基于差分法的道路上下坡識(shí)別

薛方，王軍，王鵬

基于差分法的道路上下坡識(shí)別

薛方，王軍，王鵬

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

在商用車大數(shù)據(jù)研究領(lǐng)域，通常需要基于后臺(tái)數(shù)據(jù)分析車輛長(zhǎng)上坡和長(zhǎng)下坡時(shí)的運(yùn)行工況、車輛性能、油耗、駕駛習(xí)慣等。因此，如何精準(zhǔn)地將車輛運(yùn)行軌跡中的上下坡識(shí)別出來(lái)至關(guān)重要。論文提出一種基于差分法的道路上下坡識(shí)別方法，首先，使用中值濾波法對(duì)車輛采集的GPS數(shù)據(jù)（經(jīng)度、緯度、海拔）進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑去噪，然后通過(guò)一階差分法對(duì)海拔數(shù)據(jù)進(jìn)行上下坡識(shí)別，最后對(duì)上坡，平路，下坡段進(jìn)行優(yōu)化，標(biāo)記，提取，得到了區(qū)分度較好的上下坡。

上下坡；中值濾波；平滑；一階差分

前言

隨著車載終端的普及和信息化的發(fā)展，車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)開發(fā)、整車動(dòng)力匹配設(shè)定、區(qū)域化配置選用、年度產(chǎn)品開發(fā)規(guī)劃的重要支撐，越來(lái)越受各企業(yè)重視。而車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)算法開發(fā)的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，是一切決策的基礎(chǔ)。

在生產(chǎn)實(shí)踐與科學(xué)研究中，通常需要研究某個(gè)地域長(zhǎng)上坡，長(zhǎng)下坡車輛的運(yùn)行狀況、動(dòng)力匹配、水溫、駕駛行為等。因此，精準(zhǔn)識(shí)別上坡、下坡、坡度等信息，對(duì)進(jìn)一步的汽車數(shù)據(jù)研究有著至關(guān)重要的影響。但是受實(shí)驗(yàn)或測(cè)量精度影響，通常采集回來(lái)的數(shù)據(jù)精度較差、噪音點(diǎn)較多，因此，許多學(xué)者研究了諸多算法來(lái)解決去噪的問(wèn)題[1-2]。本文使用中值濾波法對(duì)車輛采集的GPS數(shù)據(jù)（經(jīng)度、緯度、海拔）進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑去噪，然后通過(guò)一階差分法對(duì)海拔數(shù)據(jù)進(jìn)行上下坡識(shí)別，最后對(duì)上下坡及平路段進(jìn)行優(yōu)化、標(biāo)記、提取，最終得到了區(qū)分度較好的上下坡路段數(shù)據(jù)。

1 中值濾波原理

通常情況下，采集的數(shù)據(jù)受采集精度的影響會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的情況，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)（信號(hào)）進(jìn)行去噪處理，保持原有信號(hào)的前提下，對(duì)噪音進(jìn)行去除。中值濾波就是把一組信號(hào)或者圖像中的一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中的各點(diǎn)值的中位數(shù)代替，中值濾波是屬于非線性的平滑濾波技術(shù)的一種。

一維中值濾波的原理：中值濾波器是一個(gè)滑動(dòng)窗口，它有奇數(shù)個(gè)點(diǎn)，它的去噪原理是將窗口正中那個(gè)位置點(diǎn)的值用該點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)各點(diǎn)的中值來(lái)進(jìn)行代替。

對(duì)于一維樣本=（1,2,……, X），有個(gè)點(diǎn)，使用窗大小為（為奇數(shù)且大于1）進(jìn)行中值濾波，那么窗口正中那個(gè)位置就是=int（/2）+1（高斯取整然后加1）。即當(dāng)=3，=2；=5，=3；=7，=4……因此得到一階中值濾波公式為：

'=（'1,'2,……,'） （1）

（1）當(dāng)≤≤?+1時(shí)，'就是（X（?1）,…, X1, X, X1,…, X（?1））的中位數(shù)；

（2）當(dāng)＜時(shí)，'就是前2?1個(gè)值的中位數(shù)；

（3）當(dāng)＞?+1時(shí)，'就是后2（?）+1個(gè)值的中位數(shù)。

本文取7個(gè)點(diǎn)（點(diǎn)的個(gè)數(shù)對(duì)平滑結(jié)果有很大的影響，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集精度取值）對(duì)里程-海拔數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波，有'1=1；

'2=（1,2,3）；

'3=（1,2,3,4,5）；

'=（X（?1）…, X1, X,X1,…, X（?1））；

（4≤≤?3）

'?2=（X?4, X?3, X?2, X?1, X）

'?1=（X?2, X?1, X）

'?1=X。

濾波效果如圖1—圖3所示。

圖1 第一組里程-海拔數(shù)據(jù)使用中值濾波前后對(duì)比

圖2 第二組里程-海拔數(shù)據(jù)使用中值濾波前后對(duì)比

圖3 第三組里程-海拔數(shù)據(jù)使用中值濾波前后對(duì)比

2 差分原理簡(jiǎn)介

2.1 一階差分

設(shè)函數(shù)=()，式中只對(duì)在非負(fù)整數(shù)值上有定義，在自變量依次取遍非負(fù)整數(shù)，即=0,1,2,…時(shí)，相應(yīng)的函數(shù)值為(0),(1),(2),(3),…簡(jiǎn)記為0,1,2,3,…

定義1 當(dāng)自變量從變到+1時(shí)，函數(shù)=()的改變量△y=(+1)?()，(0,1,2,…) 稱為函數(shù)()在點(diǎn)的一階差分，通常記作：

△y= y+1?y,(0,1,2,…) （2）

2.2 高階差分

定義2當(dāng)自變量從變到+1時(shí)，一階差分的差分：

稱為函數(shù)= y的二階差分，記作△2y，即：

△2y= y+2? 2y+1+y（4）

同樣，二階差分的差分稱為三階差分，記為△2y，即：

△3y= y+3? 3y+2+3y+1?y（5）

依次類推，可得函數(shù)=()的階差分為：

△y=△(△?1y) =△?1y+1?△?1y（6）

3 基于一階差分法的上下坡識(shí)別

對(duì)濾波后的海拔數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分，大于0的為上坡，標(biāo)記為1，小于0的為下坡，標(biāo)記為-1，等于0的為平路，標(biāo)記為0。識(shí)別效果如圖4—圖6所示。

圖4 第一組上下坡識(shí)別結(jié)果

圖5 第二組上下坡識(shí)別結(jié)果

圖6 第三組上下坡識(shí)別結(jié)果

由于數(shù)據(jù)的波動(dòng)和噪音并不能完全的去除，除了數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量問(wèn)題外，使用中值濾波窗大小直接影響曲線的過(guò)擬合和欠擬合，所以我們對(duì)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化處理。優(yōu)化邏輯如下：

（1）如果平路的里程小于0.1 km，把平路合并為平路前的路；

（2）如果上坡的里程小于0.1 km，把上坡合并為上坡前的路；

（3）如果下坡的里程小于0.1 km，把下坡合并為下坡前的路。

優(yōu)化結(jié)果見圖7—圖9所示。

圖7 第一組上下坡識(shí)別優(yōu)化結(jié)果

圖8 第二組上下坡識(shí)別優(yōu)化結(jié)果

圖9 第三組上下坡識(shí)別優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

理論上一階差分法對(duì)于上下坡的識(shí)別效果比較好，但是由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備的精度問(wèn)題，會(huì)造成各種噪音，有些噪音是不可消除的，即使對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了去噪處理，但是由于過(guò)擬合和欠擬合等原因，會(huì)造成數(shù)據(jù)失真。所以上下坡識(shí)別的準(zhǔn)確度和采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量息息相關(guān)。

[1] 王宇新,賀圓圓,郭禾,等.基于FPGA的快速中值濾波算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.2009,26(1):224-228.

[2] 唐婭琴.幾種圖像平滑去噪方法的比較[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2009,31(11):125-128.

Road Uphill and Downhill Slope Identification Based on Difference Method

XUE Fang, WANG Jun, WANG Peng

( Automobile Engineering Research Institute, Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200 )

In the field of commercial vehicle big data research, it is usually necessary to run the operating time based an background data to analyze the long slope and long downstream of the vehicle’s conditions, performance, fuel consumption, driving habits, etc. Therefore, how to accurately identify the up and down slopes in the vehicle's running track is crucial. This paper proposes a road-based slope recognition method based on the difference method. Firstly, the media data filtering method is used to smooth the data (GPS) (longitude, latitude, altitude) collected by the vehicle, then apply the first-order difference method to identify the ups and downs of the altitude data, and finally optimize the uphill , flat road, and downhill sections, transform, mark, extract, get up and down slop with better discrimination.

Uphill and downhill; Median filtering; Smooth; First order difference

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.023

U469

A

1671-7988(2021)21-95-03

U469

A

1671-7988(2021)21-95-03

薛方（1989—），女，碩士研究生，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘，機(jī)器學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)，控制策略。