制動性能檢驗數據處理系統

摘 要：為提高制動性能檢驗數據的準確性，建立了制動性能檢驗數據的處理系統。通過對制動性能檢驗中涉及的軸重信號、制動力信號曲線擬合的分析研究，最終得到軸重信號的數學模型以及制動力信號的B-樣條函數擬合曲線，抑制了軸重信號的周期性動載干擾，消除了制動力信號擬合的劇烈震蕩，有效解決了制動性能檢驗模塊抗干擾問題。

關鍵詞：制動性能檢驗;數據處理系統;軸重信號;制動力信號;制動力曲線擬合

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1713904

Processing System of Braking Performance Testing Data

ZHANG Xueli1，ZHAO Xiangmo2

(1.Shaanxi College of Communication Technology，Xi′an，710021，China;

2.School of Information Engineering，Chang′an University，Xi′an，710064，China)

Abstract：In order to improve accuracy of braking performance testing data，the processing system is set up for this purpose.The system analyzes signal of axle weight and signal curve fitting of braking force，the mathematical model of axle weight and B-spline fitting curve of braking force are obtained.It restraints periodic moving-load of signal of axle weight and eliminates signal fitting oscillation of braking force，experimental results verify that this system is effective in overcome anti jamming of brake testing module.

Keywords：braking performance testing;data processing system;signal of axle weight;signal of braking force;curve fitting of braking force

1 引 言

近年來隨著汽車設計與制造工藝的進步及高速公路的飛速發展，汽車行駛速度已大大提高，汽車制動性能對保障交通安全就尤為重要。在我國，汽車制動性能被政府主管部門列為汽車定期審驗的強制性檢驗項目，規定制動性能達不到GB7258-2004《機動車運行安全技術條件》要求的車輛不允許上路行駛。這樣制動性能檢驗系統數據的準確性、可靠性就成為機動車定期審驗結果的關鍵。

按照相關國家標準的要求，汽車定期檢驗的設備應全部采用微機聯網。而在聯網制動檢驗設備時，因測試軟件設計人員對采集數據分析與處理方法不科學所造成的制動數據失實、檢驗結果差別大、甚至誤判的情況屢屢出現，嚴重影響了檢驗機構的誠信度。要進行制動性能檢驗，需要采集的主要數據就是汽車軸重和制動力。本文對機動車制動性能檢驗中軸重和制動力數據的采集、分析與處理做了研究。

2 制動檢驗數據采集

制動性能數據采集系統均采用電子技術和計算機技術，似乎測試軟件應無差異，但是實際采集時不同的采樣頻率、不同的采樣時間都會對測試結果產生一定影響。各測試軟件中采樣頻率少則25 Hz，多則120 Hz，而采樣時間也各不相同，有的少于3 s。

采樣頻率過低，得到的制動力曲線就會比較粗糙，而且在計算制動力平衡性時，有可能漏掉關鍵的信息；采樣頻率過高，雖然能得到較光滑的制動力曲線，但是在計算平衡性時將加大計算機的工作量，同時采樣頻率過高，也將增加硬件成本。根據多次試驗，我們在設計中采取采樣頻率為100 Hz，采樣時間不少于3 s。

為了能夠檢測到最大制動力，在采樣后數據處理方式上存在“拐點法”和“滑移率法”。采用滑移率對制動力進行判別，即把保護停機時刻作為最大制動力出現并采集的時刻。盡管國內外企業和研究機構通過實驗已證明在滑移率為15%~25%時，也就是在輪胎臨界抱死狀態時，車輪制動器所釋放的制動力達到最大，但由于這是統計結果，是一個區間，而且由于車輛制動系統的不同(油剎、氣剎)，車輪臨界“抱死”點時的滑移率也不同，這樣最大制動力有可能出現在保護停機前或后。如果出現在保護停機前，即可測得最大制動力；而出現在保護停機后，最大制動力將丟失。因此在最大制動力數據處理時是在制動檢測全過程中所采集到的全部采樣點中甄別并顯示的。

3 制動檢驗數據處理

3.1 模擬信號數字化后的處理

3.1.1 數字濾波技術

為了克服隨機干擾引入的誤差，除了可以采用硬件進行濾波之外還可以用軟件算法來實現數字濾波。常用的數字濾波算法有：限幅濾波、中位值濾波、算術平均濾波、遞推平均濾波、加權遞推平均濾波、一階慣性濾波和復合濾波等。

本文在軸重信號的處理上采用的是限幅濾波和算術平均值濾波；制動力信號采用的是兩極數字濾波，第一級采用加權遞推平均濾波法，Yi=1/4×Si－1+3/4×Si；第二級采用遞推平均濾波。

3.1.2 軟件抑制零點漂移

由于環境條件的變化將引起傳感器及放大器電路的零點發生緩慢漂移，自動零點跟蹤就是為了削弱這種漂移對測量精度的影響。其具體做法就是每次在未上車檢驗前采集當前零負載值作為系統零點。計算機每次正式測量采集的值減去這個零點作為本次采集值。

3.1.3 系統的非線性校正

由于傳感器和放大器在其動態范圍內不能保證其一致性，存在非線性誤差，因而在數據處理中必須對其非線性進行校正，這樣才能保證測量的精度。

3.2 軸重信號的分析與處理

軸重信號的精確測量在制動性能檢驗中尤為重要，因為GB7258-2004中很多參數的判定標準(如:車輛制動率、制動平衡率、駐車率及車輪阻滯力)都與軸重有關，若軸重測不準，則將影響這些項目的測量與判定精度。車輛軸重信號在靜態及車輛低速通過軸重檢驗臺時，測量精度較高，重復性也非常好，但車輛的行駛速度高于10 km／h時，測量精度將出現較大的偏差，重復性也不好，平均誤差在5％~30％不等。

在汽車檢測線連續三次采集了同一測試車輛以低于3 km／h的速度通過軸重檢驗臺時的傳感器輸出電壓信號，如圖1和圖2所示(注：圖中數值均為AD轉換器轉換的數字量，還未換算成工程量)。經過回零及截取等簡單處理其變換后的軸重信號，如圖3和圖4所示。從圖中可以看出在低速情況下，軸重信號的重復性還是比較好，但與靜態時的軸重相比較仍然存在較大誤差。前軸軸重信號的三次峰值為：2 223，2 278，2 225；后軸軸重信號的三次峰值為：2 044，2 043，2 012；靜態時前后軸重分別為：2 550，2 287。相比較動態時軸重明顯比靜態軸重偏小。

圖1 三次前軸通過軸重臺時傳感器輸出電壓信號圖圖2 三次后軸通過軸重時傳感器輸出電壓信號圖圖3 三次前軸軸重信號圖圖4 三次后軸軸重信號圖圖5是第一次前軸信號的功率譜圖，從圖中可以看出，經過硬件和軟件濾波后，軸重信號80％的能量都集中在低于50 Hz的低頻信號范圍內，而影響動態稱重系統計量精度的主要因素是汽車在行駛過程中產生的動態荷載對軸重測量值的干擾。車輛動態荷載的振動頻率在3～20 Hz的低頻范圍內，振幅變化可達靜態載荷的10％，這一狀況決定了通常采用的抑制周期性干擾的濾波方法失效。

圖5 前軸軸重信號的頻譜圖鑒于以上原因，在設計中嘗試采用“建立稱重裝置重力信號模型，利用優化理論，根據測量信號擬和出模型的參數，從而抑制周期性動載干擾”的方法建立如下數學模型：Y(t)=S+∑pi=1Aisin(2πBit+Ci)式中：Y(t)為軸重信號的數學模型；S為靜態時的有效軸重；Ai為軸重信號中不同頻率成份的動載幅值；Bi為不同頻率成份動載的頻率；Ci為不同頻率成份動載的相位；P為汽車車輪動載周期干擾的個數。

實際上，由于即使存在高頻成分，預處理時通常的濾波方法可以有效抑制，因此當P＜3時即可使信號干擾抑制比大于30~40 dB。模型的求解是通過非線性最小二乘法擬合來實現的，擬合出上述模型的各參數后，S即車輛某一軸的靜態軸重。我們采用當前采集的三組軸重數據，擬合出的前軸靜態軸重分別為：2 448，2 496，2 423；后軸靜態軸重分別為：2 187，2 196，2 156。擬合結果與峰值相比更接近于車輛的靜態軸重。

3.3 制動力變化曲線的擬合與繪制

對于制動力變化曲線的擬合，傳統的方法是通過多項式的最小二乘法進行擬合，一般采用的是5次多項式擬合，擬合前后的效果如圖6所示，由該圖可以看出，雖然經過擬合后曲線變得平滑，但在兩處出現劇烈震蕩，未能較好地真實反映動力的變化過程，并且還丟失了重要的拐點特征數據。

圖6 制動力信號的多項式擬合前后效果我們經過分析和多次實驗比較后得知，由于制動力變化曲線的類型未知，所以不宜用代數多項式(或其他基本初等函數)作為擬合函數。因為多項式可由它在很小的區間上的值完全確定，當由多項式描述的曲線在一個小區間上被迫變彎時，它在別處就可能劇烈震蕩，尤其是高次多項式更是這樣。解決的辦法是采用樣條函數擬合。算法如下：

(1) 對原始數據分段。該設計中根據拐值分為三段；

(2) 對各分段的試驗數據(xi，yi)，i=1，2，…，nj，求相應段的擬合函數g(x)；

(3) 利用各分段的擬合函數g(x)計算節點｛xi｝上的插值g(xi)；

(4) 對校正后的試驗數據(xi，g(xi))，i＝1，2，3，…，n，用三次B-樣條函數擬合。擬合結果如圖7所示。

圖7 制動力信號的B-樣條函數擬合效果前后圖3.4 系統中數據采集的預處理算法

在系統得到采集數據后，一般還要對采集數據進行預處理，如數字調零，標度變換，使采樣數據更加接近真值，以便對數據的二次處理更加方便、準確。

3.4.1 數字調零

在模擬輸入通道中，往往存在著零點的偏移和漂移，為此還需對采樣數據進行數字調零，即每次的測量值均減去該通道的零點值。考慮到是否可以采集零點以及何時采集零點與具體的應用情況有關，為此，類庫中提供了零點設置和零點清零兩種確定零點的方法，并在模擬量采集方法中每次減去零點值。在具體編程時，我們采用了在采集數據前先調用零點清零，然后再進行模擬量采集。

3.4.2 標度變換

直接采樣得出的采樣數據還需要進一步的轉換才能轉變為具有工程量綱的數字量。根據采樣數據與被測物理量之間是否存在線性關系，標度變換又可分為線性標度變換和非線性標度變換兩種。線性標度變換方法如下：

一般公式為：Ax＝A0＋(Am-A0)X(Nx-N0)／(Nm-N0)式中：A0為次測量儀表的下限；Am為一次測量儀表的上限；Ax為實際測量值(工程值)；N0為儀表下限對應的數字量；Nm為儀表上限對應的數字量；Nx為測量值對應的數字量。

非線性標度變換的算法較多，常采用的有公式變換法、多項式插值法、最小二乘法、查表法。在設計中軸重和制動力采樣數據的標度變換采用非線性標度變換中的最小二乘法。

4 結 語

本文通過對制動性能檢驗模塊中軸重信號的分析與處理、制動力變化曲線擬合的研究，采用了信號調理放大、數字濾波、曲線擬合等先進的多項綜合技術措施，建立了制動性能檢驗數據處理系統，有效地解決了制動性能檢驗模塊抗干擾問題。目前采用本處理系統的分布式網絡化汽車綜合性能自動測控系統已經成功用于多家汽車檢測線， 制動性能檢驗數據準確，系統性能穩定可靠。

參 考 文 獻

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［7］戴曉峰.淺論汽車檢測設備計算機控制信號處理與標定技術要求［J］.汽車維護與修理，2006(10)：33-35.

［8］JT/T478-2002.汽車檢測站計算機控制系統技術規范.北京：人民交通出版社，2002.

［9］陜西省科技攻關項目“汽車綜合性能分布式計算機網絡自動測控系統研制”(99K11-G6)研究技術報告［R］.2002.

作者簡介 張雪莉 女，1968年出生，高級工程師。主要從事汽車檢驗技術研究。

趙祥模 男，1966年出生，教授，博導。主要從事分布式網絡測控技術、計算機在交通領域的應用研究。

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