制動性能檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

摘 要：為提高制動性能檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，建立了制動性能檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)。通過對制動性能檢驗(yàn)中涉及的軸重信號、制動力信號曲線擬合的分析研究，最終得到軸重信號的數(shù)學(xué)模型以及制動力信號的B-樣條函數(shù)擬合曲線，抑制了軸重信號的周期性動載干擾，消除了制動力信號擬合的劇烈震蕩，有效解決了制動性能檢驗(yàn)?zāi)K抗干擾問題。

關(guān)鍵詞：制動性能檢驗(yàn);數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);軸重信號;制動力信號;制動力曲線擬合

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1713904

Processing System of Braking Performance Testing Data

ZHANG Xueli1，ZHAO Xiangmo2

(1.Shaanxi College of Communication Technology，Xi′an，710021，China;

2.School of Information Engineering，Chang′an University，Xi′an，710064，China)

Abstract：In order to improve accuracy of braking performance testing data，the processing system is set up for this purpose.The system analyzes signal of axle weight and signal curve fitting of braking force，the mathematical model of axle weight and B-spline fitting curve of braking force are obtained.It restraints periodic moving-load of signal of axle weight and eliminates signal fitting oscillation of braking force，experimental results verify that this system is effective in overcome anti jamming of brake testing module.

Keywords：braking performance testing;data processing system;signal of axle weight;signal of braking force;curve fitting of braking force

1 引 言

近年來隨著汽車設(shè)計(jì)與制造工藝的進(jìn)步及高速公路的飛速發(fā)展，汽車行駛速度已大大提高，汽車制動性能對保障交通安全就尤為重要。在我國，汽車制動性能被政府主管部門列為汽車定期審驗(yàn)的強(qiáng)制性檢驗(yàn)項(xiàng)目，規(guī)定制動性能達(dá)不到GB7258-2004《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》要求的車輛不允許上路行駛。這樣制動性能檢驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性就成為機(jī)動車定期審驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵。

按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，汽車定期檢驗(yàn)的設(shè)備應(yīng)全部采用微機(jī)聯(lián)網(wǎng)。而在聯(lián)網(wǎng)制動檢驗(yàn)設(shè)備時(shí)，因測試軟件設(shè)計(jì)人員對采集數(shù)據(jù)分析與處理方法不科學(xué)所造成的制動數(shù)據(jù)失實(shí)、檢驗(yàn)結(jié)果差別大、甚至誤判的情況屢屢出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的誠信度。要進(jìn)行制動性能檢驗(yàn)，需要采集的主要數(shù)據(jù)就是汽車軸重和制動力。本文對機(jī)動車制動性能檢驗(yàn)中軸重和制動力數(shù)據(jù)的采集、分析與處理做了研究。

2 制動檢驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

制動性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均采用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，似乎測試軟件應(yīng)無差異，但是實(shí)際采集時(shí)不同的采樣頻率、不同的采樣時(shí)間都會對測試結(jié)果產(chǎn)生一定影響。各測試軟件中采樣頻率少則25 Hz，多則120 Hz，而采樣時(shí)間也各不相同，有的少于3 s。

采樣頻率過低，得到的制動力曲線就會比較粗糙，而且在計(jì)算制動力平衡性時(shí)，有可能漏掉關(guān)鍵的信息；采樣頻率過高，雖然能得到較光滑的制動力曲線，但是在計(jì)算平衡性時(shí)將加大計(jì)算機(jī)的工作量，同時(shí)采樣頻率過高，也將增加硬件成本。根據(jù)多次試驗(yàn)，我們在設(shè)計(jì)中采取采樣頻率為100 Hz，采樣時(shí)間不少于3 s。

為了能夠檢測到最大制動力，在采樣后數(shù)據(jù)處理方式上存在“拐點(diǎn)法”和“滑移率法”。采用滑移率對制動力進(jìn)行判別，即把保護(hù)停機(jī)時(shí)刻作為最大制動力出現(xiàn)并采集的時(shí)刻。盡管國內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)通過實(shí)驗(yàn)已證明在滑移率為15%~25%時(shí)，也就是在輪胎臨界抱死狀態(tài)時(shí)，車輪制動器所釋放的制動力達(dá)到最大，但由于這是統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是一個(gè)區(qū)間，而且由于車輛制動系統(tǒng)的不同(油剎、氣剎)，車輪臨界“抱死”點(diǎn)時(shí)的滑移率也不同，這樣最大制動力有可能出現(xiàn)在保護(hù)停機(jī)前或后。如果出現(xiàn)在保護(hù)停機(jī)前，即可測得最大制動力；而出現(xiàn)在保護(hù)停機(jī)后，最大制動力將丟失。因此在最大制動力數(shù)據(jù)處理時(shí)是在制動檢測全過程中所采集到的全部采樣點(diǎn)中甄別并顯示的。

3 制動檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 模擬信號數(shù)字化后的處理

3.1.1 數(shù)字濾波技術(shù)

為了克服隨機(jī)干擾引入的誤差，除了可以采用硬件進(jìn)行濾波之外還可以用軟件算法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。常用的數(shù)字濾波算法有：限幅濾波、中位值濾波、算術(shù)平均濾波、遞推平均濾波、加權(quán)遞推平均濾波、一階慣性濾波和復(fù)合濾波等。

本文在軸重信號的處理上采用的是限幅濾波和算術(shù)平均值濾波；制動力信號采用的是兩極數(shù)字濾波，第一級采用加權(quán)遞推平均濾波法，Yi=1/4×Si－1+3/4×Si；第二級采用遞推平均濾波。

3.1.2 軟件抑制零點(diǎn)漂移

由于環(huán)境條件的變化將引起傳感器及放大器電路的零點(diǎn)發(fā)生緩慢漂移，自動零點(diǎn)跟蹤就是為了削弱這種漂移對測量精度的影響。其具體做法就是每次在未上車檢驗(yàn)前采集當(dāng)前零負(fù)載值作為系統(tǒng)零點(diǎn)。計(jì)算機(jī)每次正式測量采集的值減去這個(gè)零點(diǎn)作為本次采集值。

3.1.3 系統(tǒng)的非線性校正

由于傳感器和放大器在其動態(tài)范圍內(nèi)不能保證其一致性，存在非線性誤差，因而在數(shù)據(jù)處理中必須對其非線性進(jìn)行校正，這樣才能保證測量的精度。

3.2 軸重信號的分析與處理

軸重信號的精確測量在制動性能檢驗(yàn)中尤為重要，因?yàn)镚B7258-2004中很多參數(shù)的判定標(biāo)準(zhǔn)(如:車輛制動率、制動平衡率、駐車率及車輪阻滯力)都與軸重有關(guān)，若軸重測不準(zhǔn)，則將影響這些項(xiàng)目的測量與判定精度。車輛軸重信號在靜態(tài)及車輛低速通過軸重檢驗(yàn)臺時(shí)，測量精度較高，重復(fù)性也非常好，但車輛的行駛速度高于10 km／h時(shí)，測量精度將出現(xiàn)較大的偏差，重復(fù)性也不好，平均誤差在5％~30％不等。

在汽車檢測線連續(xù)三次采集了同一測試車輛以低于3 km／h的速度通過軸重檢驗(yàn)臺時(shí)的傳感器輸出電壓信號，如圖1和圖2所示(注：圖中數(shù)值均為AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，還未換算成工程量)。經(jīng)過回零及截取等簡單處理其變換后的軸重信號，如圖3和圖4所示。從圖中可以看出在低速情況下，軸重信號的重復(fù)性還是比較好，但與靜態(tài)時(shí)的軸重相比較仍然存在較大誤差。前軸軸重信號的三次峰值為：2 223，2 278，2 225；后軸軸重信號的三次峰值為：2 044，2 043，2 012；靜態(tài)時(shí)前后軸重分別為：2 550，2 287。相比較動態(tài)時(shí)軸重明顯比靜態(tài)軸重偏小。

圖1 三次前軸通過軸重臺時(shí)傳感器輸出電壓信號圖圖2 三次后軸通過軸重時(shí)傳感器輸出電壓信號圖圖3 三次前軸軸重信號圖圖4 三次后軸軸重信號圖圖5是第一次前軸信號的功率譜圖，從圖中可以看出，經(jīng)過硬件和軟件濾波后，軸重信號80％的能量都集中在低于50 Hz的低頻信號范圍內(nèi)，而影響動態(tài)稱重系統(tǒng)計(jì)量精度的主要因素是汽車在行駛過程中產(chǎn)生的動態(tài)荷載對軸重測量值的干擾。車輛動態(tài)荷載的振動頻率在3～20 Hz的低頻范圍內(nèi)，振幅變化可達(dá)靜態(tài)載荷的10％，這一狀況決定了通常采用的抑制周期性干擾的濾波方法失效。

圖5 前軸軸重信號的頻譜圖鑒于以上原因，在設(shè)計(jì)中嘗試采用“建立稱重裝置重力信號模型，利用優(yōu)化理論，根據(jù)測量信號擬和出模型的參數(shù)，從而抑制周期性動載干擾”的方法建立如下數(shù)學(xué)模型：Y(t)=S+∑pi=1Aisin(2πBit+Ci)式中：Y(t)為軸重信號的數(shù)學(xué)模型；S為靜態(tài)時(shí)的有效軸重；Ai為軸重信號中不同頻率成份的動載幅值；Bi為不同頻率成份動載的頻率；Ci為不同頻率成份動載的相位；P為汽車車輪動載周期干擾的個(gè)數(shù)。

實(shí)際上，由于即使存在高頻成分，預(yù)處理時(shí)通常的濾波方法可以有效抑制，因此當(dāng)P＜3時(shí)即可使信號干擾抑制比大于30~40 dB。模型的求解是通過非線性最小二乘法擬合來實(shí)現(xiàn)的，擬合出上述模型的各參數(shù)后，S即車輛某一軸的靜態(tài)軸重。我們采用當(dāng)前采集的三組軸重?cái)?shù)據(jù)，擬合出的前軸靜態(tài)軸重分別為：2 448，2 496，2 423；后軸靜態(tài)軸重分別為：2 187，2 196，2 156。擬合結(jié)果與峰值相比更接近于車輛的靜態(tài)軸重。

3.3 制動力變化曲線的擬合與繪制

對于制動力變化曲線的擬合，傳統(tǒng)的方法是通過多項(xiàng)式的最小二乘法進(jìn)行擬合，一般采用的是5次多項(xiàng)式擬合，擬合前后的效果如圖6所示，由該圖可以看出，雖然經(jīng)過擬合后曲線變得平滑，但在兩處出現(xiàn)劇烈震蕩，未能較好地真實(shí)反映動力的變化過程，并且還丟失了重要的拐點(diǎn)特征數(shù)據(jù)。

圖6 制動力信號的多項(xiàng)式擬合前后效果我們經(jīng)過分析和多次實(shí)驗(yàn)比較后得知，由于制動力變化曲線的類型未知，所以不宜用代數(shù)多項(xiàng)式(或其他基本初等函數(shù))作為擬合函數(shù)。因?yàn)槎囗?xiàng)式可由它在很小的區(qū)間上的值完全確定，當(dāng)由多項(xiàng)式描述的曲線在一個(gè)小區(qū)間上被迫變彎時(shí)，它在別處就可能劇烈震蕩，尤其是高次多項(xiàng)式更是這樣。解決的辦法是采用樣條函數(shù)擬合。算法如下：

(1) 對原始數(shù)據(jù)分段。該設(shè)計(jì)中根據(jù)拐值分為三段；

(2) 對各分段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(xi，yi)，i=1，2，…，nj，求相應(yīng)段的擬合函數(shù)g(x)；

(3) 利用各分段的擬合函數(shù)g(x)計(jì)算節(jié)點(diǎn)｛xi｝上的插值g(xi)；

(4) 對校正后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(xi，g(xi))，i＝1，2，3，…，n，用三次B-樣條函數(shù)擬合。擬合結(jié)果如圖7所示。

圖7 制動力信號的B-樣條函數(shù)擬合效果前后圖3.4 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的預(yù)處理算法

在系統(tǒng)得到采集數(shù)據(jù)后，一般還要對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如數(shù)字調(diào)零，標(biāo)度變換，使采樣數(shù)據(jù)更加接近真值，以便對數(shù)據(jù)的二次處理更加方便、準(zhǔn)確。

3.4.1 數(shù)字調(diào)零

在模擬輸入通道中，往往存在著零點(diǎn)的偏移和漂移，為此還需對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字調(diào)零，即每次的測量值均減去該通道的零點(diǎn)值。考慮到是否可以采集零點(diǎn)以及何時(shí)采集零點(diǎn)與具體的應(yīng)用情況有關(guān)，為此，類庫中提供了零點(diǎn)設(shè)置和零點(diǎn)清零兩種確定零點(diǎn)的方法，并在模擬量采集方法中每次減去零點(diǎn)值。在具體編程時(shí)，我們采用了在采集數(shù)據(jù)前先調(diào)用零點(diǎn)清零，然后再進(jìn)行模擬量采集。

3.4.2 標(biāo)度變換

直接采樣得出的采樣數(shù)據(jù)還需要進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換才能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄こ塘烤V的數(shù)字量。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)與被測物理量之間是否存在線性關(guān)系，標(biāo)度變換又可分為線性標(biāo)度變換和非線性標(biāo)度變換兩種。線性標(biāo)度變換方法如下：

一般公式為：Ax＝A0＋(Am-A0)X(Nx-N0)／(Nm-N0)式中：A0為次測量儀表的下限；Am為一次測量儀表的上限；Ax為實(shí)際測量值(工程值)；N0為儀表下限對應(yīng)的數(shù)字量；Nm為儀表上限對應(yīng)的數(shù)字量；Nx為測量值對應(yīng)的數(shù)字量。

非線性標(biāo)度變換的算法較多，常采用的有公式變換法、多項(xiàng)式插值法、最小二乘法、查表法。在設(shè)計(jì)中軸重和制動力采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換采用非線性標(biāo)度變換中的最小二乘法。

4 結(jié) 語

本文通過對制動性能檢驗(yàn)?zāi)K中軸重信號的分析與處理、制動力變化曲線擬合的研究，采用了信號調(diào)理放大、數(shù)字濾波、曲線擬合等先進(jìn)的多項(xiàng)綜合技術(shù)措施，建立了制動性能檢驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，有效地解決了制動性能檢驗(yàn)?zāi)K抗干擾問題。目前采用本處理系統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)化汽車綜合性能自動測控系統(tǒng)已經(jīng)成功用于多家汽車檢測線， 制動性能檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。

參 考 文 獻(xiàn)

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［5］趙相模，許宏科，施惟穎.基于LAN的汽車安全性能自動測控系統(tǒng)研制［J］.計(jì)算機(jī)工程，2005，31(22)：207-209，212.

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作者簡介 張雪莉 女，1968年出生，高級工程師。主要從事汽車檢驗(yàn)技術(shù)研究。

趙祥模 男，1966年出生，教授，博導(dǎo)。主要從事分布式網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)、計(jì)算機(jī)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

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