基于轮速传感器判定颠簸路面的研究

2015-09-25韩俊吴琼王洪静

汽车实用技术 2015年11期

韩俊，吴琼，王洪静

引言

《GB18352.5-2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》要求发动机电控系统必须具备车载诊断OBD（On-Board Diagnostic，OBD）系统，其中失火诊断OBD诊断项目中的重要内容之一[1]。当发动机失火，气缸中的混合气没有经过燃烧直接排至大气中，会导致发动机尾气排放中的HC和NMHC明显增高，从而对环境产生危害。为此，需要对发动机是否发生失火进行诊断，当出现失火需要点亮MIL灯，告知驾驶员尽快去维修站维修。

当发动机发生失火时，由于失火气缸中的混合气没有发生燃烧输出动力，而导致发动机转速发生变化，当前失火诊断的主要逻辑是ECU监测发动机曲轴加速度是否发生变化，当发动机出现失火曲轴角加速度会出现一个跳变信号，此信号经过ECU处理，如果这个信号满足失火判断条件，判断发动机失火并点亮MIL灯。

然而，当汽车行驶在搓板路，鹅卵石路等颠簸路上时，颠簸的路面对车轮的冲击通过传动系传递到发动机曲轴上，导致曲轴角加速度也会出现跳变，如果按照当前的失火诊断控制逻辑就会误判为失火而点亮MIL灯[3]。

为了防止误判，颠簸路面的判断方式主要依靠弱加速度传感器检测车辆是否行使在颠簸路面上，但弱加速度传感器长久使用会出现信号失真或失灵的现象，且增加了车辆成本。因此，本研究专门研究一种基于轮速传感器的颠簸路面识别方法，让ECU识别车辆行驶在颠簸路上，屏蔽失火诊断防止误判失火。

1、颠簸路面衡量指标

当车辆行驶在颠簸路面上，凸凹不平的路面会对车轮产生冲击，这些冲击会让车轮运动发生变化，这些变化会由轮速传感器感监测测到并传递至ECU[5]。霍尔轮速传感器的原始脉冲信号在颠簸路面上不会发生变化，不宜用作衡量指标。然而根据轮速传感器原始信号计算得到的轮速和轮加速度值是连续的，且行驶路况不同，其轮速及轮加速度值也不相同，它们具备作为衡量指标的条件[6]。

因此，以轮速或轮加速度作为判定颠簸路面的研究对象，但两者表征颠簸路的准确度还需试验研究。

1.1 路面对轮速的影响

本研究以一款配置2.0T发动机5MT变速箱，滚动半径为18寸的车辆为研究对象，研究路面对轮速的影响。车辆行驶在颠簸路面上用INCA软件以125ms的采样频率分别采集车速为30km/h，50km/h，70km/h，90km/h的轮速传感器信号，如图1所示。车辆行驶在平路路面上以125ms的采样频率采集车速30km/h的轮速传感器信号，如图2所示。

图1 中车辆颠簸路上行驶，当车速为30km/h，50km/h,70km/h，90km/h时，轮速值分别以 30km/h，50km/h,70km/h,90km/h为中轴上下跳动，幅值在±4km/h以内。图2中车辆平路上行驶，由于油门波动和ECU的控制误差，当车速为30km/h时轮速波动在±2km/h以内。若加上量产时的油门散差及不同驾驶员油门波动的控制精度，在行驶时轮速的波动可能会超过±4km/h，与颠簸路产生重叠区域。因此若以轮速值的变化来衡量车辆是否处于颠簸路，易产生误判。

1.2 路面对轮加速度的影响

对上述颠簸路工况下轮速为30km/h，50km/h，70km/h，90km/h行驶工况以3个采样周期即375ms计算轮加速度，如图3所示。对上述平路路面30km/h行驶时以3个采样周期即375ms计算轮加速度，如图4所示。

图3 中，在颠簸路面上车辆的加速度围绕0轴正负跳变，且在30km/h、50km/h、70km/h、90km/h的不同车速下轮加速度上下跳变的区域非常集中，即在颠簸路面上轮加速度跳变值与车速关系不大，且轮加速度值集中在±6g/s2之间。图4中平路上的轮加速度集中在±0.5g/s2之间，颠簸路和平路轮加速度值差别很大，因此用轮加速度值判别颠簸路面不会误判。

2、轮加速度的处理

2.1 轮加速度求平均值

图3中轮加速度图中有超过8g/s2的三个峰值，这三个峰值来源于30-50km/h，50-70km/h,70-90km/h的油门加速导致的轮速突变，这种由于加速与减速引起的轮加速度跳变并不是颠簸路导致的，需要弱化这种工况的轮加速度值对判定的影响。因此可以采取求平均值的方法，对K个轮加速度进行累加，然后求平均值。

2.2 轮加速度求绝对值

选取由图3、图4可知，轮加速度有正有负，正负值都代表路面对车轮的冲击。如果直接累加会导致正负值相抵，削弱了轮加速度的振幅，因此，在对K个轮加速度先取绝对值再进行累加。

2.3 轮加速度累加变量

当车辆行驶在平路上时，因为轮速的波动，轮加速度也不恒定为0值，而是在0值附近微小的正负跳动，如上图4所示。而此种行驶在平路上的工况，不属于颠簸路面的判定范畴。因此在对轮加速度累加前，先与平路的轮加速度绝对值A比较，A的设定为平路轮加速度分布值的绝对值，图4中轮加速度集中在±0.5g/s2，A 设定为 0.5g/s2。若大于此值进行累加，小于此值则置 0，保证颠簸路面上的轮加速度是以0的起点开始累加。

2.4 轮加速度累加个数K的选取

K值的选取原则为要把颠簸路工况下因为加减速导致的最大绝对轮加速度平均到匀速行驶的加速度值附近。如图 3中颠簸路面上轮加速度绝对值集中在 6g/s2内，突然加速时轮加速度最大值为9.87g/s2，要把最大值平均到6g/s2附近，那么 K=（9.87+X*6）/（X+1），当 X=90时，K=6.04≈6，取90次。

3、颠簸路面表征值

颠簸路面表征值是指能准确表征车辆处于颠簸路行驶的数值。通过上面研究可知由轮速传感器脉冲信号得到轮速之后，需要对轮速求其加速度，并对加速度做运算优化处理，最后得到的数值才是能反应颠簸路面的表征值，具体算法流程如下：

（a）计算轮速WS：

式中：T为脉冲周期；R为滚动半径。

（b）计算轮速加速度绝对值WSA：

式中：Δt为可标定时间段。

（c）轮加速度累加变量M：

若WSAA，则M=WSA。

A为平路轮加速度分布值的绝对值，WSA为颠簸路轮加速度绝对值。

（d）颠簸路面指标值Index计算，公式如下：

式中：K为可标定的累加次数。

4、颠簸路面监测限值

颠簸路面监测限值是用来衡量颠簸路面表征值，当运算后的颠簸路面表征值大于限值时，即表明车辆行驶在颠簸路面上。因此监测限值的设定要小于不同颠簸路面计算得到的颠簸路表征值的最小值。

图5中方框从左到右依次为车辆行驶在搓板路、坑洼路，鹅卵石路上计算得到的颠簸路面表征值，可以看出颠簸路况不同表征值也不同，搓板路平均Index为2.83g/s2，坑洼路平均Index为5.75g/s2，鹅卵石路平均Index为1.67g/s2。这些路面都属于颠簸路，都需要被识别出来，颠簸路面监测限值的设定需要小于1.67g/s2，上述三种颠簸路面的工况才能全被监测到。同时为了排除车辆散差及不同地域颠簸路面不同的影响，因此以三种工况的平均Index最小值1.67g/s2的3/4即1.25g/s2作为限值。

由此得出限值的设定方法是让车辆行驶在不同的颠簸路面上，如鹅卵石路、搓板路，比利时路等等凹凸不平的颠簸路上，分别计算这些路面上的表征值，最后以最小表征值的3/4作为颠簸路面监测限值。即：

式中：n表示需监测颠簸路工况的个数。