CN204415378U - 一种基于车载智能终端对车辆进行标定的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于车载智能终端对车辆进行标定的装置，应用于智能终端，所述智能终端固定在车辆上，包括：信息采集模块，用于利用智能终端内嵌的加速度传感器、GPS传感器和方向传感器采集车辆的加速度、速度、方向和时间戳信息；信息过滤模块，用于对采集的数据通过速度和方向信息进行过滤，选出有效的直线启动状态下的数据；信息处理模块，用于根据选出的有效的直线启动状态下的数据，计算得到智能终端坐标系与车辆坐标系之间的转换关系式，并根据所述信息采集模块采集的智能终端的实时采集数据和智能终端坐标系与车辆坐标系之间的转换关系式，输出车辆对应的信息。本实用新型的装置估计精度很高，具有很好的应用前景。

Description

一种基于车载智能终端对车辆进行标定的装置

技术领域

本实用新型属于交通安全管理技术领域，尤其涉及一种基于车载智能终端对车辆进行标定的装置。

背景技术

交通安全是社会的焦点问题。近年来我国汽车保有量急剧增多。据统计2013年底我国机动车保有量突破2.5亿余辆，驾驶机动车的人数达2.8亿。与此同时，也伴随着交通事故的大量出现。2013年全国交通事故近20万起，造成众多的人员伤亡，给家庭和社会造成了巨大损失。为改善这种状况，除了制定更加完善的交通管理办法和更加严格的驾驶员培训制度，还需对驾驶员的驾驶状态、驾驶路线以及路况信息进行实时跟踪，建立更加完善的管理体制，也可以为交通事故发生后的责任划定提供一定的依据。具体阐述如下：

驾驶状态跟踪。即对车辆的驾驶状态进行跟踪，尤其对于酒驾车辆的监测可有效减少交通事故的发生。对手机加速度传感器记录的值进行处理，并与典型的酒驾各状态值比较可以判定是否为酒驾行驶。这个过程需要对车辆的加速度进行分解包括车辆前进方向的加速度和侧方加速度值，而手机坐标系与车辆坐标系的校正精度尤其关键。

驾驶路线追踪。现在较为简单的驾驶路线追踪用GPS模块记录轨迹即可，然而其精确度有限。虽能够了解车辆所在的位置信息，但不能对车辆的朝向，停放情况进行准确判断，危险停车更容易引发交通事故，造成人员伤亡。本方法通过智能终端加速度传感器判断驾驶状态(刹车、转弯、启动、减速等)能够更加准确地估计车辆的停放位置、朝向、坡度等信息。这些都需要对车辆坐标系和手机坐标系进行准确的估计。

路况信息采集。传统的路况估计方法有无线射频技术、车牌识别技术等固定点采样。近几年新增了利用智能终端进行路况估计的方法，主要通过基站、WIFI、GPS进行定位，以此推断路况信息。然而，此方法有很多不足之处：一是在信号薄弱有遮挡的地方无法进行准确定位，甚至不能够进行定位；二是用定位的方法估计路况，忽略了对驾驶状态的监测(频繁的启动停车现象、加减速行为、变道情况、超车现象)，不能够对道路的拥堵情况做出准确判断；三是如果用加速度传感器辅助GPS测量车辆的驾驶***整度进行测试，帮助人们选择更合理的出行路线。与驾驶路线追踪方法相似，需要对车辆坐标系和手机坐标系进行准确的校正。

由于方向传感器易受车内电磁设备的影响，且有些地理位置设备的部署会对地磁场产生较大影响，如电视发射塔、广播电台、手机基站、雷达站、高压线、变电站等。因此，有人曾提出过利用加速度传感器进行方向校正，但没有对估计数据进行较严格的过滤，仅使用加速度传感器进行方向校正，会由于非直线刹车的状态带来严重误差甚至错误，其通过紧急刹车的方法进行方向校正即使能够取得较好的估计结果，也影响用户对车辆的正常使用。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术方法的不足，提供一种基于车载智能终端对车辆进行标定的装置。

为了实现上述的目的，本实用新型技术方案如下：

一种基于车载智能终端对车辆进行标定的装置，应用于智能终端，所述智能终端固定在车辆上，设置有加速度传感器、GPS传感器和方向传感器，其特征在于，该装置包括：

信息采集模块，用于利用智能终端内嵌的加速度传感器、GPS传感器和方向传感器采集车辆的加速度(a_x',a_y',a_z')、速度ν、方向(w_x',w_y',w_z')和时间戳信息；

信息过滤模块，用于对采集的数据通过速度和方向信息进行过滤，选出有效的直线启动状态下的数据；

信息处理模块，用于根据所述信息过滤模块选出的有效的直线启动状态下的数据，计算得到智能终端坐标系x',y',z'与车辆坐标系x,y,z之间的转换关系式，并根据所述信息采集模块采集的智能终端的实时采集数据和智能终端坐标系x',y',z'与车辆坐标系x,y,z之间的转换关系式，输出车辆的对应信息。

进一步地，所述信息过滤模块在对采集的数据进行过虑时，执行如下步骤：

(2.1)通过采集到的速度筛选车辆的启动状态：车辆在3s内速度ν从零达到1.5m/s的状态为启动状态；

(2.2)从筛选出的启动状态中进一步筛选出直线启动状态：对车辆启动状态进行分析，对于朝向波动值在4度以内的为直线启动状态；

(2.3)从筛选出的直线启动状态中进一步筛选出有效的直线启动状态：加速度≥0.2m/s2的时刻为车辆启动真实时刻，速度从零到非零变化的时刻与上述真实时刻的时间差为GPS延迟时间，选取GPS延迟时间≤3.5s时为有效的直线启动状态。

本实用新型处理模块在计算得到智能终端坐标系x',y',z'与车辆坐标系x,y,z之间的转换关系式时，执行以下操作：

将车辆坐标系绕其Z轴顺时针旋转α角度后得到坐标系x₁,y₁,z₁，然后绕其X轴逆时针旋转β角度后得到x₂,y₂,z₂，最后绕其Y轴逆时针旋转γ角度，使得车辆坐标系经三次旋转后与智能终端坐标系重合，β角度等于有效的直线启动状态的w_y′的平均值；γ角度等于有效的直线启动状态的w_z′的平均值；根据水平面的加速度值求出手机朝向与车辆前进方向的α角度，由下式求得，

α＝arctan(a_y1/a_x1)+90，a_x1＜0,a_y1＜0或a_x1＜0,a_y1＞0

α＝arctan(a_y1/a_x1)+270，a_x1＞0,a_y1＜0或a_x1＞0,a_y1＞0

其中，a_x1表示在坐标系x₁,y₁,z₁中x₁方向的加速度，a_y1表示在坐标系x₁,y₁,z₁中y₁方向的加速度，通过以下公式得到：

$\left[\begin{array}{c}{a}_{x1}\\ a_{y1}\\ a_{z1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& 0& -\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{a_{x^{\′}}}\\ \stackrel{\‾}{a_{y^{\′}}}\\ \stackrel{\‾}{a_{z^{\′}}}\end{array}\right]$

为有效直线启动状态加速度a_x′的平均值；为有效直线启动状态a_y′的平均值；为有效直线启动状态a_z′的平均值；a_z1表示在坐标系x₁,y₁,z₁中z₁方向的加速度；

进一步得到智能终端坐标系x',y',z'与车辆坐标系x,y,z之间的转换关系式如下：

$\left[\begin{array}{c}{m}_x\\ m_y\\ m_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& 0& -\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{m}_{x^{\′}}\\ m_{y^{\′}}\\ m_{z^{\′}}\end{array}\right]$

其中(m_x',m_y',m_z')为智能终端实时采集数据，(m_x,m_y,m_z)为转化到车辆坐标系后车辆对应的信息。

本实用新型的有益效果是，综合利用智能终端的加速度传感器、方向传感器和GPS通过测量车辆的启动状态实现了车辆坐标系和手机坐标系之间的转化，并通过智能终端采集的实时数据来计算得到车辆的对应信息，操作简单、效率高，且有很高的估计精度，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型基于车载智能终端对车辆进行标定的装置结构示意图；

图2a为本实用新型车辆坐标系示意图；

图2b为本实用新型手机坐标系示意图；

图3为朝向波动值及样本数量的关系图；

图4为GPS数据延迟时间和方向校正精度；

图5为车辆坐标系与手机坐标系转换关系图；

图6为α多次方向校正结果示意图；

图7为β多次方向校正结果示意图；

图8为γ多次方向校正结果示意图；

图9为实验验证结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本实用新型的限定。

本实用新型的总体思想是综合利用智能终端的加速度传感器、方向传感器和GPS，通过测量车辆的启动状态实现了车辆坐标系和智能终端坐标系之间的转化，并根据智能终端实时采集的坐标数据来标定车辆的对应信息。本实施例中智能终端为手机或智能平板电脑，以下以手机为例进行说明。

本实施例一种基于车载智能终端对车辆进行标定的装置如图1所示，包括信息采集模块、信息过滤模块和信息处理模块。

其中，信息采集模块主要用于利用智能终端内嵌的加速度传感器、GPS传感器和方向传感器采集车辆的加速度(a_x',a_y',a_z')、速度ν、方向(w_x',w_y',w_z')和时间戳信息。

将智能终端固定在车辆上，车辆坐标系表示为x,y,z，如图2a所示；手机坐标系表示为x',y',z'，如图2b所示。通过多次加速启动实验，利用智能终端内嵌的加速度传感器、GPS传感器和方向传感器采集车辆的加速度、速度、方向和时间戳信息。本实施例中，通过与出租车公司合作，采集不同驾驶员的启动加速行为，期间并不对出租车的驾驶轨迹、驾驶时间等进行限制。共用三部手机进行了4732次加速启动实验，手机测得的数据包括方向值为(w_x′,w_y′,w_z′)，加速度值为(a_x′,a_y′,a_z′)，速度ν和时间戳信息。

信息过滤模块，用于对采集的数据通过速度和方向信息进行过滤，选出有效的直线启动状态下的数据。

本实施例利用速度检测车辆的启动状态，并利用手机的朝向波动值判断是否为直线启动状态。即在车辆启动过程中，选取3s内速度从零达到1.5m/s的状态为启动状态；并选朝向波动值不大于4度的情况为直线启动状态

实验中，车辆停靠方式复杂，车辆侧方停车启动时会出现加速转弯启动状态，实验中应对此设计相应的过滤算法。实验中对车辆启动过程中手机朝向波动值(启动过程中w_y′的最大值与最小值之差)在10度以内的数据共2832次实验进行了统计，启动过程中朝向波动值与样本数量的关系，如图3。朝向波动值的大小与样本数量间成抛物线关系，为了能够在保证方向校正精度的同时获得比较高的有效样本量，实验中选取朝向波动值不大于4度(最大值和最小值之差)的情况为直线启动状态的判定阈值。

进一步从筛选出的直线启动状态中筛选出有效的直线启动状态：由于静止时，加速度值均小于0.2m/s²，车辆启动时，加速度值一般大于0.5m/s²，本实施例中选取加速度≥0.2m/s²的时刻为车辆启动真实时刻，速度从零到非零的时刻与上述真实时刻的时间差为GPS延迟时间。由于GPS数据采集信息有一定的时间延迟，实验中需要对GPS数据延迟时间进行测量。在朝向波动阈值为4度的情况下，GPS数据延迟时间与方向校正精度如图4。为了在保证精度的同时获得尽可能多的有效状态，选取GPS延迟时间为3.5s。本实用新型通过速度的变化情况、朝向波动值和GPS延迟时间过滤方向校正有效样本，将符合这三个条件的状态称为有效的直线启动状态。实验中共选出有效的直线启动状态样本2117个。

信息处理模块，用于根据信息过滤模块选出的有效的直线启动状态下的数据，计算得到智能终端坐标系x',y',z'与车辆坐标系x,y,z之间的转换关系式，并根据信息采集模块采集的智能终端的实时采集数据和智能终端坐标系x',y',z'与车辆坐标系x,y,z之间的转换关系式，输出车辆对应的信息。

根据有效的直线启动状态下的数据，计算得到x,y,z与x',y',z'之间的关系，具体为：

选取有效的直线启动状态下的加速度值进行方向校正，以直线启动状态的加速度作为车辆前进方向的加速度求取手机坐标系与车辆坐标系的夹角及其转换关系。将车辆坐标系绕其Z轴顺时针旋转α角度后得到坐标系x₁,y₁,z₁，然后绕其X轴逆时针旋转β角度后得到x₂,y₂,z₂，最后绕其Y轴逆时针旋转γ角度，使得车辆坐标系经三次旋转后与手机坐标系重合，如图5。

β角度等于筛选出的有效的直线启动状态的w_y′的平均值；γ角度等于筛选出的有效的直线启动状态的w_z′的平均值；根据水平面的加速度值求出手机朝向与车辆前进方向的α角度，由下式求得，

α＝arctan(a_y1/a_x1)+90，a_x1＜0,a_y1＜0或a_x1＜0,a_y1＞0

α＝arctan(a_y1/a_x1)+270，a_x1＞0,a_y1＜0或a_x1＞0,a_y1＞0

其中，a_x1表示在坐标系x₁,y₁,z₁中x₁方向的加速度，a_y1表示在坐标系x₁,y₁,z₁中y₁方向的加速度，a_z1表示在坐标系x₁,y₁,z₁中z₁方向的加速度，通过以下公式得到：

$\left[\begin{array}{c}{a}_{x1}\\ a_{y1}\\ a_{z1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& 0& -\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{a_{x^{\′}}}\\ \stackrel{\‾}{a_{y^{\′}}}\\ \stackrel{\‾}{a_{z^{\′}}}\end{array}\right]$

为有效的直线启动状态加速度a_x′的平均值；为有效的直线启动状态a_y′的平均值；为有效的直线启动状态a_z′的平均值。

手机朝向和车辆前进方向夹角的α校正精度如图6，手机x轴逆时针旋转角度β的校正精度如图7，绕y轴逆时针旋转角度γ的校正精度如图8。α分布比较集中，最大值与最小值之差都均小于20度，且角度估计的标准偏差均小于4度，风险值和精准度都有很高的实用价值，β和γ的均方差均小于1，估计误差更小。

从而建立车辆坐标系和手机坐标系之间的转换关系式如下：

$\left[\begin{array}{c}{m}_x\\ m_y\\ m_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& 0& -\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{m}_{x^{\′}}\\ m_{y^{\′}}\\ m_{z^{\′}}\end{array}\right]$

其中，其中(m_x',m_y',m_z')为智能终端实时采集数据，(m_x,m_y,m_z)为转化到车辆坐标系后车辆对应的信息。

本实施例通过实验数据，根据上式对车辆各方向加速度值进行验证如下：

根据手机采集的加速值和坐标转换关系式，求取各个采样时刻车辆前进方向、竖直方向和侧向的加速度值。真实的车辆坐标系加速度信息和坐标转换后车辆坐标系加速度信息如图9。由图可以看出，坐标转换后加速度值与车辆坐标系的真实加速度值吻合程度很高，由于是不同的手机在同一时刻放在车辆不同位置对加速度进行测量，因此没有完全吻合，但却同样能够反映加速度值的动态变化趋势和相关信息，具有很高的实用价值。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于车载智能终端对车辆进行标定的装置，应用于智能终端，所述智能终端固定在车辆上，设置有加速度传感器、GPS传感器和方向传感器，其特征在于，该装置包括：

信息采集模块，用于利用智能终端内嵌的加速度传感器、GPS传感器和方向传感器采集车辆的加速度(a_x',a_y',a_z')、速度ν、方向(w_x',w_y',w_z')和时间戳信息；

信息过滤模块，用于对采集的数据通过速度和方向信息进行过滤，选出有效的直线启动状态下的数据；

信息处理模块，用于根据所述信息过滤模块选出的有效的直线启动状态下的数据，计算得到智能终端坐标系x',y',z'与车辆坐标系x,y,z之间的转换关系式，并根据所述信息采集模块采集的智能终端的实时采集数据和智能终端坐标系x',y',z'与车辆坐标系x,y,z之间的转换关系式，输出车辆的对应信息。

2.根据权利要求1所述的基于车载智能终端对车辆进行标定的装置，其特征在于，所述信息过滤模块在对采集的数据进行过虑时，执行如下步骤：

(2.1)通过采集到的速度筛选车辆的启动状态：车辆在3s内速度ν从零达到1.5m/s的状态为启动状态；

(2.2)从筛选出的启动状态中进一步筛选出直线启动状态：对车辆启动状态进行分析，对于朝向波动值在4度以内的为直线启动状态；

(2.3)从筛选出的直线启动状态中进一步筛选出有效的直线启动状态：加速度≥0.2m/s2的时刻为车辆启动真实时刻，速度从零到非零变化的时刻与上述真实时刻的时间差为GPS延迟时间，选取GPS延迟时间≤3.5s时为有效的直线启动状态。

3.根据权利要求1所述的基于车载智能终端对车辆进行标定的装置，其特征在于，所述处理模块在计算得到智能终端坐标系x',y',z'与车辆坐标系x,y,z之间的转换关系式时，执行以下操作：

将车辆坐标系绕其Z轴顺时针旋转α角度后得到坐标系x₁,y₁,z₁，然后绕其X轴逆时针旋转β角度后得到x₂,y₂,z₂，最后绕其Y轴逆时针旋转γ角度，使得车辆坐标系经三次旋转后与智能终端坐标系重合，β角度等于有效的直线启动状态的w_y′的平均值；γ角度等于有效的直线启动状态的w_z′的平均值；根据水平面的加速度值求出手机朝向与车辆前进方向的α角度，由下式求得，

α＝arctan(a_y1/a_x1)+90，a_x1＜0,a_y1＜0或a_x1＜0,a_y1＞0

α＝arctan(a_y1/a_x1)+270，a_x1＞0,a_y1＜0或a_x1＞0,a_y1＞0

其中，a_x1表示在坐标系x₁,y₁,z₁中x₁方向的加速度，a_y1表示在坐标系x₁,y₁,z₁中y₁方向的加速度，通过以下公式得到：

$\left[\begin{array}{c}{a}_{x1}\\ a_{y1}\\ a_{z1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& 0& -\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{a_{x\′}}\\ \stackrel{\‾}{a_{y\′}}\\ \stackrel{\‾}{a_{z\′}}\end{array}\right]$

为有效直线启动状态加速度a_x′的平均值；为有效直线启动状态a_y′的平均值；为有效直线启动状态a_z′的平均值；a_z1表示在坐标系x₁,y₁,z₁中z₁方向的加速度；

进一步得到智能终端坐标系x',y',z'与车辆坐标系x,y,z之间的转换关系式如下：

$\left[\begin{array}{c}{m}_x\\ m_y\\ m_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& 0& -\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{m}_{x\′}\\ m_{y\′}\\ m_{z\′}\end{array}\right]$

其中(m_x',m_y',m_z')为智能终端实时采集数据，(m_x,m_y,m_z)为转化到车辆坐标系后车辆对应的信息。