專利名稱：基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于車輛工程中的路面識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用車輛行駛時(shí)的垂向振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行車輛振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，并進(jìn)行路面識(shí)別的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)車輛性能的要求也越來(lái)越高。在這樣的大環(huán)境下，半主動(dòng)懸架技術(shù)、主動(dòng)懸架技術(shù)、ABS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這些新技術(shù)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(jù)車輛的行車狀態(tài)信號(hào)辨識(shí)出路面的類型，就能很大程度地優(yōu)化上述新技術(shù)中的控制邏輯，從而進(jìn)一步的提高車輛的性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)用于實(shí)車控制系統(tǒng)的路面識(shí)別方法做了大量的研究，取得了一定的成果。中國(guó)專利CN102289674A以及美國(guó)專利US4651290都公開了一種基于加速度信號(hào)的路面識(shí)別的方法，分別對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行了頻率分析和統(tǒng)計(jì)分析，但是這種方法用于不同的車上，都得進(jìn)行大量的試驗(yàn)標(biāo)定，而且即使同一輛車，載荷變化或者懸架系統(tǒng)變化(主動(dòng)懸架在不同行駛工況下會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)阻尼或剛度參數(shù))都會(huì)影響辨識(shí)的結(jié)果。MoustaphaDoumiati在ACC (美國(guó)控制會(huì)議)上提出一種利用卡爾曼濾波來(lái)估計(jì)路面不平的方法，能較為簡(jiǎn)單地估計(jì)出路面的高程，但是這種方法不具備對(duì)車輛系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的適應(yīng)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)便快捷且能較為準(zhǔn)確地估計(jì)路面類型的方法及其測(cè)量系統(tǒng)，有效改善現(xiàn)有車用路面識(shí)別技術(shù)不能適應(yīng)車輛系統(tǒng)參數(shù)變化的不足之處。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別系統(tǒng)，主要由傳感器信號(hào)采集模塊
1、傳感器信號(hào)處理模塊I1、系統(tǒng)辨識(shí)模塊II1、自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊IV、路面空間歷程生成模塊V、路面特征參數(shù)提取模塊VI和路面分類器νπ組成，所述傳感器信號(hào)處理模塊I1、系統(tǒng)辨識(shí)模塊II1、自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊IV、路面空間歷程生成模塊V、路面特征參數(shù)提取模塊VI和路面分類器Vn集成在ECU芯片X中，并通過(guò)總線進(jìn)行相互之間的通信，所述傳感器信號(hào)采集模塊I通過(guò)線束與ECU芯片X進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。所述的傳感器信號(hào)采集模塊I包括車身加速度傳感器1、懸架動(dòng)行程傳感器2、車速傳感器3和Α/D轉(zhuǎn)換器4，所述車身加速度傳感器I用于采集車輛垂直方向的垂直加速度信號(hào)，并安裝在車輛前懸減振器上安裝面上，懸架動(dòng)行程傳感器2采用角位移傳感器，其一端連接在副車架上，另一端連接于車輪，以其角位移的變化來(lái)測(cè)量懸架的動(dòng)行程，車速傳感器3在中高級(jí)車上一般都會(huì)有現(xiàn)成的，可以直接從CAN總線上讀取車速信息，也可以從車輛儀表盤中獲得，所述的Α/D轉(zhuǎn)換器4具有高轉(zhuǎn)換速率特性。所述的傳感器信號(hào)處理模塊II，主要功能是對(duì)采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波去除噪聲污染，同時(shí)為系統(tǒng)辨識(shí)模塊III做數(shù)據(jù)的前期處理，由于系統(tǒng)辨識(shí)模塊III要求車身垂向速度以及絕對(duì)位移信號(hào)作為其輸入，這就要求對(duì)加速度信號(hào)做積分處理，可是由于測(cè)量得到的加速度信號(hào)存在無(wú)法預(yù)測(cè)的零點(diǎn)漂移以及噪聲污染，而使直接積分得到的速度信號(hào)以及位移信號(hào)沒有利用價(jià)值，故在傳感器信號(hào)處理模塊II中加入了積分濾波的功能。所述的系統(tǒng)辨識(shí)模塊III，主要功能是實(shí)時(shí)辨識(shí)車輛垂向振動(dòng)的系統(tǒng)參數(shù)，為自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)1吳塊IV的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。所述自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊IV是建立在系統(tǒng)辨識(shí)模塊III的基礎(chǔ)上而實(shí)現(xiàn)的，能夠適應(yīng)不同載荷狀態(tài)、不同行車工況車輛系統(tǒng)的參數(shù)蠕變。所述路面空間歷程生成模塊V是對(duì)自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊IV和車速傳感器3的輸出信號(hào)做一個(gè)整合，以實(shí)現(xiàn)將路面時(shí)間歷程轉(zhuǎn)換成路面空間歷程。所述路面特征參數(shù)提取模塊VI對(duì)路面空間歷程生成模塊V的信號(hào)輸出做特征參數(shù)提取，以實(shí)現(xiàn)用一個(gè)或幾個(gè)特征指標(biāo)來(lái)代表其路面特征。所述路面分類器νπ的功能是為路面特征參數(shù)提取模塊VI的特征參數(shù)輸出定義門限值，從而很方便的區(qū)分不同的路面類型。一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別方法，包括以下步驟:(一 )由傳感器信號(hào)采集模塊I采集車身垂向加速度信號(hào)、懸架動(dòng)行程信號(hào)和車速信號(hào)；( 二 )將上述采集到的信號(hào)通過(guò)傳感器信號(hào)處理模塊II，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波以及加速度信號(hào)的積分功能；(三)將傳感器信號(hào)處理模塊II得到的車身加速度信號(hào)、車身垂向速度信號(hào)，車身垂向位移信號(hào)以及 懸架動(dòng)行程信號(hào)傳給系統(tǒng)辨識(shí)模塊III進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的變化； (四)根據(jù)步驟(三)辨識(shí)得到的系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊IV中的系統(tǒng)參數(shù)；(五)將車身加速度信號(hào)、車身垂向位移信號(hào)以及懸架動(dòng)行程信號(hào)傳給自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊IV，以實(shí)現(xiàn)對(duì)路面輸入的辨識(shí)；(六)將步驟(五)中辨識(shí)出的路面時(shí)間歷程信號(hào)以及車速信號(hào)傳給路面空間歷程生成模塊V，以實(shí)現(xiàn)路面時(shí)間歷程到空間歷程的轉(zhuǎn)換；(七)將步驟(六)得到的路面空間歷程信號(hào)傳給路面特征參數(shù)提取模塊VI，以提取能夠表征路面特征的參數(shù)；(八)在路面分類器Vn中為路面特征參數(shù)設(shè)定門限值(門限值的設(shè)定可以通過(guò)不同路面上的試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定)，將步驟(七)得到的參數(shù)通過(guò)路面分類器VL從最終實(shí)現(xiàn)對(duì)路面的分類。所述的傳感器信號(hào)采集模塊1、傳感器信號(hào)處理模塊I1、系統(tǒng)辨識(shí)模塊III和自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊IV是本發(fā)明的核心模塊，其工作步驟也是本發(fā)明所述的基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別方法的核心步驟，下面分別給出這幾個(gè)模塊的工作步驟的詳細(xì)介紹。(A)采集車輛車身垂向振動(dòng)加速度，懸架動(dòng)行程以及車速信號(hào)加速度傳感器I以及懸架動(dòng)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(dòng)行程傳感器2為角位移傳感器，其一端連接在副車架上，另一端連接于車輪，以其角位移的變化來(lái)測(cè)量懸架的動(dòng)行程。車速信號(hào)一般在中高級(jí)車上都可以直接從CAN總線上讀取，也可以從車輛儀表盤中獲得。
(B)傳感器信號(hào)的處理這里涉及的信號(hào)處理主要是加速度傳感器信號(hào)，由于系統(tǒng)辨識(shí)模塊III要求車身垂向速度以及絕對(duì)位移信號(hào)作為其輸入，這就要求對(duì)加速度信號(hào)做積分處理，可是由于測(cè)量得到的加速度信號(hào)存在無(wú)法預(yù)測(cè)的零點(diǎn)漂移以及噪聲污染，而使直接積分得到的速度信號(hào)以及位移信號(hào)沒有利用價(jià)值。本發(fā)明在信號(hào)處理模塊中引入帶積分功能的濾波器，濾波器的傳遞函數(shù)如下:
權(quán)利要求
1.一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于: 由傳感器信號(hào)采集模塊(I )、傳感器信號(hào)處理模塊(II)、系統(tǒng)辨識(shí)模塊(III)、自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊(IV)、路面空間歷程生成模塊(V)、路面特征參數(shù)提取模塊(VI)和路面分類器(W)組成，所述傳感器信號(hào)處理模塊(II)、系統(tǒng)辨識(shí)模塊(III)、自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊(IV)、路面空間歷程生成模塊(V)、路面特征參數(shù)提取模塊(VI)和路面分類器α/Π)集成在ECU芯片(X)中，并通過(guò)總線進(jìn)行相互之間的通信，所述傳感器信號(hào)采集模塊(I )通過(guò)線束與ECU芯片(X)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸； 所述的傳感器信號(hào)采集模塊(I )包括車身加速度傳感器(I)、懸架動(dòng)行程傳感器(2)、車速傳感器(3)和Α/D轉(zhuǎn)換器(4)，所述車身加速度傳感器(I)采集車輛垂直方向的垂直加速度信號(hào)；懸架動(dòng)行程傳感器(2)采用角位移傳感器，以其角位移的變化來(lái)測(cè)量懸架的動(dòng)行程；車速傳感器(3)采集車速信號(hào)；所述的Α/D轉(zhuǎn)換器(4)具有高轉(zhuǎn)換速率特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于: 所述的傳感器信號(hào)處理模塊(II)對(duì)采集到的傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波、去除噪聲污染，同時(shí)為系統(tǒng)辨識(shí)模塊(III)做數(shù)據(jù)的前期處理；傳感器信號(hào)處理模塊(II)含有積分濾波模塊，對(duì)測(cè)量得到的加速 度信號(hào)進(jìn)行積分并過(guò)濾零點(diǎn)漂移以及噪聲污染。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于: 所述的系統(tǒng)辨識(shí)模塊(III)實(shí)時(shí)辨識(shí)車輛垂向振動(dòng)的系統(tǒng)參數(shù)，為自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊IV的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)； 所述自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊(IV)能夠適應(yīng)不同載荷狀態(tài)、不同行車工況車輛系統(tǒng)的參數(shù)蠕變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于: 所述路面空間歷程生成模塊(V)對(duì)自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊(IV)和車速傳感器(3)的輸出信號(hào)進(jìn)行整合，將路面時(shí)間歷程轉(zhuǎn)換成路面空間歷程； 所述路面特征參數(shù)提取模塊(VI)對(duì)路面空間歷程生成模塊(V)的信號(hào)輸出做特征參數(shù)提取，用一個(gè)或幾個(gè)特征指標(biāo)來(lái)代表其路面特征； 所述路面分類器νπ為路面特征參數(shù)提取模塊(VI)的特征參數(shù)輸出定義門限值，進(jìn)而區(qū)分不同的路面類型。
5.一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別方法，包括以下步驟: (一)由傳感器信號(hào)采集模塊(I)采集車身垂向加速度信號(hào)、懸架動(dòng)行程信號(hào)和車速信號(hào); (二)將上述采集到的信號(hào)通過(guò)傳感器信號(hào)處理模塊(II)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波以及加速度信號(hào)的積分功能； (三)將傳感器信號(hào)處理模塊(II)得到的車身加速度信號(hào)、車身垂向速度信號(hào)，車身垂向位移信號(hào)以及懸架動(dòng)行程信號(hào)傳給系統(tǒng)辨識(shí)模塊(III)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的變化； (四)根據(jù)步驟(三)辨識(shí)得到的系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊(IV)中的系統(tǒng)參數(shù)； (五)將車身加速度信號(hào)、車身垂向位移信號(hào)以及懸架動(dòng)行程信號(hào)傳給自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊(IV)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)路面輸入的辨識(shí)； (六)將步驟(五)中辨識(shí)出的路面時(shí)間歷程信號(hào)以及車速信號(hào)傳給路面空間歷程生成模塊(V)，以實(shí)現(xiàn)路面時(shí)間歷程到空間歷程的轉(zhuǎn)換； (七)將步驟(六)得到的路面空間歷程信號(hào)傳給路面特征參數(shù)提取模塊(VI)，以提取能夠表征路面特征的參數(shù)； (八)在路面分類器(νπ)中為路面特征參數(shù)設(shè)定門限值，其中門限值可以通過(guò)不同路面上的試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，將步驟(七)得到的參數(shù)通過(guò)路面分類器(νπ)，從最終實(shí)現(xiàn)對(duì)路面的分類。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別方法，其特征在于:所述的步驟(二)中所述的傳感器信號(hào)處理模塊(II)引入帶積分功能的濾波器，濾波器的傳遞函數(shù)如下:
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別方法，其特征在于:所述的步驟(三)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的變化通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn): 利用遞推最小二乘法辨識(shí)1/4車振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)簧上質(zhì)量列運(yùn)動(dòng)方程: 令懸架動(dòng)行程為X，非簧載質(zhì)量和簧載質(zhì)量的行程分別為Xl、X2，X=X2-X1，有:
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別方法，其特征在于:所述的步驟(四)中實(shí)時(shí)調(diào)整自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊(IV)中的系統(tǒng)參數(shù)即建立自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)器，利用卡爾曼濾波器建立帶路面輸入狀態(tài)的狀態(tài)觀測(cè)器: 選擇狀態(tài)變量一，可得離散系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程如下: xk+i — Gkxk+bm’k zk — Hkxk+bs’k 式中: 4=一是系統(tǒng)的狀態(tài)向量，并且初始狀態(tài)為ο ; Zk =(χ2Λ -Χ Λ,Χ2Λ,Χ2Λ)τ是系統(tǒng)的輸出向量，其中=Xtk-X1J:懸架動(dòng)行程，可由高度傳感器測(cè)得；車身加速度，可由加速度傳感器測(cè)得；x2，k:車身絕對(duì)位移，可對(duì)加速度信號(hào)2次積分得到；X(U:路面高程；bm，k和bs，k分別為過(guò)程誤差以及測(cè)量誤差向量，這里假設(shè)為均值為O，且不相關(guān)的白噪聲； 狀態(tài)矩陣G以及輸出矩陣H如下所示:
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別方法，其特征在于:所述的步驟(五)所述的路面空間歷程生成的具體過(guò)程為: 引入觸發(fā)信號(hào)Flag，并規(guī)定單位時(shí)間周期T內(nèi)只有Ttl時(shí)間段內(nèi)，路面空間歷程生成模塊V是觸發(fā)的，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)Flag為I時(shí)，讀取車速信號(hào)V，并開始計(jì)算S=S+v Δ t，同時(shí)將計(jì)算的路面時(shí)間歷程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；若S^Stl時(shí)，利用插值法將存儲(chǔ)的路面時(shí)間歷程轉(zhuǎn)化成空間歷程，然后再將S置O ;若S < Stl,則存儲(chǔ)S路程段內(nèi)的路面時(shí)間歷程，并返回繼續(xù)讀取車速信號(hào)V ;當(dāng)觸發(fā)信號(hào)Flag為O時(shí)，不進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取與轉(zhuǎn)換。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別方法，其特征在于:所述的步驟(六)所述的路面特征參數(shù)的提取時(shí)，特征值提取可采用功率譜分析法、一階過(guò)零點(diǎn)穿越法或者采用直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行取均方根值、最大值的統(tǒng)計(jì)分析法； 路面特征參數(shù)的提取時(shí)，路面特征參數(shù)提取模塊(VI)應(yīng)當(dāng)與路面空間歷程生成模塊(V)采用同一時(shí)間觸發(fā)器； 針對(duì)步驟(六)所采用的不同特征參數(shù)提取方法，所述的步驟(七)可以建立不同的路面分類器；針對(duì)一階過(guò)零點(diǎn)穿越法，路面分類器只需給出4個(gè)頻率范圍:0-4Hz、4-8Hz、8-12HzU2Hz以上，判斷步驟(六)中得到的特征主頻參數(shù)在哪個(gè)頻段可以直接得出路面分類結(jié) 果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于車輛垂向振動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)的路面識(shí)別系統(tǒng)及方法，主要由傳感器信號(hào)采集模塊、傳感器信號(hào)處理模塊、系統(tǒng)辨識(shí)模塊、自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊、路面空間歷程生成模塊、路面特征參數(shù)提取模塊和路面分類器組成，所述傳感器信號(hào)處理模塊、系統(tǒng)辨識(shí)模塊、自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)模塊、路面空間歷程生成模塊、路面特征參數(shù)提取模塊和路面分類器集成在ECU芯片中，并通過(guò)總線進(jìn)行相互之間的通信，所述傳感器信號(hào)采集模塊通過(guò)線束與ECU芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。能夠簡(jiǎn)便快捷且能較為準(zhǔn)確地估計(jì)路面類型的方法及其測(cè)量系統(tǒng)，有效改善現(xiàn)有車用路面識(shí)別技術(shù)不能適應(yīng)車輛系統(tǒng)參數(shù)變化的不足之處。
文檔編號(hào)G06F19/00GK103235891SQ20131016083
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月5日
發(fā)明者章新杰, 余五輝, 張玉新, 郭孔輝, 孫明, 崔紅亮, 王金珠 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)