基于輪速傳感器判定顛簸路面的研究

韓俊，吳瓊，王洪靜

引言

《GB18352.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》要求發(fā)動機電控系統(tǒng)必須具備車載診斷OBD（On-Board Diagnostic，OBD）系統(tǒng)，其中失火診斷OBD診斷項目中的重要內容之一[1]。當發(fā)動機失火，氣缸中的混合氣沒有經過燃燒直接排至大氣中，會導致發(fā)動機尾氣排放中的HC和NMHC明顯增高，從而對環(huán)境產生危害。為此，需要對發(fā)動機是否發(fā)生失火進行診斷，當出現(xiàn)失火需要點亮MIL燈，告知駕駛員盡快去維修站維修。

當發(fā)動機發(fā)生失火時，由于失火氣缸中的混合氣沒有發(fā)生燃燒輸出動力，而導致發(fā)動機轉速發(fā)生變化，當前失火診斷的主要邏輯是ECU監(jiān)測發(fā)動機曲軸加速度是否發(fā)生變化，當發(fā)動機出現(xiàn)失火曲軸角加速度會出現(xiàn)一個跳變信號，此信號經過ECU處理，如果這個信號滿足失火判斷條件，判斷發(fā)動機失火并點亮MIL燈。

然而，當汽車行駛在搓板路，鵝卵石路等顛簸路上時，顛簸的路面對車輪的沖擊通過傳動系傳遞到發(fā)動機曲軸上，導致曲軸角加速度也會出現(xiàn)跳變，如果按照當前的失火診斷控制邏輯就會誤判為失火而點亮MIL燈[3]。

為了防止誤判，顛簸路面的判斷方式主要依靠弱加速度傳感器檢測車輛是否行使在顛簸路面上，但弱加速度傳感器長久使用會出現(xiàn)信號失真或失靈的現(xiàn)象，且增加了車輛成本。因此，本研究專門研究一種基于輪速傳感器的顛簸路面識別方法，讓ECU識別車輛行駛在顛簸路上，屏蔽失火診斷防止誤判失火。

1、顛簸路面衡量指標

當車輛行駛在顛簸路面上，凸凹不平的路面會對車輪產生沖擊，這些沖擊會讓車輪運動發(fā)生變化，這些變化會由輪速傳感器感監(jiān)測測到并傳遞至ECU[5]。霍爾輪速傳感器的原始脈沖信號在顛簸路面上不會發(fā)生變化，不宜用作衡量指標。然而根據(jù)輪速傳感器原始信號計算得到的輪速和輪加速度值是連續(xù)的，且行駛路況不同，其輪速及輪加速度值也不相同，它們具備作為衡量指標的條件[6]。

因此，以輪速或輪加速度作為判定顛簸路面的研究對象，但兩者表征顛簸路的準確度還需試驗研究。

1.1 路面對輪速的影響

本研究以一款配置2.0T發(fā)動機5MT變速箱，滾動半徑為18寸的車輛為研究對象，研究路面對輪速的影響。車輛行駛在顛簸路面上用INCA軟件以125ms的采樣頻率分別采集車速為30km/h，50km/h，70km/h，90km/h的輪速傳感器信號，如圖1所示。車輛行駛在平路路面上以125ms的采樣頻率采集車速30km/h的輪速傳感器信號，如圖2所示。

圖1 中車輛顛簸路上行駛，當車速為30km/h，50km/h,70km/h，90km/h時，輪速值分別以 30km/h，50km/h,70km/h,90km/h為中軸上下跳動，幅值在±4km/h以內。圖2中車輛平路上行駛，由于油門波動和ECU的控制誤差，當車速為30km/h時輪速波動在±2km/h以內。若加上量產時的油門散差及不同駕駛員油門波動的控制精度，在行駛時輪速的波動可能會超過±4km/h，與顛簸路產生重疊區(qū)域。因此若以輪速值的變化來衡量車輛是否處于顛簸路，易產生誤判。

1.2 路面對輪加速度的影響

對上述顛簸路工況下輪速為30km/h，50km/h，70km/h，90km/h行駛工況以3個采樣周期即375ms計算輪加速度，如圖3所示。對上述平路路面30km/h行駛時以3個采樣周期即375ms計算輪加速度，如圖4所示。

圖3 中，在顛簸路面上車輛的加速度圍繞0軸正負跳變，且在30km/h、50km/h、70km/h、90km/h的不同車速下輪加速度上下跳變的區(qū)域非常集中，即在顛簸路面上輪加速度跳變值與車速關系不大，且輪加速度值集中在±6g/s2之間。圖4中平路上的輪加速度集中在±0.5g/s2之間，顛簸路和平路輪加速度值差別很大，因此用輪加速度值判別顛簸路面不會誤判。

2、輪加速度的處理

2.1 輪加速度求平均值

圖3中輪加速度圖中有超過8g/s2的三個峰值，這三個峰值來源于30-50km/h，50-70km/h,70-90km/h的油門加速導致的輪速突變，這種由于加速與減速引起的輪加速度跳變并不是顛簸路導致的，需要弱化這種工況的輪加速度值對判定的影響。因此可以采取求平均值的方法，對K個輪加速度進行累加，然后求平均值。

2.2 輪加速度求絕對值

選取由圖3、圖4可知，輪加速度有正有負，正負值都代表路面對車輪的沖擊。如果直接累加會導致正負值相抵，削弱了輪加速度的振幅，因此，在對K個輪加速度先取絕對值再進行累加。

2.3 輪加速度累加變量

當車輛行駛在平路上時，因為輪速的波動，輪加速度也不恒定為0值，而是在0值附近微小的正負跳動，如上圖4所示。而此種行駛在平路上的工況，不屬于顛簸路面的判定范疇。因此在對輪加速度累加前，先與平路的輪加速度絕對值A比較，A的設定為平路輪加速度分布值的絕對值，圖4中輪加速度集中在±0.5g/s2，A 設定為 0.5g/s2。若大于此值進行累加，小于此值則置 0，保證顛簸路面上的輪加速度是以0的起點開始累加。

2.4 輪加速度累加個數(shù)K的選取

K值的選取原則為要把顛簸路工況下因為加減速導致的最大絕對輪加速度平均到勻速行駛的加速度值附近。如圖 3中顛簸路面上輪加速度絕對值集中在 6g/s2內，突然加速時輪加速度最大值為9.87g/s2，要把最大值平均到6g/s2附近，那么 K=（9.87+X*6）/（X+1），當 X=90時，K=6.04≈6，取90次。

3、顛簸路面表征值

顛簸路面表征值是指能準確表征車輛處于顛簸路行駛的數(shù)值。通過上面研究可知由輪速傳感器脈沖信號得到輪速之后，需要對輪速求其加速度，并對加速度做運算優(yōu)化處理，最后得到的數(shù)值才是能反應顛簸路面的表征值，具體算法流程如下：

（a）計算輪速WS：

式中：T為脈沖周期；R為滾動半徑。

（b）計算輪速加速度絕對值WSA：

式中：Δt為可標定時間段。

（c）輪加速度累加變量M：

若WSAA，則M=WSA。

A為平路輪加速度分布值的絕對值，WSA為顛簸路輪加速度絕對值。

（d）顛簸路面指標值Index計算，公式如下：

式中：K為可標定的累加次數(shù)。

4、顛簸路面監(jiān)測限值

顛簸路面監(jiān)測限值是用來衡量顛簸路面表征值，當運算后的顛簸路面表征值大于限值時，即表明車輛行駛在顛簸路面上。因此監(jiān)測限值的設定要小于不同顛簸路面計算得到的顛簸路表征值的最小值。

圖5中方框從左到右依次為車輛行駛在搓板路、坑洼路，鵝卵石路上計算得到的顛簸路面表征值，可以看出顛簸路況不同表征值也不同，搓板路平均Index為2.83g/s2，坑洼路平均Index為5.75g/s2，鵝卵石路平均Index為1.67g/s2。這些路面都屬于顛簸路，都需要被識別出來，顛簸路面監(jiān)測限值的設定需要小于1.67g/s2，上述三種顛簸路面的工況才能全被監(jiān)測到。同時為了排除車輛散差及不同地域顛簸路面不同的影響，因此以三種工況的平均Index最小值1.67g/s2的3/4即1.25g/s2作為限值。

由此得出限值的設定方法是讓車輛行駛在不同的顛簸路面上，如鵝卵石路、搓板路，比利時路等等凹凸不平的顛簸路上，分別計算這些路面上的表征值，最后以最小表征值的3/4作為顛簸路面監(jiān)測限值。即：

式中：n表示需監(jiān)測顛簸路工況的個數(shù)。

5、算法驗證

以某款搭載1.5L發(fā)動機5MT變速箱，滾動半徑16英尺的車型為試驗驗證對象，采集通過鵝卵石路，搓板路等不同顛簸路的輪速傳感器信號，使用上述算法計算得到其監(jiān)測限值為1.835g/s2，K=60次。（本實驗中設定采樣頻率125ms，Δt為375ms)

更換另一輛同款車型，駕駛車輛行駛在部分搓板路部分平路的路面上，采集輪速傳感器信號，對采集數(shù)據(jù)進行運算處理，得到的結果如下圖：

圖6 中，當車輛行駛在圖中方框區(qū)域搓板路上時，通過計算得到的顛簸路面表征值大于監(jiān)測限值；當車輛行駛在非方框區(qū)域的平路上時顛簸路表征值遠小于監(jiān)測限值，不會誤判平路。由此說明通過上述的算法對輪速傳感器信號處理后得到的顛簸路面表征值及監(jiān)測限值都是合適的，即此方法能準確監(jiān)測顛簸路面。

6、結論

本文從輪速傳感器為研究對象，經過對傳感器的原始信號、輪速值、輪加速度值對比研究，選取了輪加速度作為表征失火顛簸路的指標，并通過設計算法針對輪加速度的算法來計算顛簸路面表征值和監(jiān)測限值。通過實車驗證，此算法設計能判定顛簸路工況，具備在量產車上應用的條件。

[1] GB18352.5-2013,輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）[S].北京:中國環(huán)境科學出版社,2013.

[2] 王震,王建海等.基于曲軸轉速波動的OBD失火診斷策略研究[J].汽車科技，2007:10-13.

[3] 任強,謝麗萍,謝雙飛.基于軟件法識別壞路的介紹與分析[J].汽車科技，2012(10):147-149.

[4] 李忠勤.力平衡加速度傳感器原理設計[J].信息系統(tǒng)工程, 2011(05):85-87.

[5] 祁翠琴.汽車電子技術[M].北京:北京大學出版社,2008.

[6] 張文春.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.