基于多信號源融合的汽車車速信號處理及應用

冷德龍，杜 潔，孫連明，蘇朋軍

（中國第一汽車集團有限公司研發總院，吉林 長春 130011）

隨著交通運輸行業的發展，商用車的市場保有量大幅上漲，先進的技術手段也得到廣泛應用。商用汽車控制是一個比較復雜的過程，其中，車速信號對于商用汽車控制來說是一個非常重要的信號，車速信號不可靠會給汽車控制帶來非常嚴重的問題，甚至會危及行車安全［1］。目前多數商用汽車是由組合儀表IC采集車速傳感器的脈沖信號［2］，實現組合儀表車速指示、里程累積，并且通過CAN總線轉發給發動機電控系統EMS、行車記錄儀TCO等，如圖1所示。但是存在一些問題，主要是由于電氣系統干擾、機械連接不可靠等因素引起的車速信號不穩定、車速信號丟失等問題，給汽車控制帶來非常嚴重的問題，直接危及行車安全。另外，由于整車載荷、輪胎氣壓不足、輪胎打滑等因素，車速指示出現偏差，從而導致行駛里程不準確，給用戶帶來不便［3］。

圖1 車速信號路由示意圖

本文首先分析產生當前故障可能存在的故障模式，并從故障件試驗、故障件拆解、原理理論分析、臺架試驗、故障車采集信號等方面排查。最終確定通過對儀表軟件優化，采用多信號源融合冗余處理方案，以提高車速信號的可靠性。同時通過試驗測試驗證確認符合設計要求，最終該方案得到批量裝車應用。

1 問題分析

1.1 問題描述

車輛行駛過程中，偶發車速表指針抖動，較明顯的一個現象就是：定速巡航保持80 km／h的速度行駛，突然出現車速表指針從80 km／h瞬間跌落到30 km／h左右，甚至會到0，然后又返回正常的車速指示值。同時，由于發動機電控系統接收儀表的車速信號，由于車速小于某一臨界值，整車定速巡航會自動退出。

1.2 問題定位

從整車及零部件性能 （EMC干擾、電性能）、搭鐵線干擾 （零漂）、線束插接器接觸不良、傳感器同變速器齒輪接觸振動、儀表車速處理算法 （包括濾波、異常處理）、零部件硬件電路設計等方面依次排查，結論見表1。

表1 問題排查過程

通過對可能存在的故障模式從故障件試驗、故障件拆解、原理理論分析、臺架試驗、故障車采集信號等方面排查，最后確定從優化組合儀表軟件著手。

2 多信號源融合方案

由于整車ABS標配，通過實車測試，將ABS車速信號同變速器上的車速傳感器信號進行對比，如圖2所示，ABS車速信號同車速傳感器車速信號一致 （按照法規要求，正常儀表指示車速比實際偏大），并且ABS車速信號較穩定，可以引入ABS信號源實現車速指示的冗余設計，同時對于配置車隊管理模塊的車型，還引入了GPS信號進行冗余校驗。通過改進算法策略提示車速指示、CAN輸出的可靠性。

圖2 ABS車速信號值同車速表指示值對比

2.1 方案描述

多信號源融合的車速信號處理方案，該系統包括安裝在變速器上的車速傳感器、防抱死制動系統ABS、具有GPS模塊的車隊管理系統和接收以上3種車速信號的組合儀表。圖3為系統連接框圖。其中，組合儀表與車速傳感器通過硬線相連，防抱死系統ABS、車隊管理系統 （含GPS模塊）、組合儀表通過整車CAN總線相連。車速傳感器將變速器輸出軸的轉速信號轉換為方波脈沖信號，組合儀表接收車速傳感器的脈沖信號，根據內部存儲的后橋速比、輪胎滾動半徑計算出車速值，即為車速信號一。防抱死系統ABS通過輪速傳感器采集車輪轉速信號，組合儀表通過CAN總線接收防抱死系統ABS的輪速信號［4］，根據內部存儲的輪胎滾動半徑計算出車速值，即為車速信號二。車隊管理系統含有GPS模塊，可以時刻記錄整車的行駛軌跡、速度、里程信息，組合儀表IC周期性地通過CAN接收車隊管理系統的GPS信號，實現對整車行駛車速、里程的校正，即車速信號三，其中校正系數K，默認為1.00。

圖3 多車速信號源融合系統框圖

該多信號源融合的車速信號處理系統，在不同的工作情況下，組合儀表可以接收到車速信號一、車速信號二和車速信號三中的一種或多種車速信號。組合儀表車速信號處理策略如下：①當以上3種車速信號均存在，優先采用車速信號一，并采用車速信號二進行冗余校驗，采用車速信號三進行校正。②當車速信號一丟失，車速信號二、車速信號三存在，則采用車速信號二進行指示，采用車速信號三進行校正。③當車速信號一、車速信號三存在，車速信號二丟失，則采用車速信號一指示，采用車速信號三進行校正。④當車速信號一、車速信號二存在，車速信號三丟失，則采用車速信號一指示，并采用車速信號二進行冗余校驗，不進行校正。⑤當車速信號一或車速信號二其一丟失，且車速信號三丟失，則采用另外一路信號進行指示，不進行校驗、校正。⑥當車速信號一、車速信號二丟失，不考慮車速信號三，則無車速指示，提示需要立即維修。

對于以上3種車速信號需要進行信號無效和有效判斷，需要進行丟失 （延遲）和恢復處理。對于以上任一情況，如果存在任一車速信號異常，組合儀表會記錄并存儲故障供維修查詢，并可通過車隊管理系統傳回后臺信息系統。

另外，除了不同信號源之間比對校驗，在不影響響應特性要求的前提下，融入加速度控制策略，即當連續2次周期采樣 （ms級）車速差值超過某一值 （根據標定情況確定），延遲一段時間 （ms級）再進行判斷，并響應車速表指示和車速信號的輸出。

2.2 試驗測試

對改進的組合儀表樣件進行臺架功能測試并通過。對試驗車換裝新組合儀表并進行狀態情況跟進，統計信息見表2。試驗車最長行駛30 000 km，最長時間120天未出現車速相關異常情況。

通過整車試驗，驗證了多信號源融合的車速處理方案的可行性。即使系統干擾、連接不可靠、車速傳感器失效，儀表也能獲取準確的車速信號并發送給其他控制器使用；即使在整車載荷變化、輪胎氣壓不足等狀況下，儀表也能正確指示車速、里程。通過多車速信號源融合的冗余設計達到車速可靠顯示與輸出，自動定期校正的作用。組合儀表新設計方案已正式切換應用。

表2 改進儀表車速試驗情況跟進

3 結論

通過故障模式分析，得出問題解決方案，提出對組合儀表進行軟件優化，并采用多信號源融合冗余處理方案，以提高車速信號的可靠性。該車速信號處理系統融合了車速傳感器硬線脈沖信號、防抱死制動系統ABS的CAN信號和車隊管理系統的GPS車速信號共3種車速信號源，通過多數據源的車速信號互相冗余校驗、修正，有效解決了單一車速信號源系統由于干擾、連接不可靠等因素引起的車速異常問題，避免了由于整車載荷變化、輪胎氣壓不足等原因產生的車速、里程不準問題，保證了整車車速信號的穩定性和可靠性。該多車速信號源融合冗余處理方案為車速設計提供了參考意義。