CN108303066A - 一种基于悬架行程测量路面功率谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用悬架行程测量路面功率谱的方法，该方法是基于四分之一车辆被动悬架系统实现，其内容包括：利用双加速度传感器测试和四分之一车辆模型计算悬架行程；根据双质量振动系统的传递特性，求解频率响应函数；建立路面不平度功率谱与四分之一车辆系统悬架行程间关系表达式；计算路面不平度功率谱，并对路面不平度进行特征识别。本发明以悬架行程表征路面不平度特征，使用双加速度传感器测得非簧载质量与簧载质量的竖向位移作差得到的悬架行程，提高了路面识别的精度和准确性，且这种图像表征方法具有简便直观的优点，便于工作人员对路面进行评价。

Description

一种基于悬架行程测量路面功率谱的方法

技术领域

本发明涉及一种基于悬架行程测量路面功率谱的方法，属于路面特征识别领域。

背景技术

目前，国内外采用标准通用的路面功率谱密度函数表示路面不平度，并作为车辆动态响应、悬架的优化和控制、道路载荷动力学计算等输入单位，其描述精度和准确性直接影响后续研究。

通用标准的路面功率谱密度函数因形式简单，便于应用，在汽车领域相关研究中应用广泛，但其真实路面复现能力有限，影响后续研究的准确性，因此路面谱实车测量技术得到较快发展。在文献《车载激光平整度仪的设计与实现》中，采用车载式激光平整仪进行路面检测，其静态路面检测精度较高，但未考虑由车体振动而引起激光位移传感器产生的检测偏差，故其难以检测复杂路面且受天气影响较大。另在名为《一种利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法》专利中，利用一个车身加速度传感器测得车身垂直加速度功率谱密度，忽略了加速度信号中的噪声因子和趋势项，得到的车身垂直加速度功率谱与实际功率谱误差较大。

针对以上技术存在的不足，本发明研究利用车载加速度传感器通过解算悬架行程，实现高精度、准确测量复杂路面功率谱的方法。

发明内容

为了解决现有路面功率谱测量技术中存在的问题，本发明提供一种基于悬架行程测量路面功率谱的方法。车辆在不平路面匀速行驶时，路面不平度将直接影响车辆悬架的伸缩。首先利用车载加速度传感器检测因路面不平而引起的悬架行程，然后基于悬架模型理论推导得到路面不平度功率谱，最后对路面不平度进行特征识别。

本发明为达到上述目的，采取如下技术方案：

一种基于悬架行程测量路面功率谱的方法，该方法是基于四分之一车辆被动悬架系统实现，该方法内容包括以下步骤：

步骤1：利用双加速度传感器测试和四分之一车辆模型计算悬架行程Z(t)；所述悬架行程是：对于四分之一车辆双质量振动系统，非簧载质量与簧载质量的竖向位移差，用公式表示为：

Z(t)＝Z_w(t)-Z_b(t) ⑴

式中：Z_b(t)为簧载质量竖向位移量，Z_w(t)为非簧载质量竖向位移量；

步骤2：根据双质量振动系统的传递特性，求解频率响应函数H_z(w)；

步骤3：建立路面不平度功率谱与四分之一车辆系统悬架行程间关系表达式；

步骤4：计算路面不平度功率谱，并对路面不平度进行特征识别。

在步骤1中，所述计算悬架行程，就是通过安装在待控制的四分之一车辆被动悬架系统上的减振器上方的第一加速度传感器测得簧载质量加速度信号通过安装在待控制的四分之一车辆被动悬架系统上的减振器下方支柱上的第二加速度传感器测得非簧载质量加速度信号其中第一加速度传感器和第二加速度传感器沿减振器支柱方向同侧安装；

基于四分之一车辆被动悬架系统动力学方程，由加速度传感器所测得双质量振动系统的加速度信号，解算得到：簧载质量竖向位移量Z_b(t)，非簧载质量竖向位移量Z_w(t)；

由⑴式得到悬架行程Z(t)的计算结果。

在步骤2中，所述求解频率响应函数H_z(w)，就是对四分之一车辆被动悬架系统动力学方程进行拉式变换，得到对应路面不平度激励的簧载质量频率响应函数H_zb(w)和非簧载质量频率响应函数H_zw(w)；

根据⑴式Z(t)＝Z_w(t)-Z_b(t)，得到下式：

Z(t)＝H_z(w)Y(t)＝[H_zw(w)-H_zb(w)]Y(t) ⑵

其中，对应路面不平度激励的悬架行程的频率响应函数H_z(w)为：

在步骤3中，所述建立路面不平度功率谱与四分之一车辆系统悬架行程间关系表达式，就是对于四分之一车辆双质量振动系统建立系统激励和响应间的传递关系：

z(t)＝H(w)y(t) ⑷

其中，路面不平整度y(t)为系统激励，悬架行程z(t)为系统响应，H(w)为系统的频率响应函数；

由随机平稳过程的统计特性，得系统激励与响应间功率谱密度关系为：

G_z(w)＝|H(w)|²G_y(w) ⑸

其中，G_z(w)为悬架行程功率谱密度，G_y(w)为路面功率谱密度。

在步骤4中，所述计算路面不平度功率谱，并对路面不平度进行特征识别，就是应用悬架行程Z(t)对路面不平度进行特征识别。

车辆在不平路面匀速行驶时，路面不平度将直接影响车辆悬架的伸缩，因此悬架行程可合理表征路面不平度。

悬架行程Z(t)是四分之一车辆双质量振动系统中非簧载质量与簧载质量的竖向位移差，通过车载双加速度传感器基于车辆悬架动力学方程解算得到。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明解决了加速度信号二次积分中产生的信号偏移问题，本发明方法应用两个车载加速度传感器基于车辆悬架动力学方程求解簧载质量位移和非簧载质量位移，进而作差得到悬架行程，避免了加速度信号处理过程中的噪声误差和趋势项干扰，同时减小了车辆自身运动对传感器测试带来的干扰。

(2)本发明所用的两个车载加速度传感器可应用于不同车型，仅需调整传感器安装位置，即可实现本发明所述方法。本发明不受特殊天气情况限制且可实现复杂路面的高效测量，对提高复杂路面检测水平，促进高质量路面建设具有重要意义。

(3)本发明以悬架行程表征路面不平度特征，使用双加速度传感器测得非簧载质量与簧载质量的竖向位移作差得到的悬架行程，提高了路面识别的精度和准确性，且这种图像表征方法具有简便直观的优点，便于工作人员对路面进行评价。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为双加速度传感器布置的示意图；

图3为四分之一车辆被动悬架系统的示意图；

图4为系统激励和响应的传递框图；

图5为悬架行程表征路面不平度的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

车辆在不平路面匀速行驶时，路面不平度将直接影响车辆悬架的伸缩。首先利用车载加速度传感器检测因路面不平而引起的悬架行程，然后利用悬架模型理论推导得到路面不平度功率谱，最后对路面的不平度进行特征识别。据此提出本发明的一种基于悬架行程测量路面功率谱的方法，该方法是基于四分之一车辆被动悬架系统实现，如图1所示，该方法步骤内容详细说明如下：

步骤1：利用双加速度传感器测试和四分之一车辆模型计算悬架行程Z(t)；所述悬架行程是：对于四分之一车辆双质量振动系统，非簧载质量与簧载质量的竖向位移差，用公式表示为：

Z(t)＝Z_w(t)-Z_b(t) ⑹

式中：Z_b(t)为簧载质量竖向位移量，Z_w(t)为非簧载质量竖向位移量；

所述计算悬架行程，就是通过安装在待控制的四分之一车辆被动悬架系统上的减振器上方的第一加速度传感器测得簧载质量加速度信号通过安装在待控制的四分之一车辆被动悬架系统上的减振器下方支柱上的第二加速度传感器测得非簧载质量加速度信号

四分之一车辆被动悬架双加速度传感器布置示意图如图2所示，包括车轮1，轮轴部分2，减振器支柱3，减振器部分4，传感器安装座5以及第二加速度传感器6和第一加速度传感器7。其中，第二加速度传感器6通过强力粘结剂固定于传感器安装座5，传感器安装座5通过焊接固定于减振器下方支柱；第一加速度传感器7通过强力粘结剂固定于减振器上方，第二加速度传感器6和第一加速度传感器7沿减振器支柱方向同侧安装。所示布置图省略车辆被动悬架上下控制臂。

如图3所示为典型的四分之一车辆被动悬架双质量振动系统模型，包括车轮1和该车轮1对应的车身8，车轮1为非簧载质量，车身8为簧载质量。该车轮1指车辆中的一个车轮。车身8是指车轮1所对应的整个车辆的相应车身部分。车身8与车轮1之间的连接等效于悬架弹簧9，其刚度为k_s，车轮1与地面11之间垂直接触等效于车轮弹簧10，其刚度为k_t。在此忽略了轮胎的阻尼。在车身8与车轮1之间安装有减振器4，其阻尼为c_s。

建立四分之一车辆被动悬架系统动力学方程：

其中，m_b为簧载质量，m_w为非簧载质量，c_s为减振器阻尼系数，k_s为弹簧刚度，k_t为轮胎刚度，z_b为车身垂直位移，z_w为轮胎垂直位移，y为路面的不平度函数。

基于四分之一车辆被动悬架系统动力学方程，由加速度传感器所测得双质量振动系统的加速度信号，解算得到：簧载质量竖向位移量Z_b(t)，非簧载质量竖向位移量Z_w(t)。

由⑹式得到悬架行程Z(t)的计算结果。

步骤2：根据双质量振动系统的传递特性，求解频率响应函数H_z(w)；

所述求解频率响应函数H_z(w)，就是对四分之一车辆被动悬架系统动力学方程进行拉式变换，得到对应路面不平度激励的簧载质量频率响应函数H_zb(w)和非簧载质量频率响应函数H_zw(w)；

对四分之一车辆被动悬架系统动力学方程进行拉式变换可以得到下式：

令s＝jw，可以得到下式：

其中，在图3所示四分之一车辆双质量振动系统中，H_zb(w)是簧载质量对应路面不平度激励的频率响应函数；H_zw(w)是非簧载质量对应路面不平度激励的频率响应函数。

根据图4所示系统激励和响应的传递框图，可以得到下式：

Z_b(t)＝H_zb(w)Y(t) ⒀

Z_w(t)＝H_zw(w)Y(t) ⒁

根据步骤1中Z(t)＝Z_w(t)-Z_b(t)，可以得到下式：

Z(t)＝H_z(w)Y(t)＝[H_zw(w)-H_zb(w)]Y(t) ⒂

其中，对应路面不平度激励悬架行程的频率响应函数H_z(w)如下：

步骤3：建立路面不平度功率谱与四分之一车辆系统悬架行程间关系表达式；

所述建立路面不平度功率谱与四分之一车辆系统悬架行程间关系表达式，就是对于四分之一车辆双质量振动系统建立系统激励和响应间的传递关系。

如图4所示：对于四分之一车辆双质量振动系统，以路面不平度y(t)为系统激励，悬架行程Z(t)为系统响应，建立系统激励和响应间传递关系如图4所示：对于四分之一车辆双质量振动系统，以路面不平度y(t)为系统激励，悬架行程Z(t)为系统响应，建立系统激励和响应间传递关系，即下式：

Z(t)＝H(w)y(t) ⒄

其中，H(w)表示系统的频率响应函数。

根据线性时不变系统定义，四分之一车辆双质量振动系统满足线性时不变系统条件。

随机变量表征的路面不平度作为线性时不变系统激励时，其响应悬架行程为随机平稳过程。

由随机过程理论，根据步骤1中所得悬架行程Z(t)，可以得到悬架行程功率谱密度函数，即下式：

根据随机平稳过程的统计特性，可求得路面不平度激励与其响应间功率谱密度关系：

G_z(w)＝|H(w)|²G_y(w) ⒆

其中，G_z(w)表示悬架行程功率谱密度，G_y(w)表示路面功率谱密度。

步骤4：计算路面不平度功率谱，并对路面不平度进行特征识别。

所述计算路面不平度功率谱，并对路面不平度进行特征识别，就是应用悬架行程Z(t)对路面不平度进行特征识别。

根据计算的悬架行程功率谱密度G_z(w)和频率响应函数H_z(w)，得到路面功率谱密度函数G_y(w)，公式如下：

根据步骤1中计算得到的悬架行程Z(t)，对路面不平度进行特征识别，原理如下：

车辆在不平路面匀速行驶时，路面不平度将直接影响车辆悬架的伸缩，因此悬架行程可合理表征路面不平度。

如图5所示:悬架行程表征路面不平度的示意图。以车辆每行驶1m距离时，纵轴(悬架行程Z(t))与横轴(行驶距离L)所围成的面积S_z作为路面不平度的表征指标。

其中悬架行程Z(t)是四分之一车辆双质量振动系统中非簧载质量与簧载质量的竖向位移差，通过车载双加速度传感器基于车辆悬架动力学方程解算得到。

本发明利用悬架行程测量路面功率谱的方法，避免了加速度信号处理过程中的噪声误差和趋势项干扰，同时减小了车辆自身运动对传感器带来的较大干扰；双车载加速度传感器测量方案布置简便，适用广泛，易于实现和推广；提出的路面不平度的表征方法，简便直观，提高了路面识别的精度和准确性。

Claims (5)

1.一种利用悬架行程测量路面功率谱的方法，该方法是基于四分之一车辆被动悬架系统实现，其特征在于，该方法内容包括以下步骤：

步骤1：利用双加速度传感器测试和四分之一车辆模型计算悬架行程Z(t)；所述悬架行程是：对于四分之一车辆双质量振动系统，非簧载质量与簧载质量的竖向位移差，用公式表示为：

Z(t)＝Z_w(t)-Z_b(t) ⑴

式中：Z_b(t)为簧载质量竖向位移量，Z_w(t)为非簧载质量竖向位移量；

步骤2：根据双质量振动系统的传递特性，求解频率响应函数H_z(w)；

步骤3：建立路面不平度功率谱与四分之一车辆系统悬架行程间关系表达式；

步骤4：计算路面不平度功率谱，并对路面不平度进行特征识别。

2.根据权利要求1所述的一种基于随机过程理论实现路面功率谱测量的方法，其特征在于：在步骤1中，所述计算悬架行程，就是通过安装在待控制的四分之一车辆被动悬架系统上的减振器上方的第一加速度传感器测得簧载质量加速度信号通过安装在待控制的四分之一车辆被动悬架系统上的减振器下方支柱上的第二加速度传感器测得非簧载质量加速度信号其中第一加速度传感器和第二加速度传感器沿减振器支柱方向同侧安装；

基于四分之一车辆被动悬架系统动力学方程，由加速度传感器所测得双质量振动系统的加速度信号，解算得到：簧载质量竖向位移量Z_b(t)，非簧载质量竖向位移量Z_w(t)；

由⑴式得到悬架行程Z(t)的计算结果。

3.根据权利要求1所述的一种基于随机过程理论实现路面功率谱测量的方法，其特征在于：在步骤2中，所述求解频率响应函数H_z(w)，就是对四分之一车辆被动悬架系统动力学方程进行拉式变换，得到对应路面不平度激励的簧载质量频率响应函数H_zb(w)和非簧载质量频率响应函数H_zw(w)；

根据⑴式Z(t)＝Z_w(t)-Z_b(t)，得到下式：

Z(t)＝H_z(w)Y(t)＝[H_zw(w)-H_zb(w)]Y(t) ⑵

其中，对应路面不平度激励的悬架行程的频率响应函数H_z(w)为：

。

4.根据权利要求1所述的一种基于随机过程理论实现路面功率谱测量的方法，其特征在于：在步骤3中，所述建立路面不平度功率谱与四分之一车辆系统悬架行程间关系表达式，就是对于四分之一车辆双质量振动系统建立系统激励和响应间的传递关系：

z(t)＝H(w)y(t) ⑷

其中，路面不平整度y(t)为系统激励，悬架行程z(t)为系统响应，H(w)为系统的频率响应函数；

由随机平稳过程的统计特性，得系统激励与响应间功率谱密度关系为：

G_z(w)＝|H(w)|²G_y(w) ⑸

其中，G_z(w)为悬架行程功率谱密度，G_y(w)为路面功率谱密度。

5.根据权利要求1所述的一种基于随机过程理论实现路面功率谱测量的方法，其特征在于：在步骤4中，所述计算路面不平度功率谱，并对路面不平度进行特征识别，就是应用悬架行程Z(t)对路面不平度进行特征识别。

车辆在不平路面匀速行驶时，路面不平度将直接影响车辆悬架的伸缩，因此悬架行程可合理表征路面不平度。

悬架行程Z(t)是四分之一车辆双质量振动系统中非簧载质量与簧载质量的竖向位移差，通过车载双加速度传感器基于车辆悬架动力学方程解算得到。