莫易敏，張 鴻，梁軍勇，吳 疆，毛萬鑫

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

汽車優(yōu)異的駕駛性能可以大大提高用戶的駕駛體驗，有助于打造汽車品牌的核心競爭力，故駕駛性評價在汽車研發(fā)與制造方面顯得尤為重要。當前國內(nèi)許多汽車廠商在駕駛性評價方面主要依靠主觀評價，這種方法可以直接模擬用戶的駕駛行為，捕獲不同工況的真實駕駛體驗，但缺點是所需的人力、物力、財力較大，對評價人員的要求較高且評價結(jié)果容易受到不同評價人員的主觀影響。因此，客觀評價在駕駛性評價研究中逐漸成為重要課題。章桐等[1]在傳統(tǒng)汽車燃油經(jīng)濟性和全負荷動力性評價指標基礎上，引入了汽車駕駛性客觀評價體系，建立了整車級別綜合評價體系；胡月[2]針對換擋和起步兩個工況，定量分析了主觀評價與客觀參數(shù)之間的關系，驗證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型的有效性；牛大旭等[3]建立了駕駛品質(zhì)仿真模型，并通過優(yōu)化策略使客觀參數(shù)滿足整車開發(fā)品質(zhì)要求；詹軍等[4]提出了一種駕駛模擬器驅(qū)動的TCU換擋策略駕駛性評價方法，有效減少了實車測試評價的工作量。

已有研究多針對手動擋汽車，且未找到與主觀評價相關度較高的客觀評價指標，即駕駛性評價仍未脫離對主觀評價的依賴。因此，有必要引入油門開度作為樣本變量，選取某款自動擋SUV，針對加速工況、急加速/急減速工況建立綜合的客觀評價指標體系，通過相關性分析剔除相關度較低的指標，基于特征指標建立駕駛性評價模型，并對該模型進行實車有效性驗證，以期為自動擋汽車駕駛性綜合評價和前期開發(fā)提供指導。

1 駕駛性評價方法分析

汽車駕駛性評價按性質(zhì)可分為主觀評價和客觀評價。駕駛員主觀輸入與車輛客觀響應的關系如圖1所示，可知駕駛員對車輛的主觀評價本質(zhì)上是其對車輛客觀參數(shù)的主觀感受，主觀感受來源于客觀響應。

圖1 駕駛員主觀輸入與車輛客觀響應的關系

1.1 駕駛性主觀評價方案

駕駛性主觀評價是指評價人員通過油門踏板、制動踏板等操作設備對車輛進行輸入，利用自身的視覺、聽覺、觸覺和身體平衡感等對車輛動態(tài)響應做出的評定。借鑒國內(nèi)外已有主觀評價標準[5]，結(jié)合某車企主觀評價經(jīng)驗和產(chǎn)品特性，制定出能充分反映車輛駕駛性能的主觀評價方案：由專業(yè)的評價人員分別對車輛在行駛過程中的乘坐性能、操縱性能、行駛性能、動力性能和整車NVH(噪聲與振動)性能[6]進行評價，并將評價結(jié)果匯總為綜合得分。主觀評分量表如表1所示。

表1 主觀評分量表

1.2 駕駛性客觀評價體系

駕駛性客觀評價是通過多種可以量化的客觀指標對汽車駕駛性能進行評價的方法，其核心是建立一套完善的客觀評價指標體系。借鑒文獻[1]、文獻[2]和文獻[5]的研究，篩選出在固定油門開度下可量化的客觀指標，提出了一種基于油門固定開度的駕駛性客觀評價指標測試方案：以車輛的縱向速度和加速度為計算基礎，采用峰值加速度、加速度增益、加速度均方根值，以及急加速/急減速響應曲線中反映出的響應延遲、加速度上升時間和加速度振蕩6個客觀指標綜合反映主觀得分。

峰值加速度是指汽車在直線行駛過程中，車輛在不同油門踏板開度下能達到的加速度最大值，在路況不變且油門踏板開度一定的前提下，車輛能達到的最大加速度越大，說明車輛的速度提升能力越強。加速度增益是指單位油門踏板位移所帶來的加速度，表征單位踏板位移下的車輛縱向加速度[7]，加速度增益響應曲線在一定程度上反映了油門踏板輸入與加速度響應輸出之間的特殊關系。加速度均方根值(RMS)也稱加速度有效值，反映了汽車在加速時間歷程內(nèi)的平均加速度值。

在擁擠的城市道路環(huán)境下，用戶需要經(jīng)常性地急加速或急減速，急加速/急減速響應曲線能夠反映車輛在不同油門踏板開度下的駕駛性響應特性，如響應延遲、加速度上升時間、加速度振蕩等，這也是駕駛性客觀評價中重要的數(shù)據(jù)來源。其中，響應延遲是指加速度響應對于油門踏板的滯后時間，響應延遲越長，說明信號在油門踏板與發(fā)動機之間的傳輸速率越慢，駕駛員的加速意志越晚得到滿足；加速度上升時間即為加速度由零上升至最大值的時間，加速度上升時間越短，說明加速度上升速度越快，車輛加速性能就越優(yōu)；加速度振蕩是指在一定油門踏板開度下，從加速度剛達峰值到趨于平穩(wěn)的時間段內(nèi)加速度的上下跳動情況，主要反映在達到峰值后加速度下降的平穩(wěn)程度。

2 特征指標的確定

2.1 數(shù)據(jù)采集方案

(1)實驗設備。實驗車輛選擇國內(nèi)某車企的一款1.5T自動擋SUV，整備質(zhì)量為1 550 kg，發(fā)動機布置與驅(qū)動方式為前置前驅(qū)。AVL-DRIVE測量系統(tǒng)是一套集成了各種加速度傳感器、振動傳感器和電流傳感器的汽車行駛實時監(jiān)測系統(tǒng)[8]，可以從相應的傳感器中獲取汽車在各個方向的加速度和振動頻率，還可以通過CAN總線讀取車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門踏板開度等信息，實驗時主要用其采集汽車行駛時間、速度、縱向加速度和油門踏板開度等參數(shù)。

(2)油門踏板開度固定方法。油門踏板是汽車最直接的動力輸出裝置，在行車時駕駛員通過改變油門踏板的行程來調(diào)節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門開度，從而控制發(fā)動機的動力輸出[9]。固定油門踏板開度首先要對踏板限位器進行標定，帶有踏板限位器的電子油門控制原理如圖2所示，即利用AVL-DRIVE系統(tǒng)讀取發(fā)動機節(jié)氣門開度信息并傳送至上位機，逐漸改變油門踏板的行程，將上位機顯示的發(fā)動機開度信息反映到踏板限位器的位移刻度上，使油門開度與限位器的位移一一對應。

圖2 帶有踏板限位器的電子油門控制原理

2.2 主觀評價結(jié)果分析

由評價人員在不同油門開度下對車輛在行駛過程中的乘坐性能、操縱性能、行駛性能、動力性能和整車NVH性能進行評價，然后匯總為該油門開度下的綜合得分，將評價人員對各個性能的評分繪制成蜘蛛圖，從中可以看出油門固定開度下汽車各個性能的得分情況和不同油門開度下汽車各個性能的得分變化情況如圖3所示。

圖3 主觀評價得分蜘蛛圖

2.3 客觀數(shù)據(jù)處理

加速度傳感器記錄的加速度信息中摻雜有高頻噪音成分，這些噪音會使客觀評價指標計算出現(xiàn)誤差，故需要對加速度信號進行降噪處理。在Matlab工具中搭建巴特沃斯濾波器，設定通過頻率為5 Hz，通帶最大衰減ap=2 dB，階數(shù)N=5，將攜帶高頻噪音加速度信號進行低通濾波去噪處理。利用濾波后的數(shù)據(jù)分別繪制峰值加速度、加速度增益和急加速/急減速響應曲線，如圖4～圖6所示。利用濾波后的數(shù)據(jù)和曲線圖計算出6個客觀指標參數(shù)值，與同等工況下車輛主觀得分一同記錄，得到主、客觀評價結(jié)果。12次實驗中的某次樣本評價結(jié)果示例如表2所示。

圖4 峰值加速度響應曲線

圖5 加速度增益曲線

圖6 急加速/急減速響應曲線

表2 主、客觀評價結(jié)果(示例)

2.4 相關性分析

為了定量地將主觀評分用客觀指標代替，首先要排除樣本變量油門開度對主觀評分的影響，其次要從6個客觀指標中確定出與主觀評分相關性較高的特征指標。在統(tǒng)計學中常用相關系數(shù)ρxy來描述兩個變量x和y之間的相關性，其計算方法為：

(1)

式中：μx、μy分別為隨機變量x和y的均值；σx、σy分別為隨機變量x和y的標準差。

經(jīng)計算，得到油門踏板開度與主觀評分之間的平均相關系數(shù)為0.12，且最大值不超過0.2，說明兩者的相關程度較低，可排除油門踏板開度對主觀評分的影響。6個客觀指標與主觀評分的相關性結(jié)果如表3所示，將相關程度低的兩個指標(峰值加速度、加速度均方根值)剔除，最終確定加速度增益、響應延遲、加速度上升時間、加速度振蕩為客觀評價特征指標。

表3 客觀指標與主觀評分的相關性結(jié)果

3 模型建立與優(yōu)化

3.1 模型參數(shù)估計

將主觀得分作為因變量Y，加速度增益、響應延遲、加速度上升時間和加速度振蕩4個特征指標分別為自變量X1、X2、X3、X4，假設Y和X之間的多元線性回歸模型為：

Yi=b0+b1X1i+b2X2i+b3X3i+b4X4i

(2)

式中：bk(k=1,2,3,4)為各自變量的回歸系數(shù)；b0為常數(shù)項；i為樣本變量序號，i=1,2,…,n。

根據(jù)油門開度的不同可得到10組樣本數(shù)據(jù)，利用這10組樣本對模型參數(shù)bk進行估計。最常用的估計方法是普通最小二乘方法(OLS)，其基本原理是讓所選擇的回歸模型使所有樣本觀測值的殘差平方和達到最小[10]。殘差平方和Q的表達式為：

(3)

(4)

Y=-0.35+21.92X1+7.93X2+0.47X3-0.34X4

(5)

3.2 殘差分析

利用Matlab工具繪制回歸系數(shù)的殘差和置信區(qū)間，如圖7所示。其中，直線段表示殘差的置信區(qū)間，小圓圈代表殘差點。從圖7可以看出，第4個樣本點的殘差離零點較遠，且殘差的置信區(qū)間未包含零點，說明該樣本數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相差較大。

圖7 初始模型回歸系數(shù)殘差圖

圖8 改進后模型回歸系數(shù)殘差圖

Y=1.71+17.05X1+4.30X2+0.86X3-0.39X4

(6)

3.3 模型檢驗

在回歸分析中，判定系數(shù)R2可以表征回歸平方和在總平方和中所占的比例。經(jīng)計算得判定系數(shù)R2=0.908 3，與1非常接近，說明該多元回歸方程的擬合程度比較理想。

然后，構造合適的統(tǒng)計量F對模型進行顯著性檢驗[11]，計算得到F檢驗值為115.33，遠大于給定顯著性水平α=0.05的拒絕域F0.05(4,5)=9.12，由此可知主觀得分Y與4個特征指標X1、X2、X3、X4之間的線性關系顯著。

3.4 實車有效性驗證

選擇油門開度為25%的工況，對模型結(jié)果與主觀得分的誤差進行實車驗證，結(jié)果如表4所示，可以看出該工況下模型估計值誤差均小于3%，平均誤差小于2%。

表4 實車驗證結(jié)果

4 結(jié)論

(1)從實驗數(shù)據(jù)看出，油門踏板開度對汽車駕駛性能主觀評價得分的影響較小，可作為樣本變量依據(jù)來建立駕駛性評價模型；以油門踏板開度為樣本變量，選用加速度增益、響應延遲、加速度上升時間和加速度振蕩4個客觀特征指標建立評價模型，模型判定系數(shù)大于0.9，實車驗證主客觀評價之間的誤差小于3%，表明特征指標對主觀得分定量描述的有效性顯著。

(2)該模型的建立方法為客觀指標量化主觀評價提供了新思路，與傳統(tǒng)評價方法相比能有效減少對專業(yè)評價人員的依賴，縮短汽車開發(fā)周期，節(jié)省評價成本，可作為自動擋汽車駕駛品質(zhì)開發(fā)的評價依據(jù)；但建立評價模型時使用的實驗車輛較少，導致模型具有一定的局限性，下一步應引入不同車型的多輛車進行實驗，豐富實驗數(shù)據(jù)，進一步增大模型的覆蓋范圍。