本发明是一种用于机动车辆检测的基于连续正弦扫频试验的车辆频响特性获取方法。
背景技术
操纵稳定性试验是整车性能试验中重要组成部分，国家标准gt6323详细规定了多种试验方法，其中转向瞬态响应试验，即转向盘转角脉冲输入信号是一种获取车辆频响特性的主要方法。其方法是：设定汽车以试验车速直线行驶，让其横摆角速度为0±5º/s，此时，作出标记，记下转向盘中间位置为直线行驶位置，然后给转向盘一个三角脉冲转角输入信号。试验时，向左或向右转动受检测汽车的转向盘，并迅速转回原处保持不动，其间允许及时修正转向，全程记录转向过程，直至受检汽车恢复到直线行驶状态。转向盘转角输入脉宽为0.3-0.5s，该方法的缺陷是分析精度不高。
中国公路学报1998年4月第11卷第2期公开了一种《测量车辆横向瞬态响应特征的新测量方法研究》，该文献分析了车辆频响特性与试验结果误差的影响因素，指出了影响频响特性的三种因素：脉冲宽度影响、零线误差影响、不回零输入波形影响。但是，从试验结果上看，仍然存在两个方面问题，一是试验结果的获得、图形表达是否正确存在疑问；二是输入与输出的相关性无法知晓。
综上所述，现有技术中的共同缺陷是：数据输入不明确，结果分析精度不高，试验正确性难判读，输入输出的相关性无法知晓。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于连续正弦扫频试验的车辆频响特性获取方法，所述方法通过对转向盘正弦扫频输入，记录车辆横摆角速度、侧向加速度、侧倾角、侧偏角信号曲线，计算功率谱密度、频响特性及相干系数，提供了获取频响特性的系统解决方案。所述方法有效地提高了试验分析精度，可靠地掌握了输入输出的相关性。
本发明所采用的技术方案为：
设计一种基于连续正弦扫频试验的车辆频响特性获取方法，包括设定试验条件和试验指标、扫频试验、信号获取与数据处理等三个步骤，在设定试验条件和试验指标阶段，试验条件包括：采样频率≥100hz，测量系统的频带宽度≮4hz，采样信号的滤波应保证各个通道之间没有相位差，试验中首选转向辅助装置在转向盘转速≯1200deg/sec时、可提供转向力矩40～60nm，环境温度为0～40℃、风速≯3m/s、干燥平整的检测场地坡度≯2％，受检测车辆及其轮胎符合规定技术条件，试验载荷为设计质量状态；试验指标包括：功率谱密度、转向灵敏度、横摆角速度对转角响应、侧倾角对侧向加速度增益响应、侧偏角对侧向加速度增益响应及其对应相干函数图；在扫频试验阶段，扫频试验项目包括：转向盘转角α的测量范围为±180°，侧向加速度ay的测量范围为±9.8
所述受检测车辆及其轮胎的规定技术条件包括，车轮定位参数的测定，转向系统和悬架系统的检查、调整和紧固；如果采用新轮胎，其轮胎至少经过200km正常行驶磨合，如果采用旧轮胎，其残留轮胎花纹高度应当不小于1.6mm；受检测车辆的轮胎气压应当调整至技术条件推荐的冷态轮胎压力状态；所述受检测车辆的试验载荷与设计质量包括，如果乘员加测试仪器超出设计质量，则按实际装载质量进行试验，并在试验报告中注明；乘员和装载物的分布应符合国家标准gb/t12534的规定，其轴载质量必须符合相应技术条件；检测用传感器、装载物应当以安全的方式定位牢固，以避免在试验过程中发生移动。
扫频试验时，所述转向盘转角α为±50°时，其测量仪器及系统记录的最大误差为±0.1°，所述转向盘转角α为±180°时，其测量仪器及系统记录的最大误差为±2°；所述侧向加速度ay的测量仪器及系统记录的最大误差为±0.15
本发明的有益效果是：由于试验指标设置了功率谱密度、转向灵敏度、横摆角速度对转角响应、侧倾角对侧向加速度增益响应、侧偏角对侧向加速度增益响应及其对应相干函数图等，因而试验数据可靠、输入输出的关系明显。同时由于扫频试验设置转向盘转角α、侧向加速度ay、横摆角速度ω、侧偏角β和侧倾角θ等项目，因而检测数据有效、分析可信度高。另外由于在信号获取与数据处理阶段采用了相关的特征信号、传递函数和相干系数，因而可以有效地通过数据处理获取频响特征、正确地表述输入输出的相关性。本发明还具有方法简单、数据可靠、试验重复性好和应用广泛的优点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
步骤一，设定试验条件和试验指标。
试验条件包括：采样频率≥100hz，测量系统的频带宽度≮4hz，采样信号的滤波应保证各个通道之间没有相位差，试验中首选转向辅助装置在转向盘转速≯1200deg/sec时、可提供转向力矩40～60nm，环境温度为0～40℃、风速≯3m/s、干燥平整的检测场地坡度≯2％，受检测车辆及其轮胎符合规定技术条件，试验载荷为设计质量状态；
试验指标包括：功率谱密度、转向灵敏度、横摆角速度对转角增益响应、侧倾角对侧向加速度增益响应、侧偏角对侧向加速度增益响应及其对应相干函数图。
所述受检测车辆及其轮胎的规定技术条件包括，车轮定位参数的测定，转向系统和悬架系统的检查、调整和紧固；如果采用新轮胎，其轮胎至少经过200km正常行驶磨合，如果采用旧轮胎，其残留轮胎花纹高度应当不小于1.6mm；受检测车辆的轮胎气压应当调整至制造厂技术条件推荐下的冷态轮胎压力状态；所述受检测车辆的试验载荷与设计质量包括，如果乘员加测试仪器超出设计质量，则按实际装载质量进行试验，并在试验报告中注明；乘员和装载物的分布应符合国家标准gb/t12534的规定，其轴载质量必须符合相应技术条件；检测用传感器、装载物应当以安全的方式定位牢固，以避免在试验过程中发生移动。
所述功率谱密度包括，频率在0～4hz范围内，转向盘转角、横摆角速度、侧向加速度、侧倾角、侧偏角的功率谱密度。
所述转向灵敏度包括，频率在0～4hz范围内，侧向加速度对转向盘转角增益响应曲线上，0.2hz处的转向灵敏度、转向灵敏度频带宽度、侧向加速度响应时间。
所述横摆角速度对转角增益响应包括，频率在0～4hz范围内，横摆角速度对转向盘转角增益响应曲线上，0.2hz处的横摆角速度增益、横摆角速度增益频带宽度、横摆角速度响应时间、峰值横摆角速度增益、峰值横摆角速度增益对应频率、峰值横摆角速度增益与稳态横摆角速度增益比。
所述侧倾角对侧向加速度增益响应包括，频率在0～4hz范围内，侧倾角对侧向加速度增益响应曲线上，0.2hz处的侧倾角增益、峰值侧倾角增益、峰值侧倾角增益对应的频率、峰值侧倾角增益与稳态侧倾角增益比、峰值侧倾角增益与峰值横摆角速度增益对应的频率比。
所述侧偏角对侧向加速度增益响应包括，频率在0～4hz范围内，侧偏角对侧向加速度增益响应曲线上，0.2hz处的侧偏角增益、峰值侧偏角增益、峰值侧偏角增益对应的频率、峰值侧偏角增益与稳态侧偏角增益比。
所述其对应相干函数图包括，频率在0～4hz范围内，侧向加速度对转向盘转角增益响应幅值特性、相位特性及相干系数图；还包括，频率在0～4hz范围内，横摆角速度对转向盘转角增益响应幅值特性、相位特性及相干系数图；还包括，频率在0～4hz范围内，侧倾角对侧向加速度增益响应幅值特性、相位特性及相干系数图；还包括，频率在0～4hz范围内，侧偏角对侧向加速度增益响应幅值特性、相位特性及相干系数图。
步骤二，扫频试验。
在扫频试验阶段，扫频试验项目包括：转向盘转角α的测量范围为±180°，侧向加速度ay的测量范围为±9.8
扫频试验时，所述转向盘转角α为±50°时，其测量仪器及系统记录的最大误差为±0.1°，所述转向盘转角α为±180°时，其测量仪器及系统记录的最大误差为±2°；所述侧向加速度ay的测量仪器及系统记录的最大误差为±0.15
受检测样车在步骤一规定的试验条件和技术条件下，初始化传感器并清零，以试验车速行驶10km以上，使轮胎升温，完成后，采用试验推荐车速100±2km/h，或者采用备选车速60km/h、80km/h、120km/h、140km/h，保持直线行驶3s后，以等幅正弦波的方式转向，转向盘输入频率由低到高，至少应涵盖0.2～3hz区间，转向盘转角的输入幅度应能使得左、右两个方向的峰值侧向加速度平均值达到0.4±0.02g。记录时间内应尽可能保持车速恒定。
步骤三，信号获取与数据处理。
在信号获取与数据处理阶段，所述信号与数据包括：数据采集仪采集信号、离散数字序列巴特沃兹低通滤波，转向盘和输出信号及其自功率谱密度，自功率谱与互功率谱及其传递函数、系统幅值和相位特性，自功率谱、互功率谱或mscohere函数与输入与输出的相干系数。
所述数据采集仪采集信号包括：转向盘转角α，车身与地面倾斜夹角θ，车辆侧偏角β，车身侧向加速度ay，车身横摆角速度ω。
所述离散数字序列巴特沃兹低通滤波包括，分别设定巴特沃兹分子分母阶数、截止频率，通过分子、分母阶数、截止频率和采样频率计算巴特沃兹滤波器系数，并使用无相位差滤波器filtfilt进行数据滤波；
所述转向盘和输出信号及其自功率谱密度包括，步骤二中采集所得α、θ、β、ay、ω信号，经filtfilt低通滤波器滤波后的离散数字序列；还包括，α、θ、β、ay、ω经滤波后的离散数字序列功率谱密度；
所述自功率谱与互功率谱包括，α、ay经滤波后的离散数字序列自功率谱，和ω与α，ay与α，θ与ay，β与ay经滤波后的离散数字序列互功率谱。
所述其传递函数、系统幅值和相位包括，横摆角速度对转向盘转角的传递函数及传递函数的幅值和相位特性，侧向加速度对转向盘转角的传递函数及传递函数的幅值和相位特性，侧倾角对侧向加速度传递函数及传递函数的幅值和相位特性，侧偏角对侧向加速度传递函数及传递函数的幅值和相位特性。
所述输入与输出的相干系数包括，频率在0～4hz范围内，侧向加速度与转向盘转角相干系数；还包括，频率在0～4hz范围内，横摆角速度与转向盘转角相干系数；还包括，频率在0～4hz范围内，侧倾角对侧向加速度相干系数；还包括，频率在0～4hz范围内，侧偏角对侧向加速度相干系数。
步骤二采集所得α、θ、β、ay、ω信号，经filtfilt低通滤波器滤波后得到α、θ、β、ay、ω离散数字序列；设定自相关及其傅里叶变换的谱线数，调用xcorr函数计算经低通滤波后的α、θ、β、ay、ω离散数字序列的自相关函数，用bartlett法求自相关函数的傅里叶变换，所得傅里叶变换的幅值即为相应输出的功率谱密度，并作出频率在0～4hz功率谱密度图。
选择汉宁窗求输入与输出自功率谱和互功率谱，设定汉宁窗长度、重叠数和采样频率，调用pwelch函数求α、ay自功率谱，调用cpsd函数求ω与α，ay与α，θ与ay，β与ay互功率谱；
ω与α的互功率谱与α的自功率谱之商即为横摆角速度对转向盘转角的传递函数，其幅值和相位即为横摆角速度对转向盘转角增益响应的幅频和相频特性；ay与α的互功率谱与α的自功率谱之商即为侧向加速度对转向盘转角的传递函数，其幅值和相位即为侧向加速度对转向盘转角增益响应的幅频和相频特性；θ与ay的互功率谱与ay的自功率谱之商即为侧倾角对侧向加速度传递函数，其幅值和相位即为侧倾角对侧向加速度增益响应的幅频和相频特性；β与ay的互功率谱与ay的自功率谱之商即为侧偏角对侧向加速度传递函数，其幅值和相位即为侧偏角对侧向加速度增益响应的幅频和相频特性。
调用mscohere函数，采用上述汉宁窗相同的窗长度、重叠数、傅里叶变换的谱线数设定，计算侧向加速度与转向盘转角相干系数、横摆角速度与转向盘转角相干系数、侧倾角对侧向加速度相干系数、侧偏角对侧向加速度相干系数；
作出频率在0～4hz范围内，侧向加速度与转向盘转角增益响应幅频、相频特性及相干系数图，横摆角速度与转向盘转角增益响应幅频、相频特性及相干系数图，侧倾角对侧向加速度增益响应幅频、相频特性及相干系数图，侧偏角对侧向加速度增益响应幅频、相频特性及相干系数图。
在所作四组增益响应曲线中找出0.2hz对应数值，即为0.2hz处增益值；转向灵敏度、横摆角速度增益频带宽度为对应增益响应曲线从最大值衰减3db对应的上下频率间的频带宽度；响应时间为1除以圆周率π与相应频带带宽之积的商；峰值增益为频响特性幅值图中最大值，峰值频率为幅频特性图中幅值最大值所对应的频率，当不存在明显的最大值时，按70%输出响应的通频带除以
本发明提供的车辆频响特性获取方法，通过在规定试验条件下获得方向盘和输出信号数字离散序列，经过数据处理、指标提取、结果表达，实现了车辆频响特性获取，试验分析可信度高，试验数据质量一目了然，输入与输出间关系显而易见等优点。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和描述。