基于遠(yuǎn)程監(jiān)控的道路坡度提取方法

（濟(jì)寧市交通運(yùn)輸發(fā)展中心 272000）

坡度是斜坡的傾斜程度，常用表示方法是兩點(diǎn)的高程差與其水平距離的百分比[1]。坡度是路譜中的一個特征參數(shù)，在車輛性能測試中影響車輛行駛的動力性和經(jīng)濟(jì)性，是新車型開發(fā)和技術(shù)評估中的一個重要因素，對于改進(jìn)和提高汽車的性能有重要作用[2]。在車輛開發(fā)階段，坡度的測量工作大多使用專業(yè)路譜采集設(shè)備，設(shè)備價格昂貴且體積大，給測量工作帶來很大不便[3]。本文采集遠(yuǎn)程監(jiān)控終端發(fā)送到CAN總線上的GPS數(shù)據(jù)和儀表發(fā)送到CAN總線上的數(shù)據(jù)。使用MATLAB 進(jìn)行數(shù)據(jù)的濾波處理和坡度算法計(jì)算，從而得到精確的坡度。使用此方法可以快速、準(zhǔn)確地測量道路的坡度，而且節(jié)約成本。

1 數(shù)據(jù)的采集

車輛位置信息的采集使用遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的GPS設(shè)備，此GPS設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

（1）信號條件差時性能良好。

（2）信號中斷時連續(xù)導(dǎo)航。

（3）集成3D 傳感器完成解決方案。

（4）獨(dú)立于汽車的任何電氣連接。

（5）實(shí)時定位高達(dá)20 Hz的頻率。

車速、量程信息采集于車輛的CAN總線發(fā)送的信息，采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS 進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時發(fā)送、遠(yuǎn)程接收和存儲。

2 坡度特征分析

2.1 坡度計(jì)算原理

如圖1所示，H為海拔上升高度，L為車輛水平行駛距離，S為車輛行駛距離，α為坡道夾角，道路的坡度i則為坡高與底長之比的正切值[6-7]，如公式（1）和（2）。

圖1 坡度計(jì)算原理

2.2 坡度特征參數(shù)

采集的道路坡度信息，應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)理論統(tǒng)計(jì)各特征片段的特征參數(shù)數(shù)值，再使用數(shù)據(jù)相關(guān)性、多參數(shù)統(tǒng)計(jì)理論對特征片段進(jìn)行歸類和研究，構(gòu)建成典型工況[8]。一個特征片段定義為從坡度為0 開始上坡，下坡到下一個坡度為0。通過數(shù)據(jù)相關(guān)性分析得到一些能代表其特點(diǎn)的特征參數(shù)作為評價標(biāo)準(zhǔn)，這些特征參數(shù)也是構(gòu)建典型工況的基本特征值，包括坡度占比、最大坡度、平均坡度、坡度的標(biāo)準(zhǔn)差、行駛距離和平均車速。

3 坡度計(jì)算方法

表1為遠(yuǎn)程監(jiān)控終端數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式示意表，t1與t2時刻的時間間隔為1 s。

由于遠(yuǎn)程監(jiān)控采集的時間間隔為1 s，數(shù)據(jù)的存儲和計(jì)算量大，為避免大量計(jì)算和數(shù)據(jù)干擾，在計(jì)算前要進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡和濾波處理，去除無用的干擾信息。

表1 遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式示意表

依據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控得到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，結(jié)合坡度計(jì)算原理，有以下4種計(jì)算方法。

①依據(jù)儀表車速和海拔計(jì)算坡度如公式（3）所示。

該式中，用vy_1與vy_2求出t1與t2之間的平均車速，得出其行駛距離。

②依據(jù)儀表里程和海拔計(jì)算坡度如公式（4）所示。

③依據(jù)GPS車速和海拔計(jì)算坡度如公式（5）所示。

④依據(jù)GPS里程和海拔計(jì)算坡度如公式（6）所示。

上述方法在車輛停止時計(jì)算出來的坡度為無窮大，因此在計(jì)算過程中取車輛靜止時的坡度為上一次計(jì)算的有效值。

4 實(shí)例數(shù)據(jù)分析

4.1 坡度計(jì)算過程

圖2 儀表車速和海拔計(jì)算坡度

選取某一城市的公交車作為測試車輛，在車輛上安裝專用的路譜采集儀和本文使用的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，正常行駛一個公交循環(huán)作為測試數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端采集的數(shù)據(jù)使用MATLAB編寫均方根濾波程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行精簡、濾波。并根據(jù)公式（3）～公式（6）編寫計(jì)算程序得到4種方法計(jì)算的坡度曲線，如圖2～圖6所示。

圖3 儀表里程和海拔計(jì)算坡度

圖4 GPS車速和海拔計(jì)算坡度

圖5 GPS里程和海拔計(jì)算坡度

表2 坡度的基本特征值

表3 儀表車速和海拔計(jì)算的坡度與采集儀采集的坡度誤差對比

圖6 坡度采集儀采集的坡度

4.2 坡度特征信息分析

根據(jù)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果對坡度的基本特征值進(jìn)行對比分析。基本特征參數(shù)包括：坡度占比、最大坡度、平均坡度、坡度的標(biāo)準(zhǔn)差、行駛距離和平均車速（表2）。

通過坡度基本特征參數(shù)對比分析表可以看出，使用儀表車速和海拔計(jì)算的坡度與采集儀采集的坡度誤差較小，最大誤差在10.00%以內(nèi)，平均誤差為4.30%，誤差大小如表3所示。

5 結(jié)論

本文使用4種坡度計(jì)算方法對遠(yuǎn)程監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)提取坡度，通過與專業(yè)采集儀采集的坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到儀表車速和海拔計(jì)算的坡度與采集儀的坡度誤差在10.00%以內(nèi)，平均誤差為4.30%，具有較高的準(zhǔn)確性，可以滿足車輛實(shí)驗(yàn)所需的路譜要求。