郜 敏

（山西能源學(xué)院，山西 晉中 030699）

0 引言

電子油門踏板作為汽車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能關(guān)系到汽車的安全性、動力性、舒適性等，目前國內(nèi)對這方面的研究比較少，每個(gè)企業(yè)根據(jù)自身的情況，僅做簡單的性能測試。例如，奇瑞汽車通過控制行程氣缸進(jìn)行力矩的加載測試；東風(fēng)汽車通過耐久性測試來進(jìn)行踏板性能測驗(yàn)。高校針對電子油門踏板也進(jìn)行了少量的測試，例如中國計(jì)量學(xué)院編寫電子油門踏板檢測系統(tǒng)用來進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定、性能檢測等；東南大學(xué)的孫可敬等人編寫一套電子油門踏板測試系統(tǒng)用以對測試的數(shù)據(jù)加以分析，從而改善踏板性能。

總體來說，國內(nèi)針對電子油門踏板的研究較少，檢測項(xiàng)目和參數(shù)不全面，不論是高校還是企業(yè)都是針對自己的局部進(jìn)行研究。

1 電子油門踏板分類及工作原理

圖1 電子油門踏板結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of electronic accelerator pedal

圖1 （a）為地板式電子油門踏板的結(jié)構(gòu)圖，圖1（b）為懸掛式電子油門踏板的結(jié)構(gòu)圖[1]。地板式電子油門踏板包括復(fù)位機(jī)構(gòu)、底座、踏板、踏板位置傳感器等，其中踏板軸、內(nèi)外扭簧、彈簧中套等組成復(fù)位機(jī)構(gòu)。懸掛式電子油門踏板包括搖臂、限位機(jī)構(gòu)、踏板位置傳感器、彈簧、踏板軸、阻尼機(jī)構(gòu)、殼體等，其中彈簧可以提供踏板不同角度的回彈力。根據(jù)接觸方式不同，電子油門踏板又可分為接觸式電子油門踏板和非接觸式電子油門踏板。通過電子油門踏板可以很好地控制發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，以便獲得較好的動力性、操縱性等。

電子油門踏板有加載和卸載兩個(gè)過程。加載過程中，通過壓縮內(nèi)外彈簧，踏板轉(zhuǎn)動使?jié)L輪鉚合體在二折板上滾動，直到踏板鉚合體和踏板完全接觸，電子油門踏板處于滿載狀態(tài)。卸載過程，內(nèi)外彈簧通過回彈力使踏板復(fù)位[2]。懸掛式電子油門踏板和地板式電子油門踏板兩者原理相同，但其結(jié)構(gòu)不同。

地板式電子油門踏板比懸掛式電子油門踏板更符合人體工程學(xué)，更適用于高端轎車、卡車等，其他車型采用懸掛式電子油門踏板較多。本文主要研究懸掛式電子油門踏板，其由復(fù)位彈簧、摩擦片、限位機(jī)構(gòu)、位置傳感器等組成。在踏板受力過程中，兩個(gè)圓柱螺旋彈簧組成的復(fù)位彈簧被壓縮，當(dāng)踏板和限位機(jī)構(gòu)完全接觸時(shí)，電子油門踏板處于滿載狀態(tài)。在卸載過程中，內(nèi)外彈簧受回彈力逐漸釋放，直至復(fù)位。

2 電子油門踏板檢測指標(biāo)

電子油門踏板加載和卸載過程其回彈力存在一定的規(guī)律，是由于限位機(jī)構(gòu)、遲滯機(jī)構(gòu)和內(nèi)部彈簧等造成的。在θ～θr過程中，其回彈力與踏板行程為線性關(guān)系。在θr～θmax過程中，其回彈力與踏板行程呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

圖2 踏板力與踏板行程理想特性曲線Fig.2 Ideal characteristic curve of pedal force and pedal stroke

圖2 為電子油門踏板在均勻加載和卸載過程中，踏板力與踏板行程理想特性曲線。

表1為電子油門踏板機(jī)械特性評價(jià)指標(biāo)。F1為初始力，受彈簧初始壓縮量影響，是電子油門踏板加載過程初始行程角θr處踩踏力；K為剛度，受彈簧的類型以及安裝方式影響，是踏板力在θr～θmax行程內(nèi)踩踏力和回彈力的斜率，且可以反映出彈簧選取及安裝是否合適；F3為最小回彈力，受彈簧剛度影響，為卸載過程中θr處的回彈力；H為力滯，受阻尼系數(shù)影響。

表1 電子油門踏板機(jī)械特性評價(jià)指標(biāo)Table 1 Electronic accelerator pedal mechanical characteristics evaluation index

圖3 電子油門踏板踏板力與踏板行程特性曲線圖Fig.3 Electronic accelerator pedal pedal force and pedal stroke characteristic curve

力滯H的計(jì)算公式如式（1）所示。電子油門踏板踩踏過程的踏板力記為FZ(θ)，電子油門踏板回彈過程的踏板力記為 FH(θ)。

3 電子油門踏板檢測數(shù)據(jù)處理

基于《汽車電子油門踏板總成技術(shù)條件》，電子油門踏板機(jī)械性能檢測是對初始踩踏力、全程踩踏力、最小回彈力以及力滯4項(xiàng)參數(shù)的檢測。若4項(xiàng)參數(shù)的檢測結(jié)果有1項(xiàng)不符合《汽車電子油門踏板總成技術(shù)條件》，則此電子油門踏板檢測不合格。

圖3為電子油門踏板的踏板行程與踏板力特性曲線圖，其中踏板力和踏板行程均為離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，F(xiàn)1、F2為踏板行程和踩踏力特征曲線的拐點(diǎn)；F3為踏板行程和回彈力特征曲線的拐點(diǎn)。本文主要研究電子油門踏板的拐點(diǎn)自動算法：通過濾波（中值和均值）進(jìn)行平緩處理；根據(jù)踏板力和踏板行程特性曲線，設(shè)計(jì)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的拐點(diǎn)自動確定算法。

3.1 基于中值濾波的平緩處理

本文基于中值濾波對特性曲線進(jìn)行平緩處理，其原理[3]為：設(shè)置1個(gè)窗口，將其遍歷圖像上的點(diǎn)，且用窗內(nèi)各原始值的中值代替各窗口點(diǎn)的值。當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，中值為處于中間位置的值；當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，中值為兩個(gè)中間數(shù)的平均值。

圖4（a）為未進(jìn)行濾波的踏板力曲線圖，圖4（b）為中值濾波后的踏板力曲線圖。兩個(gè)圖進(jìn)行對比，可得出中值濾波主要用于過濾不穩(wěn)定因素以及偶然因素造成的脈沖干擾。

3.2 基于均值濾波的平緩處理

圖4 中值濾波前后踏板力曲線圖對比Fig.4 Comparison of pedal force curves before and after median filtering

圖5 均值濾波前后踩踏力曲線圖對比Fig.5 Comparison of pedaling force curve before and after mean filtering

本文采用鄰域平均法[4]的均值濾波對特性曲線進(jìn)行平緩處理。其原理：用均值代替原像素的各個(gè)值，即對待處理當(dāng)前的像素點(diǎn)(x, y)，選擇1個(gè)模板，該模板由其鄰近的若干像素組成，求模板中所有像素的均值，再把均值賦予當(dāng)前像素點(diǎn)(x, y)，作為處理后圖像在該點(diǎn)上的灰度g(x, y)，即，，m 為該模板中包含當(dāng)前像素在內(nèi)的像素總個(gè)數(shù)。

圖5（a）為未進(jìn)行濾波的踩踏力曲線圖，圖5（b）為均值濾波后的踩踏力曲線圖。由兩個(gè)圖對比可以得知，均值濾波能夠去除隨機(jī)干擾。

綜上所述，均值濾波能夠過濾隨機(jī)因素造成的干擾，中值濾波能夠過濾偶然因素造成的脈沖干擾。本文將兩者結(jié)合使用，能夠過濾掉大部分干擾數(shù)據(jù)。

3.3 離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的拐點(diǎn)自動確定算法

本文主要進(jìn)行電子油門踏板的拐點(diǎn)自動算法研究，其拐點(diǎn)確定通過以下兩個(gè)過程：一確定拐點(diǎn)區(qū)間；二確定拐點(diǎn)位于區(qū)間的何處[5]。

1）拐點(diǎn)存在區(qū)間的判斷

本文針對初始踩踏力、最小回彈力與全程踩踏力、全程回彈力兩處拐點(diǎn)區(qū)間的判別方法略有差異。

針對初始踩踏力和最小回彈力值的確定，在踩踏力和回彈力曲線上，選取連續(xù)5點(diǎn)，分別記為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，記 Δ1，Δ2，Δ3，Δ4分別為 F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5與 F1的差值。

首先，選取符合Δ1，Δ2，Δ3，Δ4均小于1N的點(diǎn)；其次，從中選取斜率差最大的兩個(gè)點(diǎn)，確定拐點(diǎn)存在區(qū)間。

針對全程踩踏力和全程回彈力的確定，在踩踏力和回彈力曲線上，選取連續(xù)5點(diǎn)，分別記為T1，T2，T3，T4，T5，記 Λ1，Λ2，Λ3，Λ4分別為 T2，T3，T4，T5與 T1的差值。

首先，選取符合Λ1，Λ2，Λ3，Λ4均大于1.5N的點(diǎn)；其次，從中選取斜率差最大的兩個(gè)點(diǎn)，確定拐點(diǎn)存在區(qū)間。

2）拐點(diǎn)在其存在邊之間的定位

當(dāng)確定拐點(diǎn)存在區(qū)間以后，需確定拐點(diǎn)在其存在邊的定位。

圖6為拐點(diǎn)在其存在邊之間的定位圖。設(shè)定B，C點(diǎn)為拐點(diǎn)存在區(qū)間，其中，F(xiàn)為BC區(qū)間處的拐點(diǎn)。A，B，C，D為連續(xù)四點(diǎn)，A B邊與BC邊的夾角記為φB，BC邊與CD邊的夾角記為φC。

首先，考慮特殊情況下，即當(dāng)φB=φC時(shí)，其比例關(guān)系R=φB/φC=1時(shí)，即BC兩邊彎曲程度對稱時(shí)，則F位于BC上，并且拐點(diǎn)位于BC邊的中點(diǎn)，即BF=FC，此時(shí)的定比分割比λ=BF=FC=1。

圖6 拐點(diǎn)在其存邊之間的定位Fig.6 The location of the inflection point between its edges

其次，考慮非特殊情況下，研究拐點(diǎn)在BC邊上的定位移動規(guī)律，即拐點(diǎn)d與不對稱的主導(dǎo)因子R=φB/φC有無內(nèi)在關(guān)系。若存在某種明顯聯(lián)系，則可根據(jù)所探明的聯(lián)系直接由原始數(shù)據(jù)就可以得到足夠精確的拐點(diǎn)。本文曾經(jīng)嘗試多因子分析（除前后轉(zhuǎn)角φB和φC外，同時(shí)還要兼顧前后兩條邊AB和CD之間以及此兩條邊與中間邊BC的兩個(gè)比例因子等），得到影響拐點(diǎn)偏移的主要原因是其前后的折線轉(zhuǎn)角比R=φB/φC。在確定主導(dǎo)影響因子以后，進(jìn)行了很多次試驗(yàn)，得到最優(yōu)分割比λ=R2，對BC邊作λ的定比分割，得到所需的拐點(diǎn)位置坐標(biāo)。

4 總結(jié)

本文針對電子油門踏板的踏板行程和踏板特性曲線進(jìn)行分析：首先，介紹產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)的處理流程；其次，根據(jù)不同種類的電子油門踏板的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，分析測試項(xiàng)目參數(shù)；最后，對電子油門踏板檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，基于中值濾波與均值濾波進(jìn)行濾波處理，并基于曲線自身的特點(diǎn)，研究一種離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的拐點(diǎn)自動確定算法。