一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统

技术领域

本发明涉及路面检测技术领域，具体为一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统。

背景技术

车辆行驶过程中，多样的不平路面会对驾驶造成不同的影响。为了保障驾驶的安全性和舒适性，需要实时准确地检测路面不平度。在当前车载智能路面不平度检测系统的市场中，大都基于摄像头采集路面图像，然后在高算力MCU处理器中通过计算机视觉技术对图像进行处理和分析，提取路面的纹理、凹凸等特征来评估路面的不平度。该方案虽然在路面不平度检测方面有较高性能，但在方案部署前，需要人为采集大量的高质量路面图像以供高算力MCU处理器进行图像算法训练，对人力成本有较高的要求。同时，摄像头和高算力MCU处理器作为高性能器件，成本较为昂贵。

除此之外，请参阅专利CN113884574A，该专利名称为基于SLAM的智能测路面纵断面平整度仪，该专利采用超声波传感器对路面平整度进行检测，但在检测过程，对于由于超声波传感器位置偏移引起的异常数据，只能采用丢弃处理，因此在检测的完整性和可靠性上还存在提升空间。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于超声传感器的车载智能路面不平度检测系统，可以在车辆行驶过程中实时准确地检测路面不平度，从而使车辆可以自动识别所行驶路面的不平度，改善驾驶的安全性和舒适性。

本发明的一方面提供了一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统，配置于行进过程的车辆上，包括主控MCU、加速度传感器和超声波测距传感器；

所述的加速度传感器，实时采集系统的加速度信号，并传输回主控MCU；

所述的超声波测距传感器，实时采集系统与路面间的距离信号，并传输回主控MCU；

所述的主控MCU，接收加速度传感器回传的实时加速度信号，结合角度算法计算系统当前的俯仰角和滚转角；

所述的主控MCU根据所述滚转角，通过PID算法控制水平位置保持模块实时调整系统的位置，使系统稳定保持在水平位置；

所述的主控MCU根据所述俯仰角和垂向加速度对离地距离数据进行补偿，进而得到路面高程数据，从而确定路面不平度。

本发明的另一方面提供了上述基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统在车辆上的应用。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1.本发明所述的一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统对路面不平度采用直接检测方法，相较于众多间接测量方法，省去了人工数据采集以及算法训练的步骤，有效地降低了人力成本，缩短了开发周期。

2.本发明所述的一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统，能够自动修正车辆行驶中所述系统的横向位置偏移，使所述系统稳定保持水平状态，有效消除了由于车辆侧倾运动导致的检测误差。

3.本发明所述的一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统，能够结合加速度传感器以及补偿公式，自动修正由于车辆俯仰运动导致的检测误差，有效增加了检测的准确性。

4.本发明所述的一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统，在器件成本上减少了对高精度器件的依赖，有效降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统的系统框图。

图2是本发明所述的一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统的结构连接图。

图3是本发明所述的一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统的滚转角补偿原理图。

图4是本发明所述的一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统的俯仰角补偿原理图。

图5是本发明所述的一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统在车辆上的应用。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明的内容进行进一步的阐述，但本发明不仅仅局限下面的实施例。

考虑到在车辆行驶过程中，由于路面不平度激励和路面宽度方向上的坡度，车载智能路面不平度检测系统在检测过程中会产生俯仰运动和侧倾运动，这会造成检测上的误差，本发明提出利用加速度传感器和步进电机进行误差修正方法。即主控MCU根据滚转角大小控制步进电机，修正所述系统的位置偏移，保持所述系统水平状态，并根据俯仰角和垂向加速度结合补充公式修正所述系统检测路面的路面高程，提供检测精度。

本发明包括主控电路板，所述的主控电路板包括主控MCU、加速度传感器、供电模块、超声波测距传感器和无线通信模块，所述的主控电路板水平放置并连接步进电机；所述的步进电机固定在车体后方；所述的供电模块给所述系统和步进电机进行供电。

所述的加速度传感器实时采集所述系统的加速度信号，再传输回主控MCU；所述的超声波测距传感器实时采集所述系统与路面间的距离信号，再传输回主控MCU；所述的主控MCU接收加速度传感器回传的实时加速度信号，结合角度算法计算出所述系统当前的俯仰角和滚转角；所述的主控MCU根据所述系统的滚转角通过PID算法控制所述的步进电机，实时调整所述系统的位置，使所述系统稳定保持在水平位置；所述的主控MCU接收超声波测距传感器回传的实时距离信号，根据俯仰角和加速度结合理论公式对离地距离数据进行数据补偿，并减去初始离地距离，得到准确的路面高程数据，最后通过公式计算得到准确的路面不平度信息。

所述路面高程为检测路面与标准平面的竖直高度差；所述标准平面为初始检测的道路平面；所述路面不平度为路面高程的功率谱密度；所述无线通信模块将所述准确的路面不平度信息进行无线传输；

优选的，所述供电模块为充电锂电池。

优选的，所述超声波测距传感器产生的超声波频率为42Khz。

优选的，所述加速度采样频率为1-2000HZ,量程为0-±16g。

优选的，所述步进电机为两相57型步进电机，电机长度为41mm，步距角为1.8°。

在某一实施例中，所述主控MCU根据所述加速度传感器回传的加速度信号结合积分公式计算俯仰角和滚转角，计算公式如下：

上式中，Pitch表示所述系统的俯仰角，即表示所述系数绕x轴(车辆前进方向)旋转角度。Roll表示所述系统的滚转角，即表示所述系统绕y轴(车辆侧向方向)。A

优选地，所述主控MCU通过PID算法控制步进电机以保持所述系统的水平位置，消除车辆在行驶过程对所述系统造成的侧偏影响。

优选地，所述超声波测距传感器可以直接测量所述系统与路面的垂向距离。

在某一实施例中，所述主控MCU根据所述系统的俯仰角和垂向加速度进行数据补偿，补偿公式如下：

Z(t

ΔZ(t

上式中，t

在某一实施例中，因为路面不平度激励一般为随机过程，所以用路面高程的功率谱密度描述路面不平度，其表达公式如下：

ΔZ(f)＝∫ΔZ(t)*e

psd(f)＝|ΔZ(f)|

上式中，ΔZ(t)表示经过数据补偿后的路面高程时域信号；ΔZ(f)表示路面高程时域信号ΔZ(t)经过傅里叶变换得到的路面高程频域信号，其中f表示频率；Psd(f)表示检测道路的路面不平度，即检测道路的路面高程的功率谱密度。

优选地，所述无线通信模块的通信芯片为NRF24L01。

如图1所示，本实施例的一种基于超声波传感器的车载智能路面不平度检测系统包括：主控电路板和水平位置保持部分。

主控电路板包括：主控MCU，加速度传感器，无线通信模块，供电模块以及超声波测距传感器。供电模块给主控MCU供电。主控MCU定时接收加速度传感器传输的实时三轴加速度信号和超声波测距传感器的实时离地距离信号。主控MCU接收实时三轴加速度，结合式1,式2(角度算法)计算所述系统实时的俯仰角和滚转角。

水平位置保持部分包括驱动模块，联轴器以及步进电机。如图2所示，联轴器连接步进电机和主控电路板。在车辆运行过程中，当滚转角大于阈值时，主控MCU通过PID算法控制步进电机修正所述系统的位置偏移，使所述系统保持水平状态。驱动模块接收主控MCU信号并驱动步进电机。

滚转角补偿原理如图3所示，由于路面宽度方向上的坡度，固定在车辆上的车载智能路面不平度检测系统会产生滚转运动。在车辆行驶过程中，所述系统的横向位置在滚转运动的干扰下发生了偏移，因此需要主控MCU通过PID算法控制步进电机修正所述系统的位置偏移，保持所述系统的水平状态。

俯仰角补偿原理如图4所示，由于路面不平度激励，固定在车辆上的车载智能路面不平度检测系统同时也会产生俯仰运动。在俯仰运动的干扰下，所述系统的垂向位置发生了偏移，因此需要主控MCU根据俯仰角和垂向加速度通过式3(补偿公式)对超声波传感器检测的数据进行数据补偿。

在图4中，采用X

如图5所示，步进电机通过固定在车辆后侧，步进电机通过联轴器与主控电路板连接。加速度传感器的x轴与车辆前进方向保持一致，水平焊接在主控电路板上。超声波测距模块探头水平向下，检测所述系统的实时离地距离。

主控MCU在完成数路面高程的功率谱密度计算后，即求出检测道路的路面不平度后，通过无线通信模块进行数据无线传输。

综上，本发明相较于主流的摄像头图像处理系统，将对路面不平度的检测方式从间接检测改为直接检测，省去图像算法训练过程，降低了人工成本。其次，从摄像头改为超声波传感器，将高算力MCU处理器改为普通MCU处理器，减少了对高性能器件的需求，降低了系统整体的成本。同时，相较于传统的基于超声波传感器的路面检测系统，增加步进电机实现超声波传感器的水平位置保持，保障检测的稳定性，新增加速度传感器为检测数据提供数据补偿，提高了检测的准确性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。