作者：Peter Shih 和 Harvey Weinberg

在過(guò)去十年中，使用全球定位系統(tǒng)（GPS）的車(chē)輛導(dǎo)航越來(lái)越受到人們的興趣。GPS導(dǎo)航經(jīng)常安裝在當(dāng)今的高端豪華車(chē)和許多商用車(chē)中。由于它們依賴(lài)于來(lái)自衛(wèi)星的高頻無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，因此配備 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的車(chē)輛可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)丟失 GPS 信號(hào)。通過(guò)適當(dāng)?shù)?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/2562/" target="_blank">算法，GPS可以與其他航向繪圖技術(shù)集成，為用戶(hù)提供持續(xù)準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。

航位（演繹）推算是車(chē)輛導(dǎo)航中廣泛使用的一種方法。它利用三個(gè)不同的輸入來(lái)預(yù)測(cè)位置：一組起始坐標(biāo)、行進(jìn)方向和行進(jìn)速度。由于其相對(duì)定位方案，其精度受到限制;絕對(duì)位置誤差與行進(jìn)距離成正比。非 GPS 車(chē)輛導(dǎo)航的其他方法包括地圖匹配、慣性導(dǎo)航和 Delta A 測(cè)量。地圖匹配基于以下原則：如果您在道路附近或與之平行行駛，則很有可能您確實(shí)在該道路上（在人口稠密的地區(qū)可能無(wú)法正常工作）。慣性導(dǎo)航依靠加速度計(jì)來(lái)推導(dǎo)出速度作為加速度的積分。在Delta A測(cè)量中，隨后從接收器恢復(fù)的GPS信號(hào)與來(lái)自非GPS系統(tǒng)的輸入相關(guān)聯(lián)。這種方法可以校正加速度計(jì)的不準(zhǔn)確性，例如噪聲和溫度/時(shí)間上的零g偏移。這些技術(shù)中的一種以上可以與GPS結(jié)合使用，以更準(zhǔn)確地顯示位置。

雖然使用汽車(chē)安裝的速度表會(huì)有所幫助，但會(huì)出現(xiàn)某些困難。通常，車(chē)速表信息不可用，因?yàn)樗鼪](méi)有總線(xiàn)傳輸?shù)桨l(fā)動(dòng)機(jī)/ABS/穩(wěn)定性控制計(jì)算機(jī)之外的系統(tǒng)。由于在許多情況下它被認(rèn)為是“安全關(guān)鍵”的，因此速度表輸出不會(huì)連接到任何可能使總線(xiàn)癱瘓的東西。此外，GPS系統(tǒng)通常由第三方構(gòu)建，他們可能希望構(gòu)建具有廣泛潛在市場(chǎng)的通用產(chǎn)品。正是在此類(lèi)應(yīng)用中，ADXL202雙軸加速度計(jì)可用于為導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)發(fā)精確的速度估計(jì)。數(shù)字羅盤(pán)或陀螺儀與加速度計(jì)結(jié)合使用，以確定大致的行進(jìn)方向。然后，導(dǎo)航系統(tǒng)（結(jié)合上述其他方法）轉(zhuǎn)換信息，以確定相對(duì)于信號(hào)丟失點(diǎn)的位置。

這里描述的確定速度的方法使用加速度計(jì)來(lái)感知前輪和后輪遇到道路顛簸（直行時(shí)）的時(shí)間間隔。無(wú)論是在當(dāng)?shù)氐缆愤€是高速公路上行駛，道路上總會(huì)有瑕疵。這些缺陷轉(zhuǎn)化為顛簸和顛簸，立即被汽車(chē)的車(chē)輪感知，最終被乘客感知。為了通過(guò)感應(yīng)這些顛簸來(lái)跟蹤速度，加速度計(jì)用于識(shí)別它們的幅度和時(shí)間。因此，對(duì)于具有給定軸距 （W） 的汽車(chē)，間隔 （T1） 對(duì)于兩個(gè)車(chē)軸遇到顛簸，可以使用以下等式計(jì)算汽車(chē)行駛的速度：（見(jiàn)圖 1。

速度 ［英里/小時(shí)］ = （W ［英尺］/T1 ［秒］） * （3600 秒/小時(shí)）/（5280 英尺/英里）。

速度 ［公里/小時(shí)］ = （W ［米］/T1 ［秒］） * （3600 秒/小時(shí)）/（1000 米/公里）。

示例數(shù)據(jù)日志

Mxx= 凸起幅度（占空比 %）

txx= 顛簸的瞬時(shí)時(shí)間（秒）

Tx= 兩個(gè)相關(guān)凸起之間的持續(xù)時(shí)間（秒）

S0= 前一個(gè)有效速度 （mph）

S1= 當(dāng)前計(jì)算速度（英里/小時(shí)）

圖1.速度測(cè)量的事件計(jì)時(shí)。

在記錄當(dāng)?shù)氐缆飞系湫托旭偲陂g的數(shù)據(jù)以開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)信息時(shí)，加速度計(jì)不容易區(qū)分汽車(chē)懸架系統(tǒng)中的反彈和振動(dòng)以及由道路不規(guī)則引起的尖峰對(duì)。因此，需要一個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)來(lái)隔離凸起。ADXL202EB-232評(píng)估板內(nèi)置軟件，可通過(guò)低通濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。這提供了識(shí)別道路顛簸并在計(jì)算中使用它們的更好機(jī)會(huì)。這個(gè)問(wèn)題解決了，就出現(xiàn)了一個(gè)相關(guān)性問(wèn)題——例如，如果有兩個(gè)相似的顛簸相距不到一輛車(chē)的長(zhǎng)度，那么很難理解汽車(chē)在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷的四個(gè)總顛簸。因此，有必要提出一種算法來(lái)將數(shù)據(jù)點(diǎn)干凈地轉(zhuǎn)換為有效的速度表讀數(shù)。

如果加速度計(jì)放置在車(chē)軸之間的中間位置，X軸平行于地球表面并直接瞄準(zhǔn)地球表面，Y軸垂直于地球表面，則前輪和后輪產(chǎn)生的顛簸脈沖的大小大致相等（在一定程度上取決于車(chē)輛的懸架系統(tǒng)）。為了識(shí)別顛簸對(duì)，有必要進(jìn)行幅度比較以匹配源自前后軸的顛簸。同時(shí)，必須將當(dāng)前表格速度與最后有效速度進(jìn)行比較，以確定當(dāng)前計(jì)算的速度是否可行。例如，如果車(chē)輛在大約一秒鐘前以 25 英里/小時(shí)的速度行駛，那么當(dāng)前速度極不可能達(dá)到 45 英里/小時(shí)或更高。因此，通過(guò)使用時(shí)序和速度比較，任何沒(méi)有意義的輸出都將被合理化或忽略。

數(shù)據(jù)分析。ADXL202的數(shù)字輸出經(jīng)過(guò)占空比調(diào)制;導(dǎo)通時(shí)間與加速度成正比。50% 占空比（方波輸出）表示標(biāo)稱(chēng)加速度為 0g;比例因子為每 g 加速度占空比變化±12.5%。這些標(biāo)稱(chēng)值受器件初始容差的影響，包括零g失調(diào)誤差和靈敏度誤差。

在這里描述的應(yīng)用中，50%的占空比輸出對(duì)應(yīng)于完全平穩(wěn)的行駛——加速度計(jì)沒(méi)有檢測(cè)到顛簸或振動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，由于其懸架動(dòng)力學(xué)，車(chē)輛在較低速度下對(duì)顛簸的反應(yīng)更靈敏。因此，對(duì)于較低的速度，需要降低對(duì)顛簸大小的敏感性（Mxx），閾值水平可以更高。小于閾值水平的量級(jí)將被視為無(wú)效數(shù)據(jù)，而高于閾值（有效量級(jí)）的量級(jí)將進(jìn)入下一階段的過(guò)濾。

下一階段的目的是阻止兩個(gè)相鄰顛簸所暗示的不可行的速度，這兩個(gè)顛簸比車(chē)輛的軸距更近。為了解決這個(gè)問(wèn)題，如果 S1與 S0 相比，（定義如下）超出了 20 mph/s 的一般加速限制，則數(shù)據(jù)集無(wú)效。但是，四個(gè)凸塊的配置可以通過(guò)配對(duì)第一個(gè)和第三個(gè)凸塊以及第二個(gè)和第四個(gè)凸塊轉(zhuǎn)換為合法速度（圖 2）。

圖2.X軸（前后），平行于地球表面

答：M01= 52.41%， t01= 135.862秒
B： M11= 52.15%， t11= 135.938s
C： M02 = 53.08%， t02 = 136.179s
D： M12= 51.66%，t12 = 136.242s

圖2顯示了ADXL202EB在以20 mph恒定速度行駛的汽車(chē)中記錄的最新數(shù)據(jù)。乍一看，似乎A和B是兩個(gè)相關(guān)的凸起，以及C和D。然而，t11– 噸01= 0.076 秒，換算成大約 81 英里/小時(shí)的速度。這將與使用Delta A測(cè)量方法的最后一個(gè)有效速度進(jìn)行比較，并將否定A和B的相關(guān)性。然后 A 和 C 配對(duì)：t02– 噸01= 0.317 秒，B 和 D （0.304 秒）也是如此，它們分別轉(zhuǎn)化為大約 19.4 英里/小時(shí)和 20.2 英里/小時(shí)的速度。根據(jù)公式 1 和 9 英尺軸距，Tx對(duì)于 20 英里/小時(shí)等于 0.307 秒。這里的結(jié)果分別顯示3.2%和1%的差異。

這個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案處理最常見(jiàn)的錯(cuò)誤讀數(shù)來(lái)源。但是，當(dāng)然還有許多其他凸塊配置可能會(huì)導(dǎo)致速度讀數(shù)錯(cuò)誤。其中許多可以通過(guò)越來(lái)越聰明的算法和信號(hào)調(diào)理來(lái)解決，但最終，人們必須意識(shí)到，這種計(jì)算是替代GPS信號(hào)暫時(shí)丟失的系統(tǒng)的一部分，旨在在短時(shí)間內(nèi)保持合理的精度。

哪個(gè)軸？可以考慮使用 X 軸或 Y 軸（或兩者）作為加速度數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量道路上的顛簸。Y軸（垂直）測(cè)量實(shí)際大小，由汽車(chē)的懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)修改（并且經(jīng)常混淆），而X軸測(cè)量汽車(chē)經(jīng)過(guò)顛簸時(shí)前后加速度分量（加速度計(jì)交叉軸）的大小。

第一種方法（圖3）測(cè)量Y軸加速度（垂直于地球表面）。在沒(méi)有顛簸的情況下，測(cè)量值將為1 g，由地球的靜態(tài)引力確定。標(biāo)稱(chēng) 62.5% 輸出 （50% + 12.5%/g） 可以偏移為 50%，作為正或負(fù)垂直撓曲力的起點(diǎn)。

第二種方法（如圖2所示）使用X軸（平行于地球表面）來(lái)測(cè)量前后加速度。在無(wú)顛簸的情況下，測(cè)量值將為 0 g。由于汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)受到顛簸的影響，而加速度計(jì)會(huì)拾取 Y 軸加速度峰值，該峰值被汽車(chē)的懸架系統(tǒng)強(qiáng)烈過(guò)濾。同時(shí)，由于顛簸引起的前后運(yùn)動(dòng)（以及加速度計(jì)的跨軸靈敏度），X軸還拾取了該加速度峰值中更小但“更干凈”的前向分量。在試運(yùn)行期間，后一種方法（圖2）給出了更好的結(jié)果。

這種方法有助于過(guò)濾掉不需要的噪音。此外，在圖 3 中可以看到，在遇到顛簸時(shí)，加速度的垂直分量往往顯示出相當(dāng)?shù)偷淖枘嵯禂?shù)。依靠前后運(yùn)動(dòng)可以克服這些復(fù)雜性。

圖3.Y（垂直）軸，垂直于地球表面。

本文所述的試驗(yàn)是在個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用ADXL202EB-232評(píng)估板和Crossbow軟件進(jìn)行的。以下是該過(guò)程及其流程圖的分步說(shuō)明（圖 4）。

將ADXL202EB-232連接到串行電纜，然后連接到計(jì)算機(jī)的RS-232端口。

打開(kāi)Crossbow提供的軟件程序X-Analyze。

單擊“添加連接”，然后選擇“COM1上的ADXL202-EB-232A”。

點(diǎn)擊“配置連接”;然后點(diǎn)擊“校準(zhǔn)”。

要進(jìn)行校準(zhǔn)，請(qǐng)按住 XY 平面垂直于地面的電路板，然后將電路板圍繞該平面旋轉(zhuǎn) 360 度。

選擇更新速率盡可能快，記錄速率為50 Hz;選擇過(guò)濾速率為 1。

選擇日志記錄文件夾;這是保存.txt日志文件的位置。

點(diǎn)擊“保存并退出”。

將電路板安裝/連接到車(chē)輛上，Y 軸朝向車(chē)輛底部，X 軸正前方。確保電路板安裝牢固，以便在顛簸時(shí)不會(huì)相對(duì)于車(chē)身移動(dòng)。

準(zhǔn)備好記錄數(shù)據(jù)時(shí)單擊“記錄所有連接”。

記錄數(shù)據(jù)后，相同的按鈕用于“停止日志記錄”。

打開(kāi).txt文件并復(fù)制并粘貼到Excel上以創(chuàng)建圖表/圖形。

圖4.計(jì)算流程圖。

審核編輯：郭婷