专利名称：基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别系统及方法
技术领域：
本发明属于车辆工程中的路面识别技术领域，具体涉及一种利用车辆行驶时的垂向振动信号进行车辆振动系统参数辨识，并进行路面识别的系统及方法。
背景技术：
随着汽车技术的不断发展，人们对车辆性能的要求也越来越高。在这样的大环境下，半主动悬架技术、主动悬架技术、ABS技术应运而生。这些新技术都一定程度地提高了车辆的舒适性以及安全性。如果能根据车辆的行车状态信号辨识出路面的类型，就能很大程度地优化上述新技术中的控制逻辑，从而进一步的提高车辆的性能。国内外学者针对用于实车控制系统的路面识别方法做了大量的研究，取得了一定的成果。中国专利CN102289674A以及美国专利US4651290都公开了一种基于加速度信号的路面识别的方法，分别对加速度信号进行了频率分析和统计分析，但是这种方法用于不同的车上，都得进行大量的试验标定，而且即使同一辆车，载荷变化或者悬架系统变化(主动悬架在不同行驶工况下会自动调节阻尼或刚度参数)都会影响辨识的结果。MoustaphaDoumiati在ACC (美国控制会议)上提出一种利用卡尔曼滤波来估计路面不平的方法，能较为简单地估计出路面的高程，但是这种方法不具备对车辆系统参数发生变化时的适应性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便快捷且能较为准确地估计路面类型的方法及其测量系统，有效改善现有车用路面识别技术不能适应车辆系统参数变化的不足之处。本发明为解决上述技术问题，通过以下技术方案实现:
一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别系统，主要由传感器信号采集模块
1、传感器信号处理模块I1、系统辨识模块II1、自适应状态观测模块IV、路面空间历程生成模块V、路面特征参数提取模块VI和路面分类器νπ组成，所述传感器信号处理模块I1、系统辨识模块II1、自适应状态观测模块IV、路面空间历程生成模块V、路面特征参数提取模块VI和路面分类器Vn集成在ECU芯片X中，并通过总线进行相互之间的通信，所述传感器信号采集模块I通过线束与ECU芯片X进行数据传输。所述的传感器信号采集模块I包括车身加速度传感器1、悬架动行程传感器2、车速传感器3和Α/D转换器4，所述车身加速度传感器I用于采集车辆垂直方向的垂直加速度信号，并安装在车辆前悬减振器上安装面上，悬架动行程传感器2采用角位移传感器，其一端连接在副车架上，另一端连接于车轮，以其角位移的变化来测量悬架的动行程，车速传感器3在中高级车上一般都会有现成的，可以直接从CAN总线上读取车速信息，也可以从车辆仪表盘中获得，所述的Α/D转换器4具有高转换速率特性。所述的传感器信号处理模块II，主要功能是对采集到的传感器信号进行滤波去除噪声污染，同时为系统辨识模块III做数据的前期处理，由于系统辨识模块III要求车身垂向速度以及绝对位移信号作为其输入，这就要求对加速度信号做积分处理，可是由于测量得到的加速度信号存在无法预测的零点漂移以及噪声污染，而使直接积分得到的速度信号以及位移信号没有利用价值，故在传感器信号处理模块II中加入了积分滤波的功能。所述的系统辨识模块III，主要功能是实时辨识车辆垂向振动的系统参数，为自适应状态观测1吴块IV的实现提供基础。所述自适应状态观测模块IV是建立在系统辨识模块III的基础上而实现的，能够适应不同载荷状态、不同行车工况车辆系统的参数蠕变。所述路面空间历程生成模块V是对自适应状态观测模块IV和车速传感器3的输出信号做一个整合，以实现将路面时间历程转换成路面空间历程。所述路面特征参数提取模块VI对路面空间历程生成模块V的信号输出做特征参数提取，以实现用一个或几个特征指标来代表其路面特征。所述路面分类器νπ的功能是为路面特征参数提取模块VI的特征参数输出定义门限值，从而很方便的区分不同的路面类型。一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别方法，包括以下步骤:(一 )由传感器信号采集模块I采集车身垂向加速度信号、悬架动行程信号和车速信号；( 二 )将上述采集到的信号通过传感器信号处理模块II，以实现信号的滤波以及加速度信号的积分功能；(三)将传感器信号处理模块II得到的车身加速度信号、车身垂向速度信号，车身垂向位移信号以及 悬架动行程信号传给系统辨识模块III进行系统辨识，以实时监测出车辆垂向振动系统参数的变化； (四)根据步骤(三)辨识得到的系统参数实时调整自适应状态观测模块IV中的系统参数；(五)将车身加速度信号、车身垂向位移信号以及悬架动行程信号传给自适应状态观测模块IV，以实现对路面输入的辨识；(六)将步骤(五)中辨识出的路面时间历程信号以及车速信号传给路面空间历程生成模块V，以实现路面时间历程到空间历程的转换；(七)将步骤(六)得到的路面空间历程信号传给路面特征参数提取模块VI，以提取能够表征路面特征的参数；(八)在路面分类器Vn中为路面特征参数设定门限值(门限值的设定可以通过不同路面上的试验进行标定)，将步骤(七)得到的参数通过路面分类器VL从最终实现对路面的分类。所述的传感器信号采集模块1、传感器信号处理模块I1、系统辨识模块III和自适应状态观测模块IV是本发明的核心模块，其工作步骤也是本发明所述的基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别方法的核心步骤，下面分别给出这几个模块的工作步骤的详细介绍。(A)采集车辆车身垂向振动加速度，悬架动行程以及车速信号加速度传感器I以及悬架动行程传感器2的安装位置如图3所示，其中加速度传感器I装在减振器上安装座上，悬架动行程传感器2为角位移传感器，其一端连接在副车架上，另一端连接于车轮，以其角位移的变化来测量悬架的动行程。车速信号一般在中高级车上都可以直接从CAN总线上读取，也可以从车辆仪表盘中获得。
(B)传感器信号的处理这里涉及的信号处理主要是加速度传感器信号，由于系统辨识模块III要求车身垂向速度以及绝对位移信号作为其输入，这就要求对加速度信号做积分处理，可是由于测量得到的加速度信号存在无法预测的零点漂移以及噪声污染，而使直接积分得到的速度信号以及位移信号没有利用价值。本发明在信号处理模块中引入带积分功能的滤波器，滤波器的传递函数如下:
权利要求
1.一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别系统，其特征在于: 由传感器信号采集模块(I )、传感器信号处理模块(II)、系统辨识模块(III)、自适应状态观测模块(IV)、路面空间历程生成模块(V)、路面特征参数提取模块(VI)和路面分类器(W)组成，所述传感器信号处理模块(II)、系统辨识模块(III)、自适应状态观测模块(IV)、路面空间历程生成模块(V)、路面特征参数提取模块(VI)和路面分类器α/Π)集成在ECU芯片(X)中，并通过总线进行相互之间的通信，所述传感器信号采集模块(I )通过线束与ECU芯片(X)进行数据传输； 所述的传感器信号采集模块(I )包括车身加速度传感器(I)、悬架动行程传感器(2)、车速传感器(3)和Α/D转换器(4)，所述车身加速度传感器(I)采集车辆垂直方向的垂直加速度信号；悬架动行程传感器(2)采用角位移传感器，以其角位移的变化来测量悬架的动行程；车速传感器(3)采集车速信号；所述的Α/D转换器(4)具有高转换速率特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别系统，其特征在于: 所述的传感器信号处理模块(II)对采集到的传感器信号进行滤波、去除噪声污染，同时为系统辨识模块(III)做数据的前期处理；传感器信号处理模块(II)含有积分滤波模块，对测量得到的加速 度信号进行积分并过滤零点漂移以及噪声污染。
3.根据权利要求1所述的一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别系统，其特征在于: 所述的系统辨识模块(III)实时辨识车辆垂向振动的系统参数，为自适应状态观测模块IV的实现提供基础； 所述自适应状态观测模块(IV)能够适应不同载荷状态、不同行车工况车辆系统的参数蠕变。
4.根据权利要求1所述的一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别系统，其特征在于: 所述路面空间历程生成模块(V)对自适应状态观测模块(IV)和车速传感器(3)的输出信号进行整合，将路面时间历程转换成路面空间历程； 所述路面特征参数提取模块(VI)对路面空间历程生成模块(V)的信号输出做特征参数提取，用一个或几个特征指标来代表其路面特征； 所述路面分类器νπ为路面特征参数提取模块(VI)的特征参数输出定义门限值，进而区分不同的路面类型。
5.一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别方法，包括以下步骤: (一)由传感器信号采集模块(I)采集车身垂向加速度信号、悬架动行程信号和车速信号; (二)将上述采集到的信号通过传感器信号处理模块(II)，以实现信号的滤波以及加速度信号的积分功能； (三)将传感器信号处理模块(II)得到的车身加速度信号、车身垂向速度信号，车身垂向位移信号以及悬架动行程信号传给系统辨识模块(III)进行系统辨识，实时监测出车辆垂向振动系统参数的变化； (四)根据步骤(三)辨识得到的系统参数实时调整自适应状态观测模块(IV)中的系统参数； (五)将车身加速度信号、车身垂向位移信号以及悬架动行程信号传给自适应状态观测模块(IV)，以实现对路面输入的辨识； (六)将步骤(五)中辨识出的路面时间历程信号以及车速信号传给路面空间历程生成模块(V)，以实现路面时间历程到空间历程的转换； (七)将步骤(六)得到的路面空间历程信号传给路面特征参数提取模块(VI)，以提取能够表征路面特征的参数； (八)在路面分类器(νπ)中为路面特征参数设定门限值，其中门限值可以通过不同路面上的试验进行标定，将步骤(七)得到的参数通过路面分类器(νπ)，从最终实现对路面的分类。
6.根据权利要求5所述的一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别方法，其特征在于:所述的步骤(二)中所述的传感器信号处理模块(II)引入带积分功能的滤波器，滤波器的传递函数如下:
7.根据权利要求5所述的一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别方法，其特征在于:所述的步骤(三)中实时监测出车辆垂向振动系统参数的变化通过以下方法实现: 利用递推最小二乘法辨识1/4车振动系统参数，对簧上质量列运动方程: 令悬架动行程为X，非簧载质量和簧载质量的行程分别为Xl、X2，X=X2-X1，有:
8.根据权利要求5所述的一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别方法，其特征在于:所述的步骤(四)中实时调整自适应状态观测模块(IV)中的系统参数即建立自适应状态观测器，利用卡尔曼滤波器建立带路面输入状态的状态观测器: 选择状态变量一，可得离散系统动态方程如下: xk+i — Gkxk+bm’k zk — Hkxk+bs’k 式中: 4=一是系统的状态向量，并且初始状态为ο ; Zk =(χ2Λ -Χ Λ,Χ2Λ,Χ2Λ)τ是系统的输出向量，其中=Xtk-X1J:悬架动行程，可由高度传感器测得；车身加速度，可由加速度传感器测得；x2，k:车身绝对位移，可对加速度信号2次积分得到；X(U:路面高程；bm，k和bs，k分别为过程误差以及测量误差向量，这里假设为均值为O，且不相关的白噪声； 状态矩阵G以及输出矩阵H如下所示:
9.根据权利要求5所述的一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别方法，其特征在于:所述的步骤(五)所述的路面空间历程生成的具体过程为: 引入触发信号Flag，并规定单位时间周期T内只有Ttl时间段内，路面空间历程生成模块V是触发的，当触发信号Flag为I时，读取车速信号V，并开始计算S=S+v Δ t，同时将计算的路面时间历程数据存储；若S^Stl时，利用插值法将存储的路面时间历程转化成空间历程，然后再将S置O ;若S < Stl,则存储S路程段内的路面时间历程，并返回继续读取车速信号V ;当触发信号Flag为O时，不进行数据的读取与转换。
10.根据权利要求5所述的一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别方法，其特征在于:所述的步骤(六)所述的路面特征参数的提取时，特征值提取可采用功率谱分析法、一阶过零点穿越法或者采用直接对信号进行取均方根值、最大值的统计分析法； 路面特征参数的提取时，路面特征参数提取模块(VI)应当与路面空间历程生成模块(V)采用同一时间触发器； 针对步骤(六)所采用的不同特征参数提取方法，所述的步骤(七)可以建立不同的路面分类器；针对一阶过零点穿越法，路面分类器只需给出4个频率范围:0-4Hz、4-8Hz、8-12HzU2Hz以上，判断步骤(六)中得到的特征主频参数在哪个频段可以直接得出路面分类结 果。
全文摘要
本发明公开了一种基于车辆垂向振动系统辨识的路面识别系统及方法，主要由传感器信号采集模块、传感器信号处理模块、系统辨识模块、自适应状态观测模块、路面空间历程生成模块、路面特征参数提取模块和路面分类器组成，所述传感器信号处理模块、系统辨识模块、自适应状态观测模块、路面空间历程生成模块、路面特征参数提取模块和路面分类器集成在ECU芯片中，并通过总线进行相互之间的通信，所述传感器信号采集模块通过线束与ECU芯片进行数据传输。能够简便快捷且能较为准确地估计路面类型的方法及其测量系统，有效改善现有车用路面识别技术不能适应车辆系统参数变化的不足之处。
文档编号G06F19/00GK103235891SQ20131016083
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月5日 优先权日2013年5月5日
发明者章新杰, 余五辉, 张玉新, 郭孔辉, 孙明, 崔红亮, 王金珠 申请人:吉林大学