基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別系統及方法
2023-05-19 20:02:11
專利名稱：基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別系統及方法
技術領域：
本發明屬於車輛工程中的路面識別技術領域，具體涉及一種利用車輛行駛時的垂向振動信號進行車輛振動系統參數辨識，並進行路面識別的系統及方法。
背景技術：
隨著汽車技術的不斷發展，人們對車輛性能的要求也越來越高。在這樣的大環境下，半主動懸架技術、主動懸架技術、ABS技術應運而生。這些新技術都一定程度地提高了車輛的舒適性以及安全性。如果能根據車輛的行車狀態信號辨識出路面的類型，就能很大程度地優化上述新技術中的控制邏輯，從而進一步的提高車輛的性能。國內外學者針對用於實車控制系統的路面識別方法做了大量的研究，取得了一定的成果。中國專利CN102289674A以及美國專利US4651290都公開了一種基於加速度信號的路面識別的方法，分別對加速度信號進行了頻率分析和統計分析，但是這種方法用於不同的車上，都得進行大量的試驗標定，而且即使同一輛車，載荷變化或者懸架系統變化(主動懸架在不同行駛工況下會自動調節阻尼或剛度參數)都會影響辨識的結果。MoustaphaDoumiati在ACC (美國控制會議)上提出一種利用卡爾曼濾波來估計路面不平的方法，能較為簡單地估計出路面的高程，但是這種方法不具備對車輛系統參數發生變化時的適應性。
發明內容
本發明的目的在於提供一種簡便快捷且能較為準確地估計路面類型的方法及其測量系統，有效改善現有車用路面識別技術不能適應車輛系統參數變化的不足之處。本發明為解決上述技術問題，通過以下技術方案實現:
一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別系統，主要由傳感器信號採集模塊
1、傳感器信號處理模塊I1、系統辨識模塊II1、自適應狀態觀測模塊IV、路面空間歷程生成模塊V、路面特徵參數提取模塊VI和路面分類器νπ組成，所述傳感器信號處理模塊I1、系統辨識模塊II1、自適應狀態觀測模塊IV、路面空間歷程生成模塊V、路面特徵參數提取模塊VI和路面分類器Vn集成在ECU晶片X中，並通過總線進行相互之間的通信，所述傳感器信號採集模塊I通過線束與ECU晶片X進行數據傳輸。所述的傳感器信號採集模塊I包括車身加速度傳感器1、懸架動行程傳感器2、車速傳感器3和Α/D轉換器4，所述車身加速度傳感器I用於採集車輛垂直方向的垂直加速度信號，並安裝在車輛前懸減振器上安裝面上，懸架動行程傳感器2採用角位移傳感器，其一端連接在副車架上，另一端連接於車輪，以其角位移的變化來測量懸架的動行程，車速傳感器3在中高級車上一般都會有現成的，可以直接從CAN總線上讀取車速信息，也可以從車輛儀錶盤中獲得，所述的Α/D轉換器4具有高轉換速率特性。所述的傳感器信號處理模塊II，主要功能是對採集到的傳感器信號進行濾波去除噪聲汙染，同時為系統辨識模塊III做數據的前期處理，由於系統辨識模塊III要求車身垂向速度以及絕對位移信號作為其輸入，這就要求對加速度信號做積分處理，可是由於測量得到的加速度信號存在無法預測的零點漂移以及噪聲汙染，而使直接積分得到的速度信號以及位移信號沒有利用價值，故在傳感器信號處理模塊II中加入了積分濾波的功能。所述的系統辨識模塊III，主要功能是實時辨識車輛垂向振動的系統參數，為自適應狀態觀測1吳塊IV的實現提供基礎。所述自適應狀態觀測模塊IV是建立在系統辨識模塊III的基礎上而實現的，能夠適應不同載荷狀態、不同行車工況車輛系統的參數蠕變。所述路面空間歷程生成模塊V是對自適應狀態觀測模塊IV和車速傳感器3的輸出信號做一個整合，以實現將路面時間歷程轉換成路面空間歷程。所述路面特徵參數提取模塊VI對路面空間歷程生成模塊V的信號輸出做特徵參數提取，以實現用一個或幾個特徵指標來代表其路面特徵。所述路面分類器νπ的功能是為路面特徵參數提取模塊VI的特徵參數輸出定義門限值，從而很方便的區分不同的路面類型。一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別方法，包括以下步驟:(一 )由傳感器信號採集模塊I採集車身垂向加速度信號、懸架動行程信號和車速信號；( 二 )將上述採集到的信號通過傳感器信號處理模塊II，以實現信號的濾波以及加速度信號的積分功能；(三)將傳感器信號處理模塊II得到的車身加速度信號、車身垂向速度信號，車身垂向位移信號以及 懸架動行程信號傳給系統辨識模塊III進行系統辨識，以實時監測出車輛垂向振動系統參數的變化； (四)根據步驟(三)辨識得到的系統參數實時調整自適應狀態觀測模塊IV中的系統參數；(五)將車身加速度信號、車身垂向位移信號以及懸架動行程信號傳給自適應狀態觀測模塊IV，以實現對路面輸入的辨識；(六)將步驟(五)中辨識出的路面時間歷程信號以及車速信號傳給路面空間歷程生成模塊V，以實現路面時間歷程到空間歷程的轉換；(七)將步驟(六)得到的路面空間歷程信號傳給路面特徵參數提取模塊VI，以提取能夠表徵路面特徵的參數；(八)在路面分類器Vn中為路面特徵參數設定門限值(門限值的設定可以通過不同路面上的試驗進行標定)，將步驟(七)得到的參數通過路面分類器VL從最終實現對路面的分類。所述的傳感器信號採集模塊1、傳感器信號處理模塊I1、系統辨識模塊III和自適應狀態觀測模塊IV是本發明的核心模塊，其工作步驟也是本發明所述的基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別方法的核心步驟，下面分別給出這幾個模塊的工作步驟的詳細介紹。(A)採集車輛車身垂向振動加速度，懸架動行程以及車速信號加速度傳感器I以及懸架動行程傳感器2的安裝位置如圖3所示，其中加速度傳感器I裝在減振器上安裝座上，懸架動行程傳感器2為角位移傳感器，其一端連接在副車架上，另一端連接於車輪，以其角位移的變化來測量懸架的動行程。車速信號一般在中高級車上都可以直接從CAN總線上讀取，也可以從車輛儀錶盤中獲得。
(B)傳感器信號的處理這裡涉及的信號處理主要是加速度傳感器信號，由於系統辨識模塊III要求車身垂向速度以及絕對位移信號作為其輸入，這就要求對加速度信號做積分處理，可是由於測量得到的加速度信號存在無法預測的零點漂移以及噪聲汙染，而使直接積分得到的速度信號以及位移信號沒有利用價值。本發明在信號處理模塊中引入帶積分功能的濾波器，濾波器的傳遞函數如下:
權利要求
1.一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別系統，其特徵在於: 由傳感器信號採集模塊(I )、傳感器信號處理模塊(II)、系統辨識模塊(III)、自適應狀態觀測模塊(IV)、路面空間歷程生成模塊(V)、路面特徵參數提取模塊(VI)和路面分類器(W)組成，所述傳感器信號處理模塊(II)、系統辨識模塊(III)、自適應狀態觀測模塊(IV)、路面空間歷程生成模塊(V)、路面特徵參數提取模塊(VI)和路面分類器α/Π)集成在ECU晶片(X)中，並通過總線進行相互之間的通信，所述傳感器信號採集模塊(I )通過線束與ECU晶片(X)進行數據傳輸； 所述的傳感器信號採集模塊(I )包括車身加速度傳感器(I)、懸架動行程傳感器(2)、車速傳感器(3)和Α/D轉換器(4)，所述車身加速度傳感器(I)採集車輛垂直方向的垂直加速度信號；懸架動行程傳感器(2)採用角位移傳感器，以其角位移的變化來測量懸架的動行程；車速傳感器(3)採集車速信號；所述的Α/D轉換器(4)具有高轉換速率特性。
2.根據權利要求1所述的一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別系統，其特徵在於: 所述的傳感器信號處理模塊(II)對採集到的傳感器信號進行濾波、去除噪聲汙染，同時為系統辨識模塊(III)做數據的前期處理；傳感器信號處理模塊(II)含有積分濾波模塊，對測量得到的加速 度信號進行積分並過濾零點漂移以及噪聲汙染。
3.根據權利要求1所述的一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別系統，其特徵在於: 所述的系統辨識模塊(III)實時辨識車輛垂向振動的系統參數，為自適應狀態觀測模塊IV的實現提供基礎； 所述自適應狀態觀測模塊(IV)能夠適應不同載荷狀態、不同行車工況車輛系統的參數蠕變。
4.根據權利要求1所述的一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別系統，其特徵在於: 所述路面空間歷程生成模塊(V)對自適應狀態觀測模塊(IV)和車速傳感器(3)的輸出信號進行整合，將路面時間歷程轉換成路面空間歷程； 所述路面特徵參數提取模塊(VI)對路面空間歷程生成模塊(V)的信號輸出做特徵參數提取，用一個或幾個特徵指標來代表其路面特徵； 所述路面分類器νπ為路面特徵參數提取模塊(VI)的特徵參數輸出定義門限值，進而區分不同的路面類型。
5.一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別方法，包括以下步驟: (一)由傳感器信號採集模塊(I)採集車身垂向加速度信號、懸架動行程信號和車速信號; (二)將上述採集到的信號通過傳感器信號處理模塊(II)，以實現信號的濾波以及加速度信號的積分功能； (三)將傳感器信號處理模塊(II)得到的車身加速度信號、車身垂向速度信號，車身垂向位移信號以及懸架動行程信號傳給系統辨識模塊(III)進行系統辨識，實時監測出車輛垂向振動系統參數的變化； (四)根據步驟(三)辨識得到的系統參數實時調整自適應狀態觀測模塊(IV)中的系統參數； (五)將車身加速度信號、車身垂向位移信號以及懸架動行程信號傳給自適應狀態觀測模塊(IV)，以實現對路面輸入的辨識； (六)將步驟(五)中辨識出的路面時間歷程信號以及車速信號傳給路面空間歷程生成模塊(V)，以實現路面時間歷程到空間歷程的轉換； (七)將步驟(六)得到的路面空間歷程信號傳給路面特徵參數提取模塊(VI)，以提取能夠表徵路面特徵的參數； (八)在路面分類器(νπ)中為路面特徵參數設定門限值，其中門限值可以通過不同路面上的試驗進行標定，將步驟(七)得到的參數通過路面分類器(νπ)，從最終實現對路面的分類。
6.根據權利要求5所述的一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別方法，其特徵在於:所述的步驟(二)中所述的傳感器信號處理模塊(II)引入帶積分功能的濾波器，濾波器的傳遞函數如下:
7.根據權利要求5所述的一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別方法，其特徵在於:所述的步驟(三)中實時監測出車輛垂向振動系統參數的變化通過以下方法實現: 利用遞推最小二乘法辨識1/4車振動系統參數，對簧上質量列運動方程: 令懸架動行程為X，非簧載質量和簧載質量的行程分別為Xl、X2，X=X2-X1，有:
8.根據權利要求5所述的一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別方法，其特徵在於:所述的步驟(四)中實時調整自適應狀態觀測模塊(IV)中的系統參數即建立自適應狀態觀測器，利用卡爾曼濾波器建立帶路面輸入狀態的狀態觀測器: 選擇狀態變量一，可得離散系統動態方程如下: xk+i — Gkxk+bm』k zk — Hkxk+bs』k 式中: 4=一是系統的狀態向量，並且初始狀態為ο ; Zk =(χ2Λ -Χ Λ,Χ2Λ,Χ2Λ)τ是系統的輸出向量，其中=Xtk-X1J:懸架動行程，可由高度傳感器測得；車身加速度，可由加速度傳感器測得；x2，k:車身絕對位移，可對加速度信號2次積分得到；X(U:路面高程；bm，k和bs，k分別為過程誤差以及測量誤差向量，這裡假設為均值為O，且不相關的白噪聲； 狀態矩陣G以及輸出矩陣H如下所示:
9.根據權利要求5所述的一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別方法，其特徵在於:所述的步驟(五)所述的路面空間歷程生成的具體過程為: 引入觸發信號Flag，並規定單位時間周期T內只有Ttl時間段內，路面空間歷程生成模塊V是觸發的，當觸發信號Flag為I時，讀取車速信號V，並開始計算S=S+v Δ t，同時將計算的路面時間歷程數據存儲；若S^Stl時，利用插值法將存儲的路面時間歷程轉化成空間歷程，然後再將S置O ;若S < Stl,則存儲S路程段內的路面時間歷程，並返回繼續讀取車速信號V ;當觸發信號Flag為O時，不進行數據的讀取與轉換。
10.根據權利要求5所述的一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別方法，其特徵在於:所述的步驟(六)所述的路面特徵參數的提取時，特徵值提取可採用功率譜分析法、一階過零點穿越法或者採用直接對信號進行取均方根值、最大值的統計分析法； 路面特徵參數的提取時，路面特徵參數提取模塊(VI)應當與路面空間歷程生成模塊(V)採用同一時間觸發器； 針對步驟(六)所採用的不同特徵參數提取方法，所述的步驟(七)可以建立不同的路面分類器；針對一階過零點穿越法，路面分類器只需給出4個頻率範圍:0-4Hz、4-8Hz、8-12HzU2Hz以上，判斷步驟(六)中得到的特徵主頻參數在哪個頻段可以直接得出路面分類結 果。
全文摘要
本發明公開了一種基於車輛垂向振動系統辨識的路面識別系統及方法，主要由傳感器信號採集模塊、傳感器信號處理模塊、系統辨識模塊、自適應狀態觀測模塊、路面空間歷程生成模塊、路面特徵參數提取模塊和路面分類器組成，所述傳感器信號處理模塊、系統辨識模塊、自適應狀態觀測模塊、路面空間歷程生成模塊、路面特徵參數提取模塊和路面分類器集成在ECU晶片中，並通過總線進行相互之間的通信，所述傳感器信號採集模塊通過線束與ECU晶片進行數據傳輸。能夠簡便快捷且能較為準確地估計路面類型的方法及其測量系統，有效改善現有車用路面識別技術不能適應車輛系統參數變化的不足之處。
文檔編號G06F19/00GK103235891SQ20131016083
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月5日 優先權日2013年5月5日
發明者章新傑, 餘五輝, 張玉新, 郭孔輝, 孫明, 崔紅亮, 王金珠 申請人:吉林大學