基于MATLAB的操縱穩(wěn)定性中間位置數(shù)據(jù)處理

張朝雷

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000）

基于MATLAB的操縱穩(wěn)定性中間位置數(shù)據(jù)處理

張朝雷1，2

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000）

基于MATLAB編制了中間位置數(shù)據(jù)處理程序，通過將連續(xù)正弦曲線的首尾數(shù)據(jù)做線性擬合得到趨勢誤差，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正；設(shè)計(jì)了一個(gè)無相移低通濾波器，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，避免了信號(hào)之間的相位延遲；設(shè)計(jì)了在4個(gè)連續(xù)正弦曲線中提取指定數(shù)據(jù)范圍的程序，得到了方向盤轉(zhuǎn)角和方向盤力矩4條滯環(huán)曲線擬合函數(shù)，對(duì)擬合函數(shù)求跟和求導(dǎo)，提取了方向盤轉(zhuǎn)角遲滯、方向盤力矩遲滯、中間位置轉(zhuǎn)向剛度等指標(biāo)；對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角和橫擺角速度做互相關(guān)性計(jì)算，得到橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間。結(jié)果表明：通過這些數(shù)據(jù)處理方法的運(yùn)用，保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高了數(shù)據(jù)處理效率。

MATLAB；中間位置；濾波器；數(shù)據(jù)處理

0 引言

汽車操縱穩(wěn)定性中間位置試驗(yàn)反應(yīng)汽車中心區(qū)特性，對(duì)中間位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)做處理并進(jìn)行指標(biāo)提取是個(gè)繁雜的過程，不同工程師的處理可能會(huì)得出不同的結(jié)果，這嚴(yán)重影響了車輛設(shè)計(jì)開發(fā)。本文基于MATLAB軟件，編制了數(shù)據(jù)處理程序，詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)處理過程，使整個(gè)中間位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果準(zhǔn)確而高效，同時(shí)也可為操縱穩(wěn)定性其他測試工況的數(shù)據(jù)處理和分析提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 中間位置試驗(yàn)方法

測試參數(shù)有方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤力矩、橫擺角速度、側(cè)向加速度、車速。車輛以100km/h等速直線行駛，待車速穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)，使方向盤轉(zhuǎn)角保持初始位置數(shù)秒后給方向盤轉(zhuǎn)角連續(xù)正弦輸入，頻率為0.2Hz，轉(zhuǎn)角幅值足以使車輛側(cè)向加速度峰值達(dá)到0.2G，整個(gè)試驗(yàn)過程使方向盤轉(zhuǎn)角和通過中心區(qū)的角速度盡量保持一致，試驗(yàn)至少獲取4個(gè)輸入周期的數(shù)據(jù)，完成后將方向盤轉(zhuǎn)角恢復(fù)到直行位置保持?jǐn)?shù)秒后停止記錄。

1.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)測試的參數(shù)繪制關(guān)系曲線回線組，回線組應(yīng)以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行平均，推薦的方法是在圖1所示區(qū)間A內(nèi)的試驗(yàn)曲線左右轉(zhuǎn)（上下邊），兩部分分別進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，擬合階次值為3。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先確定數(shù)據(jù)橫坐標(biāo)區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)按一定比例選取區(qū)間A，選取時(shí)應(yīng)確保區(qū)間A足夠大，以覆蓋所關(guān)心的數(shù)據(jù)區(qū)域，但應(yīng)避免兩端的滯回效應(yīng)的影響，其所占橫坐標(biāo)的比例推薦值為50%～70%[1]。

圖1 滯環(huán)曲線示意圖

2 MATLAB數(shù)據(jù)處理過程實(shí)現(xiàn)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)和指標(biāo)提取過程的要求構(gòu)建數(shù)據(jù)處理流程框圖，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.1 讀取數(shù)據(jù)

以Excel格式數(shù)據(jù)舉例說明讀取數(shù)據(jù)方法，用xlsread（‘filename’）函數(shù)讀取Excel格式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)付給data_y，用data_y（：，c）將data_y中所需信號(hào)提取出來，c表示信號(hào)位置在第幾列，MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)如下：

data_y=xlsread（'路徑文件名.xls'）；%默認(rèn)讀取第1個(gè)工作薄中的數(shù)據(jù)

2.2 剔除野點(diǎn)

由于受場地的清潔度、天氣、信號(hào)采集系統(tǒng)的電壓波動(dòng)等影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)偶發(fā)突然的變化，俗稱毛刺，對(duì)這樣的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)做修正或刪除即可。

2.3 消除趨勢項(xiàng)

受場地傾斜度、持續(xù)側(cè)風(fēng)、橫擺角速度傳感器的隨機(jī)游走、測試系統(tǒng)溫度變化等因素影響，持續(xù)時(shí)間比較長的連續(xù)正弦數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定趨勢的偏移，對(duì)這種趨勢需要加以修正。

定義連續(xù)正弦曲線開始和結(jié)束位置記錄的零線時(shí)間長度，在此選擇相同的時(shí)間長度0.5秒。分別求取前后位置零線的平均值，根據(jù)這兩點(diǎn)幅值和首尾時(shí)間做1次項(xiàng)擬合線，將記錄的數(shù)據(jù)減去此擬合線（如圖3所示），MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)如下：

2.4 濾波處理

圖3 消除趨勢項(xiàng)曲線圖

一般的數(shù)字濾波器濾波后都會(huì)產(chǎn)生相位延遲現(xiàn)象（如圖4所示），使考察車輛瞬態(tài)響應(yīng)特性產(chǎn)生誤差。本文使用無相移濾波函數(shù)對(duì)原始數(shù)據(jù)濾波后，將濾波序列反折再次通過濾波器，并輸出第2次濾波結(jié)果的時(shí)間反折序列，實(shí)現(xiàn)無相位延遲的濾波處理（如圖5所示），MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)如下：

圖4 數(shù)字濾波延遲

圖5 無相移濾波

2.5 提取數(shù)據(jù)段擬合處理

以方向盤轉(zhuǎn)角為例，在連續(xù)正弦的方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)中選取用于指標(biāo)提取的4個(gè)周期信號(hào)共8個(gè)數(shù)據(jù)段，4段是左轉(zhuǎn)工況，4段是右轉(zhuǎn)工況（如圖6所示），MATLAB實(shí)現(xiàn)程序如下：

對(duì)滯環(huán)曲線的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)分別進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到擬合函數(shù)nh1和nh2。

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的選取

2.6 提取評(píng)價(jià)指標(biāo)

下面以方向盤力矩與方向盤轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線為例來說明評(píng)價(jià)指標(biāo)的提取。

2.6.1 提取方向盤力矩遲滯

方向盤力矩遲滯是方向盤轉(zhuǎn)角為0時(shí)的方向盤力矩，使用取值函數(shù)y=polyval（p，x），p是函數(shù)，x是自變量，對(duì)左右轉(zhuǎn)擬合函數(shù)nh1和nh2取值即可得到方向盤力矩遲滯。MATLAB實(shí)現(xiàn)程序如下：

2.6.2 提取方向盤轉(zhuǎn)角遲滯

方向盤轉(zhuǎn)角遲滯是方向盤力矩為0時(shí)對(duì)應(yīng)的方向盤轉(zhuǎn)角，對(duì)左右轉(zhuǎn)擬合函數(shù)分別求根。擬合函數(shù)階次的不同會(huì)產(chǎn)生多個(gè)復(fù)數(shù)或?qū)崝?shù)根，要從根矩陣中提取出有效根。提取原則是有效根屬于實(shí)數(shù)且大于區(qū)間A橫軸的最小值小于區(qū)間A橫軸的最大值。MATLAB實(shí)現(xiàn)程序如下：

2.6.3 提取中間位置轉(zhuǎn)向剛度

使用求導(dǎo)函數(shù)k=polyder（p）對(duì)左右轉(zhuǎn)滯環(huán)曲線擬合函數(shù)nh1和nh2求導(dǎo)函數(shù)，對(duì)導(dǎo)函數(shù)取值，當(dāng)x等于0時(shí)，y值即為中間位置轉(zhuǎn)向剛度。此種方法通過更改自變量x后同樣可以提取側(cè)向加速度為1m/s2時(shí)的力矩梯度，求導(dǎo)過程如下：

2.6.4 提取平均轉(zhuǎn)向剛度

平均轉(zhuǎn)向剛度是方向盤力矩與方向盤轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線中方向盤轉(zhuǎn)角幅值±10%內(nèi)曲線的斜率，對(duì)左右轉(zhuǎn)的擬合曲線在轉(zhuǎn)角±10%范圍內(nèi)做1次擬合，1次擬合線的斜率即為平均轉(zhuǎn)向剛度，MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)如下：

2.6.5 提取橫擺角速度響應(yīng)遲滯

在橫擺角速度和方向盤轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線中需要評(píng)價(jià)橫擺角速度響應(yīng)遲滯，由于這兩個(gè)參數(shù)都是時(shí)域內(nèi)的周期信號(hào)，所以可以利用兩信號(hào)之間互相關(guān)函數(shù)計(jì)算得到橫擺角速度的時(shí)間滯后，當(dāng)兩信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)為最大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的時(shí)移乘以采樣頻率即為兩信號(hào)之間的滯后時(shí)間（如圖7所示）[3]，實(shí)現(xiàn)程序如下：

圖7 橫擺角速度與方向盤轉(zhuǎn)角互相關(guān)系數(shù)

2.7 結(jié)果輸出

指標(biāo)提取完成后輸出相關(guān)指標(biāo)，繪制結(jié)果曲線如圖8所示，輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)見表1，結(jié)果輸出程序如下：

中間位置其他指標(biāo)的提取方法和以上介紹的方法相同，可以參考使用，至此完成了全部中間位置數(shù)據(jù)程序的編制。

圖8 方向盤力矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 結(jié)束語

本文基于MATLAB軟件完成了對(duì)中間位置試驗(yàn)從數(shù)據(jù)讀取、消除趨勢項(xiàng)、無相移濾波到指標(biāo)提取處理過程的編程，避免了人工處理產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能，大大提高了數(shù)據(jù)處理效率和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，有效支撐了車輛操穩(wěn)性能的開發(fā)。

［1］GB/6323-2014，汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法［S］.2014：31-32.

［2］孫祥，徐流美，吳清.matlab7.0基礎(chǔ)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：362-365.

［3］王長青.乘用車中心區(qū)操縱穩(wěn)定性客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2012：51-52.

Handling on the center data processing based on MATLAB’s stability

ZHANG Zhao-lei1，2

(1.Great Wall Motor Company Technical Center,Hebei Baoding 071000,China;2.Hebei Automobile Engineering Technology Research Center,Hebei Baoding 071000,China)

The center data processing program is compiled based on MTALAB.By the end of data continuous sine curve linear fitting error trend,the original data is corrected; A low pass filter without phase shift is designed to wave filtering of raw data,it avoids the phase delay between the signals;A program is designed to extract the range of the specified data from four continuous sine curves,the fitting function of four hysteresis cures of steering wheel angle and steering wheel torque is obtained.The steering wheel angle hysteresis,steering wheel torque hysteresis,intermediate position steering stiffness and other indicators are extracted; Cross correlation calculation of steering wheel angle and yaw rate,get the yaw rate response time.Results show: Through the use of these data processing methods,ensure the accuracy of the results,improve the efficiency of data processing.

MATLAB;center;filter;data processing

TP274

A

1673-2022（2017）01-0063-05

2016－10－18

張朝雷（1984-），男，河北趙縣人，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚥倏v動(dòng)力學(xué)。