汽車平順性試驗數據處理系統的研究及實現

高小清

（東風本田汽車有限公司，武漢430056）

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汽車平順性試驗數據處理系統的研究及實現

高小清

（東風本田汽車有限公司，武漢430056）

【摘要】針對汽車平順性試驗數據處理系統的關鍵問題進行了研究。通過比較幾種功率譜算法的特點，確定采用Welch法來計算功率譜密度；通過比較幾種數據處理平臺的優缺點，確定采用數值分析軟件Matlab的GUI模塊來搭建汽車平順性試驗數據處理系統。所開發的系統操作簡單，界面友好，點擊按鈕即可完成數據曲線的繪制及生成試驗報告，可提高工作效率，節省軟件開發費用。

1　前言

汽車平順性試驗是汽車整車試驗的重要內容之一［1］。通常在進行平順性試驗時，需要相應的軟件對試驗數據進行處理，但由于目前尚缺乏專門的數據處理軟件，因而給平順性試驗帶來了極大不便。為此，針對汽車平順性試驗數據處理中的關鍵問題，利用數值分析軟件Matlab的GUI（圖形用戶界面）模塊搭建了汽車平順性試驗數據處理系統，利用該系統順利完成了對試驗數據的處理，大大節省了軟件開發費用。

2　平順性試驗數據處理流程

汽車平順性試驗分為隨機輸入行駛試驗和脈沖輸入行駛試驗，試驗數據的具體處理流程如下。

2.1隨機輸入行駛試驗數據處理流程

標準GB/T4970—1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》中規定，對轎車進行隨機輸入行駛試驗時，應將三向加速度傳感器放置于左側前排座椅和后排座椅上，駕駛汽車勻速通過一平直路段，利用數據采集裝置記錄這一時間段內汽車以40、50、60、70、80、90、100 km/h等速度勻速行駛時的加速度傳感器數據。對試驗數據進行處理前，首先計算出各車速下的總加權加速度均方根值，然后利用各均方根值繪制成車速特性曲線，根據車速特性曲線來評價汽車隨機輸入行駛工況下的平順性。

各車速下的總加權加速度均方根值計算流程如圖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　總加權加速度均方根值計算流程

X方向加權加速度均方根值axw計算式為：

式中，wj為第j個1/3倍頻程的加權系數。

總加權加速度均方根值aw0計算式為：

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

2.2脈沖輸入行駛試驗數據處理流程

標準GB/T5902—86《汽車平順性脈沖輸入行駛試驗方法》中規定，對轎車進行脈沖輸入行駛試驗時，應將加速度傳感器放置于左側前排座椅、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，利用數據采集裝置記錄這一時間段內加速度傳感器的數據，每種車速下進行多次試驗取平均值以減小誤差。處理數據時，首先計算某車速下每次試驗時的Z向最大加速度Zmax j（j為試驗次序），然后對各Zmax j值進行平均得到Zmax，對其它車速下的數據均進行上述處理，得到車速特性曲線Zmax-v，利用Zmax-v即可評價汽車脈沖輸入行駛工況下的平順性。

3　平順性試驗數據處理關鍵問題

由平順性試驗數據處理流程可知，脈沖輸入行駛試驗的數據處理較簡單，只需在各時域數據內找出最大值進行平均即可；難點在于隨機輸入行駛試驗的數據處理，即加速度功率譜密度的計算是關鍵，因其算法的優劣直接關系到最終結果的精度。另一方面，由于汽車平順性試驗數據處理系統涉及到復雜、大型的運算，因此，數據處理系統搭建平臺的選擇也是關鍵問題，它直接關系到系統設計的復雜程度及系統的運行速度。

3.1加速度功率譜密度的計算

目前，功率譜密度的計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，是將隨機信號的N個觀測數據視為一能量有限的信號，直接取觀測數據的傅立葉變換，然后再取其幅值的平方并除以N作為對隨機信號真實功率譜的估計［2］，其缺點是功率譜估計的方差較大；間接法是先由隨機信號的N個觀測數據估計出自相關函數，再對自相關函數進行傅立葉變換，得到觀測數據的功率譜，并以此作為對隨機信號真實功率譜的估計，其缺點是功率譜密度可能出現負值，失去了功率譜的物理意義。

對于由直接法得到的功率譜估計，當數據長度N太大時，譜曲線起伏加劇，N太小時，譜的分辨率又不好，因此需要進行改進，而Bartlett法和Welch法正是直接法的改進方法。

Bartlett法是先將N點隨機信號均勻分段，再用直接法求出各段的功率譜，然后將所有段的功率譜進行平均，相比直接法，Bartlett法可使譜估計的方差減小。Welch法又對Bartlett法做了兩方面的改進，一是對觀測數據分段時，可允許相鄰兩段數據之間有部分的重疊，這樣可進一步改善譜估計的方差；二是每一段的數據窗口可使用矩形窗之外的窗函數，這樣可改善由于矩形窗旁瓣較大所引起的譜失真。Welch法又稱為加權交疊平均法，是應用較廣泛的一種計算方法［2,6］。

利用matlab軟件［3～6］對4種功率譜密度算法進行了對比，結果如圖2所示。其中Welch法使用的窗函數為漢明窗，其它算法的窗函數均為矩形窗。

圖2　4種功率譜密度算法對比結果

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輸入行駛試驗精度的重要途徑，所以對于隨機輸入行駛試驗Welch法是最合適的功率譜計算方法。

3.2數據處理系統平臺搭建

目前系統構建技術有以下3種：一是采用Visual Basic、Visual C++等軟件搭建數據處理系統，所有的數據運算及處理均采用高級語言編程來完成；二是采用Visual Basic、Visual C++等軟件搭建數據處理系統，通過Visual Basic、Visual C++等啟動數值分析軟件Matlab引擎來完成復雜的、大型的數據運算；三是利用軟件Mat?lab的GUI（Graphical User Interfaces，GUI）模塊來搭建數據處理系統。

以上3種方式中，第1種方式需要編寫復雜、大型的數據處理函數，程序編制工作十分繁重，優點是可生成可執行文件，無須特定的運行環境；第2種方式需要Matlab軟件的支撐，且由其搭建的系統的運行速度受到限制；第3種方式充分利用了Matlab GUI模塊強大的數值處理功能，無需編寫復雜的、大型的數據處理函數，同時也可生成可執行文件。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數據處理系統。

4　試驗數據處理系統的實現

4.1系統搭建方式

由于汽車平順性試驗涉及隨機輸入和脈沖輸入兩個試驗，因此，試驗數據處理系統應包含這兩個試驗的數據處理過程，要實現此功能必須采用類似Microsoft Windows系統中的選項卡控件。由于Matlab GUI模塊無相應的選項卡控件，所以設置了兩個命令按鈕來控制兩個面板控件的可見性，兩個面板分別對應兩個試驗，如此即實現了選項卡功能。

4.2系統功能實現

以隨機輸入行駛試驗為例，其數據處理流程如圖3所示。

系統運行前，首先將各車速下的加速度時域文件（txt格式）放在數據處理系統指定的目錄下。啟動系統后，系統將自動導入各加速度時域文件數據并進行運算。

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

圖3中，“計算某車速下各方向1/3倍頻程加速度均方根值”是通過Matlab軟件中的梯形數值積分函數trapz來實現的，其計算精度較高；“計算其它車速下的總加權加速度均方根值”是通過遍歷系統指定目錄下的各車速下的加速度時域文件來實現的；“試驗報告生成”是通過建立EXCLE文件操作對象來實現的。

為保證系統界面的友好性，系統開發時采取了如下措施：

a.在系統界面中使用最少的控件；

b.在隨機輸入行駛試驗界面中，“譜線數”、“重疊率”等參數都設置成下拉框形式。

c.在系統中進行異常情況監測，若加速度時域文件未放入系統指定的目錄下或txt文件中數據列數錯誤、數據采樣頻率過低則系統將報錯。

4.3系統操作

汽車平順性試驗數據處理系統界面如圖4和圖5所示。

圖4　隨機輸入行駛試驗系統界面

圖5　脈沖輸入行駛試驗系統界面

單擊圖4或圖5中的“隨機輸入”和“脈沖輸入”按鈕可在隨機輸入行駛試驗和脈沖輸入行駛試驗之間進行切換；單擊“導入數據并繪圖”按鈕，系統將自動導入數據進行處理并繪制車速特性曲線；單擊“加速度”和“加速度級”單選按鈕，可使車速特性曲線在兩者之間切換；單擊“報告生成”按鈕，系統可自動生成汽車平順性試驗報告［7～9］，如圖6所示。

圖6　系統自動生成的試驗報告示例

5　結束語

本文針對汽車平順性試驗數據處理系統的關鍵問題進行了研究，通過比較分析，確定采用Welch法來計算功率譜密度，采用數值分析軟件Matlab的GUI模塊來搭建汽車平順性試驗數據處理系統。該系統操作簡單，界面友好，點擊按鈕即可完成數據曲線的繪制及試驗報告的生成，大幅提高了工作效率。

參考文獻

1湯愛華，歐健，鄧國紅，等.汽車平順性試驗數據處理方法.重慶工學院學報：自然科學版，2008,22（3）:92～96.

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9謝中華. MATLAB統計分析與應用：40個案例分析.北

京：北京航空航天大學出版社，2010.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2015年11月2日。

主題詞:汽車平順性試驗數據處理功率譜

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:U467.1；U462.3

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）04-0049-04