制動(dòng)踏板感覺(jué)數(shù)據(jù)處理研究

鄭素云，王孔龍，馬 瑞，王盼盼，李明哲 Zheng Suyun，Wang Konglong，Ma Rui，Wang Panpan，Li Mingzhe

制動(dòng)踏板感覺(jué)數(shù)據(jù)處理研究

鄭素云，王孔龍，馬 瑞，王盼盼，李明哲 Zheng Suyun，Wang Konglong，Ma Rui，Wang Panpan，Li Mingzhe

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

車輛底盤評(píng)價(jià)項(xiàng)目中的制動(dòng)踏板感覺(jué)其客觀分析已經(jīng)在國(guó)內(nèi)制動(dòng)系統(tǒng)行業(yè)獲得了較為廣泛的研究，不同的制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)的采集和處理方法直接影響到制動(dòng)踏板感覺(jué)的優(yōu)化效果。對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)的采集要點(diǎn)進(jìn)行分析，并研究零相移數(shù)字濾波器的特點(diǎn)，分析filtfilt濾波函數(shù)對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)的處理效果，在此基礎(chǔ)上，提出一種制動(dòng)踏板感覺(jué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析的標(biāo)準(zhǔn)化方法，以便客觀地比較不同試驗(yàn)結(jié)果。

制動(dòng)踏板感覺(jué)；filtfilt數(shù)字濾波器；客觀分析；零相移數(shù)字濾波器

0 引 言

制動(dòng)踏板感覺(jué)，客觀上來(lái)說(shuō)是制動(dòng)踏板力和制動(dòng)減速度的關(guān)系以及制動(dòng)踏板行程和制動(dòng)減速度的關(guān)系[1]。針對(duì)這些關(guān)系所開展的數(shù)據(jù)采集與處理分析，一直是國(guó)內(nèi)外制動(dòng)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)[2]。對(duì)于制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)處理，有人利用Excel進(jìn)行曲線二次擬合，也有人利用數(shù)據(jù)采集儀設(shè)備商提供的分析軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單擬合[3]32，但這些擬合都帶有明顯的數(shù)據(jù)噪聲，難以直觀反映出車輛制動(dòng)踏板感覺(jué)。這就使各個(gè)汽車主機(jī)廠所獲得的制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)結(jié)果不盡相同，難以互相參照對(duì)比。為指導(dǎo)汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，需要對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行研究分析。

對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)的采集要點(diǎn)及采集設(shè)備進(jìn)行分析，并研究Matlab軟件中filtfilt零相移數(shù)字濾波器對(duì)制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的效果。

1 制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)的采集

對(duì)于制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)，除了需要測(cè)試車輛制動(dòng)過(guò)程中所需要的制動(dòng)踏板力、制動(dòng)踏板行程和車輛產(chǎn)生的制動(dòng)減速度外，還需要獲得整個(gè)制動(dòng)過(guò)程的車速和制動(dòng)管路壓力[4]。從設(shè)計(jì)分析角度來(lái)說(shuō)，需要獲得車輛分別處于空載和滿載，制動(dòng)盤處于冷態(tài)（制動(dòng)盤溫度低于100 ℃）和熱態(tài)（制動(dòng)盤溫度超過(guò)200 ℃）下的數(shù)據(jù)，共計(jì)4種工況。

為保證數(shù)據(jù)可靠，對(duì)影響制動(dòng)踏板感覺(jué)的因素都需要檢測(cè)，以確保符合設(shè)計(jì)狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備裝到測(cè)試車輛后，還需對(duì)制動(dòng)液路進(jìn)行充分排氣，避免制動(dòng)系統(tǒng)管路內(nèi)殘留空氣而影響制動(dòng)系統(tǒng)的真實(shí)性能。

然后對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)的磨合，盡可能真實(shí)地模擬顧客對(duì)車輛的使用情況。推薦的制動(dòng)系統(tǒng)磨合方法是，載荷只是駕駛員1人，駕駛車輛加速到90 km/h，然后以3±0.5 m/s2的制動(dòng)減速度減速到60 km/h。重復(fù)這樣的操作100次，達(dá)到以下目標(biāo)狀態(tài)：

1）制動(dòng)盤表面光滑，看不到油脂，也看不到摩擦片貼合產(chǎn)生的銹跡，摩擦片貼合良好；

2）輪胎表面花紋磨合均勻，看不到輪胎的分模線；

3）制動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有踏板行程異常和制動(dòng)踏板力異常的現(xiàn)象。

制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀測(cè)試過(guò)程一般使用如下儀器，見表1。

表1 制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀測(cè)試儀器

序號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)儀器名稱 123456車速、加速度液壓壓力傳感器制動(dòng)踏板力制動(dòng)踏板行程數(shù)據(jù)采集儀溫度測(cè)試儀GPS終端機(jī)數(shù)字壓力傳感器踏板力傳感器拉繩位移傳感器便攜式數(shù)據(jù)采集儀紅外測(cè)溫儀

采用具有8個(gè)數(shù)據(jù)采集通道的CDS數(shù)據(jù)采集儀，便于同步采集多通道信號(hào)，采樣頻率0.01 s，并能以Excel格式輸出。

制動(dòng)踏板在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的操作不得突變，施加制動(dòng)踏板力應(yīng)連續(xù)而穩(wěn)定，否則會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)減速度不連貫，進(jìn)而影響制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀的結(jié)果分析[3]35。

數(shù)據(jù)采集選在汽車道路試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，選取長(zhǎng)而直的干燥瀝青柏油路面，同時(shí)干擾車輛盡量少。這樣，一方面可以獲得良好且穩(wěn)定的路面附著系數(shù)（推薦0.8以上），另一方面保障駕駛員在安全的前提下可以獲得盡量高的車輛制動(dòng)初速度。

為獲得盡可能真實(shí)的車輛最大制動(dòng)減速度，每次采集數(shù)據(jù)都從大于100 km/h的車速開始（推薦120 km/h），采集到車輛完全靜止才終止，采集到的數(shù)據(jù)不但信息全面，而且一致性較好。每種工況數(shù)據(jù)至少采集3組，以便擇優(yōu)。

2 零相移數(shù)字濾波器

對(duì)于制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀測(cè)試數(shù)據(jù)，需要嚴(yán)格按照時(shí)間歷程進(jìn)行，為避免相位變化而失真，采用零相移數(shù)字濾波器。在Matlab中對(duì)應(yīng)的函數(shù)名稱為filtfilt，其差分方程為

()=1×()+2×(-1)+...+ b+1×(-)

-2×(-1)-...-a+1×(-)

=FILTFILT(B, A, X)[5]（1）

原理如圖1所示，首先令信號(hào)序列正向通過(guò)濾波器，進(jìn)行前向?yàn)V波，完成第1次濾波信號(hào)輸出，然后將該輸出信號(hào)序列在時(shí)間軸上進(jìn)行反序，即時(shí)域翻轉(zhuǎn)，然后再次通過(guò)濾波器進(jìn)行二次濾波，完成二次濾波信號(hào)輸出，再對(duì)該輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)域翻轉(zhuǎn)，從而得到相位特性為零，沒(méi)有變形并且幅頻特性被濾波器幅頻特性的平方所改變的零相移濾波信號(hào)[6]。

零相移濾波器處理后的信號(hào)最大特點(diǎn)是通過(guò)兩次濾波消除了相位移動(dòng)，濾波后的數(shù)據(jù)較為平滑，但會(huì)存在一定的邊界失真[8]。不過(guò)這種邊界失真相對(duì)于整體處理效果來(lái)說(shuō)影響不大，而且可以通過(guò)加長(zhǎng)時(shí)域的選擇區(qū)域來(lái)降低影響[9]。

由于數(shù)據(jù)采集頻率為100 Hz（0.01 s采集一次），高于此頻率的數(shù)據(jù)可認(rèn)為是噪聲過(guò)濾掉。在filtfilt函數(shù)中要求輸入序列的長(zhǎng)度必須大于濾波器階數(shù)的3倍[10]，設(shè)置采樣頻率2 000 Hz，通頻100 Hz，止頻200 Hz，Matlab中濾波器設(shè)置界面如圖2所示。

幅頻特性如圖3所示，高頻衰減強(qiáng)烈，但低于100 Hz的信號(hào)都得到很好的保留。

相頻特性如圖4所示，從中可見相位變化很小。

3 制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)的處理與分析

利用filtfilt函數(shù)對(duì)制動(dòng)減速度與時(shí)間歷程曲線進(jìn)行過(guò)濾，對(duì)比如圖5所示，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的數(shù)據(jù)（粗曲線）與原始數(shù)據(jù)（細(xì)曲線）貼合準(zhǔn)確度較高，趨勢(shì)一致，擬合后曲線光滑，毛刺基本消除，無(wú)明顯相位移動(dòng)，屬于較為理想的過(guò)濾結(jié)果。

關(guān)于數(shù)據(jù)截?cái)嗵幚恚瑢?duì)有效數(shù)據(jù)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的選擇原則，以制動(dòng)減速度相對(duì)于時(shí)間歷程開始明顯增加的時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合車輛巡航減速度和儀器精度設(shè)定參考閾值，超過(guò)閾值即認(rèn)定為制動(dòng)過(guò)程；以時(shí)域制動(dòng)減速度達(dá)到最大值時(shí)終止，確保全程為制動(dòng)狀態(tài)。考慮到制動(dòng)踏板空行程和對(duì)制動(dòng)踏板初始力的分析，以及對(duì)制動(dòng)減速度達(dá)到最大值以后的制動(dòng)踏板力變化和制動(dòng)踏板行程變化的研究，還需要在上述選取原則之外，前后各延伸一段數(shù)據(jù)，這一段數(shù)據(jù)也是制動(dòng)踏板感覺(jué)變化最為明顯的時(shí)候。這樣的選取考慮到了零相移數(shù)字濾波器的邊界失真問(wèn)題。

濾波處理后的制動(dòng)減速度隨時(shí)間歷程關(guān)系曲線如圖6所示，該處理是在上述截取區(qū)間的基礎(chǔ)上，向前、后各增加200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（前后各2 s的數(shù)據(jù)）進(jìn)行處理和分析，這樣，可以清晰地對(duì)空行程和ABS工作情況進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，而且在一定程度上避免了零相移數(shù)字濾波器邊界失真對(duì)處理結(jié)果的影響。

對(duì)于制動(dòng)減速度有效段的選取，也通過(guò)這樣的截取方式，獲得處理后的線性關(guān)系較為理想的制動(dòng)減速度與制動(dòng)踏板力關(guān)系曲線，如圖7所示。可以看到制動(dòng)系統(tǒng)反力（制動(dòng)踏板力與制動(dòng)減速度開始同步變化的數(shù)據(jù)點(diǎn)），以及ABS/ESP介入點(diǎn)（制動(dòng)減速度突然減小的拐點(diǎn)），這對(duì)于評(píng)估ABS/ESP介入的合理性和及時(shí)性具有一定的參考意義。同樣還可以獲得制動(dòng)踏板行程與制動(dòng)減速度的關(guān)系。

由圖6和圖7可知，經(jīng)過(guò)零相移數(shù)字濾波器處理后，曲線更為簡(jiǎn)潔明了，趨勢(shì)走向更加清晰，獲得的數(shù)據(jù)更加具有可比性，更具有理論分析價(jià)值。

更進(jìn)一步，從這些曲線中能找出制動(dòng)減速度達(dá)到最大值后，究竟是地面附著能力達(dá)到最大導(dǎo)致ABS介入，還是基礎(chǔ)制動(dòng)能力本身不足以至制動(dòng)減速度最大只能達(dá)到這個(gè)數(shù)值，可以有較為清晰的判斷。對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的性能分析和改進(jìn)，都有研究?jī)r(jià)值。

從圖7中可以清晰看到，制動(dòng)踏板力在制動(dòng)減速度達(dá)到最大值的過(guò)程中出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，這說(shuō)明ABS已經(jīng)介入工作，抑制了制動(dòng)壓力進(jìn)一步增大，給制動(dòng)踏板帶來(lái)的反饋是制動(dòng)踏板力測(cè)量值變大，說(shuō)明此時(shí)有車輪出現(xiàn)抱死。要進(jìn)一步提高該車的制動(dòng)減速度，則需要從提高地面附著能力入手。

4 結(jié) 論

制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)對(duì)影響客觀數(shù)據(jù)的車輛因素進(jìn)行檢查，使車輛充分磨合，對(duì)同一工況數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集，篩選出因操作因素帶來(lái)的環(huán)境誤差。

零相移數(shù)字濾波器因其較為精確的濾波能力和零相移特性，能夠較好地過(guò)濾制動(dòng)踏板感覺(jué)客觀數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的儀器噪聲，獲得較為平滑的曲線。Matlab中的filtfilt是較為理想的零相移數(shù)字濾波器。

數(shù)據(jù)截取處理中，設(shè)定閾值作為制動(dòng)減速度的起始點(diǎn)，為了更詳細(xì)地了解制動(dòng)踏板空行程和制動(dòng)踏板初始力，應(yīng)在閾值以下向前選取若干個(gè)點(diǎn)，也就是增加閾值之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；同樣，對(duì)于制動(dòng)減速度最大值之后的若干個(gè)點(diǎn)，也應(yīng)納入分析范圍，這樣才能更清晰地了解制動(dòng)踏板行程和制動(dòng)踏板力在制動(dòng)減速度達(dá)到最大值之后的變化情況，從而判斷ABS是否介入。這樣的選取可以減小因零相移濾波的邊界失真對(duì)曲線趨勢(shì)的影響。

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2016-11-11

1002-4581（2017）02-0018-04

U463.52

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.005