基于駕駛性的車輛蠕行加速度信號處理方法研究

莫易敏，熊 釗，王 駿，2，胡 恒

(1.武漢理工大學 機電工程學院,湖北 武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007)

駕駛性是駕駛員對駕駛員與車輛之間相互作用的復雜主觀感知[1]，而車輛蠕行是車輛啟動過程中的一個常見工況，通常發(fā)生在駕駛員釋放制動踏板，變速器掛空擋，并且不施加油門這段時間，由于車輛從靜止變?yōu)檫\動，車輛的加速度突然提升以及起步后的加速度波動必然會對駕駛員的主觀感知產(chǎn)生影響，因此車輛蠕行品質(zhì)是整車駕駛性不可忽視的因素，值得相關汽車廠商進行深入研究。

目前基于工況的駕駛性研究主要集中在駕駛性主客觀評價上[2]，關于車輛蠕行的研究僅限于客觀指標的評價方法研究[3]，與客觀指標值相應的原始數(shù)據(jù)處理方法研究較少。因此筆者在分析蠕行控制機理的基礎上選定駕駛性客觀指標，之后對試驗取得的原始加速度信號進行處理，通過對駕駛性信號預處理常用數(shù)字濾波方法與筆者選定的小波閾值去噪、加權(quán)平滑濾波方法得到的參數(shù)值波動情況對比，確定蠕行起步整體客觀評價指標的信號處理方法。

1 蠕行駕駛性評價指標選取

起步工況的低速蠕行是在平坦路面上，依靠發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)速，通過變速箱(自動變速箱、部分無級變速箱依靠液力變矩器傳遞動力，離合器斷開，雙離合變速箱掛擋離合器連接)傳遞至主動輪，實現(xiàn)車輛緩慢平穩(wěn)運行。分析車輛蠕行控制機理[4]，可得到起步蠕行客觀評價指標為：

(1)制動踏板釋放響應延遲。釋放制動踏板到車輛進入運動狀態(tài)所需要的時間、加速度大小相較于靜止狀態(tài)上升超過設定值時，稱為進入運動狀態(tài)。

(2)制動踏板釋放加速度跳躍。車輛進入運動狀態(tài)后第一次到達局部最大加速度時，指標包含局部最大加速度與靜止時加速度的差值，以及上升到局部最大加速度所需要的時間兩個參數(shù)。

(3)制動踏板釋放后振喘。當車輛蠕行起步實現(xiàn)加速度跳躍，并到達第一次加速度峰值后，車輛開始出現(xiàn)振喘現(xiàn)象，表現(xiàn)為汽車有規(guī)律的前后震動，振喘客觀評價指標包含3個參數(shù)：加速度振喘均方根值(root mean square, RMS)、加速度波動幅值、振喘的平穩(wěn)性(vibration dose value, VDV)。一般選取加速度跳躍，并到達第一次加速度峰值為初始時間，之后的第二個波峰為結(jié)束時間(此處的波峰數(shù)可以根據(jù)情況選取，但初始時間不變)，分析這段時間的振喘參數(shù)計算方法如下：

(1)

(2)

(3)

均方根值主要反映振喘的總體平均幅度，波動幅值以及平穩(wěn)性均反映的是振喘的極端情況。

學生根據(jù)教師指導修改后的方案進行實施。實際操作過程中，由于剛長出的根難以準確判斷，所以學生只選擇根的總長度作為觀察指標。所獲取的實驗結(jié)果見表4。

(4)加速擾動。蠕行的加速擾動考慮的時間范圍是制動釋放為開始，當車輛速度超過蠕行限值時結(jié)束?？陀^評價指標的參數(shù)包含擾動能量占比，通過處理的加速度信號與擾動信號進行傅里葉變換后的能量譜比值得到。

2 駕駛性指標信號采集

確定蠕行的駕駛性評價客觀指標后，需要采集的信號包括汽車縱向行駛整車速度、加速度、油門踏板開度和制動踏板閉合信號。

2.1 整車基本參數(shù)

試驗車輛采用某企業(yè)專門用于測試的車輛，行駛里程均在1 000 km，已度過磨合期，能最好地發(fā)揮車輛的性能。試驗車參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車參數(shù)表

2.2 測試設備

采用AVL-Drive相關測量設備，測量系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。由于試驗車輛為某企業(yè)研制車型，可以直接從ECU(electronic control unit)中讀取制動踏板以及油門踏板信號，因此實際測量時測量系統(tǒng)只需要1、2、3、5、9、10這6個設備， ECU的轉(zhuǎn)數(shù)與踏板信號通過擴展的CAN(controller area network)通信協(xié)議接口傳遞至驅(qū)動主機；最后通過USB接口將匯總的信號傳遞至電腦端。驅(qū)動主機接線如圖2所示，連接表如表2所示。

圖1 測量系統(tǒng)硬件組成圖

圖2 驅(qū)動主機接線圖

表2 驅(qū)動主機接線接口表

2.3 測試條件

測試時的駕駛員是有經(jīng)驗的車輛駕駛評測師。車輛在已熱車狀態(tài)下踩制動踏板為車輛測量的初始狀態(tài)。

試驗在某新建縱向直道上進行(直道滿足國家技術要求)，室外風速要求小于3 m/s，溫度為25±5 ℃，周圍環(huán)境的氣壓為101.3 kPa，測試在滿載(280 kg)條件下進行。

3 蠕行加速度信號處理

3.1 原始加速度信號分析

試驗車輛3次起步蠕行的原始加速度信號如圖3所示，從圖3可知，在車輛靜止時，雖然事先已經(jīng)進行了加速度調(diào)零，但由于高頻噪聲的存在，靜止時仍出現(xiàn)了加速度小幅波動，3次試驗時靜止最大加速度波動為0.097 4 m/s2，試驗車的運動狀態(tài)加速度增量設置為0.1 m/s2，當進入運動狀態(tài)后，車輛本身的振喘現(xiàn)象又會與噪聲一起對加速度信號產(chǎn)生干擾，得到的加速度曲線振蕩在起步后依舊很強烈，因此原始信號是不能直接用于客觀指標參數(shù)提取的。

圖3 3次起步蠕行原始加速度信號

常規(guī)的處理方式一般采取基于傅里葉變換的數(shù)字濾波，相關學者則采用小波去噪以及EMD(empirical mode decomposition)分解等方法進行原始數(shù)據(jù)處理，處理的目的均是從原始信號去噪出發(fā)，得出噪聲最少的信號用于客觀指標的參數(shù)提取[5]。

從駕駛性定義出發(fā)，車輛的高頻擾動是會影響駕駛員的主觀感知的，并且不同的客觀指標參數(shù)的提取所需的信號類型也有差異。因此將根據(jù)評價指標的特點，進行數(shù)據(jù)處理，選取合適的處理方法，處理方法主要依據(jù)同一車輛相同工況下多次試驗后得到參數(shù)值的波動情況來選取。

蠕行的4個客觀指標中，制動踏板釋放延遲以及加速度跳躍指標參數(shù)與時間有關，反映的是車輛起步過程。高頻噪聲與低頻振喘等信號會造成加速度突變，這對多次相同試驗時的參數(shù)值產(chǎn)生影響，因此該類指標需要加速度曲線盡可能平滑；而振喘指標主要討論車輛低頻振喘(一般頻率在2～10 Hz范圍內(nèi))[6]，要排除高頻擾動，因此需要保留低頻擾動；加速擾動指標則是將擾動能量納入考量，需要將原始加速度信號進行分解。

3.2 制動踏板釋放響應延遲、加速度跳躍信號處理

由于客觀指標參數(shù)與時間有關，過程類指標信號處理需要加速度信號盡可能平滑，而常見的數(shù)字濾波方法中，相較于IIR(infinite impluse response)數(shù)字濾波方式，F(xiàn)IR(finite impulse response)數(shù)字濾波后數(shù)據(jù)為線性延時，進行延時修正后，是不會影響信號的時間特性的，這對參數(shù)的穩(wěn)定性有重要影響，此外將加權(quán)平滑濾波以及小波分解去噪方法也納入考量。

加權(quán)平滑濾波，主要參數(shù)是加權(quán)節(jié)點數(shù)目的確定[7]，多次試驗最佳節(jié)點選為20個，F(xiàn)IR數(shù)字濾波為2 Hz低通濾波，帶阻為10 dB，采用參考文獻[8]中的線性時延計算方法得到線性延時為0.58 s；根據(jù)小波分解去噪原理[9-10]，筆者主要構(gòu)造的97雙正交小波，采樣頻率為100 Hz，目標頻率為2 Hz，因此選取分解層數(shù)為4層，對第4層逼近信號(頻率0～3.125 Hz)進行軟閾值去噪，閾值選擇自適應閾值。響應延遲與加速跳躍指標原始數(shù)據(jù)處理對比圖如圖4所示。

圖4 響應延遲與加速跳躍指標原始數(shù)據(jù)處理對比圖

從圖4可知，小波分解去噪與加權(quán)平滑濾波得到的加速度信號較為平滑，F(xiàn)IR數(shù)字濾波信號由于通帶在0 dB波動，因此濾波后數(shù)據(jù)存在振蕩，將試驗車3次蠕行信號分別進行圖4所示的3種處理方法，并提取客觀指標參數(shù)，將加速度跳躍的兩個指標處理后，變?yōu)槠骄铀俣茸兓?，如?所示。

表3 3種方法處理數(shù)據(jù)參數(shù)值

3次相似條件試驗，對于響應延遲與加速度跳躍指標的參數(shù)，加權(quán)平滑濾波數(shù)據(jù)處理得到的客觀指標參數(shù)數(shù)值相對波動最小(響應延遲第二次試驗數(shù)據(jù)可以看做粗大誤差，不納入考量)。

3.3 振喘指標信號處理

振喘指標所需的加速度信號需要保留低頻擾動，消除高頻擾動，由于指標參數(shù)與時間無關，需要精確的計算速度值，數(shù)字濾波方式中雖然FIR有線性相位，但由于振喘指標與時間無關，而FIR濾波的幅頻精度相較于IIR數(shù)字濾波有所不足，因此選擇能更好保留加速度精度的IIR數(shù)字濾波，采取10 Hz低通濾波，帶阻與構(gòu)造模型不變；小波分解去噪與所需信號的頻率范圍有關，由于要保留10 Hz以下信號，采取2層小波分解，對第2層的逼近信號進行軟閾值去噪，參數(shù)與之前相同；由于加權(quán)平滑濾波主要目的是將振蕩信號變平滑，不滿足振喘指標的要求，在此處不使用該方法進行數(shù)據(jù)處理。

圖5為使用IIR數(shù)字濾波與小波分解去噪后的加速度曲線，可以看出IIR數(shù)字濾波會明顯的出現(xiàn)非線性延時，但是由于提取振喘客觀指標的參數(shù)是沒有影響的，其濾波后幅值特性很好；而對應的小波閾值去噪保留了較多的加速度特征，但加速度幅值精度相對較小。

圖5 振喘指標原始數(shù)據(jù)處理對比圖

將試驗車3次蠕行信號分別進行圖5所示的兩種處理方法并提取客觀指標參數(shù)，如表4所示。

表4中兩種方法的振喘指標參數(shù)數(shù)據(jù)中小波閾值去噪的信號參數(shù)值相對較小，且分布相對集中，相對波動較小，因此提取振喘指標參數(shù)選用小波閾值去噪較好。

表4 兩種方法處理數(shù)據(jù)參數(shù)值

3.4 加速擾動指標信號處理

加速擾動指標參數(shù)為擾動能量占比，由于采取FIR高通濾波時，得到的擾動信號與IIR與小波去噪分解得到的擾動信號差異較大，此處主要選取IIR數(shù)字濾波以及小波閾值去噪。由于需要采集的信號為擾動信號，IIR數(shù)字濾波采用2 Hz高通濾波，其余參數(shù)不變；小波分解閾值去噪，沿用延時響應時的處理方法，在處理完后，需要將第4層逼近信號的噪聲與1、2、3、4層高頻分量相加，共同組成擾動信號。

擾動信號與理想加速度信號頻譜圖如圖6所示，點畫線為去擾動加速度信號的頻譜圖，車輛蠕行時加速擾動包含高頻噪聲，以及車輛自身的低頻擾動(振喘)，因此去擾動信號又稱為理想加速度信號，其能量主要集中于低頻段，去噪得到的擾動信號頻譜，能量主要集中在高頻段區(qū)域，擾動能量與理想加速度頻譜能量比值能從整體上客觀的反映蠕行過程中，擾動對整車工況的影響，擾動能量比值越小，表明動力系統(tǒng)動力傳遞越平穩(wěn)。

圖6 擾動信號與理想加速度信號頻譜圖

同樣的3次蠕行試驗后，得到擾動能量比如表5所示。

表5 擾動能量比

從表5可知，小波分解去噪得到的擾動比參數(shù)整體值較小，這是由于IIR濾波在阻帶內(nèi)帶阻是緩慢下降的，導致所得擾動信號值偏大，而小波分解去噪能根據(jù)頻率很好地進行分解；小波分解去噪所得信號提取的參數(shù)波動較小，因此針對加速擾動指標，選取小波分解去噪方法。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)選取的蠕行客觀評價指標進行了參數(shù)定義，并搭建了信號測量平臺。

(2)分析試驗測量的原始加速度信號，按客觀評價指標參數(shù)特性將指標分為3類分別進行數(shù)據(jù)處理。

(3)根據(jù)客觀指標，選取加權(quán)平滑濾波、小波閾值去噪與駕駛性常用的預處理方法(數(shù)字濾波，F(xiàn)IR、IIR)進行指標參數(shù)提取，其中響應延遲與加速跳躍宜采用加權(quán)平滑濾波；振喘與加速擾動宜采用小波分解去噪；并對原有的數(shù)字濾波預處理方法進行了改進。