基于RLS重型商用车驾驶室质量估计方法研究_逯宇.pdf

第 卷 第期青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）年 月 （）文章编号：（）；：基于 重型商用车驾驶室质量估计方法研究逯宇，王玉林，李庆成，郑旭光（青岛大学机电工程学院，山东 青岛 ；中寰卫星导航通信有限公司青岛分公司，山东 青岛 ）摘要：为了实时获取商用车驾驶室悬置系统主动控制的重要参数，本文以某国产重型商用车作为研究对象，对重型商用车驾驶室质量估计方法进行研究。提出一种通过车架和驾驶室组加速度信号，实时估计驾驶室质量的方法，在 环境下，对商用车驾驶室建立三自由度驾驶室激励模型，基于递推最小二乘算法（，）估计质量，并用级路面仿真验证其正确性，同时，为验证质量估计算法的可行性与准确性，采用 进行仿真和实车试验。试验结果表明，在仿真状态下，本文所估计的驾驶室质量，在 内可迅速趋于参考值，能够准确、实时的估计驾驶室质量，估计误差集中在 范围内；在车辆起步工况下，最大误差为 ，但是随着车辆的平稳运行，误差稳定在 以内，具有较好的收敛性。该研究为商用车驾驶室质量估计提出了新方法。关键词：递推最小二乘法；重型商用车；驾驶室；质量估计中图分类号：；文献标识码：收稿日期：；修回日期：作者简介：逯宇（），男，硕士研究生，主要研究方向为电控与液压。通信作者：王玉林（），男，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为电控与液压。：近年来，重型商用车驾驶室悬置系统成为一种热门研究方向 。在车辆起步、转弯和制动等工况下，驾驶室质量的不同，使驾驶室俯仰角、侧倾角及垂向振动的响应存在较大区别，而这些正是车辆舒适性的重要指标。因此，在进行驾驶室悬置系统设计及主动控制等方面，驾驶室质量成为考虑的重要参数。目前，实时估计驾驶室质量的相关研究较少，但在整车质量估计算法研究方面已取得一定成果。褚文博等人利用电驱动车辆纵向驱动力准确的特点，将质量与坡度解耦，提取了驱动力信号和纵向行驶加速度信号的高频部分，用递归最小二乘法得到了整车质量；胡满江等人提出一种利用纵向频响特性的质量估计方法；冯源等人通过安装加速度传感器的方法，排除了坡度对质量辨识的影响，并利用两段递推最小二乘算法，得到行驶阻力及质量的估计值；王彦等人结合自适应卡尔曼滤波器与递推最小二乘算法，提出了在线估计质量的方法；郑戍华等人 采用油气弹簧气压测量与车体在线姿态测量相结合的方法进行实时质量估计。在整车质量估计方法中，大多基于纵向动力学理论 ，利用卡尔曼滤波或者递推最小二乘法得出所需要的质量 。但对于驾驶室质量估计，纵向动力学方法行不通。基于此，本文提出一种在线识别商用车驾驶室质量方法，利用递归最小二乘估计算法，经预处理之后的车架和驾驶室组加速度信号去估计驾驶室质量。本文所提方法仅使用两个加速度传感器，故其具有安装方便，适应性强等优点。该研究在工程领域具有较好的应用前景。建立三自由度驾驶室激励模型在研究复杂车辆垂向动力学时，通常将其简化为模型。对商用车驾驶室，建立三自由度（，）悬置模型。悬置模型如图所示。第期逯宇，等：基于 重型商用车驾驶室质量估计方法研究图 悬置模型图驾驶室受力分析图中，、及分别表示路面、车轮、车架以及驾驶室的垂向位移；、和分别表示车轮刚度、悬架刚度和驾驶室悬置系统刚度；和分别表示悬架阻尼和驾驶室悬置系统阻尼。由图可以看出，路面激励经车轮和车架传递到驾驶室。单独对驾驶室进行受力分析，驾驶室受力分析如图所示。由图可以看出，驾驶室的响应是关于车架激励的函数。根据牛顿定律，并结合垂向动力学数学模型，建立驾驶室垂向运动微分方程，即（）（）（）式中，和 分别为驾驶室质量及其垂向加速度；和分别为驾驶室悬置系统的弹簧刚度和阻尼值；和分别为车架垂向位移及其垂向速度。令，对式（）进行简要变换，得 （）因此，可将车架的垂向加速度作为系统输入。驾驶室质量估计算法由，（）可知，驾驶室质量是关于激励和响应的垂向位移、速度及加速度函数。加速度值可以通过安装加速度传感器来实时测量。在理论情况下，通过时域积分得到速度和位移，但实际采集到的数据存在噪声，直接积分会导致信号漂移，所以选用滤波方法代替直接积分，即（）（）（）（）（）（）式中，（）、（）及（）是个不同频域滤波器。其中，（）是关于的多项式，（），和分别是滤波器的阻尼和固有频率。将式（）变为式（）后，式中不再是关于位移和速度的函数。将式（）变换成线性回归模型的形式，即（）其中（）（），（）（）（）熿燀燄燅式中，是待估计值；和均由测量值计算得到，作为已知值。采用递推最小二乘估计算法估计驾驶室的质量，实质是利用当前时刻的测量值对上一时刻的估计值进行修正。算法原理为（）（）（）（）（）（）式中，表示当前采样时刻；表示时刻的最小二乘增益，式（）是其更新公式；表示时刻的误差协方差矩阵，式（）是其更新公式，最后由式（）得出当前时刻的质量。另外，该估计器在实际运行时，为了防止历史数据对新数据的影响，需要为式（）式（）引入遗忘因子，带有遗传因子的递推最小二乘法为青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）第 卷（），（），（）（）这种带有遗忘因子的递推最小二乘估计算法，可以有效避免新数据的淹没，克服数据的饱和现象，遗忘因子的取值范围一般在（，）之间。仿真试验模型参数设置本研究以某国产重型商用车作为研究对象，建立车辆垂向动力学模型，商用车驾驶室模型仿真参数如表所示。表商用车驾驶室模型仿真参数弹簧刚度（）簧下质量 悬架刚度（）悬架阻尼（）车架质量 驾驶室悬置刚度（）驾驶室悬置阻尼（）驾驶室质量 路面模型国家制定的 车辆振动输入路面平度表示方法 标准中，给出路面位移功率谱密度（，），并根据其数值大小，将路面不平度由到分成个等级。利用谐波叠加法，通过不同频率和均值为零的谐波叠加得到路面时域模型，选用级路面作为此次仿真的路面模型。路面不平度随时间变化曲线如图所示。为了验证所生成的级路面的正确性，将路面不平度 与标准 进行对比，功率谱密度对比结果如图所示。由图可以看出，仿真路面的功率谱密度曲线与标准的级路面功率谱密度曲线趋势相吻合，因此所生成的路面符合仿真要求。图路面不平度随时间变化曲线图功率谱密度对比结果仿真结果采用 软件，对驾驶室质量进行仿真分析，仿真参数如表所示。表仿真参数车辆速度（）滤波器固有频率（）滤波器阻尼值高斯白噪声标准（）遗忘因子 仿真时间为，采样时间为 ，为了清楚显示质量估计的变化趋势，截取前，驾驶室质量随时间变化曲线如图所示，驾驶室质量估计误差随时间变化曲线如图所示。由图可以看出，在仿真状态下，所估计的驾驶室质量，可在 之内迅速趋于参考值，具有较高的实时性与准确性；由图可以看出，估计误差集中在 范围内，效果很好。第期逯宇，等：基于 重型商用车驾驶室质量估计方法研究图驾驶室质量随时间变化曲线图驾驶室质量估计误差随时间变化曲线 实车试验为验证上述质量估计算法的可行性与准确性，本研究选用某款重型商用车作为试验平台，分别在驾驶室底部车架及驾驶室顶部位置安装加速度传感器，以实车道路数据为研究对象进行实车数据采集，并通过 协议，将采集到的控制器局域网络（，）报文数据进行解析，采集得到数据。由于采集到的数据中包含较多噪声，需要将其进行去偏移量和平滑处理等预处，去偏移量前后车架加速度对比如图所示，去偏移量前后驾驶室加速度对比如图所示。由图和图可以看出，原信号的趋势项已被消除，处理后的信号在零值附近波动。图去偏移量前后车架加速度对比图去偏移量前后驾驶室加速度对比图车架加速度平滑处理结果对比在此基础上，选用五点三次法对信号进行平滑处理。为了清楚，分别截取车架和驾驶室前 的信号，车架加速度平滑处理结果对比如图所示，驾驶室加速度平滑处理结果对比如图 所示。由图和图 可以看出，去偏移量之后的信号仍存在较多的毛刺，这些毛刺为干扰信号的表现形式。平滑之后的曲线更加光滑，从而减少干扰信号对真实数据的影响。采集的原始加速度信号数据经过上述预处理之后，能够满足参数估计的要求。将处理之后的数据信号导入建立的驾驶室质量估计算法模型，最终得到驾驶室质量的估计值，驾驶室质量估计值与真实值对比结果如图 所示。青 岛 大 学 学 报（工 程 技 术 版）第 卷图 驾驶室加速度平滑处理结果对比图 驾驶室质量估计值与真实值对比结果由图 可以看出，最大误差出现在车辆起步工况下，误差为 ，其原因在于车辆起步，驾驶室俯仰运动幅度过大，造成垂向加速度信号失真，最终导致质量估计存在较大误差，而且随着车辆的平稳运行，误差稳定在 以内。结束语本文基于车辆垂向动力学，提出了一种对重型商用车驾驶室质量实时估计问题的解决方法。该方法通过采集车架以及驾驶室两组垂向加速度值，采用频域滤波器代替时域积分，将信号导入设计的 质量估计器，对质量进行估计。同时，选取某款重型商用车对所用方法的有效性进行试验。基于实车运行数据，导入估计模型，质量估计结果显示，车辆在正常行驶时，误差能够维持在 以内，且具有较好的收敛性。该驾驶室质量估计算法，能够为商用车悬置系统主动控制器的设计提供参数需要，在悬置系统的刚度设计、阻尼调节以及作动器控制等方面具有重要意义，有助于更好的提高驾驶室的舒适性。下一步的研究重点是提高驾驶室质量估计算法在车辆起步、制动以及转弯等工况下的稳定性。参考文献：陈敏中国商用车产业发展模式研究武汉：武汉理工大学，：付泽国外载货车驾驶室设计技术现状及发展趋势交通世界，（）：柳献初中国载货汽车工业发展历程 我国商用车发展史回顾之一商用汽车，（）：关丹阳商用车驾驶室主动悬置技术现状及发展趋势汽车文摘，（）：胡学兆，曹玉春中重型载货车驾驶室内饰发展趋势世界汽车，（）：褚文博，罗禹贡，罗剑，等电驱动车辆的整车质量与路面坡度估计清华大学学报（自然科学版），（）：胡满江，罗禹贡，陈龙，等 基于纵向频响特性的整车质量估计 吉林大学学报（工学版），（）：，（）：王彦，赵丰，李万敏 基于 和 的车辆簧载质量辨识研究 测控技术，（）：，郑戍华，曹鑫磊，王向周 非公路车辆簧载质量实时估计 北京理工大学学报，（）：戴卓，吴光强 基于车辆动力学的道路坡度与整车质量估计 汽车技术，（）：汪，魏民祥，赵万忠，等 基于递推最小二乘法与模糊自适应扩展卡尔曼滤波相结合的车辆状态估计 中国机械工程，（）：郝胜强，罗培培，席军强 基于稳态卡尔曼滤波的车辆质量与道路坡度估计 汽车工程，（）：，（）：赵健，李至轩，朱冰，等基于交互多模型的车辆质量与道路坡度估计中国公路学报，（）：第期逯宇，等：基于 重型商用车驾驶室质量估计方法研究 梅程，彭建鑫，胡宇辉 单轴并联混合动力商用车整车总质量在线估计算法 兵工学报，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：中华人民共和国国家质量监督检验检疫局，中国国家标准化管理委员会 机械振动道路路面谱测量数据报告 北京：中国标准出版社，（，；，）：，（），：；檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨殎殎殎殎摘要的写作要求摘要应按照四要素编写，即：目的（本人针对什么问题，或为解决什么问题）、方法（解决该问题采用了那些方法，包括：所用的原理、理论、条件、对象、材料、工艺、结构、手段、装备、程序等）、结果（应陈述主要研究成果，包括所获得的实验结果。也可是理论性的成果，还可是所搜集的数据、关系式，分析结果，计算推理及论证结果等）、结论（阐明结果所蕴含的意义，说明了什么问题）。字数在 字左右。