CN104309435B - 一种路面不平度在线辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种路面不平度在线辨识系统及方法，所述系统包括电源模块、加速度传感系统、车速信息采集系统、信号预处理模块、路面不平度计算模块。首先，在两种不同等级道路上对样车进行道路试验，标定该车型簧下质量垂向加速度均方值与车速的商与路面不平度系数之间所呈线性关系；车辆行驶时，采集车辆各簧下质量垂向加速度和车辆行驶速度信息；最后将所采集信息与该车型样车标定结果相比对，可实时获得当前路面不平度。本发明与目前同类技术相比，具有可移植性好、运算迅捷等特点，且对悬架刚度阻尼参数变化不敏感，特别适用于刚度阻尼可变的主动、半主动悬架控制系统，可保证系统的鲁棒性。

Description

一种路面不平度在线辨识方法

技术领域

本发明属于车辆领域，尤其是一种路面不平度在线辨识系统及方法。

背景技术

随汽车技术的发展与人民生活水平的提高，人们对车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性提出了越来越高的要求。主动、半主动悬架可通过调节悬架刚度、阻尼等参数，提高车辆对不同行驶工况的适应能力，提高其综合动力性能。路面不平度是诸多主动、半主动控制策略的重要控制依据，因而，路面不平度检测技术对控制品质有十分重要的影响。

国内外专家学者提出过多种路面不平度检测方法，包括基于激光发射器的路面检测方法，基于摄像系统的路面检测方法，基于轮胎动载荷信息的路面检测方法，基于悬架动行程信息的路面检测方法，基于簧载质量加速度信息的路面检测方法等。然而，利用激光发射器的路面检测设备成本高昂，难以在大多数车辆上应用；基于摄像系统的路面检测方法信息处理量较大，需较长的信息后处理时间，难于在行驶车辆中实现在线路面检测；基于轮胎动载荷、悬架动行程、簧载质量加速度信息的路面检测方法，与行驶平顺性联系紧密，易于实现闭环控制，但此三个参数对悬架刚度、阻尼变化比较敏感，当悬架刚度、阻尼发生变化后，需重组路面检测算法，若应用于刚度阻尼变化较频繁的悬架，则将严重降低系统鲁棒性。2013年万向集团公司提出专利申请“一种车辆路面不平度自动识别系统及方法”(申请号：201310204166.0)，涉及一种基于路面高度曲线的路面检测方法，主要依赖轮胎振动信息实现路面检测。轮胎振动信息受悬架刚度阻尼影响较小，但此发明在进行路面高度曲线拟合时涉及对振动信息的二次积分，因此对加速度传感器精度及信息处理设备灵敏度要求极高，在较大程度上提升了操作成本。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种设计鲁棒性强、可移植性好、运算迅捷、易于实现在线检测，且对悬架刚度、阻尼参数变化不敏感的路面不平度检测系统与方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种路面不平度在线辨识系统，其特征在于，包括电源模块、加速度传感系统、车速信息采集系统、信号预处理模块、路面不平度计算模块；

所述电源模块用于提供电能；

加速度传感系统包括多个设置在悬架对应的簧下位置处的加速度传感器，用于采集簧下 质量加速度信号；

车速信息采集系统用于采集车速信息；

信号预处理模块用于对簧下质量加速度信号及车速信号进行放大、滤波、降噪处理；

路面不平度计算模块，在标定阶段，用于根据测试道路的不平度、测试过程中采集的各簧下质量加速度和车速确定道路不平度计算公式lgG_q＝b₁lgβ+b₂中b₁、b₂的取值，其中β为试验过程中簧下质量加速度均方值与车速之商；在使用阶段，用于根据测试过程中采集的各簧下质量加速度、车速及在标定阶段确定的道路不平度计算公式计算不平度。

一种路面不平度在线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在路面不平度系数分别为G_qm的两种不同等级道路上对样车进行道路试验，其中，m＝1，2；在不同等级道路上行驶时，分别采集各簧下质量加速度信号a_{m ， x}(t)，并从汽车CAN总线上获取车辆行驶速度信号u_m(t)，其中，x为正整数，a_{m ， x}(t)表示设置在第x个簧下位置处的加速度传感器在t时刻采集的簧下质量加速度信号，u_m(t)表示第m路况下t时刻的车辆行驶速度；

(2)簧下质量加速度信号及车速信号经信号预处理模块放大、滤波、降噪处理后，计算车辆平稳行驶时各簧下质量加速度信号平方与车速信号之商的均值β_{m ， x}，并求取β_{m ， x}的平均值β_m；

(3)路面不平度系数为G_qm与β_m的线性关系符合公式lg(G_qm)＝b₁lg(β_m)+b₂，根据步骤(1)、(2)中所得的G_qm、β_m，计算出b₁、b₂，并将lg(G_q)＝b₁lg(β)+b₂作为道路不平度计算公式；

(4)车辆实际行驶时，通过加速度传感器系统采集车辆各簧下质量加速度信号a_x(t)，通过车速信息采集系统采集车辆行驶车速u_x(t)；通过信号处理模块实时对信号进行放大、滤波、降噪处理；

(5)计算车辆平稳行驶时各簧下质量加速度信号平方与车速信号之商β_x，并求取β_x的平均值β’，β’＝mean(β_x)；

(6)路面不平度计算模块根据路面不平度系数G_q(n₀)关于β’的函数lg(G_q(n₀))＝b₁lgβ’+b₂计算路面不平度系数G_q(n₀)；

(7)根据路面不平度系数G_q(n₀)与路面等级之间所呈关系判断路面不平度等级。

进一步地，所述步骤(2)中β_{m ， x}的计算方式为：其中，t_end为当前时刻，t₀为数秒前的时刻。

进一步地，所述步骤(5)中β_x的计算方式为：其中，t_test为当前时刻，t₀为数秒前的时刻。

进一步地，步骤(2)中t_end与t₀之间的时间间隔为1～5秒，所述步骤(5)中t_test与t₀之间的时间间隔为1～5秒。

本发明的有益效果为：由于簧下质量加速度信号对悬架刚度、阻尼变化不敏感，故特别适用于刚度阻尼可变的主动、半主动悬架的路面辨识，无需控制率重组即可满足控制精度，可提升系统鲁棒性；利用研究所得的路边不平度系数和簧下质量加速度均方值与速度之商所呈的线性关系，实现路面不平度计算，无需进行路面高度曲线的计算，大幅降低了对加速度传感器精度的要求，减小了产品成本，且将路边不平度系数和簧下质量加速度均方值与速度之商所呈线性关系集成于硬件系统，实时计算量较少，从而提升控制系统的响应速度。

附图说明

图1为本发明所涉及路面不平度检测系统的硬件设计框图。

图2为本发明所涉及路面不平度检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所涉及路面不平度检测系统，包括电源模块、加速度传感系统、车速信息采集系统、信号预处理模块、路面不平度计算模块。

所述电源模块用于提供电能；

加速度传感系统包括多个设置在悬架对应的簧下位置处的加速度传感器，用于采集簧下质量加速度信号；

车速信息采集系统用于采集车速信息；

信号预处理模块用于对簧下质量加速度信号及车速信号进行放大、滤波、降噪处理；

路面不平度计算模块，在标定阶段，用于根据测试道路的不平度、测试过程中采集的各簧下质量加速度、车速确定道路不平度计算公式lgG_q＝b₁lgβ+b₂中b₁、b₂的取值，其中β为车辆平稳行驶时各簧下质量加速度的平方与车速之商的平均值，该公式根据仿真与试验数据所得，其合理性详见后文分析，具体可参考表1。在使用阶段，用于根据测试过程中采集的各簧下质量加速度、车速及在标定阶段确定的道路不平度计算公式计算不平度。

本发明所述路面不平度检测系统检测路面不平度的流程如图2所示，包括以下步骤：

(1)将系统安装于某车型试验样车，在路面不平度系数分别为G_qm的两种不同等级道路上对样车进行道路试验，其中，m＝1，2；在不同等级道路上行驶时，分别采集各簧下质量加速度信号a_{m ， x}(t)；并从车速信息采集系统获取车辆行驶速度信号u_m(t)，其中，x均为正整数；a_{m ， x}(t)表示设置在第x个簧下的加速度传感器在t时刻采集的簧下质量加速度信号，u_m(t)表示第m路况下t时刻的车辆的行驶车速。

(2)簧下质量加速度信号及车速信号经信号预处理模块放大、滤波、降噪处理后，计算车辆平稳行驶时簧下质量加速度信号均方值与车速之商β_{m ， x}，并求取β_{m ， x}的平均值β_m。设两中道路试验开始时间分别对应第t_1.0，t_2.0个采样点；结束时间分别对应第t_1.end，t_2.end个采样点，

则 ${\mathrm{\β}}_{1.x}=\frac{\underset{t=t_{1.0}}{\overset{t_{1.end}}{\Σ}}\frac{a_{1.x}{\left(t\right)}^2}{u_{1.x}\left(t\right)}}{t_{1.end}-t_{1.0}}$

${\mathrm{\β}}_{2.x}=\frac{\underset{t=t_{2.0}}{\overset{t_{2.end}}{\Σ}}\frac{a_{2.x}{\left(t\right)}^2}{u_{2.x}\left(t\right)}}{t_{2.end}-t_{2.0}}$

β₁＝mean(β_1.x)

β₂＝mean(β_2.x)

表1某车型样车在不同路面等级、以不同车速下行驶时的簧下质量加速度均方值

某车型样车在不同路面等级、以不同车速下行驶时的簧下质量加速度均方值，如表1所示，从表1中发现如下两点规律：

a.在同一路面状况下，当车速不超过60km/h时，簧下质量加速度均方值与行驶车速比值β可认为保持不变，车速超过60km/h时，β值略有下降，但对不同车速下的β值求取平均，可保证误差不超过5％。因此，可以认为，在同一路面状况下，簧下质量加速度均方值与行驶车速比值β在车速变化时保持较稳定的数值。

b.路面状况变化会引起簧下质量加速度均方值与车速之商β变化，且路面不平度系数G_q(n₀)与某车型样车簧下质量加速度均方值与车速之商β呈显著线性关系。这一关系可采用lg(G_q(n₀))＝b₁lgβ+b₂加以描述，其中b₁、b₂为待定参数。

经进一步研究可知，每种车型的β值和G_q(n₀)均符合lg(G_q(n0))＝b₁lgβ+b₂的线性关系，且受刚度、阻尼值影响不大。但不同车型对应参数b₁、b₂有所不同，因此，不同车型使用本发明所述系统及方法时需要分别标定参数b₁、b₂。

(3)路面不平度系数分别为G_q与β的线性关系符合公式l_g(G_qm)＝b₁lg(β_m)+b₂，根据步骤(1)、(2)中所得的G_qm、β_m，计算出b₁、b₂；

$\left\{\begin{array}{c}\lg (G_{q1}=b_1\lg ({\mathrm{\β}}_1)+b_2\\ \lg (G_{q2}=b_1\lg ({\mathrm{\β}}_2)+b_2\end{array}\right.$

即可计算出该车型簧下质量加速度均方值与行驶车速之商和路面不平度系数b₁、b₂。

(4)车辆实际行驶时，通过加速度传感系统采集车辆各簧下质量垂向加速度信号a_x(t)，通过车速信息采集系统采集车辆行驶速的车速u_x(t)；通过信号处理模块实时对信号进行放大、滤波、降噪处理。

(5)设当前时刻对应第t_test个采样点，数秒前时刻对应t₀个采样点，则可根据公式)计算这段时间内各簧下质量加速度均方值与车速之商，记为β_x；则各’簧下质 量加速度均方值与行驶车速之商的均值为β’＝mean(β_x)；t_test与t₀之间的时间间隔为1～5秒。

(6)路面不平度计算模块根据路面不平度系数G_q(n₀)关于β’的函数lg(G_q(n₀))＝b₁lgβ’+b₂计算路面不平度系数G_q(n₀)；其中G_q(n₀)表示参考空间频率n₀＝0.1m^-1下路面功率谱密度值。

(7)根据路面不平度系数G_q(n₀)与路面等级之间所呈关系判断路面不平度等级，路面不平度系数与路面等级之间所呈关系如表2所示。

最后将路面等级返回CAN总线，则主动、半主动控制系统可依据此信息完成控制任务

某些主动、半主动悬架控制策略依托路面不平度系数而非路面等级实现控制，则本发明应用于此类悬架时，跳过步骤(7)，直接将路面不平度系数G_q(n₀)返回CAN总线即可。

表2为路面不平度系数G_q(n₀)与路面等级之间所呈关系

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种路面不平度在线辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在路面不平度系数分别为G_qm的两种不同等级道路上对样车进行道路试验，其中，m＝1，2；在不同等级道路上行驶时，分别采集各簧下质量加速度信号a_m，x(t)，并从汽车CAN总线上获取车辆行驶速度信号u_m(t)，其中，x均为正整数，a_m，x(t)表示设置在第x个簧下位置处的加速度传感器在t时刻采集的簧下质量加速度信号，u_m(t)表示第m路况下t时刻的车辆行驶速度；

(2)簧下质量加速度信号及车速信号经信号预处理模块放大、滤波、降噪处理后，计算车辆平稳行驶时各簧下质量加速度信号平方与车速信号之商的均值β_m，x，并求取β_m，x的平均值β_m；

(3)路面不平度系数为G_qm与β_m的线性关系符合公式lg(G_qm)＝b₁lg(β_m)+b₂，根据步骤(1)、(2)中所得的G_qm、β_m，计算出b₁、b₂，并将lg(G_q)＝b₁lg(β)+b₂作为道路不平度计算公式；

(4)车辆实际行驶时，通过加速度传感器系统采集车辆各簧下质量加速度信号a_x(t)，通过车速信息采集系统采集车辆行驶车速u_x(t)；通过信号处理模块实时对信号进行放大、滤波、降噪处理；

(5)计算车辆平稳行驶时各簧下质量加速度信号平方与车速信号之商β_x，并求取β_x的平均值β’，β’＝mean(β_x)；

(6)路面不平度计算模块根据路面不平度系数G_q(n₀)关于β’的函数lg(G_q(n₀))＝b₁lgβ’+b₂计算路面不平度系数G_q(n₀)；

(7)根据路面不平度系数G_q(n₀)与路面等级之间所呈关系判断路面不平度等级。

2.根据权利要求1所述的路面不平度在线辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)中β_{m， x}的计算方式为：其中，t_end为当前时刻，t₀为数秒前的时刻。

3.根据权利要求2所述的路面不平度在线辨识方法，其特征在于，所述步骤(5)中β_x的计算方式为：其中，t_test为当前时刻，t₀为数秒前的时刻。

4.根据权利要求3所述的路面不平度在线辨识方法，其特征在于，步骤(2)中t_end与t₀之间的时间间隔为1～5秒，所述步骤(5)中t_test与t₀之间的时间间隔为1～5秒。