基于人機(jī)交互系統(tǒng)的商用車(chē)ECAS故障診斷研究

孫宏偉 趙培通 嚴(yán)天一

摘要：為提升商用車(chē)的行駛安全性，本文基于觸摸屏式新型人機(jī)交互系統(tǒng)，對(duì)商用車(chē)電控空氣懸架（electronically controlled air suspension，ECAS）系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行研究。針對(duì)ECAS故障診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)，提出了ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制，闡述了典型ECAS故障實(shí)例的診斷策略，并采用Matlab/Simulink搭建了診斷策略模型和故障碼生成模型。為驗(yàn)證本文所提出的故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制的可行性與實(shí)用性，以ECAS系統(tǒng)中壓力傳感器為例，對(duì)模型進(jìn)行仿真分析和硬件在環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在典型壓力傳感器故障工況下，本文所提出的ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出相應(yīng)故障，正確輸出一系列相關(guān)信號(hào)，并在人機(jī)交互系統(tǒng)上將診斷結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。該研究對(duì)商用車(chē)ECAS人機(jī)交互系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：商用車(chē)電控空氣懸架系統(tǒng)； 人機(jī)交互系統(tǒng)； 故障診斷； 故障保護(hù)； 壓力傳感器

中圖分類號(hào)：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-9798（2023）02-0090-09； DOI：10.13306/j.1006-9798.2023.02.013

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（ZR2016EEM49）； 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51475248）

作者簡(jiǎn)介：孫宏偉（1997-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠?chē)底盤(pán)電子控制技術(shù)。

通信作者：嚴(yán)天一（1970-），博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐?chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其控制技術(shù)。Email：yan_7012@126.com

人機(jī)交互系統(tǒng)作為商用車(chē)電控空氣懸架系統(tǒng)的重要組成部分，可有效提升電控空氣懸架系統(tǒng)的智能性與可操作性［1-2］。故障診斷作為電子控制系統(tǒng)的必要功能之一，其良好的設(shè)計(jì)與正常運(yùn)作，可保證電子控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)診斷和保護(hù)，有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和魯棒性［3-4］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)展了大量車(chē)載人機(jī)交互系統(tǒng)的研究。T.CEGOVNIK等人［5］研究了在不同駕駛環(huán)境要求下3種車(chē)載人機(jī)交互設(shè)計(jì)給駕駛員帶來(lái)的差異化交互體驗(yàn)；F.EKMAN等人［6］構(gòu)建了一個(gè)將信任相關(guān)因素引入人機(jī)界面的指導(dǎo)框架，通過(guò)人機(jī)交互，為自動(dòng)駕駛車(chē)輛系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)合適的用戶信任水平；S.ZHANKAZIEV等人［7］闡述了人機(jī)界面操作的概念及其設(shè)計(jì)過(guò)程中需要解決的問(wèn)題，并給出了與提高車(chē)輛自動(dòng)化水平有關(guān)的駕駛員準(zhǔn)備狀態(tài)相關(guān)問(wèn)題的通用描述；S.DEBERNARD等人［8］基于認(rèn)知工作分析框架，分析了自動(dòng)駕駛車(chē)輛中人機(jī)界面應(yīng)當(dāng)顯示哪些信息以及如何顯示等問(wèn)題，并以“變道”功能為例，對(duì)人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究；莫宇凡［9］提出了基于情景意識(shí)的車(chē)載人機(jī)交互系統(tǒng)，定義了駕駛情景意識(shí)及其影響因素，構(gòu)建了駕駛情景意識(shí)模型，給出了具備情景意識(shí)的車(chē)載中控交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了可行性評(píng)估；高晗等人［10］為研究未來(lái)汽車(chē)人機(jī)交互系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略，搭建了一個(gè)全新的人與車(chē)生命周期研究模型，分析了全流程下用戶的共性體驗(yàn)場(chǎng)景，挖掘用戶的需求和痛點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電控空氣懸架系統(tǒng)的故障診斷也開(kāi)展了相關(guān)研究。K.JECONG等人［11］提出了一種基于故障隔離觀測(cè)器生成殘差，并使用支持向量機(jī)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估的方法，對(duì)整車(chē)懸架系統(tǒng)傳感器的故障檢測(cè)與隔離展開(kāi)研究；H.KIM等人［12］針對(duì)閉環(huán)空氣懸架控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件壓力傳感器和高度傳感器，提出了一種基于模型的故障檢測(cè)方法；A.YETENDJE［13］以主動(dòng)懸架為研究對(duì)象，提出了一種由診斷模塊和控制器重構(gòu)模塊組成的診斷和容錯(cuò)控制方法；單海強(qiáng)［14］以ECAS的執(zhí)行器故障為研究對(duì)象，提出了相應(yīng)的故障診斷和容錯(cuò)控制算法；陳龍等人［15］針對(duì)ECAS在調(diào)節(jié)過(guò)程中的傳感器故障問(wèn)題，提出了一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波組的故障診斷方法；黃啟科等人［16］基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)ECAS故障診斷策略進(jìn)行研究。車(chē)載人機(jī)交互系統(tǒng)和ECAS故障診斷系統(tǒng)雖已有不少研究先例，但其在商用車(chē)上的研究應(yīng)用仍相對(duì)匱乏。因此，本文根據(jù)商用車(chē)電控空氣懸架系統(tǒng)的故障診斷需求，建立了基于可觸控液晶屏式人機(jī)交互系統(tǒng)的ECAS故障診斷總體架構(gòu)。提出了ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制，同時(shí)搭建了相應(yīng)的診斷仿真模型和硬件在環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)注入典型的故障測(cè)試用例，評(píng)估和驗(yàn)證了該研究的合理性和實(shí)用性。該研究具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 ECAS故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

故障診斷系統(tǒng)的基本功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)電子控制系統(tǒng)是否有故障發(fā)生，若檢測(cè)到有故障，則將檢測(cè)到的故障以故障碼的形式存儲(chǔ)起來(lái)，以備查看并用于協(xié)助故障維修等工作［17-18］。本文設(shè)計(jì)的基于人機(jī)交互系統(tǒng)的ECAS故障診斷系統(tǒng)主要包括以下3部分：1） 故障診斷。ECAS電控單元周期性地采集到系統(tǒng)的各種信號(hào)后，通過(guò)與臨界值比較等判別方法對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行故障狀態(tài)判別，將信號(hào)故障狀態(tài)劃分為“有故障”或“無(wú)故障”，再根據(jù)故障診斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)故障確認(rèn)、故障恢復(fù)、故障碼保存和故障碼老化等操作，從而實(shí)現(xiàn)ECAS故障診斷。

2） 故障保護(hù)。ECAS電控單元檢測(cè)到系統(tǒng)故障后，若故障持續(xù)時(shí)間滿足故障保護(hù)進(jìn)入條件，則進(jìn)入故障保護(hù)模式。在故障保護(hù)模式期間，ECAS電控單元應(yīng)用層控制策略應(yīng)提供必要的容錯(cuò)控制等故障應(yīng)對(duì)方案，保障ECAS系統(tǒng)仍可繼續(xù)正常工作，防止行駛車(chē)輛發(fā)生危險(xiǎn)［19-20］。當(dāng)信號(hào)正常持續(xù)時(shí)間滿足故障恢復(fù)條件后，也會(huì)滿足故障保護(hù)退出條件，將退出故障保護(hù)模式。

3） 診斷通信。基于SAE J1939數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層診斷部分［21-22］規(guī)定的通信規(guī)則和診斷報(bào)文，人機(jī)交互系統(tǒng)與ECAS電控單元之間可有序?qū)崿F(xiàn)故障碼的發(fā)送與接收以及故障碼的清除等診斷過(guò)程。

基于人機(jī)交互系統(tǒng)的ECAS故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互系統(tǒng)、ECAS電控單元、CAN總線以及ECAS各零部件等。故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制以軟件代碼的形式運(yùn)行在ECAS電控單元內(nèi)，用于實(shí)現(xiàn)ECAS電控單元的診斷與保護(hù)功能；ECAS電控單元分別對(duì)高度傳感器信號(hào)和壓力傳感器信號(hào)等進(jìn)行周期性地采集，在滿足診斷前提條件的情況下，完成信號(hào)故障狀態(tài)判別，若判別信號(hào)有故障，且故障得到確認(rèn)后，在此之前先行進(jìn)入故障保護(hù)模式，隨之保存相應(yīng)故障碼。駕駛員可通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)，讀取ECAS電控單元中存儲(chǔ)的故障碼或?qū)ζ溥M(jìn)行清除等操作。

2 ECAS故障診斷機(jī)制設(shè)計(jì)

ECAS電控單元故障診斷模塊周期性地采集滿足診斷條件的信號(hào)，判斷信號(hào)狀態(tài)是否正常，若正常，即為無(wú)故障狀態(tài)，否則為有故障狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)處于有故障狀態(tài)時(shí)，故障計(jì)數(shù)模塊+1，等到下一次信號(hào)采集判斷仍為有故障狀態(tài)時(shí)，故障計(jì)數(shù)模塊繼續(xù)+1，否則故障計(jì)數(shù)模塊-1。若故障計(jì)數(shù)模塊當(dāng)前計(jì)數(shù)為負(fù)值，而此時(shí)信號(hào)采集判斷為有故障狀態(tài)，那么故障計(jì)數(shù)模塊將立即從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，并且+1。在一個(gè)駕駛周期內(nèi)，當(dāng)故障計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)數(shù)值達(dá)到故障確認(rèn)計(jì)數(shù)條件時(shí)，將對(duì)信號(hào)故障進(jìn)行確認(rèn)，該故障即為當(dāng)前故障，然后保存故障碼。

當(dāng)故障計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)數(shù)值達(dá)到故障恢復(fù)計(jì)數(shù)條件時(shí)，恢復(fù)信號(hào)故障狀態(tài)，此時(shí)若存在保存的信號(hào)故障碼，則令其轉(zhuǎn)為歷史故障碼，隨之該故障即由當(dāng)前故障轉(zhuǎn)為歷史故障。此時(shí)，若不存在保存的信號(hào)故障碼，則不做任何動(dòng)作。故障確認(rèn)計(jì)數(shù)條件和故障恢復(fù)計(jì)數(shù)條件為2個(gè)標(biāo)定量，根據(jù)診斷需求，通過(guò)標(biāo)定工具進(jìn)行自定義標(biāo)定。故障確認(rèn)和故障恢復(fù)所需計(jì)數(shù)用的故障計(jì)數(shù)模塊將使用同一個(gè)故障計(jì)數(shù)模塊。除故障計(jì)數(shù)模塊外，還將用到故障老化計(jì)數(shù)模塊，此計(jì)數(shù)模塊主要用于老化歷史故障碼，即滿足老化條件時(shí)就清除歷史故障碼。

故障老化計(jì)數(shù)模塊運(yùn)行機(jī)制為在下一個(gè)駕駛周期內(nèi)，若信號(hào)故障得到故障恢復(fù)，則故障老化計(jì)數(shù)模塊+1；若信號(hào)故障得到故障確認(rèn)，則故障老化計(jì)數(shù)模塊從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。連續(xù)多個(gè)駕駛周期后，若故障老化計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)數(shù)值達(dá)到故障老化計(jì)數(shù)條件，則將自動(dòng)清除歷史故障碼。故障老化計(jì)數(shù)條件是一個(gè)標(biāo)定量，可根據(jù)診斷需求通過(guò)標(biāo)定工具進(jìn)行自定義標(biāo)定。在單個(gè)駕駛周期內(nèi)，ECAS故障診斷機(jī)制運(yùn)行流程如圖2所示。

假設(shè)故障確認(rèn)計(jì)數(shù)條件和故障恢復(fù)計(jì)數(shù)條件分別標(biāo)定為127和-128，故障計(jì)數(shù)模塊運(yùn)行機(jī)制如圖3所示。

3 ECAS故障保護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)

ECAS故障診斷系統(tǒng)主要有故障診斷機(jī)制和故障保護(hù)機(jī)制組成。故障保護(hù)機(jī)制的作用是在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)做出合理的決策，以免影響系統(tǒng)正常運(yùn)行或給車(chē)輛行駛帶來(lái)不必要的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而造成無(wú)法挽回的損失。

當(dāng)信號(hào)故障狀態(tài)為有故障狀態(tài)時(shí)，故障計(jì)數(shù)模塊會(huì)不斷+1，等到故障計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)數(shù)值達(dá)到故障保護(hù)進(jìn)入計(jì)數(shù)條件后，進(jìn)入故障保護(hù)模式。這里，故障保護(hù)進(jìn)入計(jì)數(shù)條件是一個(gè)標(biāo)定量，可根據(jù)診斷需求利用標(biāo)定工具進(jìn)行自定義標(biāo)定。需要注意的是，故障保護(hù)進(jìn)入計(jì)數(shù)條件數(shù)值小于故障確認(rèn)計(jì)數(shù)條件，這是為了能夠及時(shí)進(jìn)入故障保護(hù)模式，減少故障帶來(lái)的損失。當(dāng)信號(hào)故障狀態(tài)為無(wú)故障狀態(tài)時(shí)，故障計(jì)數(shù)模塊會(huì)不斷-1，等到故障計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)數(shù)值達(dá)到故障保護(hù)退出計(jì)數(shù)條件后，退出故障保護(hù)模式。這里，故障保護(hù)退出計(jì)數(shù)條件是一個(gè)標(biāo)定量，可根據(jù)診斷需求利用標(biāo)定工具進(jìn)行自定義標(biāo)定。此處將其設(shè)計(jì)為與故障恢復(fù)計(jì)數(shù)條件相等，目的是確保故障恢復(fù)后才可退出故障保護(hù)模式，此設(shè)計(jì)方案具備較高的保守性與安全性。ECAS故障保護(hù)機(jī)制運(yùn)行流程如圖4所示。

4 典型ECAS故障診斷實(shí)例

本文以ECAS系統(tǒng)中壓力傳感器為例，驗(yàn)證所提出的故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制。壓力傳感器是ECAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中重要的組成部件，其作用是向ECAS電控單元提供空氣懸架氣囊內(nèi)的壓力信息。在不同的壓力值下，壓力傳感器會(huì)輸出相應(yīng)的電壓值，可根據(jù)壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)范圍對(duì)其進(jìn)行診斷，此為汽車(chē)零部件故障診斷中常用的方法。壓力傳感器正常工作時(shí)，輸出電壓范圍為0.5～4.5 V，供電電壓為5 V，對(duì)電源短路時(shí)輸出電壓為5 V，或接近5 V，對(duì)地短路時(shí)輸出電壓為0 V，或接近0 V。

基于以上理論，結(jié)合ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制，設(shè)計(jì)壓力傳感器對(duì)電源短路時(shí)的故障確認(rèn)及故障恢復(fù)診斷策略，壓力傳感器對(duì)電源短路和對(duì)地短路故障確認(rèn)診斷策略如表1所示，壓力傳感器對(duì)電源短路和對(duì)地短路故障恢復(fù)診斷策略如表2所示。

5 故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制仿真

5.1 ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制建模

本文針對(duì)壓力傳感器典型電氣故障，結(jié)合ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制，利用Stateflow工具箱搭建故障診斷仿真模型。ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制仿真模型如圖5所示。

圖5中，F(xiàn)ault_Diagnosis模型用于實(shí)現(xiàn)故障診斷及故障保護(hù)功能，其內(nèi)部運(yùn)行邏輯為第二章的故障確認(rèn)和恢復(fù)部分以及第三章的故障保護(hù)進(jìn)入和退出部分；DTC_Handle模型用于確認(rèn)故障碼的類型及故障的發(fā)生次數(shù)，其內(nèi)部運(yùn)行邏輯為第二章的故障碼生成部分。圖5中，SOV為壓力傳感器輸出電壓，IgnitionSwitch為車(chē)輛點(diǎn)火信號(hào)，SupplyVoltage為傳感器供電電壓，F(xiàn)C為故障計(jì)數(shù)模塊，F(xiàn)PS為故障保護(hù)信號(hào)，F(xiàn)SS為故障狀態(tài)信號(hào)，F(xiàn)MI為故障模式標(biāo)識(shí)符，F(xiàn)ault_Flag為故障標(biāo)志位，OC_1為對(duì)電源短路故障模式發(fā)生次數(shù)，OC_2為對(duì)地短路故障模式發(fā)生次數(shù)，F(xiàn)1_DTC為對(duì)電源短路故障模式下的故障碼類型，F(xiàn)2_DTC為對(duì)地短路故障模式下的故障碼類型。

5.2 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提出ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制的可行性，需要給所搭建的仿真模型輸入較為典型的測(cè)試用例，使其能夠較全面地測(cè)試到整個(gè)ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制的運(yùn)行狀況，故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制標(biāo)定量參數(shù)數(shù)值如表3所示。

給該仿真模型輸入車(chē)輛點(diǎn)火信號(hào)和壓力傳感器輸出電壓信號(hào)，車(chē)輛點(diǎn)火信號(hào)隨時(shí)間變化曲線如圖6所示，壓力傳感器輸出電壓隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。

由圖6可以看出，從第0 s開(kāi)始，車(chē)輛初始點(diǎn)火狀態(tài)為未點(diǎn)火狀態(tài)；從第3 s開(kāi)始點(diǎn)火直到第32 s，車(chē)輛一直處于已點(diǎn)火狀態(tài)；最后在第32 s時(shí)又進(jìn)入未點(diǎn)火狀態(tài)。這段車(chē)輛點(diǎn)火信號(hào)屬于單個(gè)駕駛循環(huán)所表現(xiàn)出的信號(hào)，也即下面將要完成的壓力傳感器故障診斷仿真分析僅為在單個(gè)駕駛循環(huán)內(nèi)完成的。

由圖7可以看出，壓力傳感器初始輸出電壓為2.5 V，由車(chē)輛點(diǎn)火信號(hào)可知，從第0 s到第3 s內(nèi)，壓力傳感器輸出電壓應(yīng)為0 V，但由于是仿真實(shí)驗(yàn)，故障診斷模型的輸入量均為外部分立設(shè)計(jì)的信號(hào)源，并不會(huì)產(chǎn)生輸入不合理或給仿真模型帶來(lái)困擾的情況，此時(shí)壓力傳感器未表現(xiàn)出故障狀態(tài)，然后從第4 s開(kāi)始，直到11 s壓力傳感器輸出電壓為4.9 V，此時(shí)壓力傳感器表現(xiàn)出對(duì)電源短路故障狀態(tài)，從第11 s開(kāi)始，直到18 s壓力傳感器輸出電壓為0.2 V，此時(shí)壓力傳感器表現(xiàn)出對(duì)地短路故障狀態(tài)，最后從第18 s開(kāi)始直到仿真結(jié)束，壓力傳感器輸出電壓為3.5 V，表示壓力傳感器恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

仿真時(shí)間為34 s，仿真步長(zhǎng)為50 ms，故障計(jì)數(shù)模塊數(shù)值隨時(shí)間變化曲線如圖8所示，故障狀態(tài)信號(hào)隨時(shí)間變化曲線如圖9所示，故障模式標(biāo)識(shí)符隨時(shí)間變化曲線如圖10所示，故障保護(hù)信號(hào)隨時(shí)間變化曲線如圖11所示，故障標(biāo)志位數(shù)值隨時(shí)間變化曲線如圖12所示，對(duì)地電源短路故障碼類型隨時(shí)間變化曲線如圖13所示，對(duì)地短路故障碼類型隨時(shí)間變化曲線如圖14所示，對(duì)電源短路故障發(fā)生次數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖15所示，對(duì)地短路故障發(fā)生次數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖16所示。

由圖8～圖16可以看出，當(dāng)仿真運(yùn)行至第3 s時(shí)，車(chē)輛點(diǎn)火啟動(dòng)，開(kāi)始獲取壓力傳感器輸出電壓信號(hào)，故障計(jì)數(shù)模塊開(kāi)始工作，此時(shí)壓力傳感器輸出電壓信號(hào)正常，故障計(jì)數(shù)模塊處于計(jì)數(shù)遞減狀態(tài)；當(dāng)仿真運(yùn)行至第4 s時(shí)，壓力傳感器輸出電壓信號(hào)大于4.8 V，此時(shí)壓力傳感器處于對(duì)電源短路故障模式下，相應(yīng)的故障計(jì)數(shù)模塊由負(fù)值直接轉(zhuǎn)為正值+1，然后繼續(xù)以1為單位遞增；當(dāng)仿真運(yùn)行至第9 s時(shí)，故障計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)數(shù)值達(dá)到100，滿足故障保護(hù)進(jìn)入計(jì)數(shù)條件，故障保護(hù)信號(hào)由0變?yōu)?，接著故障計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)數(shù)值繼續(xù)遞增，直至大約第10.4 s時(shí)達(dá)到峰值127，不再繼續(xù)遞增，此時(shí)滿足故障確認(rèn)計(jì)數(shù)條件。故障狀態(tài)信號(hào)由0變?yōu)?，表示壓力傳感器當(dāng)前存在故障；故障模式標(biāo)識(shí)符信號(hào)由0變?yōu)?，表示壓力傳感器當(dāng)前處于對(duì)電源短路故障模式；故障標(biāo)志位由0變?yōu)?，表示系統(tǒng)存在保存的壓力傳感器當(dāng)前故障碼或歷史故障碼；對(duì)電源短路故障碼類型信號(hào)由0變?yōu)?，表示壓力傳感器對(duì)電源短路故障碼類型為當(dāng)前故障碼；對(duì)電源短路故障發(fā)生次數(shù)信號(hào)由0變?yōu)?，表示壓力傳感器對(duì)電源短路故障發(fā)生了1次。當(dāng)仿真運(yùn)行至第11 s時(shí)，壓力傳感器輸出電壓開(kāi)始小于0.3 V，此時(shí)壓力傳感器故障模式由對(duì)電源短路變?yōu)閷?duì)地短路，故障計(jì)數(shù)模塊由127變?yōu)?，并開(kāi)始重新計(jì)數(shù)，數(shù)值不斷遞增，直到遞增至127不再變化，相應(yīng)的故障模式標(biāo)識(shí)符由3變?yōu)?，表示壓力傳感器當(dāng)前故障模式為對(duì)地短路；對(duì)電源短路故障碼類型信號(hào)由1變?yōu)?，表示壓力傳感器對(duì)電源短路故障碼由當(dāng)前故障碼轉(zhuǎn)為歷史故障碼；對(duì)地短路故障碼類型信號(hào)由0變?yōu)?，表示壓力傳感器對(duì)地短路故障碼類型為當(dāng)前故障碼；對(duì)地短路故障發(fā)生次數(shù)信號(hào)由0變?yōu)?，表示壓力傳感器對(duì)地短路故障發(fā)生1次。當(dāng)仿真運(yùn)行至第18 s時(shí)，壓力傳感器輸出電壓開(kāi)始處于正常范圍內(nèi)，故障計(jì)數(shù)模塊開(kāi)始遞減，直至大約第30.8 s時(shí)，遞減為-128，并且保持不變，滿足故障恢復(fù)計(jì)數(shù)條件和故障保護(hù)退出計(jì)數(shù)條件，相應(yīng)的故障保護(hù)信號(hào)由1變?yōu)?，表示可退出故障保護(hù)模式；故障狀態(tài)信號(hào)由1變?yōu)?，表示壓力傳感器當(dāng)前不存在故障；故障模式標(biāo)識(shí)符信號(hào)由4變?yōu)?，表示壓力傳感器故障模式由對(duì)地短路故障模式轉(zhuǎn)為無(wú)故障模式；對(duì)地短路故障碼類型信號(hào)由1變?yōu)?，表示壓力傳感器對(duì)地短路故障碼類型狀態(tài)由當(dāng)前故障碼轉(zhuǎn)為歷史故障碼。當(dāng)仿真運(yùn)行至第32 s時(shí)，車(chē)輛熄火，表示單個(gè)駕駛循環(huán)結(jié)束。

由仿真結(jié)果可知，在典型壓力傳感器故障工況下，本文所提出的ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出相應(yīng)故障，并正確輸出一系列相關(guān)信號(hào)。

6 硬件在環(huán)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的實(shí)用性，設(shè)計(jì)硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)方案，硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)框圖如圖17所示。圖中的軟件部分包括Matlab/Simulink信號(hào)輸入模型和Stateflow控制策略，硬件部分包括工作站、Kvaser Leaf Light v2 CAN總線分析儀及觸摸屏式新型人機(jī)交互系統(tǒng)。利用Kvaser CAN總線分析儀將工作站與人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行連接，Matlab平臺(tái)支持與Kvaser CAN總線分析儀的通信，使外接的人機(jī)交互系統(tǒng)能夠與Simulink環(huán)境相連通進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本文通過(guò)軟件部分注入故障信號(hào)來(lái)模擬壓力傳感器故障的發(fā)生，接著由診斷策略模型來(lái)進(jìn)行故障的判別，并將診斷結(jié)果通過(guò)Simulink的CAN收發(fā)模塊根據(jù)SAE J1939協(xié)議打包成相應(yīng)的診斷報(bào)文，經(jīng)Kvaser CAN總線分析儀發(fā)送給人機(jī)交互系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)可根據(jù)通訊協(xié)議對(duì)故障報(bào)文進(jìn)行解析，并顯示診斷結(jié)果，壓力傳感器對(duì)電源短路診斷結(jié)果如圖18所示，壓力傳感器對(duì)地短路診斷結(jié)果如圖19所示。

由圖18和圖19可以看出，診斷策略可準(zhǔn)確檢測(cè)出壓力傳感器對(duì)電源短路和對(duì)地短路時(shí)的故障，并可在人機(jī)交互系統(tǒng)上將診斷結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)商用車(chē)電控空氣懸架系統(tǒng)的故障診斷需求，建立了基于可觸控液晶屏式人機(jī)交互系統(tǒng)的ECAS故障診斷總體架構(gòu)，提出了ECAS故障診斷及故障保護(hù)機(jī)制，完成對(duì)商用車(chē)壓力傳感器典型故障的診斷，包括壓力傳感器對(duì)電源短路和對(duì)地短路的故障檢測(cè)，并在人機(jī)交互系統(tǒng)上將故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確解析。本文將人機(jī)交互系統(tǒng)運(yùn)用在商用車(chē)ECAS系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的研究中，提高了ECAS系統(tǒng)的智能化程度，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。今后將開(kāi)展對(duì)于壓力傳感器信號(hào)線斷路故障檢測(cè)的進(jìn)一步研究。

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Abstract：In order to improve the driving safety of commercial vehicles，this paper studies the fault diagnosis system of the electronically controlled air suspension （ECAS） system of commercial vehicles based on a new type of touch screen human-machine interaction system. Aiming at the overall architecture of ECAS fault diagnosis system，the ECAS fault diagnosis and fault protection mechanism is proposed，and the diagnosis strategy of typical ECAS fault cases is described. At the same time，the diagnosis strategy model and fault code generation model are built using Matlab/Simulink. In order to verify the feasibility and practicability of the fault diagnosis and fault protection mechanism proposed in this paper，the pressure sensor in ECAS system was taken as an example to carry out simulation analysis and hardware in the loop test on the model. The test results show that under typical pressure sensor fault conditions，the ECAS fault diagnosis and fault protection mechanism proposed in this paper can accurately detect the corresponding faults，correctly output a series of related signals，and display the diagnosis results in real time on the human-machine interaction system. This research has a certain reference value for the design and development of the fault diagnosis system of the ECAS human-machine interaction system of commercial vehicles.

Key words：electronically controlled air suspension system for commercial vehicles； human-machine interaction system； fault diagnosis； fault protection； pressure sensor