基于智能手機的路面坑洞探測方法
【專利摘要】一種車輛行駛控制【技術領域】的基于智能手機的路面坑洞探測方法，通過手機收集車輛在行駛過程中產生的運動數據，通過對這些數據的去噪和分段，分析出由路坑引起的振動數據段，應用單自由度振動模型對這些數據進行分析，估算出路坑的深度，之后再通過一定的分析估算出路坑的長度。本發明實施方便，不會產生昂貴的成本；可以在各種環境中使用，不容易受到限制；能夠較精確的確定路坑的形狀(包括深度、長度)。
【專利說明】基于智能手機的路面坑洞探測方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種智能環境感知【技術領域】的方法，具體是一種基于智能手機的 道路路面的危害坑洞探測方法，在車輛行駛過程中通過智能手機主動探測路面狀況，記錄 危害性路坑位置并測量路坑深度與長度信息。

【背景技術】
[0002] 道路上的路坑經常會導致不慎經過的車輛產生損傷，所產生的顛簸也可能對車中 的乘客造成了一定的安全危害，甚至會釀成交通事故。因此如果能夠對道路的路況進行及 時的檢測，并且及時向駕駛員發布公路上的路坑分布與危害程度等信息，可以規避許多危 險隱患。
[0003] 已有的檢測路面路坑的解決方案主要包括：1)使用地面穿透雷達（GPR-Ground PenetratingRadar),GPR可以被安裝在車輛上，并且通過高頻雷達獲得路面的圖像；2)使 用照相機對路面進行拍攝后解析。通過照相機可以判斷路坑的位置；3)使用手機的加速傳 感器。通過加速感應器來判斷是否存在路坑。
[0004] 經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN101317168公開（公告）日 2008. 12. 03,公開了一種用于識別并報告外部情況的車載系統。所述系統具有操作者可選 擇的用戶接口、全球定位系統接收器和無線通信系統，所述操作者可選擇的用戶接口用于 識別外部情況的發生。所述部件可以用來幫助發現會不利地影響安全和行駛的局部道路情 況。所述部件可被置于志愿者的車輛中，每當檢測到危險時被手動操作。可報告的危險包括 高速公路中的坑洞、障礙或垃圾、雪或冰區、霧、罕見的交通量或行人活動以及局部事故，諸 如存在拋錨或緊急車輛。危險的性質可通過手動激活附加按鈕或其它適當的設備來表明。 并入GPS接收器來估計危險的位置、速度和行駛方向。信息被編碼為發送到中央服務器的 消息。
[0005] 中國專利文獻號CN102409599A公開（公告）日2012. 04. 11，公開了一種道路路面 檢測方法，包括如下步驟：通過路面行駛采集加速度；根據采集到的垂直方向的加速度確 定混合高斯模型；通過匹配檢驗判斷所述垂直方向的加速度與混合高斯模型是否匹配，若 否，則傳輸所述采集到的加速度。上述道路路面檢測方法及系統，在路面行駛過程中采集垂 直方向上的加速度作為特征，在混合高斯模型中進行匹配檢驗，以得到不與混合高斯模型 相匹配的加速度，這一加速度為垂直方向上的加速度，因此對應了車輛經過減速帶或者井 蓋、坑、土包時的加速度，如果垂直方向的加速度與混合高斯模型匹配時，則對采集到的加 速度進行數據傳輸，在不丟失信息的情況下降低了數據傳輸量和計算量，節省網絡帶寬。
[0006] 現有技術存在以下不足之處：
[0007] 1)使用GPR方法。使用該方法需要大量的車輛都安裝有GPR設備，十分昂貴，且一 般的司機不可能會安裝GPR。
[0008] 2)使用攝像的方法。使用該方法會受限于環境因素，如在黑夜或者隧道中。同時 該方法無法精確的計算路坑的深度，比如當路坑被雨水填滿時。
[0009] 3)使用手機GPS、加速傳感器的方法。或使用手動危害標注和位置，或使用手機加 速度傳感器判斷是否所產生的振動的原因（減速帶、井蓋、坑、土包）與位置，但無法依靠加 速度傳感器精確檢測危害性路坑的長度與深度信息。且不同車輛的質量與車輛振動系數存 在很大差異，現有方法也無法提出一種有效適用于不同車輛的主動路面坑洞探測技術，以 獲取路面坑洞的精確有效的深度和長度信息。


【發明內容】

[0010] 本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于智能手機的路面坑洞探測方 法，實施方便，不會產生昂貴的成本；可以自適應于不同車輛，不容易受到限制；能夠較精 確的確定路坑的形狀（包括深度、長度）。
[0011] 本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過手機收集車輛在行駛過程中產生 的運動數據，通過對這些數據的去噪和分段，分析出由路坑引起的振動數據段，并結合車輛 單自由度振動模型對這些數據進行分析，主動學習車輛振動特征，估算出路坑的深度，并通 過分析估算出路坑的長度。
[0012] 本發明具體包括如下步驟：
[0013] 步驟1 :通過智能手機的加速度感應器記錄行車過程中的運動數據；
[0014] 所述的運動數據包括：加速度數據、手機在車中的位置以及車輛的型號。
[0015] 所述的步驟1具體通過將手機水平放置在車內，在行車過程中收集垂直坐標系三 個方向上的加速度，當感應到振動時記錄下GPS數據，記錄手機在車中的位置以及車輛的 型號。
[0016] 所述的振動，具體為：當感應到垂直加速度超過1. 3G或者低于0. 7G時，判定為發 生振動。
[0017] 所述的水平放置，具體為：將手機置于但不限于車輛前部控制臺表面或扶手箱表 面，進一步可以是任何車廂內的平坦的表面。
[0018] 步驟2 :對運動數據進行除噪以及分段，識別出由于經過路坑而產生的振動，具體 為：
[0019] 2. 1)使用滑動窗口協議算法除去運動數據中的毛刺，通過設置加速度臨界值將超 過臨界值的連續數據段視作可能由路坑引起的振動；
[0020] 2. 2)通過判斷運動數據中x軸與y軸上的加速度數據，排除由車輛轉彎和/或剎 車引起的振動，具體為：當x軸與y軸上的加速度超過臨界值則判斷為轉彎或者剎車；當振 動持續時間小于臨界值則判斷由關車門所引起的振動。
[0021] 通過排除上述情況后，剩下的數據段可視作由經過路坑所引起的振動。
[0022] 步驟3 :建立用于消除車輛懸掛系統對振動的影響的單自由度振動模型，并根據 振動周期以及前后兩次振幅比的關系：

【權利要求】
1. 一種基于智能手機的路面坑洞探測方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1 :通過智能手機的加速度感應器記錄行車過程中的運動數據； 步驟2 :對運動數據進行除噪以及分段，識別出由于經過路坑而產生的振動； 步驟3 :建立用于消除車輛懸掛系統對振動的影響的單自由度振動模型，并根據振動 周期以及前后兩次振幅比的關系：3； =e 得到路坑深度估計值，其中：y為輪 胎垂直移動的距離，即路坑深度估計值、P為振動頻率、δ為1η(η)、η為振動中的振幅遞 減比、t為振動持續時間； 步驟4 :對步驟3得到的路坑深度估計值進行誤差排除，即由于手機在車中的位置并不 在路坑的正上方導致的測量誤差，并根據汽車的速度以及車輛經過一個路坑所需的時間得 到路坑長度，最終獲得路面坑洞輪廓估測值。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的運動數據包括：加速度數據、手機在 車中的位置以及車輛的型號。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的步驟1具體通過將手機水平放置在車 內，在行車過程中收集垂直坐標系三個方向上的加速度，當感應到振動時記錄下GPS數據， 記錄手機在車中的位置以及車輛的型號。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的步驟2具體包括： 2. 1)使用滑動窗口協議算法除去運動數據中的毛刺，通過設置加速度臨界值將超過臨 界值的連續數據段視作由路坑引起的振動； 2. 2)通過判斷運動數據中X軸與y軸上的加速度數據，排除由車輛轉彎和/或剎車引 起的振動，具體為：當X軸與y軸上的加速度超過臨界值則判斷為轉彎或者剎車；當振動持 續時間小于臨界值則判斷由關車門所引起的振動； 通過排除上述情況后，剩下的數據段可視作由經過路坑所引起的振動。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的單自由度振動模型具體是指：將車輛 視作一個質量為m的物體，通過勁度系數為k的彈簧以及減震系數為c的避震器與輪胎相 連，車輛的垂直振動距離為X，輪胎的垂直振動距離為y，則有：+ = mi: + d; +& ,其中： X為車輛垂直移動的距離、y為輪胎垂直移動的距離、·^為X的一階導數、·?為X的二階導數、T為振動周期、P為振動頻率、η為振動中的振幅遞減比、δ為1η(η)。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的振動周期以及前后兩次振幅比的關 系，通過以下方式得到： 3. 1)根據單自由度振動模型得 3. 2)為了獲得m/c與k/c的值，當q(t) =O時，解公式：無+-i+--γ= 0得 m m ,
rr_ 2π ?/π. 3.3)根據振動周期^ 解得/; =f通過振動中的兩次振幅比 Ai Ae"τ1β(//)δ ρπ !1=t*-_=e可得W=f=歹最后得到產f抑)￡^冶即根據振動周期 以及前后兩次振幅比就可以估算出路坑的深度。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的誤差排除是指：根據手機在車中的位 置對路坑深度估計值乘以調整參數，該調整參數為：當振動數據位后輪引起得到時，則第一 調整參數為f其中：汽車前后輪距為L，手機距離前輪d;同時，當手機放在車子中間，則一 側輪胎入坑時，則第二調整參數為2 ;將第一和第二調整參數相乘得到最終的調整參數。
8. 根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的路坑長度通過以下方式得到：根據汽 車的速度以及車輛經過一個路坑所需的時間對路坑長度進行推算：通過車輛前后輪通過同 一個路坑的時間差t，得到汽車速度F=f然后計算同一個輪胎通過路坑的時間，乘以速 度得到路坑長度。
【文檔編號】B60W40/06GK104442827SQ201410632992
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】薛廣濤, 朱弘恣, 楊超, 卓聞 申請人:上海交通大學