摘 要：介紹了GB/T 6323—2014中轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗標(biāo)準(zhǔn)，對采集的樣車試驗數(shù)據(jù)，利用自編程序進(jìn)行處理，得到標(biāo)準(zhǔn)要求的各項評價指標(biāo)。受試驗場地、設(shè)備及車輛狀態(tài)等因素的影響，在數(shù)據(jù)處理中，對原始數(shù)據(jù)濾除了高頻噪聲并做零點(diǎn)補(bǔ)償；說明主要性能指標(biāo)的計算原理和公式，實現(xiàn)指標(biāo)的自動化處理，提高試驗車的評價效率。

關(guān)鍵詞：中心區(qū)；數(shù)據(jù)處理；靈敏度；相關(guān)性

0 引 言

汽車操縱穩(wěn)定性是評價汽車動態(tài)性能最重要的指標(biāo)之一。GB/T 6323—1994中6項試驗集中在轉(zhuǎn)向盤線性區(qū)和非線性區(qū)[1]。2014年國家標(biāo)準(zhǔn)委修訂GB/T6323—2014引入了ISO13674—1中第1部分Weave test作為操穩(wěn)性能評價的第7項試驗，即轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)試驗[2]，提供了轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)的車輛動態(tài)性能客觀評價指標(biāo)。介紹轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗，包括試驗數(shù)據(jù)采集、處理和計算，完整系統(tǒng)地介紹試驗中數(shù)據(jù)的處理過程。

1 中心區(qū)試驗數(shù)據(jù)采集
試驗樣車初始狀態(tài)為直線勻速行駛，基準(zhǔn)車速100 km/h，以20 km/h為間隔提高或降低車速，轉(zhuǎn)向盤輸入形式為頻率0.2 Hz的正弦波，偏差不超過±10%，至少持續(xù)4個周期，如圖1所示，同時轉(zhuǎn)角幅值能夠使車輛產(chǎn)生2 m/s2的側(cè)向加速度，側(cè)向加速度的峰值偏差為±10%。在試驗過程中車速變動量不超過3%，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅值和通過中心區(qū)的橫擺角速度盡量保持一致[3]。試驗儀器包括轉(zhuǎn)向盤力傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器、GPS位移傳感器、三軸向陀螺儀等設(shè)備，采集轉(zhuǎn)角、力矩、側(cè)向加速度等狀態(tài)參數(shù)用于后期車輛性能計算分析。
2 試驗數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理程序分為預(yù)處理和后處理。預(yù)處理實現(xiàn)側(cè)向加速度修正、高頻信號濾波、零點(diǎn)漂移補(bǔ)償?shù)裙δ?；后處理部分實現(xiàn)評價指標(biāo)計算、參數(shù)曲線擬合繪制以及結(jié)果導(dǎo)出等功能。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。



2.1 側(cè)向加速度修正
轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)數(shù)據(jù)處理過程中需要6種狀態(tài)參數(shù)：車速u、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤力矩、橫擺角速度w、側(cè)向加速度a和車身側(cè)傾角j。由于在實際試驗過程中可能遇到部分車輛懸架剛度不足或其他原因?qū)е缕噦?cè)傾角過大，增大側(cè)向加速度誤差，影響指標(biāo)的計算，因此需要根據(jù)車輛狀態(tài)和使用的傳感器選擇相應(yīng)的計算方法。3種計算方法如下：
1）真實值，不修正；


其中，a'為修正后的側(cè)向加速度，g為重力加速度。

2.2 濾波處理
受試驗道路不平度、測試設(shè)備電磁兼容性、車輛加載狀態(tài)各異、沖擊振動等因素的影響，采集的信號如橫擺角速度、側(cè)向加速度等存在干擾，尤其是高頻噪聲，為了使真實數(shù)據(jù)更加平滑便于分析，需要提高信噪比，濾除干擾信號；因此，采用數(shù)字濾波器對原始信號初步處理，去除高頻干擾。編寫FIR DF有限長沖激響應(yīng)濾波器函數(shù)，設(shè)定通頻帶類型為低通（Lowpass）；窗口函數(shù)為漢寧窗（Hanning）；階數(shù)為15階；采樣頻率為100 Hz；截止頻率Fc為2 Hz。N階濾波器輸出差分方程為



式中，x(j)為原始信號函數(shù)，g(j)為濾波窗函數(shù)，y(j)為處理后的信號函數(shù)，N為濾波階數(shù)。

2.3 零點(diǎn)補(bǔ)償
在多臺樣車測試過程中發(fā)現(xiàn)，部分車型轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角不能完全歸零，并且不同樣車的零點(diǎn)各不相同，差異雖小但對數(shù)據(jù)處理會產(chǎn)生不利影響，力矩、橫擺等狀態(tài)值在初始時也存在同樣的問題，產(chǎn)生的原因多與車輛裝配誤差、磨合不充分、轉(zhuǎn)向管柱摩擦有關(guān)。在數(shù)據(jù)處理中必須對原始數(shù)據(jù)初始值進(jìn)行零點(diǎn)偏差補(bǔ)償。偏差修正原理：在開始試驗前，試驗樣車需要先沿直線行駛一段距離，將這段時間內(nèi)轉(zhuǎn)向盤角度取均值，按實際情況補(bǔ)償?shù)诫S后的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角原始數(shù)據(jù)當(dāng)中，抑制零點(diǎn)漂移[4]。

2.4 評價指標(biāo)計算
經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)保留了車輛低頻正弦輸入下的動態(tài)特性，同時去除路面、數(shù)采設(shè)備造成的干擾，為接下來的后處理提供方便。
國標(biāo)中列出評價指標(biāo)20項，在車輛評價中根據(jù)反映不同的車輛動態(tài)響應(yīng)特性將指標(biāo)分為3類：靈敏度、滯后性和路感，見表1。駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤反作用力，感受整車和輪胎的運(yùn)動、受力狀態(tài)，稱為路感[5]。



具有代表性的指標(biāo)計算如下。
（1）平均轉(zhuǎn)向剛度：根據(jù)轉(zhuǎn)向盤力矩-轉(zhuǎn)角擬合曲線，如圖3所示，取最大轉(zhuǎn)角值q的±10%，設(shè)兩點(diǎn)為A、B，擬合函數(shù)f(x)，則上回線剛度k=[f(A)-f(B)]/(0.2q)，同理可求得下回線k'，取上、下回線剛度的平均即為平均轉(zhuǎn)向剛度。



（2）橫擺角速度響應(yīng)滯后時間：試驗采集數(shù)據(jù)為橫擺角速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角在時域內(nèi)的一系列離散點(diǎn)，橫擺角速度相對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入正相關(guān)并有一定的延遲，因此可用相關(guān)性函數(shù)計算滯后時間。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角設(shè)為x，橫擺角速度設(shè)為y，則其相關(guān)性函數(shù)為



式中，R為相關(guān)性系數(shù)；T為積分區(qū)域，無最綱；x(t)為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，（°）；y(t)為橫擺角速度，°/s；t為延遲因子，s。
將采集的離散數(shù)據(jù)代入式（2），得到一個關(guān)于延遲因子τ的函數(shù)，相關(guān)性系數(shù)R取最大值時對應(yīng)的t即為延遲時間，需要注意通常儀器采樣頻率不可能為1 Hz，因此τ乘以實際的采樣頻率才是真實的橫擺角速度滯后時間。

（3）最小轉(zhuǎn)向靈敏度：利用圖4得出側(cè)向加速度-轉(zhuǎn)角擬合曲線f(x)，并計算出側(cè)向加速度±1 m/s2時對應(yīng)的轉(zhuǎn)角a、b。



對擬合曲線求導(dǎo)數(shù)，設(shè)g(x)=f'(x)，則最小轉(zhuǎn)向靈敏度d =min(g(x) )，x（a，b）。

（4）轉(zhuǎn)向盤力矩0處的側(cè)向加速度：轉(zhuǎn)向盤力矩-側(cè)向加速度曲線與橫軸相交的兩點(diǎn)橫坐標(biāo)即為所求。

2.5 曲線擬合與繪制
根據(jù)原始數(shù)據(jù)得到4個遲滯回線組，8條遲滯回線分別擬合，單獨(dú)計算分析。按照左、右轉(zhuǎn)向不同分為兩類，將其中4條左轉(zhuǎn)回線特征參數(shù)進(jìn)行平均得到左轉(zhuǎn)的擬合曲線，同樣的方法計算出右轉(zhuǎn)遲滯回線擬合曲線。以轉(zhuǎn)向盤力矩-轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線為例，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擬合，構(gòu)造3次多項式



式中，x為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角值，f（x）為擬合的函數(shù)曲線縱坐標(biāo)，表示力矩；A、B、C、D為待定的多項式系數(shù)。擬合標(biāo)準(zhǔn)采用最小二乘法，即A、B、C、D使式（4）的計算值最小。



式中，f（x）為按照式（3）求得的擬合函數(shù)值，y為原始數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)向盤力矩離散值，T為目標(biāo)函數(shù)值。
將得到的A、B、C、D代入式（3），以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，f（x）為縱坐標(biāo)繪制轉(zhuǎn)向盤力矩-轉(zhuǎn)角擬合曲線。用同樣的方法可以得到橫擺角速度-轉(zhuǎn)角、橫擺角速度-力矩、側(cè)向加速度-轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤力矩-側(cè)向加速度4個擬合曲線。

3 數(shù)據(jù)處理程序?qū)嵗炞C
3.1 中心區(qū)試驗數(shù)據(jù)采集
實車試驗在交通部公路試驗場進(jìn)行，整車參數(shù)見表2，按GB/T 6323—2014規(guī)范要求進(jìn)行，設(shè)定車速80 km/h，試驗設(shè)備采用ABD轉(zhuǎn)向機(jī)器人，滿足試驗對參數(shù)的測量要求，配備多種傳感器實時記錄各項車輛運(yùn)行參數(shù)。



3.2 試驗數(shù)據(jù)處理
在原始數(shù)據(jù)中截取4個周期，盡量從轉(zhuǎn)向盤零位開始截取。按照圖2對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制各參數(shù)曲線如圖5所示。在預(yù)處理模塊中，考慮側(cè)傾的影響，側(cè)向加速度選擇修正方法3，經(jīng)過濾波和零點(diǎn)補(bǔ)償后各參數(shù)曲線如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)橫擺角速度、側(cè)向加速度、轉(zhuǎn)向盤力矩等參數(shù)中的高頻噪聲被抑制，曲線更加平滑，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角初始值經(jīng)過補(bǔ)償后準(zhǔn)確調(diào)整到零點(diǎn)。
數(shù)據(jù)預(yù)處理避免了信號干擾對中心區(qū)性能指標(biāo)計算造成的影響，防止轉(zhuǎn)向剛度、靈敏度溢出導(dǎo)致的錯誤，使車輛動態(tài)性能分析更加準(zhǔn)確有效。最終得到的擬合曲線如圖7～11所示。













軟件后處理運(yùn)行后，得出各項指標(biāo)和5組回線圖，并能夠很好地反映車輛性能。由圖7～11擬合曲線及各性能指標(biāo)可以看出，試驗樣車轉(zhuǎn)向較為靈敏，具有一定的滯后性；側(cè)向加速度為0 m/s2、±1 m/s2時轉(zhuǎn)向盤力矩梯度值偏小，說明高速時路感較差，有待改進(jìn)。

4 結(jié) 論
介紹轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗方法，分析轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)性能評價指標(biāo)的計算原理，并進(jìn)行分類；在數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)用濾波、補(bǔ)償、最小二乘法解決路面波動、噪聲等引起的數(shù)據(jù)擾動，完整說明整個試驗數(shù)據(jù)處理過程。

參考文獻(xiàn)
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