專利名稱：基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于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(tǒng)參數(shù)辨識，并進行路面識別的系統(tǒng)及方法。
背景技術：
隨著汽車技術的不斷發(fā)展，人們對車輛性能的要求也越來越高。在這樣的大環(huán)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(jù)車輛的行車狀態(tài)信號辨識出路面的類型，就能很大程度地優(yōu)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(nèi)外學者針對用于實車控制系統(tǒng)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都公開了一種基于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(tǒng)計分析，但是這種方法用于不同的車上，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(tǒng)變化(主動懸架在不同行駛工況下會自動調(diào)節(jié)阻尼或剛度參數(shù))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(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時的適應性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于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(tǒng)，有效改善現(xiàn)有車用路面識別技術不能適應車輛系統(tǒng)參數(shù)變化的不足之處。本發(fā)明為解決上述技術問題，通過以下技術方案實現(xiàn):
一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別系統(tǒng)，主要由傳感器信號采集模塊
1、傳感器信號處理模塊I1、系統(tǒng)辨識模塊II1、自適應狀態(tài)觀測模塊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，所述傳感器信號處理模塊I1、系統(tǒng)辨識模塊II1、自適應狀態(tài)觀測模塊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，并通過總線進行相互之間的通信，所述傳感器信號采集模塊I通過線束與ECU芯片X進行數(shù)據(jù)傳輸。所述的傳感器信號采集模塊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用于采集車輛垂直方向的垂直加速度信號，并安裝在車輛前懸減振器上安裝面上，懸架動行程傳感器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(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，主要功能是對采集到的傳感器信號進行濾波去除噪聲污染，同時為系統(tǒng)辨識模塊III做數(shù)據(jù)的前期處理，由于系統(tǒng)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，可是由于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污染，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(tǒng)辨識模塊III，主要功能是實時辨識車輛垂向振動的系統(tǒng)參數(shù)，為自適應狀態(tài)觀測1吳塊IV的實現(xiàn)提供基礎。所述自適應狀態(tài)觀測模塊IV是建立在系統(tǒng)辨識模塊III的基礎上而實現(xiàn)的，能夠適應不同載荷狀態(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是對自適應狀態(tài)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(xiàn)將路面時間歷程轉換成路面空間歷程。所述路面特征參數(shù)提取模塊VI對路面空間歷程生成模塊V的信號輸出做特征參數(shù)提取，以實現(xiàn)用一個或幾個特征指標來代表其路面特征。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系統(tǒng)辨識的路面識別方法，包括以下步驟:(一 )由傳感器信號采集模塊I采集車身垂向加速度信號、懸架動行程信號和車速信號；( 二 )將上述采集到的信號通過傳感器信號處理模塊II，以實現(xiàn)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(tǒng)辨識模塊III進行系統(tǒng)辨識，以實時監(jiān)測出車輛垂向振動系統(tǒng)參數(shù)的變化； (四)根據(jù)步驟(三)辨識得到的系統(tǒng)參數(shù)實時調(diào)整自適應狀態(tài)觀測模塊IV中的系統(tǒng)參數(shù)；(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(tài)觀測模塊IV，以實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)通過路面分類器VL從最終實現(xiàn)對路面的分類。所述的傳感器信號采集模塊1、傳感器信號處理模塊I1、系統(tǒng)辨識模塊III和自適應狀態(tài)觀測模塊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系統(tǒng)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)采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，另一端連接于車輪，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，也可以從車輛儀表盤中獲得。
(B)傳感器信號的處理這里涉及的信號處理主要是加速度傳感器信號，由于系統(tǒng)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，可是由于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污染，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(fā)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(shù)如下:
權利要求
1.一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別系統(tǒng)，其特征在于: 由傳感器信號采集模塊(I )、傳感器信號處理模塊(II)、系統(tǒng)辨識模塊(III)、自適應狀態(tài)觀測模塊(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，所述傳感器信號處理模塊(II)、系統(tǒng)辨識模塊(III)、自適應狀態(tài)觀測模塊(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，并通過總線進行相互之間的通信，所述傳感器信號采集模塊(I )通過線束與ECU芯片(X)進行數(shù)據(jù)傳輸； 所述的傳感器信號采集模塊(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)采集車輛垂直方向的垂直加速度信號；懸架動行程傳感器(2)采用角位移傳感器，以其角位移的變化來測量懸架的動行程；車速傳感器(3)采集車速信號；所述的Α/D轉換器(4)具有高轉換速率特性。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別系統(tǒng)，其特征在于: 所述的傳感器信號處理模塊(II)對采集到的傳感器信號進行濾波、去除噪聲污染，同時為系統(tǒng)辨識模塊(III)做數(shù)據(jù)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 度信號進行積分并過濾零點漂移以及噪聲污染。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別系統(tǒng)，其特征在于: 所述的系統(tǒng)辨識模塊(III)實時辨識車輛垂向振動的系統(tǒng)參數(shù)，為自適應狀態(tài)觀測模塊IV的實現(xiàn)提供基礎； 所述自適應狀態(tài)觀測模塊(IV)能夠適應不同載荷狀態(tài)、不同行車工況車輛系統(tǒng)的參數(shù)蠕變。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別系統(tǒng)，其特征在于: 所述路面空間歷程生成模塊(V)對自適應狀態(tài)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； 所述路面特征參數(shù)提取模塊(VI)對路面空間歷程生成模塊(V)的信號輸出做特征參數(shù)提取，用一個或幾個特征指標來代表其路面特征； 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，進而區(qū)分不同的路面類型。
5.一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別方法，包括以下步驟: (一)由傳感器信號采集模塊(I)采集車身垂向加速度信號、懸架動行程信號和車速信號; (二)將上述采集到的信號通過傳感器信號處理模塊(II)，以實現(xiàn)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(tǒng)辨識模塊(III)進行系統(tǒng)辨識，實時監(jiān)測出車輛垂向振動系統(tǒng)參數(shù)的變化； (四)根據(jù)步驟(三)辨識得到的系統(tǒng)參數(shù)實時調(diào)整自適應狀態(tài)觀測模塊(IV)中的系統(tǒng)參數(shù)； (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(tài)觀測模塊(IV)，以實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)通過路面分類器(νπ)，從最終實現(xiàn)對路面的分類。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別方法，其特征在于: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(shù)如下:
7.根據(jù)權利要求5所述的一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別方法，其特征在于:所述的步驟(三)中實時監(jiān)測出車輛垂向振動系統(tǒng)參數(shù)的變化通過以下方法實現(xiàn): 利用遞推最小二乘法辨識1/4車振動系統(tǒng)參數(shù)，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(jù)權利要求5所述的一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別方法，其特征在于:所述的步驟(四)中實時調(diào)整自適應狀態(tài)觀測模塊(IV)中的系統(tǒng)參數(shù)即建立自適應狀態(tài)觀測器，利用卡爾曼濾波器建立帶路面輸入狀態(tài)的狀態(tài)觀測器: 選擇狀態(tài)變量一，可得離散系統(tǒng)動態(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，這里假設為均值為O，且不相關的白噪聲； 狀態(tài)矩陣G以及輸出矩陣H如下所示:
9.根據(jù)權利要求5所述的一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別方法，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程為: 引入觸發(fā)信號Flag，并規(guī)定單位時間周期T內(nèi)只有Ttl時間段內(nèi)，路面空間歷程生成模塊V是觸發(fā)的，當觸發(fā)信號Flag為I時，讀取車速信號V，并開始計算S=S+v Δ t，同時將計算的路面時間歷程數(shù)據(jù)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，然后再將S置O ;若S < Stl,則存儲S路程段內(nèi)的路面時間歷程，并返回繼續(xù)讀取車速信號V ;當觸發(fā)信號Flag為O時，不進行數(shù)據(jù)的讀取與轉換。
10.根據(jù)權利要求5所述的一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別方法，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，特征值提取可采用功率譜分析法、一階過零點穿越法或者采用直接對信號進行取均方根值、最大值的統(tǒng)計分析法； 路面特征參數(shù)的提取時，路面特征參數(shù)提取模塊(VI)應當與路面空間歷程生成模塊(V)采用同一時間觸發(fā)器； 針對步驟(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；針對一階過零點穿越法，路面分類器只需給出4個頻率范圍:0-4Hz、4-8Hz、8-12HzU2Hz以上，判斷步驟(六)中得到的特征主頻參數(shù)在哪個頻段可以直接得出路面分類結 果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于車輛垂向振動系統(tǒng)辨識的路面識別系統(tǒng)及方法，主要由傳感器信號采集模塊、傳感器信號處理模塊、系統(tǒng)辨識模塊、自適應狀態(tài)觀測模塊、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，所述傳感器信號處理模塊、系統(tǒng)辨識模塊、自適應狀態(tài)觀測模塊、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，并通過總線進行相互之間的通信，所述傳感器信號采集模塊通過線束與ECU芯片進行數(shù)據(jù)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(tǒng)，有效改善現(xiàn)有車用路面識別技術不能適應車輛系統(tǒng)參數(shù)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(yōu)先權日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 申請人:吉林大學