模块（4）将信号处理与数据转换模块（1）输出的汽车方向盘转角信息，以无线方式发送至远程无线接收模块（5）；
所述电源模块（2）为方向盘转角传感器（3）、信号处理与数据计算模块（1）、无线发送模块（4）供适配、稳定的电压源；
所述无线接收模块（5）用于接收无线发送模块（4）发出的汽车方向盘转角信息，并将数据格式转换为适于计算机（6）或其他智能终端适配端口的读取格式。

3.  一种采集汽车方向盘转角信息的系统，其特征在于方向盘转角传感器（3）为三轴加速度传感器。

4.  一种采用权利要求1-3所述系统的汽车方向盘转角信息采集方法，其特征步骤如下：
（a）安装集成装置（7）时，调整方向盘转角传感器（3）中的一轴与汽车方向盘转动轴心重合，信号处理与数据计算模块（1）的信号输入端与方向盘转角传感器（3）绕轴运动产生的有效信号输出端连接；
（b）上电前，将汽车方向盘置于正中位置，使汽车前轮无偏转；
（c）上电后，信号处理与数据计算模块（1）首先记录并存储汽车方向盘初始位置值，随后根据初始位置值、转换系数等参数，进行数字平滑处理并计算输出与方向盘转角相关的信息；
（d）输出的汽车方向盘转角信息如角度值、角速度值等，将被信号处理与数据计算模块（1）内的中央处理单元直接转换为无线发送模块（4）可读取的数据形式，经由无线发送模块（4）、无线接收模块（5）构成的链路，传输至计算机（6）或其他智能终端。

5.  如权利要求4所述的一种汽车方向盘转角信息采集方法，其特征在于步骤（c）中的平滑处理使用以下方法：采用无浮点计算功能处理单元时，使用求解算术平均值方法；采用有浮点计算功能处理单元时，使用求解算术平均值方法或卡尔曼滤波方法。

6.   如权利要求4所述的一种汽车方向盘转角信息采集方法，其特征在于步骤（c）中所涉及的转换系数在信号处理与数据计算模块（1）软件代码编译时写入。

7.  如权利要求4所述的一种汽车方向盘转角信息采集方法，其特征在于步骤（d）中无线发送模块（4）可读取的数据形式为串行数据；无线发送/接收链路的工作频率大于方向盘转角信号采样频率。

8.  如权利要求4所述的一种汽车方向盘转角信息采集方法，其特征在于步骤（d）中所涉及的通讯协议、采样时长、发送周期值在信号处理与数据计算模块1软件代码编译时写入。

一种采集汽车方向盘转角信息的系统及方法
技术领域
本发明涉及汽车驾驶动作信息采集领域，尤其是涉及一种采集汽车方向盘转角信息的系统及方法。
背景技术
汽车方向盘的转动直接控制着车辆横向位移及曲线轨迹，影响着车辆运行时的操作稳定性、行驶平稳性等性能，反映了驾驶员的驾驶能力以及安全意识水平。在包括方向盘在内的汽车转向及其附属传动机构上安装转角传感器，提取驾驶员转动方向盘角度信息，是提升汽车性能、设计车载安全辅助驾驶装置、评估驾驶员驾驶适应性等研发工作的基础。目前已公开的专利中已有许多汽车方向盘转角信息提取方法，例如“一种基于陀螺仪芯片的方向盘转角测量方法及其装置（CN103245284A）”，“方向盘转向角度传感器装置（CN103072622A）”，“一种用于测量汽车方向盘转角的转角检测装置（CN203427881U）”等。此类专利所提供的技术方案均可表述为：在方向盘及其连杆轴向安装转角传感器或检测系统，连线供电并引出信号，交由可编程处理单元进行信号处理与逻辑运算。采用此技术方案的不利之处在于：安装困难；运动件及导线易磨损；在方向盘连杆上进行加工并安装器件会对车辆本身造成安全隐患。部分技术方案会妨碍驾驶员驾驶，影响驾驶安全。
发明内容
本发明的目的是针对现有采集汽车方向盘转角信息存在的不足，提供一种汽车方向盘转角信息采集系统及方法。
本发明的技术解决方案是：一种采集汽车方向盘转角信息的系统，它包括：方向盘转角传感器，信号处理与数据计算模块、无线发送模块、电源模块、无线接收模块；信号处理与数据计算模块的信号输入端与方向盘转角传感器绕轴运动产生的有效信号输出端相连接；方向盘转角传感器、信号处理与数据计算模块、无线发送模块、电源模块形成一个集成装置；集成装置安装于汽车方向盘盘面上，集成装置上设有标准接口，无线接收模块、计算机或其他智能终端通过标准接口与集成装置连接，并从中取电。
所述方向盘转角传感器：用于将方向盘转动运行状态（非电量）直接转换成便于信号处理与数据计算的标准电信号。
所述信号处理与数据计算模块：用于将方向盘转角传感器采集的电信号进行离散、采样、模数转换、平滑处理，并由模块内部的中央处理单元进行逻辑计算，最终将转角信息输送至无线发送模块相应端口。
所述无线发送模块：将信号处理与数据转换模块输出的汽车方向盘转角信息，以无线方式发送至远程接收模块。
所述电源模块：为上述传感器、模块提供适配、稳定的电压源。
所述无线接收模块：用于接收无线发送模块发出的汽车方向盘转角信息，并将数据格式转换为适于计算机或其他智能终端适配端口的读取格式。
进一步，所述方向盘转角传感器为三轴加速度传感器。
进一步，所述电源模块内含储能电池为方向盘转角传感器、信号处理与数据计算模块、无线发送模块供电。
本发明还提供一种基于上述汽车方向盘转角信息采集系统的汽车方向盘转角信息采集方法，包括以下步骤：
（a）在方向盘盘面上安装集成装置时，调整方向盘转角传感器中的一轴与汽车方向盘转动轴心重合，信号处理与数据计算模块的信号输入端与方向盘转角传感器绕轴运动产生的有效信号输出端连接；
（b）上电前，需将汽车方向盘置于正中位置，使汽车前轮无偏转；
（c）上电后，信号处理与数据计算模块首先记录并存储汽车方向盘初始位置值，随后根据初始位置值、转化系数、发送周期等参数，进行平滑处理并计算输出与方向盘转角相关的信息；
（d）输出的汽车方向盘转角信息如角度值、角速度值等，将被信号处理与数据计算模块内的中央处理单元直接转换为无线发送模块可读取的数据形式，经由无线发送模块、无线接收模块构成的链路，传输至计算机或其他智能终端。
上述步骤中，所述步骤（c）中的平滑处理使用以下方法：
若采用无浮点计算功能处理单元，使用求解算术平均值方法；
若采用有浮点计算功能处理单元，使用求解算术平均值方法或卡尔曼滤波方法。
上述步骤中，所涉及的转换系数在信号处理与数据计算模块软件代码编译时写入。
上述步骤中，所述步骤（d）中的无线发送模块可读取的数据形式为串行数据；无线发送/接收链路的工作频率大于方向盘转角信号采样频率。
上述步骤中，所涉及的通讯协议、采样时长、发送周期值在信号处理与数据计算模块软件代码编译时写入。
本发明的工作原理是：安装于汽车方向盘盘面的方向盘转角传感器上电后，可与汽车方向盘同步、同轴心转动，并实时输出与方向盘转角信息相关的电信号；电信号经离散、采样、模数转换、平滑处理后，根据角度转化系数（转角传感器标定时已确定）、初始位置参数（转角传感器每次上电时确定）、发送周期计算出角度值、角速度值等方向盘转角信息，以串行数据形式传送至无线发送模块输入端口；无线发送模块、无线接收模块构成的链路自动将汽车方向盘转角信息传输至计算机或其他智能终端，以便研究人员进行分析、处理、转化。
 本发明的有益效果是：
（1）.采用三轴加速度传感器对方向盘转动状态进行电信号转换，原理简单，应用范围广，使用条件不受汽车方向盘外形、尺寸、规格等限制；
（2）对方向盘转角传感器、信号处理与数据计算模块、无线发送模块、电源模块（含储能电池）进行集成并形成了一个装置，安装于汽车方向盘盘面上。避免了对方向盘连杆等转向传动机构进行拆卸和加工破坏；也有利于装置本身的安装、调校、拆卸；
（3）系统使用无线发送模块、储能电池，与汽车本体无电气、信号连接。避免了对汽车内部信号的干扰，以及因振动、导线缠绕造成的电源短路隐患；
（4）系统上电前，可进行初始位置角度值校正。避免了因壳体安装松动、车辆机械磨损、环境温度变化引起信号漂移等情形造成的检测系统误差增大；
（5）信号处理与数据计算模块具有数字平滑功能。在系统硬件构建时，根据中央处理单元是否具有浮点计算功能，确定使用对应的数字平滑方法。
综上所述，本发明的汽车方向盘转角信息采集系统具有安装便利、适用性强、对驾驶安全无影响等优点。
附图说明
图1为本发明采集汽车方向盘转角信息系统结构示意图。
图2为本发明采集汽车方向盘转角信息系统安装位置正视图。
图3为本发明采集汽车方向盘转角信息系统安装位置侧视图。
图4为本发明采集汽车方向盘转角信息系统方向盘初始工作状态示意图。
图5为本发明采集汽车方向盘转角信息系统方向盘偏转工作状态示意图。
图6为本发明采集汽车方向盘转角信息方法流程图。
图7为本发明采集汽车方向盘转角信息方法数字平滑方法流程图。
 图中：1. 信号处理与数据计算模块；2. 电源模块；3. 方向盘转角传感器；4. 无线发送模块；5. 无线接收模块；6. 计算机；7.集成装置；8. 汽车方向盘盘面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
 如图1所示，本发明涉及的一种采集汽车方向盘转角信息系统，包括：方向盘转角传感器3，信号处理与数据计算模块1，无线发送模块4（含内置天线），电源模块2（含储能电池），无线接收模块5，计算机6。其中，信号处理与数据计算模块1的信号输入端与方向盘转角传感器3绕轴运动产生的有效信号输出端相连接。方向盘转角传感器3、信号处理与数据计算模块1、无线发送模块4、电源模块2形成一个集成装置7；集成装置7安装于汽车方向盘盘面8上，集成装置7上设有标准接口，无线接收模块5、计算机6或其他智能终端通过标准接口与集成装置7连接，并从中取电。
如图2、图3所示，为了使本发明采集汽车方向盘转角信息系统安装、调校、应用的便利，方向盘转角传感器3、信号处理与数据计算模块1、无线发送模块4、电源模块2形成一个集成装置7，并将方向盘转角传感器3安放于集成装置7的中心部分。应用时，将集成装置7紧固安装于汽车方向盘盘面8中心部分，并使方向盘转角传感器3的转动轴心与汽车方向盘盘面8的转动轴心重合。
 如图4所示，为避免因壳体安装松动、车辆机械磨损、环境温度变化引起信号漂移等情形造成的检测系统误差增大，集成装置7上电前需要进行初始位置角度值校正。将装有集成装置7的方向盘盘面8摆放至如图3所示的正中位置后使集成装置7上电，此时方向盘转角传感器3产生的电信号经信号处理与数据计算模块1处理后，可得到方向盘盘面8正处于某角度值，此角度值即为初始位置角度值，设为Δθ，信号处理与数据计算模块1将保存Δθ在存储器内，并作为后续转角信息输出值的校正参数，直至集成装置7断电。
 如图5所示，当方向盘盘面8发生偏转（本实施例为顺时针方向）时，方向盘转角传感器3产生的电信号经信号处理与数据计算模块1处理后，得到方向盘盘面8所处角度值为θ，结合前述初始位置角度值Δθ，可输出当前方向盘盘面8所处角度准确值                                                ，公式为：=θ—Δθ。
 如果信号处理与数据计算模块1在相隔N个采样周期T可得到两个偏转角度值 和，此时可输出方向盘盘面8在NT时间内转动的角速度ω，公式为：
。
 上述、ω值的正负与方向盘盘面8转动方向（顺时针或逆时针）相关联。
 如图6所示，本发明采集汽车方向盘转角信息方法流程。其中，集成装置7上电前的安装方法，以及初始角度值Δθ、方向盘盘面8所处角度准确值、在NT时间内转动的角速度ω的计算方法已有阐述，不再重复。此处只叙述集成装置7上电后，信号处理与数据计算模块1内软件执行过程。
过程可描述为：
从存储器内读取初始化参数，包括方向盘转角传感器3特性参数（输出值范围、标定系数等），信号处理与数据计算模块1设定参数（波特率、执行循环定时器时长、采样周期倍数等），数字平滑处理参数（系统误差、计算误差、输出误差、卡尔曼增益等），串行数据通讯协议（报文格式、校验码计算公式等），分配计数器变量n存储空间；
信号处理与数据计算模块1对方向盘转角传感器3产生的信号进行离散化、量化、编码等数模转换处理后，进行数字平滑处理，获取初始角度值Δθ并分配存储空间保存；
获取方向盘盘面8当前位置对应的方向盘转角传感器3中的电信号，根据Δθ计算方向盘盘面8当前所处角度值，分配存储空间进行存储；
利用计数器变量n循环迭代进行延时；
获取方向盘盘面8当前位置对应的方向盘转角传感器3中的电信号，根据Δθ计算方向盘盘面8当前所处角度值；
根据、，计算方向盘在NT时间内的角速度ω，将值保存在存储空间（即用覆盖值），并将n赋0值；
信号处理与数据计算模块1将角度值、角速度值ω以串行数据形式传送至无线发送模块4输入端口。
 无线发送模块4与无线接收模块5之间传输串行数据，以及无线接收模块5与计算机6之间的串口通讯均采用异步通讯模式自动完成，无线发送/接收链路的工作频率大于方向盘转角信号采样频率可满足要求。
信号处理与数据计算模块1对方向盘转角传感器3产生的信号进行离散化、量化、编码等数模转换后，仍需要进行数字平滑处理，以防止方向盘转角传感器3本身所固有的系统误差、随机误差对方向盘转角信息采集带来的影响。
信号处理与数据计算模块1若采用无浮点计算功能处理单元，使用求解算术平均值方法；若采用有浮点计算功能处理单元，使用求解算术平均值方法或卡尔曼滤波方法。
如图7所示，本发明采集汽车方向盘转角信息卡尔曼滤波数字平滑方法流程图。
过程可描述为：
对卡尔曼滤波数字平滑方法所需的参数进行初始化赋值并分配存储空间，包括：系统误差S、计算误差C、输出误差U，对卡尔曼增益G赋值0，对传感器输入值（已经过模数转换处理）R赋量程内的随机值，传感器输出L初始值赋值0；
读取传感器输入值，更新R；
根据系统误差S、计算误差C、输出误差U，计算更新卡尔曼增益G，公式为：

根据传感器输入值R、卡尔曼增益G、上一次传感器输出L，计算更新传感器输出值，记为，公式为：
计算完毕后，将保存在L存储空间（即用覆盖L）；
根据系统误差S、卡尔曼增益G、上一次计算误差C、计算更新计算误差，记为，公式为：
计算完毕后，将保存在C存储空间（即用覆盖C）；
 最后，向信号处理与数据计算模块1内其他处理步骤传送L值，完成单次卡尔曼滤波数字平滑过程。
 图7所述过程可视为图6中“方向盘盘面8初始角度值Δθ、所处角度准确值和”获取过程中的数字平滑处理过程。