微惯性测量单元及基于该测量单元的自适应前照灯控制方法

摘要

本发明公开了一种微惯性测量单元及基于该测量单元的自适应前照灯控制方法，用于解决现有自适应前照灯控制方法安全性差的技术问题。技术方案是微惯性测量单元包括X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺、三轴加速度计、磁阻传感器、信号调理板和单片机，陀螺感知倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号，三轴加速度计输出车体在三维空间的重力加速度值。倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号，以及重力加速度值通过信号调理单元进行调理，进入单片机进行融合处理，得到准确的倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号及其变化速率信号，单片机根据倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号及其变化速率信号，将控制信息送入上位机进行控制。由于本发明对于积累误差具有鲁棒性，使得前照灯控制安全可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微惯性测量单元(以下简称MIMU)。还涉及基于这种微惯性测量单元的自适应前照灯控制方法。

背景技术

调查表明，夜间交通事故的发生率大约是白天的3倍，良好照明条件下的交通事故发生率只有不良照明条件下的30％。汽车自适应前照灯(以下简称AFS)技术是一种能够实现恶劣天气照明、弯道随动转向、车辆垂直调光等功能的自适应照明方法，可以缓解因照明不良而引起交通事故高发的问题。AFS的工作原理是：利用可变的光学系统、电子系统、随动系统技术，可根据道路和天气状况，自动地改变前照明的光束投向和光形，把有限的光投向更需要照明的地方，大幅度地提高夜间行驶的安全性。实现AFS功能的关键是实时获取车辆的转弯/俯仰等行车状态。

文献1“汽车智能前照灯系统设计《照明工程学报》2013年10月第24卷第5期P11～114”公开了一种自适应前照灯控制系统，该控制系统通过在车上安装多种传感器感知驾驶人转向操作与行车状态的。这些传感器有：方向盘转角传感器，包括电位器式、光电式、电磁感应式等多种；开关型霍尔式车速传感器；车身高度传感器，包括片簧开关式、霍尔式、光电式和电位计式等。随着微电子技术的发展和电子控制系统在汽车上应用的增加，车载传感器的种类会越来越多，其数量由以往的几十只发展到两、三百只传感器。这些专用传感器不但安装维护复杂，且数据缺乏整合，无法实现信息共享。而且，多数传感器工作于被动感知状态，具有一定的延时，影响AFS技术的安全性。

为了提高获取信息的主动性，《交通信息与安全》2011年5期第29卷总163期16-19页刊登杜江伟等人撰写的“车路协同环境下车辆前照灯自适应控制方法研究”中提出一种“车-路协同”的信息共享方案。该方案属于预见型AFS模型，克服被动感知具有延时的缺点，但该方案需要有地面信息源的支撑，增加了该系统工程化的难度。

另外，《电子测试》2014年第15期在p18～19刊登了顾诚延的论文“汽车LED前照灯弯道控制系统设计探讨”中提出的通过MPU一6000陀螺仪检测车辆行驶速度与加速度，从而预测到车辆的运行轨迹的方法。同样，《宁波职业技术学院学报》2011 年第2期P1～3刊登了赵宏颖撰写的论文“采用MEMS传感器汽车智能前照灯系统模型设计”中推出一种采用MEMS三维加速度计获取汽车运动参数的方法。虽然上述两篇论文都提出利用惯性器件获取汽车运动参数的方法，但是，利用惯性器件获取AFS所需控制参数的技术瓶颈在于建模复杂、运算量大，还需要适时对器件本身进行误差校正，文中未给出解算方法和流程。

通过上述分析可知，现在流行的AFS系统主要靠分散的多个传感器获取信息，不但存在着通用性差、安装维护复杂等缺点，而且属于被动式安全举措，使得灯光偏转时出现延时，降低了安全性，也很难实现整车电子信息共享功能。

发明内容

为了克服现有自适应前照灯控制方法安全性差的不足，本发明提供一种微惯性测量单元及基于该测量单元的自适应前照灯控制方法。该微惯性测量单元包括X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺、三轴加速度计、磁阻传感器、信号调理板和单片机，该测量单元由陀螺感知倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号，三轴加速度计输出车体在三维空间的重力加速度值。倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号，以及重力加速度值通过信号调理单元进行调理，进入单片机进行融合处理，得到准确的倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号及其变化速率信号，经过预测估算，获得车体下一步可能出现的状态，单片机根据倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号及其变化速率信号以及预测估算值，得出自适应前照灯的控制方案，经过RS232口送入上位PC机实施灯光的控制。由于本发明所提取的倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号及其变化速率信号是增量值，对于积累误差具有鲁棒性；再加上自身的校正功能，使得前照灯控制安全可靠。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微惯性测量单元，其特点是：包括X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺、三轴加速度计、磁阻传感器、信号调理单元和单片机，行驶前，X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺和三轴加速度计均在车体导航坐标系OXYZ中通过磁阻传感器输出的方位信息进行静态校准。行驶中，随着车体的偏转、倾斜和加速，使得车体行车坐标系Oxyz和导航坐标系OXYZ发生动态偏离，形成倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ。倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ由X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺和三轴加速度计共同感知，并输出倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号；与此同时，三轴加速度计输出车体在三维空间的重力加速度值。倾斜角γ、偏航角ψ和俯 仰角θ信号，以及重力加速度值通过信号调理单元进行调理后，进入单片机的五路A/D转换器输入口经A/D后，变为16位数字信号。该16位数字信号中的X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺信号和三轴加速度计信号在单片机中进行融合处理后，得到准确的倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号及其变化速率信号，经过预测估算，获得车体下一步可能出现的状态，单片机根据倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号及其变化速率信号以及预测估算值，经过判决后得出自适应前照灯的控制方案，该控制方案经过RS232口送入上位PC机实施灯光的控制。

所述X轴陀螺、Y轴陀螺和Y轴陀螺三维垂直安装。

一种基于微惯性测量单元的自适应前照灯控制方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、行车状态量的获取。

①建立车体导航坐标系OXYZ和车体行车坐标系Oxyz。

②行车状态信息的获取。

行车前，对MINU进行静态校准，即首先利用三轴加速度计的输出判断车体是处于静止状态，再利用三轴加速度计和磁阻传感器计算车体姿态误差，并以此姿态误差作为观测量，校正X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺漂移。同时，提取因车辆载重产生的俯仰角θ，作为灯光纵向调整的依据。

行车时，通过MINU的捷联解算，分别求得基于车体导航坐标系OXYZ的三轴加速度计、X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺的输出量，并进行组合，求得瞬时偏转角增量值及其速率；

提取增量值的方法是：对当前时刻k状态量和上一时刻k-1的状态量求差值，并判其增减性。即：

△θ(k)＝|θ(k)-θ(k-1)|

其中，θ(k)、θ(k-1)是MINU检测的当前量和上一个状态量；增减性通过差值的符号确定。

步骤二、AFS控制量的获取。

①预处理。 

以已经确定的门限值为依据，参照三轴加速度计和磁阻传感器计算车体姿态角，对X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺输出的姿态角数据进行误差分析和滤波处理，校正陀螺漂移，并剔除飞值。

②数据处理。 

采用中值平均滤波方法，即每组采集n个数据，去掉其中n/2或(n+1)/2个最大值和最小值，然后计算剩余n/2个数据算术平均。

③动态校准。 

利用三轴加速度计的输出判断车体是否处于加速运动状态。如果车体处于运动状态，则根据X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺和三轴加速度计的测量值，采用等效矢量法计算车体姿态；并对两者输出数据进行加权平均。

④转弯机动判决。

基于速率增量[△I(k)]的特征量赋值：若[△I(k)]≥η(1)，则令δ(k)＝1；

若[△I(k)]<η(1)，则令δ(k)＝0；

其中k表示一组测量中的第k个数据，每组共获得m个数据。

转弯机动判决：定义机动特征值J＝[∑δ(k)]/m，

若J≥η(2)，则判断有新的侧向加速；

若J<η(2)，须结合k-1时刻的状态做出如下判决：

a)转弯机动结束；b)转弯机动延续。

其中，判断转弯机动结束的条件是J<η(2)连续出现的次数N≥λ。

其中，η(1)、η(2)、δ(k)、△I(k)、m、λ均为已经设定的参量或确定值。

一旦确认有人为机动发生，则进入下一步。

⑤机动模式识别与AFS控制量的形成。

机动模式识别根据描述行车状态的三类六维特征向量确定，分别表示车辆转角大小和速度等级，并对应六种灯光控制模式。

本发明的有益效果是：该微惯性测量单元包括X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺、三轴加速度计、磁阻传感器、信号调理板和单片机，该测量单元由陀螺感知倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号，三轴加速度计输出车体在三维空间的重力加速度值。倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号，以及重力加速度值通过信号调理单元进行调理，进入单片机进行融合处理，得到准确的倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号及其变化速率信号，经过预测估算，获得车体下一步可能出现的状态，单片机根据倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号及其变化速率信号以及预测估算值，得出自适应前照灯的控制方案， 经过RS232口送入上位PC机实施灯光的控制。由于本发明所提取的倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ信号及其变化速率信号是增量值，对于积累误差具有鲁棒性；再加上自身的校正功能，使得前照灯控制安全可靠。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于微惯性测量单元的自适应前照灯控制方法的流程图。

图2是本发明基于微惯性测量单元的框图。

图3是本发明方法所用坐标系的示意图。

具体实施方式

参照图1-3。本发明微惯性测量单元，包括X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺、三轴加速度计、磁阻传感器、信号调理板和单片机。本发明设计了两个坐标系，一是车体导航坐标系OXYZ，另一是车体行车坐标系Oxyz。在行驶前，X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺和三轴加速度计均在车体导航坐标系OXYZ中通过磁阻传感器输出的方位信息进行静态校准。在行驶中，随着车体的偏转、倾斜和加速，使得车体行车坐标系Oxyz和导航坐标系OXYZ发生动态偏离，形成倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ。这些偏离角度则由X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺和三轴加速度计共同感知并输出。X轴陀螺、Y轴陀螺和Y轴陀螺进行三维垂直安装，完成三轴陀螺仪的功能，实时输出倾斜角γ、偏航角ψ和俯仰角θ角信号；与此同时，三轴加速度计输出车体在三维空间的重力加速度值。这些输出值在信号调理单元进行同步化/规范化处理、剔除飞值等调理后，进入XC164CM单片机的五路A/D转换器输入口经A/D后，变为16位数字信号。该数字信号中的陀螺信号和三轴加速度计信号在单片机中进行融合处理后，得到准确的θ、γ、ψ角及其变化速率信号。同时，这些信号经过n步预测估算，获得车体下一步可能出现的状态。最后，单片机根据θ、γ、ψ角及其变化速率信号以及n步预测估算值，经过判决后得出自适应前照灯的控制方案。该控制方案经过RS232口送入上位机实施灯光的控制。

一种基于上述微惯性测量单元的自适应前照灯控制方法具体步骤如下：

包括“行车状态量的获取方法”及“AFS控制量获取过程”两部分。

⑴基于MIMS组件的行车状态量获取方法。

获取行车状态量是实现AFS功能的条件，由基于MIMS器件的MINU实现。

①建立坐标系。

设计两个坐标系，一是车体导航坐标系OXYZ，另一是车体行车坐标系Oxyz。其中导航坐标系的Z轴平行于地球惯性坐标系Z轴，指天为正，原点随汽车质心移动，X轴、Y轴与Z轴构成如图正交坐标系；行车坐标系则是固定于车身的坐标系，三个轴向随车身姿态变化而改变，在理想平面时两坐标各轴互相重合。行车状态测量指车体坐标系Oxyz相对于导航坐标系OXYZ的角度偏移量的测量。状态角包括三个：俯仰角θ:z轴与OXZ平面的夹角；倾斜角γ:x轴与OXY平面的夹角；偏航角ψ：y轴与OYZ平面的夹角。其中偏航角和俯仰角分别为影响灯光左右、俯仰的主要因素，本发明主要解决偏航角和俯仰角及其它们的变化率的测量。

②行车状态信息获取过程。

行车前，对MINU进行静态校准，首先利用三轴加速度计的输出判断车体是处于静止状态，再利用三轴加速度计和磁阻传感器计算车体姿态误差，并以此姿态误差作为观测量，校正X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺漂移。同时，提取因车辆载重产生的俯仰角θ，作为灯光纵向调整的依据。

行车时，通过MINU的捷联解算，分别求得基于导航坐标系的三轴加速度计、X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺的输出量，并进行组合，求得瞬时偏转角增量值及其速率；

提取增量值的方法是：对当前时刻(k)状态量和上一时刻(k-1)的状态量求差值，并判其增减性。即：

△θ(k)＝|θ(k)-θ(k-1)|

其中，θ(k)、θ(k-1)是MINU检测的当前量和上一个状态量；增减性通过差值的符号确定。而差值△θ(k)中降低了因器件漂移而使输出误差。

用同样的方法可以求得其它方位角的差值。

⑵AFS控制量的获取过程。

该部分分如下几步完成。

①预处理。 

根据设定门限和数据融合剔除飞值。其实现方法是：以已经确定的门限值为依据， 参照三轴加速度计和磁阻传感器计算车体姿态角，对X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺输出的姿态角数据进行误差分析和滤波处理，校正陀螺漂移，并剔除飞值。

②数据处理。 

主要采用中值平均滤波方法。其实施方法是：每组采集n个数据，去掉其中n/2(或(n+1)/2)个最大值和最小值，然后计算剩余n/2个数据算术平均。

③动态校准。 

利用三轴加速度计的输出判断车体是否处于加速运动状态。如果车体处于运动状态，则根据X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺和三轴加速度计的测量值，采用等效矢量法计算车体姿态；并对两者输出数据进行加权平均。

④转弯机动判决。

基于速率增量[△I(k)]的特征量赋值：若[△I(k)]≥η(1)，则令δ(k)＝1；

若[△I(k)]<η(1)，则令δ(k)＝0；

其中k表示一组测量中的第k个数据，每组共获得m个数据。

转弯机动判决：定义机动特征值J＝[∑δ(k)]/m，

若J≥η(2)，则判断有新的侧向加速；

若J<η(2)，须结合上一时刻(即k-1时刻)状态做出如下判决：

a)转弯机动结束；b)转弯机动延续。

其中，判断转弯机动结束的条件是J<η(2)连续出现的次数N≥λ。

上面表述中，η(1)、η(2)、δ(k)、△I(k)、m、λ均为已经设定的参量或确定值，其具体值依不同车型而设定。

一旦确认有人为机动发生，则进入下一步。

⑤机动模式识别与AFS控制量的形成：

机动模式识别主要根据描述行车状态的特征向量确定。该特征向量共三类6维，分别表示车辆转角大小和速度等级，并对应6种灯光控制模式。控制量的形成的过程是：在获得特征向量的基础上，即可对应得到机动状态的识别结果，从而检索出最终结果——6种灯光控制模式之一。