本發(fā)明涉及駕駛員駕駛行為信息采集領域，特別是涉及汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

方向盤轉(zhuǎn)角檢測，對于研究各種情境下駕駛員的操作行為、駕駛狀態(tài)等具有重要作用。方向盤轉(zhuǎn)動角度特性曲線可以有效表征駕駛?cè)说膿Q道意圖，同時，方向盤轉(zhuǎn)角不動時間能夠表明駕駛員疲勞程度，對駕駛員進行預警；方向盤轉(zhuǎn)角檢測更是汽車動力學穩(wěn)定控制(esp)系統(tǒng)的重要組成部分，其精度和穩(wěn)定性直接關(guān)系著行車安全。目前已公開的針對汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息提取方法有在傳感器殼體內(nèi)與方向盤轉(zhuǎn)向管柱固定連接的主動齒輪，利用齒輪嚙合來檢測方向盤的轉(zhuǎn)動角度，此類技術(shù)方案的不利之處在于：安裝困難；器件存在磨損問題；此外，該傳感器屬于接觸式傳感器，會對駕駛員的操作造成影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有信息采集系統(tǒng)存在安裝困難、器件容易磨損、安裝后影響駕駛員操作以及采集信息精度低等缺點，而提出一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集系統(tǒng)及采集方法。

一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集系統(tǒng)包括：三軸加速度計、三軸角速度計、單片機、電源模塊、藍牙發(fā)送模塊、藍牙接收模塊、智能手機和便攜電腦；

三軸加速度計將三軸加速度數(shù)據(jù)通過三軸加速度計的輸出端輸入到單片機的加速度輸入端，三軸角速度計將三軸角速度數(shù)據(jù)通過三軸角速度計的輸出端輸入到單片機的角速度輸入端，單片機將接收到三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)處理后通過單片機的輸出端輸入到藍牙發(fā)送模塊的輸入端，藍牙發(fā)送模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿{牙接收模塊，藍牙接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給智能手機或便攜電腦；

電源模塊與單片機電連接，用于為單片機三軸加速度計、三軸角速度計和藍牙發(fā)送模塊供電；

三軸加速度計、三軸角速度計、單片機、電源模塊和藍牙發(fā)送模塊組成信息采集裝置。

一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集方法包括以下步驟：

步驟一：單片機對接收到的三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的預處理；所述預處理包括數(shù)據(jù)的讀取、校準和濾波；所述三軸為x軸、y軸和z軸，x軸和y軸在信息采集裝置平面上互相垂直，x軸和y軸所構(gòu)成的平面與信息采集裝置構(gòu)成的平面平行，z軸與信息采集裝置構(gòu)成的平面垂直(三軸加速度計和三軸角速度計和信息采集裝置采用相同的坐標系)；

步驟二：單片機將預處理后的三軸角速度數(shù)據(jù)中的沿著坐標軸正向的三軸加速度為分量，構(gòu)成加速度向量a，信息采集裝置繞x軸角度θa為加速度向量a與加速度向量a在xoz平面上投影(x，0，z)的夾角；其中

步驟三：單片機對x軸的角速度進行積分，獲得通過角速度解析的角度θω，利用一階互補算法，對θa進行修正，得到修正后的信息采集裝置的偏轉(zhuǎn)角度為θi，i＝0,1,2，…，n；n為正整數(shù)。

步驟四：為獲得以零度為初始角度，區(qū)間范圍在±180°的標準方向盤偏轉(zhuǎn)角度，信息采集裝置通過歸零補償方法對信息采集裝置檢測的繞x軸角度θa進行處理，根據(jù)步驟三中得到的修正后的信息采集裝置的偏轉(zhuǎn)角度為θi，得到標準的方向盤轉(zhuǎn)角

歸零補償方法的具體過程為：

單片機(3)記錄信息采集裝置的初始角度，設其為θ0，檢測信息采集裝置的偏轉(zhuǎn)角度θi，設標準的方向盤轉(zhuǎn)角為的計算公式為：

若0<θ0<180°，且θ0－180°≤θi<180°時：

若0<θ0<180°，且－180°<θi<θ0－180°時：

若－180°<θ0≤0，且－180°<θi≤θ0+180°時：

若－180°<θ0≤0，且θ0+180°<θi<180°時：

步驟五：單片機將預處理后的三軸角速度數(shù)據(jù)中的繞x軸角速度作為方向盤的角速度，單片機將方向盤的角速度和通過步驟四得到的標準的方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為藍牙發(fā)送模塊可讀取的數(shù)據(jù)形式，通過藍牙接收模塊將傳輸?shù)街悄苁謾C或便攜電腦。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)提供了一種相對簡單的方向盤轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)角速度測量裝置，該裝置將三軸加速度計、三軸角速度計、單片機、電源模塊、藍牙發(fā)送模塊進行集成，外觀小巧，不會對駕駛?cè)艘暰€和方向盤操作造成干擾；目前關(guān)于方向盤轉(zhuǎn)角檢測的專利技術(shù)主要是利用方向盤內(nèi)部驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)，通過在轉(zhuǎn)向柱的軸線放置電位器或通過齒輪嚙合來測量方向盤的轉(zhuǎn)角，長時間的使用會對檢測裝置造成磨損，與此類方法相比，本發(fā)明裝置安裝于方向盤飾盤的側(cè)面上，不會對信息檢測裝置造成磨損。

本發(fā)明的集成裝置內(nèi)部均采用固態(tài)元件，無轉(zhuǎn)動部件，穩(wěn)定性和可靠性較高。

本發(fā)明的單片機中采用校準算法和卡爾曼濾波算法對三軸加速度和三軸角速度進行預處理，用處理后的三軸加速度解算集成裝置的姿態(tài)轉(zhuǎn)動，并結(jié)合三軸角速度的積分角度對三軸加速度的解析角度進行修正，系統(tǒng)具有較高的測量精度，姿態(tài)測量精度可達到0.1°；

安裝便利，可在方向盤上進行無損安裝，且安裝位置較為靈活，系統(tǒng)內(nèi)置自動歸零算法，可實現(xiàn)在方向盤上表面以任意位置安裝，上電后均可輸出以0°為初始角度，角度范圍在±180°的方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)；

采用藍牙進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，避免導線纏繞對駕駛員的方向盤操作產(chǎn)生干擾。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集系統(tǒng)的安裝位置正視圖；

圖3是本發(fā)明一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集系統(tǒng)的安裝位置俯視圖；

圖4是本發(fā)明一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集系統(tǒng)角度解算的模型圖；圖中g(shù)為重力加速度；

圖5是本發(fā)明一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集系統(tǒng)自動歸零補償算法的流程圖；

圖6是本發(fā)明一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集方法流程圖。

圖7是本發(fā)明一種汽車方向盤信息采集裝置采集的x軸加速度波形；圖中ax為x軸加速度；

圖8是本發(fā)明一種汽車方向盤信息采集裝置采集的y軸加速度波形；圖中ay為y軸加速度；

圖9是本發(fā)明一種汽車方向盤信息采集裝置采集的z軸加速度波形；圖中az為z軸加速度；

圖10是本發(fā)明一種汽車方向盤信息采集裝置通過三軸加速度解析的信息采集裝置傾角波形；

圖11是本發(fā)明一種汽車方向盤信息采集裝置檢測的方向盤轉(zhuǎn)動角度波形。

具體實施方式

具體實施方式一：如圖1所示，一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集系統(tǒng)包括：三軸加速度計1、三軸角速度計2、單片機3、電源模塊4、藍牙發(fā)送模塊5、藍牙接收模塊6、智能手機7和便攜電腦8；

三軸加速度計1將三軸加速度數(shù)據(jù)通過三軸加速度計1的輸出端輸入到單片機3的加速度輸入端，三軸角速度計2將三軸角速度數(shù)據(jù)通過三軸角速度計2的輸出端輸入到單片機3的角速度輸入端，單片機3將接收到三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)處理后通過單片機3的輸出端輸入到藍牙發(fā)送模塊5的輸入端，藍牙發(fā)送模塊5將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿{牙接收模塊6，藍牙接收模塊6將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給智能手機7或便攜電腦8；

電源模塊4與單片機3電連接，用于為單片機3三軸加速度計1、三軸角速度計2和藍牙發(fā)送模塊5供電；

三軸加速度計1、三軸角速度計2、單片機3、電源模塊4和藍牙發(fā)送模塊5組成信息采集裝置。

所述單片機3可將三軸加速度計1和三軸角速度計2的電信號進行數(shù)據(jù)采集、校準和濾波。

所述三軸角速度計2用于將x軸的角速度計算方向盤的角速度。

所述三軸加速度計1用于將當前加速度向量同重力加速度的位置變化來解算集成裝置當前的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，利用一階互補算法，結(jié)合角速度計解算的轉(zhuǎn)角，對角度進行修正，提高系統(tǒng)的測量精度。

所述電源模塊4為上述三軸加速度計1、三軸角速度計2、單片機3、藍牙發(fā)送模塊5提供適配、穩(wěn)定的電壓源。

所述藍牙接收模塊6用于接收藍牙發(fā)送模塊5發(fā)出的汽車方向盤轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)角速率數(shù)據(jù)，并將多參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y電腦8或智能手機7等其他智能終端，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理與記錄。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述信息采集裝置安裝于固定安裝于方向盤飾盤的側(cè)面上，如圖2和圖3所示。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：如圖4和圖6所示，一種汽車方向盤轉(zhuǎn)角信息采集方法包括以下步驟：

步驟一：單片機3對接收到的三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的預處理；所述預處理包括數(shù)據(jù)的讀取、校準和濾波；所述三軸為x軸、y軸和z軸，x軸和y軸在信息采集裝置平面上互相垂直，x軸和y軸所構(gòu)成的平面與信息采集裝置構(gòu)成的平面平行，z軸與信息采集裝置構(gòu)成的平面垂直(三軸加速度計和三軸角速度計和信息采集裝置采用相同的坐標系)；

步驟二：單片機3將預處理后的三軸角速度數(shù)據(jù)中的沿著坐標軸正向的三軸加速度為分量(以三軸向上的加速度為分量)，構(gòu)成加速度向量a，信息采集裝置繞x軸角度θa為加速度向量a與加速度向量a在xoz平面上投影(x，0，z)的夾角；其中

步驟三：單片機3對x軸角速度進行積分，獲得通過角速度解析的角度θω，利用一階互補算法，對θa進行修正，得到修正后的信息采集裝置的偏轉(zhuǎn)角度為θi，i＝0,1,2，…，n；n為正整數(shù)。

步驟四：為獲得以零度為初始角度，區(qū)間范圍在±180°的標準方向盤偏轉(zhuǎn)角度，信息采集裝置通過歸零補償方法對信息采集裝置檢測的繞x軸角度θa進行處理(如圖5所示)，根據(jù)步驟三中得到的修正后的信息采集裝置的偏轉(zhuǎn)角度為θi，得到標準的方向盤轉(zhuǎn)角

所述步驟四中歸零補償方法的具體過程為：

單片機(3)記錄信息采集裝置的初始角度，設其為θ0，檢測信息采集裝置的偏轉(zhuǎn)角度θi，設標準的方向盤轉(zhuǎn)角為的計算公式為：

若0<θ0<180°，且θ0－180°≤θi<180°時：

若0<θ0<180°，且－180°<θi<θ0－180°時：

若－180°<θ0≤0，且－180°<θi≤θ0+180°時：

若－180°<θ0≤0，且θ0+180°<θi<180°時：

步驟五：單片機3將預處理后的三軸角速度數(shù)據(jù)中的繞x軸角速度作為方向盤的角速度，單片機3將方向盤的角速度和通過步驟四得到的標準的方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為藍牙發(fā)送模塊5可讀取的數(shù)據(jù)形式，通過藍牙接收模塊6將傳輸?shù)街悄苁謾C7或便攜電腦8。

所述信息采集裝置內(nèi)置歸零補償算法，可實現(xiàn)將信息采集裝置安裝于方向盤上平面任意位置，均可實現(xiàn)自動歸零，測量時輸出以0度為初始角度，角度范圍在±180度的方向盤轉(zhuǎn)角信息。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式三不同的是：所述步驟二中θa的計算公式為：

當ay值為負時，θa取負值；其中ax為x軸加速度，ay為y軸加速度，az為z軸加速度。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式三相同。

采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：

實施例一：

本實施例中，采用六軸姿態(tài)傳感器mpu-6050作為3軸加速度和3軸角速度傳感器，單片機采用arduino單片機，藍牙發(fā)送模塊采用藍牙4.0通訊協(xié)議進行方向盤信息的無線傳輸，上電前，將信息采集裝置按圖2方式緊固安裝于方向盤飾蓋上側(cè)面任意位置，并將方向盤置于正中位置，便于系統(tǒng)進行自動歸零，單片機對三軸加速度數(shù)據(jù)與三軸角速度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的讀取、校正和濾波，其中濾波過程使用卡爾曼濾波器去除數(shù)據(jù)中夾雜的大量噪音，將處理后的三軸角速度數(shù)據(jù)中的繞x軸角速度作為方向盤角速度輸出，將三軸加速度數(shù)據(jù)(如圖2、圖3、圖4所示)按公式進行姿態(tài)解算，可獲得信息采集裝置的傾角(如圖5所示)，最后對信息采集裝置的傾角用上述歸零補償算法進行處理，可實現(xiàn)信息采集裝置以任意x軸初始角度放置，都可以采集到以0°為初始角度，區(qū)間范圍在-180°～180°的標準方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)(如圖6所示)。信息采集裝置采集的x軸、y軸和z軸加速度如圖7至圖9所示，信息采集裝置傾角如圖10所示，方向盤轉(zhuǎn)動角度如圖11所示。

本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，本領域技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。