摘 要：介紹了GB/T 6323—2014中轉(zhuǎn)向盤(pán)中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采集的樣車(chē)試驗(yàn)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(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。受試驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備及車(chē)輛狀態(tài)等因素的影響，在數(shù)據(jù)處理中，對(duì)原始數(shù)據(jù)濾除了高頻噪聲并做零點(diǎn)補(bǔ)償；說(shuō)明主要性能指標(biāo)的計(jì)算原理和公式，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的自動(dòng)化處理，提高試驗(yàn)車(chē)的評(píng)價(jià)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(chē)操縱穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)汽車(chē)動(dòng)態(tài)性能最重要的指標(biāo)之一。GB/T 6323—1994中6項(xiàng)試驗(yàn)集中在轉(zhuǎn)向盤(pán)線(xiàn)性區(qū)和非線(xiàn)性區(qū)[1]。2014年國(guó)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(píng)價(jià)的第7項(xiàng)試驗(yàn)，即轉(zhuǎn)向盤(pán)中心區(qū)試驗(yàn)[2]，提供了轉(zhuǎn)向盤(pán)中心區(qū)的車(chē)輛動(dòng)態(tài)性能客觀(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)。介紹轉(zhuǎn)向盤(pán)中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)，包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理和計(jì)算，完整系統(tǒng)地介紹試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的處理過(guò)程。

1 中心區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集
試驗(yàn)樣車(chē)初始狀態(tài)為直線(xiàn)勻速行駛，基準(zhǔn)車(chē)速100 km/h，以20 km/h為間隔提高或降低車(chē)速，轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入形式為頻率0.2 Hz的正弦波，偏差不超過(guò)±10%，至少持續(xù)4個(gè)周期，如圖1所示，同時(shí)轉(zhuǎn)角幅值能夠使車(chē)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(yàn)過(guò)程中車(chē)速變動(dòng)量不超過(guò)3%，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角幅值和通過(guò)中心區(qū)的橫擺角速度盡量保持一致[3]。試驗(yàn)儀器包括轉(zhuǎn)向盤(pán)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(chē)輛性能計(jì)算分析。
2 試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)側(cè)向加速度修正、高頻信號(hào)濾波、零點(diǎn)漂移補(bǔ)償?shù)裙δ埽缓筇幚聿糠謱?shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算、參數(shù)曲線(xiàn)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(pán)中心區(qū)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要6種狀態(tài)參數(shù)：車(chē)速u(mài)、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩、橫擺角速度w、側(cè)向加速度a和車(chē)身側(cè)傾角j。由于在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中可能遇到部分車(chē)輛懸架剛度不足或其他原因?qū)е缕?chē)側(cè)傾角過(guò)大，增大側(cè)向加速度誤差，影響指標(biāo)的計(jì)算，因此需要根據(jù)車(chē)輛狀態(tài)和使用的傳感器選擇相應(yīng)的計(jì)算方法。3種計(jì)算方法如下：
1）真實(shí)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(yàn)道路不平度、測(cè)試設(shè)備電磁兼容性、車(chē)輛加載狀態(tài)各異、沖擊振動(dòng)等因素的影響，采集的信號(hào)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(shí)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(hào)；因此，采用數(shù)字濾波器對(duì)原始信號(hào)初步處理，去除高頻干擾。編寫(xiě)FIR DF有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)濾波器函數(shù)，設(shè)定通頻帶類(lèi)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(hào)函數(shù)，g(j)為濾波窗函數(shù)，y(j)為處理后的信號(hào)函數(shù)，N為濾波階數(shù)。

2.3 零點(diǎn)補(bǔ)償
在多臺(tái)樣車(chē)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分車(chē)型轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角不能完全歸零，并且不同樣車(chē)的零點(diǎn)各不相同，差異雖小但對(duì)數(shù)據(jù)處理會(huì)產(chǎn)生不利影響，力矩、橫擺等狀態(tài)值在初始時(shí)也存在同樣的問(wèn)題，產(chǎn)生的原因多與車(chē)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(duì)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(kāi)始試驗(yàn)前，試驗(yàn)樣車(chē)需要先沿直線(xiàn)行駛一段距離，將這段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)向盤(pán)角度取均值，按實(shí)際情況補(bǔ)償?shù)诫S后的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角原始數(shù)據(jù)當(dāng)中，抑制零點(diǎn)漂移[4]。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算
經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)保留了車(chē)輛低頻正弦輸入下的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)去除路面、數(shù)采設(shè)備造成的干擾，為接下來(lái)的后處理提供方便。
國(guó)標(biāo)中列出評(píng)價(jià)指標(biāo)20項(xiàng)，在車(chē)輛評(píng)價(jià)中根據(jù)反映不同的車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性將指標(biāo)分為3類(lèi)：靈敏度、滯后性和路感，見(jiàn)表1。駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)反作用力，感受整車(chē)和輪胎的運(yùn)動(dòng)、受力狀態(tài)，稱(chēng)為路感[5]。



具有代表性的指標(biāo)計(jì)算如下。
（1）平均轉(zhuǎn)向剛度：根據(jù)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩-轉(zhuǎn)角擬合曲線(xiàn)，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(xiàn)剛度k=[f(A)-f(B)]/(0.2q)，同理可求得下回線(xiàn)k'，取上、下回線(xiàn)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(shí)間：試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)為橫擺角速度和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角在時(shí)域內(nèi)的一系列離散點(diǎn)，橫擺角速度相對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)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(jì)算滯后時(shí)間。轉(zhuǎn)向盤(pán)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(wú)最綱；x(t)為轉(zhuǎn)向盤(pán)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(gè)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(shí)對(duì)應(yīng)的t即為延遲時(shí)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(shí)際的采樣頻率才是真實(shí)的橫擺角速度滯后時(shí)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(xiàn)f(x)，并計(jì)算出側(cè)向加速度±1 m/s2時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角a、b。



對(duì)擬合曲線(xiàn)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(pán)力矩0處的側(cè)向加速度：轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩-側(cè)向加速度曲線(xiàn)與橫軸相交的兩點(diǎn)橫坐標(biāo)即為所求。

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



式中，x為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角值，f（x）為擬合的函數(shù)曲線(xiàn)縱坐標(biāo)，表示力矩；A、B、C、D為待定的多項(xiàng)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(jì)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(pán)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(pán)轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，f（x）為縱坐標(biāo)繪制轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩-轉(zhuǎn)角擬合曲線(xiàn)。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(pán)力矩-側(cè)向加速度4個(gè)擬合曲線(xiàn)。

3 數(shù)據(jù)處理程序?qū)嵗?yàn)證
3.1 中心區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集
實(shí)車(chē)試驗(yàn)在交通部公路試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，整車(chē)參數(shù)見(jiàn)表2，按GB/T 6323—2014規(guī)范要求進(jìn)行，設(shè)定車(chē)速80 km/h，試驗(yàn)設(shè)備采用ABD轉(zhuǎn)向機(jī)器人，滿(mǎn)足試驗(yàn)對(duì)參數(shù)的測(cè)量要求，配備多種傳感器實(shí)時(shí)記錄各項(xiàng)車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)。



3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
在原始數(shù)據(jù)中截取4個(gè)周期，盡量從轉(zhuǎn)向盤(pán)零位開(kāi)始截取。按照?qǐng)D2對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制各參數(shù)曲線(xiàn)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(guò)濾波和零點(diǎn)補(bǔ)償后各參數(shù)曲線(xiàn)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(pán)力矩等參數(shù)中的高頻噪聲被抑制，曲線(xiàn)更加平滑，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角初始值經(jīng)過(guò)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(hào)干擾對(duì)中心區(qū)性能指標(biāo)計(jì)算造成的影響，防止轉(zhuǎn)向剛度、靈敏度溢出導(dǎo)致的錯(cuò)誤，使車(chē)輛動(dòng)態(tài)性能分析更加準(zhǔn)確有效。最終得到的擬合曲線(xiàn)如圖7～11所示。













軟件后處理運(yùn)行后，得出各項(xiàng)指標(biāo)和5組回線(xiàn)圖，并能夠很好地反映車(chē)輛性能。由圖7～11擬合曲線(xiàn)及各性能指標(biāo)可以看出，試驗(yàn)樣車(chē)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(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩梯度值偏小，說(shuō)明高速時(shí)路感較差，有待改進(jìn)。

4 結(jié) 論
介紹轉(zhuǎn)向盤(pán)中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，分析轉(zhuǎn)向盤(pán)中心區(qū)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算原理，并進(jìn)行分類(lèi)；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(dòng)、噪聲等引起的數(shù)據(jù)擾動(dòng)，完整說(shuō)明整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

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