潘玉斌,余欣

舍弗勒智能駕駛科技(長沙)有限公司,湖南長沙 410100

0 引言

操縱穩(wěn)定性是汽車的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，指在駕駛員不感覺過分緊張、疲勞的條件下，汽車能按照駕駛員通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向(直線或轉(zhuǎn)彎)行駛；且當(dāng)受到外界干擾(如路不平、側(cè)風(fēng)、貨物或乘客偏載)時(shí)，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的性能。汽車行業(yè)內(nèi)有著完整的評(píng)價(jià)體系，20世紀(jì)60年代開始，國內(nèi)外已針對(duì)現(xiàn)有評(píng)價(jià)系統(tǒng)制定了較為完善的試驗(yàn)測試方法。但是測試數(shù)據(jù)的后處理，存在數(shù)據(jù)處理量大及工作重復(fù)的問題。整車開發(fā)階段，底盤調(diào)校、整車性能驗(yàn)收都會(huì)涉及操縱性的客觀數(shù)據(jù)測試，操縱穩(wěn)定性一般需要反復(fù)進(jìn)行多輪測試。操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，需求的計(jì)算量很大，目前各車企在評(píng)價(jià)指標(biāo)上也會(huì)有所差異，給測試工程師帶來了很大的計(jì)算工作量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析前需要篩選、取樣、濾波、數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)却罅康臄?shù)據(jù)前處理工作。操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)對(duì)駕駛員技能、環(huán)境等要求高，測試數(shù)據(jù)容易受到外界影響，如測試過程穩(wěn)速、方向盤操作、路面情況等都會(huì)造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，一般是試驗(yàn)人員進(jìn)行多次測試，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次篩選。為保證測試數(shù)據(jù)完整性，涉及數(shù)據(jù)取樣及截取的問題，一般也會(huì)在測試開始前做好數(shù)據(jù)記錄。由于傳感器安裝位置受限，如質(zhì)心、前后軸的速度、加速度等無法直接測出的參數(shù)，需要進(jìn)行后續(xù)補(bǔ)償。

基于以上原因，雖然很多測試服務(wù)商開發(fā)了數(shù)據(jù)處理程序，大都是自己內(nèi)部使用。當(dāng)然，測試設(shè)備服務(wù)商也會(huì)隨設(shè)備打包提供數(shù)據(jù)處理軟件，但是一般基于法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，不能滿足主機(jī)廠個(gè)性化的需求。MATLAB作為功能強(qiáng)大、腳本代碼簡單易懂的數(shù)據(jù)處理軟件，使用范圍較廣泛。因此，基于MATLAB開發(fā)靈活、標(biāo)準(zhǔn)流程的操穩(wěn)數(shù)據(jù)處理程序是非常重要的。

1 數(shù)據(jù)處理程序組成

本文主要從原始數(shù)據(jù)處理取樣、偏移補(bǔ)償、傳感器安裝位置補(bǔ)償以及不同工況下的特征值計(jì)算等方面設(shè)計(jì)處理程序，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理程序組成

2 數(shù)據(jù)前處理

2.1 數(shù)據(jù)篩選及取樣

根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)中要求的輸入條件以及實(shí)際測試的輸入?yún)?shù)來判定數(shù)據(jù)的有效性。如：在掃頻測試中，測試要求輸入條件：①車速為(96±2)km/h；②輸入轉(zhuǎn)角為23°±0.5°；③頻率范圍為0～4 Hz。

車速及方向盤角度的數(shù)據(jù)篩選如圖2所示。

圖2 車速及方向盤角度的數(shù)據(jù)篩選

根據(jù)測試要求對(duì)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判定，剔除不滿足要求的數(shù)據(jù)組。選取的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行截取、取樣，必要時(shí)可通過插值的方法增加數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。

2.2 濾波器設(shè)計(jì)

MATLAB工具箱自帶多種濾波器，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。選擇FIR濾波器，濾波前后不允許出現(xiàn)相位差，標(biāo)準(zhǔn)濾波器設(shè)置參考ISO15037，其中通帶截止頻率設(shè)置為0～5 Hz，阻帶截止頻率設(shè)置為10～15 Hz；通帶中的濾波器增益為1.005，阻帶中的濾波器增益為±0.01。

濾波器設(shè)計(jì)原理及響應(yīng)變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3 濾波器設(shè)計(jì)原理

圖4 濾波器響應(yīng)變化曲線

2.3 數(shù)據(jù)零點(diǎn)偏移補(bǔ)償

由于傳感器自身的零點(diǎn)誤差，采集到的數(shù)據(jù)需要重新校對(duì)零點(diǎn)位置，補(bǔ)償零點(diǎn)偏移的誤差。

需要進(jìn)行零點(diǎn)偏移補(bǔ)償?shù)奈锢韰?shù)如下：

(1)方向盤傳感器輸出信號(hào)：方向盤轉(zhuǎn)角及力矩信號(hào)；

(2)陀螺儀輸出信號(hào)：橫擺角速度、側(cè)傾角、俯仰角、側(cè)向加速度。

物理量參數(shù)標(biāo)零包含兩方面：①設(shè)備物理標(biāo)零。設(shè)備啟動(dòng)后，按照設(shè)備操作進(jìn)行物理標(biāo)零操作。②數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)標(biāo)零，也就是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、數(shù)據(jù)補(bǔ)償標(biāo)零。一般測試起始階段要求車輛保持勻速、直線行駛以穩(wěn)定在測試需求的狀態(tài)，后處理時(shí)取車輛勻速直線行駛段數(shù)據(jù)，以上信號(hào)輸出值為零，判定數(shù)據(jù)零點(diǎn)偏移量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)偏移補(bǔ)償。

圖5為方向盤轉(zhuǎn)角偏移補(bǔ)償。由圖可知，0～0.3 s內(nèi)直線行駛，方向盤轉(zhuǎn)角為零，傳感器信號(hào)輸出2.1°，數(shù)據(jù)往下偏移2.1°。

圖5 方向盤轉(zhuǎn)角偏移補(bǔ)償

在測試過程中也會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏移量隨時(shí)間遞增、遞減甚至不規(guī)律的變化，這種一般視為無效數(shù)據(jù)，需要多次操作進(jìn)行比對(duì)。另外，出現(xiàn)這種不穩(wěn)定的情況時(shí)，一般要確認(rèn)操作輸入方式是否正確、周圍環(huán)境以及設(shè)備本身是否存在問題。

2.4 傳感器位置補(bǔ)償

表征整車狀態(tài)的物理量必須為質(zhì)心處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算前后軸的側(cè)偏、滑移也需要前后軸的瞬時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。因傳感器安裝相對(duì)質(zhì)心前后的中心有位置偏差，需根據(jù)傳感器測得的物理量以及傳感器相對(duì)整車質(zhì)心、前后軸中心的偏差位置計(jì)算車體質(zhì)心處的物理量。

車速()、航向角()信號(hào)由光學(xué)車速傳感器輸出，橫向加速度()由陀螺儀輸出，根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，考慮車體橫擺、側(cè)傾及俯仰計(jì)算質(zhì)心處的、、c，其中車體橫擺角速度影響較大。傳感器位置補(bǔ)償如圖6所示。

圖6 傳感器位置補(bǔ)償

質(zhì)心處側(cè)向加速度計(jì)算公式為：

(1)

質(zhì)心處向車速等同于激光測試傳感縱向車速，向車速計(jì)算：

(2)

質(zhì)心處航向角

(3)

3 試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)結(jié)果處理

客觀操縱穩(wěn)定性測試項(xiàng)目中，掃頻試驗(yàn)涉及頻域響應(yīng)計(jì)算，穩(wěn)定性測試項(xiàng)目需計(jì)算側(cè)偏角、靈敏度等，中心區(qū)測試涉及需要計(jì)算的特征值比較多，這3項(xiàng)測試項(xiàng)目計(jì)算量大，具有代表性。本文以這3項(xiàng)測試為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行工況測試分析以及驗(yàn)證程序計(jì)算結(jié)果。

3.1 掃頻試驗(yàn)

由于車輛是“彈性+阻尼”的系統(tǒng)，不同方向盤輸入頻率下，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)有一定的差異。根據(jù)典型的阻尼系統(tǒng)特征，主要從增益、延遲角、延遲時(shí)間、相關(guān)性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)介。

掃頻試驗(yàn)是考核固定車速下以不同的方向盤角度進(jìn)行轉(zhuǎn)向，整車橫向響應(yīng)的一致性。主要考核側(cè)向加速度、橫擺角速度、側(cè)傾相對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角在頻域上的響應(yīng)，即幅頻特性(增益)、相頻特性(延遲)。

采用MATLAB FFT快速傅里葉變換函數(shù)。

頻率響應(yīng)函數(shù)為：

(4)

增益的計(jì)算 ：

(5)

相位角計(jì)算:

(6)

相干性計(jì)算：

(7)

相干性計(jì)算，調(diào)用MATLAB工具箱函數(shù)(,)。

以橫擺角速度增益為例，計(jì)算不同方向盤轉(zhuǎn)角輸入頻率下增益、延遲、相關(guān)性等參數(shù)。原始數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果為離散數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，如圖7所示。

圖7 掃頻測試結(jié)果

由于受場地及測試輸入條件的限制，方向轉(zhuǎn)角輸入0.2～4 Hz，穩(wěn)定區(qū)域范圍為0.5～3 Hz。通常，根據(jù)擬合曲線計(jì)算出頻率0.2 Hz時(shí)，轉(zhuǎn)向響應(yīng)增益作為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)增益(0)，共振頻率此時(shí)也就是最大增益記為，對(duì)應(yīng)的共振頻率為max。比值/(0)表征響應(yīng)的一致性，max反映系統(tǒng)的剛度特性。

3.2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)

用于評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)時(shí)的車輛特性主要有轉(zhuǎn)向特性和穩(wěn)定性。分別繪制方向盤轉(zhuǎn)角、車軸側(cè)滑角、轉(zhuǎn)向盤力矩、車體側(cè)傾角與側(cè)向加速度關(guān)系曲線，以及計(jì)算特定區(qū)間內(nèi)的梯度值，評(píng)價(jià)車輛穩(wěn)態(tài)特性。

采用定速、緩慢增加方向盤轉(zhuǎn)角的測試方法，恒定車速80 km/h，誤差±1 km/h，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，側(cè)向加速度變化量0.1/s,可通過控制方向盤轉(zhuǎn)角13.5(°)/s，操作過程穩(wěn)定、均勻。

采用定圓測試方式，可分為穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)兩種方式。穩(wěn)態(tài)測試方式是在固定軌跡半徑且在間隔均勻的不同車速下采集相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算離散車速狀態(tài)下的特征值。結(jié)果數(shù)據(jù)為離散狀態(tài)，并進(jìn)行擬合。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方式是在固定軌跡半徑下，先在設(shè)定的軌跡圓，以允許的最低車速繞圓行駛，達(dá)到穩(wěn)態(tài)，緩慢增加車速、同時(shí)操作方向盤保持車輛軌跡，同樣保持車輛側(cè)向加速度增加約0.1/s,直至后軸出現(xiàn)側(cè)滑。該測試方法為連續(xù)且接近穩(wěn)態(tài)，因此稱之為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，測試數(shù)據(jù)為連續(xù)狀態(tài)。兩種測試方法要求軌跡的偏差在0.5 m范圍以內(nèi)。

主要評(píng)價(jià)指標(biāo)：

(1)轉(zhuǎn)向靈敏度/側(cè)偏角在不同加速度區(qū)間梯度:表征轉(zhuǎn)向時(shí)響應(yīng)的線性特性；

(2)轉(zhuǎn)向力矩/側(cè)傾角在不同側(cè)向加速度區(qū)間的梯度及典型側(cè)向加速度下的值：表征力的線性特性及轉(zhuǎn)向手感。

阿克曼轉(zhuǎn)向就是計(jì)算由于方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)引起的輪胎轉(zhuǎn)角(不考慮側(cè)偏)，產(chǎn)生的側(cè)向加速度。阿克曼轉(zhuǎn)角計(jì)算公式如下：

(8)

(9)

(10)

式中：為方向盤轉(zhuǎn)角；

為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比；

為前輪轉(zhuǎn)角；

c為質(zhì)心處側(cè)向加速度；

為質(zhì)心處車速；

為質(zhì)心處轉(zhuǎn)彎半徑。

車輛簡化模型如圖8所示。

圖8 車輛簡化模型

穩(wěn)定性數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖9所示，包括不同側(cè)向加速度下方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)偏角、轉(zhuǎn)向力矩、車身側(cè)傾關(guān)系曲線。計(jì)算程序設(shè)計(jì)了關(guān)鍵特征值計(jì)算模塊，得到0.2～0.4區(qū)間內(nèi)特征值為：轉(zhuǎn)向靈敏度 1.43/100°(方向盤轉(zhuǎn)角)；不足轉(zhuǎn)向梯度4.85(°)/;轉(zhuǎn)向力矩梯度3.87(N·m)/；車身側(cè)傾梯度3.75(°)/。

圖9 穩(wěn)定性數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.3 中心區(qū)響應(yīng)

中心區(qū)響應(yīng)主要考核車輛中高速行駛、方向盤小幅度正弦輸入、側(cè)向加速度在0.2以內(nèi)時(shí)，車輛響應(yīng)、駕駛員操作手感(方向盤力)，表征車輛在快速路或高速路非緊急單次變道或連續(xù)變道時(shí)車輛操縱性能、穩(wěn)定性。主要從以下方面考量：

(1)方向盤力矩與方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、橫擺角速度關(guān)系曲線，表征力的線性度、力的大小、中間間隙；

(2)橫擺角速度、側(cè)向加速度與轉(zhuǎn)角的曲線關(guān)系，表征響應(yīng)的靈敏度、響應(yīng)死區(qū)、線性度；

(3)轉(zhuǎn)向力的梯度與側(cè)向加速度關(guān)系曲線，表征車輛反饋的路感。

測試方法：一般測試60、96、120 km/h車速下，側(cè)向加速度0.2，方向盤轉(zhuǎn)角以0.2 Hz正弦輸入，3個(gè)周期以上。

中心區(qū)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖10所示,包括不同方向盤轉(zhuǎn)角輸入下方向盤力矩、側(cè)向加速度、橫擺及側(cè)向加速度速度關(guān)系曲線以及轉(zhuǎn)向力矩-橫擺角速度曲線。

圖10 中心區(qū)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

同時(shí)數(shù)據(jù)處理程序可對(duì)各特征值指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到主要特征值結(jié)果為：方向盤轉(zhuǎn)矩為0時(shí)側(cè)向加速度-0.06；0處的轉(zhuǎn)向力矩1.55 N·m；0處的方向盤力矩梯度為25.01(N·m)/；0.1處方向盤力矩為2.6 N·m;0.1處方向盤力矩梯度為13.29(N·m)/。

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)處理程序在實(shí)際試驗(yàn)過程中進(jìn)行了驗(yàn)證使用，并同專業(yè)商業(yè)軟件進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，誤差較小。作為操穩(wěn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的核心部分，可以協(xié)助測試工程師快速完成試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析、報(bào)告編制等。數(shù)據(jù)處理軟件兼顧了標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告的結(jié)果曲線繪制及特征值計(jì)算，大大提高了效率。程序設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了數(shù)據(jù)前處理的通用化以及不同工況處理的模塊設(shè)計(jì)，減小了數(shù)據(jù)前處理的程序設(shè)計(jì)量，提高了各不同模塊程序編輯的獨(dú)立性，程序使用靈活。

但是，數(shù)據(jù)處理程序尚未形成交互界面，用戶需熟悉MATLAB腳本語言，對(duì)使用者要求較高。數(shù)據(jù)測試特征值的處理、曲線繪制是固化在各數(shù)據(jù)處理模塊程序內(nèi)部，未形成獨(dú)立計(jì)算子模塊。程序尚未開發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及對(duì)比功能，尚不支持多車型數(shù)據(jù)對(duì)比功能。程序人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)以及客戶自定義的特征值計(jì)算、數(shù)據(jù)庫管理等擴(kuò)展功能是未來需進(jìn)一步的工作。

商用車領(lǐng)域，越來越多的中重卡車企開始關(guān)注整車的操穩(wěn)性能，操穩(wěn)測試需求越來越多，程序化的操穩(wěn)后處理程序應(yīng)用也越來越廣。