高小清

（東風(fēng)本田汽車有限公司，武漢430056）

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汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)

高小清

（東風(fēng)本田汽車有限公司，武漢430056）

【摘要】針對(duì)汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。通過比較幾種功率譜算法的特點(diǎn)，確定采用Welch法來計(jì)算功率譜密度；通過比較幾種數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)，確定采用數(shù)值分析軟件Matlab的GUI模塊來搭建汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。所開發(fā)的系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，界面友好，點(diǎn)擊按鈕即可完成數(shù)據(jù)曲線的繪制及生成試驗(yàn)報(bào)告，可提高工作效率，節(jié)省軟件開發(fā)費(fèi)用。

1　前言

汽車平順性試驗(yàn)是汽車整車試驗(yàn)的重要內(nèi)容之一［1］。通常在進(jìn)行平順性試驗(yàn)時(shí)，需要相應(yīng)的軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但由于目前尚缺乏專門的數(shù)據(jù)處理軟件，因而給平順性試驗(yàn)帶來了極大不便。為此，針對(duì)汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵問題，利用數(shù)值分析軟件Matlab的GUI（圖形用戶界面）模塊搭建了汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)順利完成了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，大大節(jié)省了軟件開發(fā)費(fèi)用。

2　平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程

汽車平順性試驗(yàn)分為隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)和脈沖輸入行駛試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的具體處理流程如下。

2.1隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程

標(biāo)準(zhǔn)GB/T4970—1996《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法》中規(guī)定，對(duì)轎車進(jìn)行隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將三向加速度傳感器放置于左側(cè)前排座椅和后排座椅上，駕駛汽車勻速通過一平直路段，利用數(shù)據(jù)采集裝置記錄這一時(shí)間段內(nèi)汽車以40、50、60、70、80、90、100 km/h等速度勻速行駛時(shí)的加速度傳感器數(shù)據(jù)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理前，首先計(jì)算出各車速下的總加權(quán)加速度均方根值，然后利用各均方根值繪制成車速特性曲線，根據(jù)車速特性曲線來評(píng)價(jià)汽車隨機(jī)輸入行駛工況下的平順性。

各車速下的總加權(quán)加速度均方根值計(jì)算流程如圖1所示。

圖1中，X方向1/3倍頻程加速度均方根值aj的計(jì)算式為：式中，fuj、fij分別為1/3倍頻程中心頻率為fj的上、下限頻率；Ga（f）為加速度功率譜密度。

圖1　總加權(quán)加速度均方根值計(jì)算流程

X方向加權(quán)加速度均方根值axw計(jì)算式為：

式中，wj為第j個(gè)1/3倍頻程的加權(quán)系數(shù)。

總加權(quán)加速度均方根值aw0計(jì)算式為：

式中，axw、ayw、azw分別為X、Y、Z方向的加權(quán)加速度均方根值；系數(shù)1.4為X、Y方向的加權(quán)系數(shù)。

2.2脈沖輸入行駛試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程

標(biāo)準(zhǔn)GB/T5902—86《汽車平順性脈沖輸入行駛試驗(yàn)方法》中規(guī)定，對(duì)轎車進(jìn)行脈沖輸入行駛試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將加速度傳感器放置于左側(cè)前排座椅、后排座椅及這些座椅底部的地板上，駕駛員和乘員坐在座椅上，汽車以10、20、30、40、50、60 km/h等速度勻速駛過三角形凸塊，利用數(shù)據(jù)采集裝置記錄這一時(shí)間段內(nèi)加速度傳感器的數(shù)據(jù)，每種車速下進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值以減小誤差。處理數(shù)據(jù)時(shí)，首先計(jì)算某車速下每次試驗(yàn)時(shí)的Z向最大加速度Zmax j（j為試驗(yàn)次序），然后對(duì)各Zmax j值進(jìn)行平均得到Zmax，對(duì)其它車速下的數(shù)據(jù)均進(jìn)行上述處理，得到車速特性曲線Zmax-v，利用Zmax-v即可評(píng)價(jià)汽車脈沖輸入行駛工況下的平順性。

3　平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵問題

由平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程可知，脈沖輸入行駛試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理較簡(jiǎn)單，只需在各時(shí)域數(shù)據(jù)內(nèi)找出最大值進(jìn)行平均即可；難點(diǎn)在于隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，即加速度功率譜密度的計(jì)算是關(guān)鍵，因其算法的優(yōu)劣直接關(guān)系到最終結(jié)果的精度。另一方面，由于汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)涉及到復(fù)雜、大型的運(yùn)算，因此，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)搭建平臺(tái)的選擇也是關(guān)鍵問題，它直接關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度及系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

3.1加速度功率譜密度的計(jì)算

目前，功率譜密度的計(jì)算方法主要有直接法、間接法、Bartlett法和Welch法等4種［2～5］。直接法又稱周期圖法，是將隨機(jī)信號(hào)的N個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)視為一能量有限的信號(hào)，直接取觀測(cè)數(shù)據(jù)的傅立葉變換，然后再取其幅值的平方并除以N作為對(duì)隨機(jī)信號(hào)真實(shí)功率譜的估計(jì)［2］，其缺點(diǎn)是功率譜估計(jì)的方差較大；間接法是先由隨機(jī)信號(hào)的N個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)出自相關(guān)函數(shù)，再對(duì)自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換，得到觀測(cè)數(shù)據(jù)的功率譜，并以此作為對(duì)隨機(jī)信號(hào)真實(shí)功率譜的估計(jì)，其缺點(diǎn)是功率譜密度可能出現(xiàn)負(fù)值，失去了功率譜的物理意義。

對(duì)于由直接法得到的功率譜估計(jì)，當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N太大時(shí)，譜曲線起伏加劇，N太小時(shí)，譜的分辨率又不好，因此需要進(jìn)行改進(jìn)，而Bartlett法和Welch法正是直接法的改進(jìn)方法。

Bartlett法是先將N點(diǎn)隨機(jī)信號(hào)均勻分段，再用直接法求出各段的功率譜，然后將所有段的功率譜進(jìn)行平均，相比直接法，Bartlett法可使譜估計(jì)的方差減小。Welch法又對(duì)Bartlett法做了兩方面的改進(jìn)，一是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分段時(shí)，可允許相鄰兩段數(shù)據(jù)之間有部分的重疊，這樣可進(jìn)一步改善譜估計(jì)的方差；二是每一段的數(shù)據(jù)窗口可使用矩形窗之外的窗函數(shù)，這樣可改善由于矩形窗旁瓣較大所引起的譜失真。Welch法又稱為加權(quán)交疊平均法，是應(yīng)用較廣泛的一種計(jì)算方法［2,6］。

利用matlab軟件［3～6］對(duì)4種功率譜密度算法進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。其中Welch法使用的窗函數(shù)為漢明窗，其它算法的窗函數(shù)均為矩形窗。

圖2　4種功率譜密度算法對(duì)比結(jié)果

從圖2可看出，相比直接法和間接法，雖然Bartlett法和Welch法的頻譜分辨率變差，但功率譜方差明顯改善，而Welch法的功率譜方差改善比Bartlett法更明顯。因改善功率譜密度的方差是提升隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)精度的重要途徑，所以對(duì)于隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)Welch法是最合適的功率譜計(jì)算方法。

3.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺(tái)搭建

目前系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)有以下3種：一是采用Visual Basic、Visual C++等軟件搭建數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所有的數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理均采用高級(jí)語言編程來完成；二是采用Visual Basic、Visual C++等軟件搭建數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過Visual Basic、Visual C++等啟動(dòng)數(shù)值分析軟件Matlab引擎來完成復(fù)雜的、大型的數(shù)據(jù)運(yùn)算；三是利用軟件Mat?lab的GUI（Graphical User Interfaces，GUI）模塊來搭建數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

以上3種方式中，第1種方式需要編寫復(fù)雜、大型的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，程序編制工作十分繁重，優(yōu)點(diǎn)是可生成可執(zhí)行文件，無須特定的運(yùn)行環(huán)境；第2種方式需要Matlab軟件的支撐，且由其搭建的系統(tǒng)的運(yùn)行速度受到限制；第3種方式充分利用了Matlab GUI模塊強(qiáng)大的數(shù)值處理功能，無需編寫復(fù)雜的、大型的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，同時(shí)也可生成可執(zhí)行文件。為此，考慮到Matlab的普及性，本文采用第3種方式搭建汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

4　試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1系統(tǒng)搭建方式

由于汽車平順性試驗(yàn)涉及隨機(jī)輸入和脈沖輸入兩個(gè)試驗(yàn)，因此，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)包含這兩個(gè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理過程，要實(shí)現(xiàn)此功能必須采用類似Microsoft Windows系統(tǒng)中的選項(xiàng)卡控件。由于Matlab GUI模塊無相應(yīng)的選項(xiàng)卡控件，所以設(shè)置了兩個(gè)命令按鈕來控制兩個(gè)面板控件的可見性，兩個(gè)面板分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)試驗(yàn)，如此即實(shí)現(xiàn)了選項(xiàng)卡功能。

4.2系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

以隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)為例，其數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

系統(tǒng)運(yùn)行前，首先將各車速下的加速度時(shí)域文件（txt格式）放在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)指定的目錄下。啟動(dòng)系統(tǒng)后，系統(tǒng)將自動(dòng)導(dǎo)入各加速度時(shí)域文件數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算。

圖3中加速度功率譜密度的算法格式如下：

式中，P為加速度功率譜密度；f為頻率；pwelch為Welch法計(jì)算功率譜密度的函數(shù)名；x為加速度；window為窗函數(shù)（系統(tǒng)中提供了漢寧窗hann和漢明窗hamming兩種窗函數(shù)）；noverlap為重疊數(shù)（系統(tǒng)中提供了50％和25％兩種重疊率）；nfft為譜線數(shù)，它和重疊率的乘積即為重疊數(shù)noverlap，系統(tǒng)中提供了2048和4096兩種譜線數(shù)；fs為采樣頻率。

圖3中，“計(jì)算某車速下各方向1/3倍頻程加速度均方根值”是通過Matlab軟件中的梯形數(shù)值積分函數(shù)trapz來實(shí)現(xiàn)的，其計(jì)算精度較高；“計(jì)算其它車速下的總加權(quán)加速度均方根值”是通過遍歷系統(tǒng)指定目錄下的各車速下的加速度時(shí)域文件來實(shí)現(xiàn)的；“試驗(yàn)報(bào)告生成”是通過建立EXCLE文件操作對(duì)象來實(shí)現(xiàn)的。

為保證系統(tǒng)界面的友好性，系統(tǒng)開發(fā)時(shí)采取了如下措施：

a.在系統(tǒng)界面中使用最少的控件；

b.在隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)界面中，“譜線數(shù)”、“重疊率”等參數(shù)都設(shè)置成下拉框形式。

c.在系統(tǒng)中進(jìn)行異常情況監(jiān)測(cè)，若加速度時(shí)域文件未放入系統(tǒng)指定的目錄下或txt文件中數(shù)據(jù)列數(shù)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)采樣頻率過低則系統(tǒng)將報(bào)錯(cuò)。

4.3系統(tǒng)操作

汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)界面如圖4和圖5所示。

圖4　隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)系統(tǒng)界面

圖5　脈沖輸入行駛試驗(yàn)系統(tǒng)界面

單擊圖4或圖5中的“隨機(jī)輸入”和“脈沖輸入”按鈕可在隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)和脈沖輸入行駛試驗(yàn)之間進(jìn)行切換；單擊“導(dǎo)入數(shù)據(jù)并繪圖”按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪制車速特性曲線；單擊“加速度”和“加速度級(jí)”單選按鈕，可使車速特性曲線在兩者之間切換；單擊“報(bào)告生成”按鈕，系統(tǒng)可自動(dòng)生成汽車平順性試驗(yàn)報(bào)告［7～9］，如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)自動(dòng)生成的試驗(yàn)報(bào)告示例

5　結(jié)束語

本文針對(duì)汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，通過比較分析，確定采用Welch法來計(jì)算功率譜密度，采用數(shù)值分析軟件Matlab的GUI模塊來搭建汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，界面友好，點(diǎn)擊按鈕即可完成數(shù)據(jù)曲線的繪制及試驗(yàn)報(bào)告的生成，大幅提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)

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9謝中華. MATLAB統(tǒng)計(jì)分析與應(yīng)用：40個(gè)案例分析.北

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（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2015年11月2日。

主題詞:汽車平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理功率譜

The Research and Realization on the Data Processing System of Automobile Ride Comfort Test

Gao Xiaoqing
（Dongfeng Honda Automobile Company Limited, Wuhan 430056）

【Abstract】In this paper, the key issues of automobile ride comfort test data processing system are investigated. By comparing the characteristics of several power spectrum algorithms, we decide to use the Welch method to calculate the power spectrum density; by comparing the advantages and disadvantages of several data processing system platforms, we decide to use the Matlab GUI module to build the automobile ride comfort test data processing system. The system has the advantages of simple operation and friendly interface. Data curve drawing and test report generation can be realized by simply clicking the button which greatly improves working efficiency and saves the cost of software system development.

Key words:Automobile, Ride comfort, Test data processing, Power spectrum

中圖分類號(hào):U467.1；U462.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）04-0049-04