动态胎压传感器在公路路面行...舒适性检测技术中的应用研究_叶伟.pdf

第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源：重庆市自然科学基金面上项目（）收稿日期：修改日期：，（，；（），；，；，）：，（），（）（）（，），（），（）（）（），（）（），（）（）（）（）：；：动态胎压传感器在公路路面行车舒适性检测技术中的应用研究叶 伟，胡晓阳，刘晓江，徐正卫，高 博，李立国，（国家山区公路工程技术研究中心，重庆；招商局公路信息技术（重庆）有限公司，重庆；哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院，广东 深圳；重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆）摘 要：利用高灵敏度、高分辨率动态胎压传感器和数采系统，通过采集车辆行驶过程中轮胎动态胎压的实时信号，以轮胎动态胎压 和行车速度 为输入，经过速度胎压能量拟合消除行车速度影响，并采用胎压计权滤波算法进行干扰抑制，对去噪后的信号求均方根得到等效动态胎压（，）。为便于进行路面行车舒适性数据的标准化评价，将等效动态胎压 映射到 分值范围内，构建路面颠簸指数（，），借助全身振动测试仪测算出行车过程中基于三维坐标系（、坐标轴）下的计权加速度均方根的合成值（即振动总量），联合振动总量 和等效动态胎压 构建最小二乘目标函数，并基于不同路面典型病害下的观测数据 和 计算出待估参数，得到振动总量 与等效动态胎压 的关系式。利用振动总量 和路面颠簸指数（，）工程经验值的对应关系，经数据拟合后得到振动总量 与颠簸指数 的换算关系式，代入以等效动态胎压 为变量的振动总量 表达式，实现等效动态胎压 与颠簸指数 的换算。关键词：动态胎压传感器；计权滤波；等效动态胎压；全身振动测试仪；振动总量；颠簸指数中图分类号：文献标识码：文章编号：（）传 感 技 术 学 报第 卷 公路路面不平整会使车辆在行驶过程中产生振动，驾乘人员也会因此感到颠簸，更重要的是这种行车颠簸会降低车辆的平顺性（即由于汽车振动给驾乘人员带来的疲劳感和不舒适感，以及载运货物的损伤程度），对车辆构造系统（包括悬架、轮胎、车窗等）的可靠度和寿命会产生很大影响，从而带来一系列不安全因素。由于轮胎的胎体为一个密闭的气腔，根据理想气体状态方程：，式中，为气压；为体积；为物质的量；为比例系数；为温度。假设轮胎在滚动行驶过程中轮胎内部空气的质量 和温度 不发生变化，则轮胎气压 和气腔体积 成反比，即当轮胎气腔体积发生变化时则会引起轮胎胎压发生动态变化，因此，轮胎动态胎压变化 可反映行车过程中轮胎竖向变形引起的体积变化，而轮胎竖向变形又与路面变形息息相关，即当车辆行驶过平整的路面时，轮胎胎压几乎不会发生变化，反之，路面存在坑槽、拥包等变形时会引起胎压的急剧变化。本文利用高灵敏度、高分辨率的动态胎压传感器来检测行车过程中的动态胎压，建立动态胎压与路面行车颠簸状况之间的数学映射关系，为公路路面行车舒适性提供一种新的评价方法。图 研究采用的轮胎 主要仪器和设备本文采用招商局公路信息技术（重庆）有限公司自主研发的道路综合检测车 作为试验平台，采集车辆行驶过程中轮胎动态胎压信号，涉及的主要仪器和设备包括：轮胎、动态胎压传感器、数据采集系统等。研究采用的轮胎品牌为米其林，型号为 （如图 所示），胎面宽度 、扁平比、子午线构造、轮辋直径 、最大负荷、最大胎压 、最高速度 。动态胎压传感器使用美国 ，公司生产的 型传感器（如图 所示），该传感器最大静态压力达到 、动态环境下最大测量值为 、灵敏度为 、分辨率达 、频率响应范围 。动态胎压传感器与后轮轮胎气门芯连接，安装如图 所示。图 研究采用的动态胎压传感器图 动态胎压传感器安装示意图数据采集系统采用美国东北大学研发的 数采系统，该系统由 个信号调制隔离器、个 工业计算机和 个 数据采集卡组成，具有 通道模拟输入，位模数转换，动态范围，最大采样率，最大电压范围。等效动态胎压算法 速度胎压能量拟合为考察同一路段下不同行车速度对动态胎压的影响，本文借鉴了车速声压拟合的相关研究，将匀速行驶过程中采集到的轮胎内空气振动信号进行等效胎压能量换算。等效胎压能量是将动态胎压能量按照时间平均的方法来进行计算，具体指在特定时间内某一随时间变化的动态胎压的均方能量，等效胎压能量的计算如式（）所示：（）（）式中：为等效胎压能量（）；（）为 时刻瞬时胎压变化值（）；为测量时间（）。图 不同速度下的动态胎压信号频谱图以重庆机动车强检试验场为试验研究场地，图 显示的是检测车分别在 、和第 期叶伟，胡晓阳等：动态胎压传感器在公路路面行车舒适性检测技术中的应用研究 车速下的动态胎压信号在 频段内的功率谱，可以看出随着行车速度增大，动态胎压信号的功率谱幅值也相应变大，即行车速度对轮胎动态胎压信号具有一定影响。利用机动车试验场的平顺直线路段，设置减速带如图 所示，设计加速段长 ，试验路段（即匀速行驶路段）长 ，制动路段长 ，检测车以不同车速驶过路障，减速带安装于匀速段中部，采集匀速行驶阶段的动态胎压信号，表 为不同车速下轮胎受到减速带激励后的等效胎压能量统计结果。图 试验路段平面布局表 不同行车速度下的等效胎压能量速度（）等效胎压能量 试验试验试验平均等效胎压能量 如图 所示，等效胎压能量与车辆行驶速度呈现对数线性关系，经验模型（式（）为：（）式中：为等效胎压能量（）；为路面类型相关的常系数；为速度系数；为行车速度（）。图 行车速度与等效胎压能量的关系曲线在上述经验模型的基础上，结合不同速度下的实测动态胎压数据，可将其改写为矩阵形式如式（）：（）（）（）令（）（），则有 经计算，参数矢量 ，且相关性系数 ，表明拟合效果较好。根据如上式及计算所得到的参数矢量，在相同的路面上由于行车速度的不同引起动态胎压的差异可运用式（）进行速度影响抑制，即实现不同速度下的动态胎压幅值换算到标准化速度下的动态胎压幅值。（）式中：为标准化速度下的动态胎压信号；为实际速度下的动态胎压信号；为标准化速度，取值 ；为实际行车速度。动态胎压计权滤波驾乘人员对路面变形引起颠簸的感受与轮胎胎压变化的幅值和频率有关，幅值与频率都不相同的两次胎压变化可能会产生相同的驾乘体验，因此，动态胎压经过频率计权后才能更好评价路面颠簸状况。国际标准化组织（）在 年修订的振动计权曲线 考虑了振动对人体健康、舒适度等方面的影响，同时已有研究成果表明，振动与动态胎压变化的频率均在 以下，因此可基于计权曲线进行修正以得出适用于动态胎压的频率计权网络。动态胎压频率计权网络 的设定目标及原则包括：对动态胎压的主要频段进行过滤，去除 以上的频率成分；对由于路面激励引起的动态胎压变换的频率分量进行有效增益，对其他频率分量进行衰减；对比相同状况下同一时刻的振动加速度和动态胎压频率分量的差异，修订 中的频率传递函数。基于上述目标，计权网络可设计为两个滤波子网络，即频带界限滤波网络 和特定频段的计权滤波网络。频带界限滤波网络 设计由于动态胎压信号的主要频率分量在 以下，同时考虑到动态胎压传感器硬件的最低响应频率为 ，因此频带界限设定为 ，的频率传递函数如式（）所示，动态胎压频带界限滤波网络 如图 所示。（）（）式中：为低通截止频率；为高通截止频率；为动传 感 技 术 学 报第 卷态胎压信号频率；（）为频率 上的增益修订值。图 频带界限滤波网络特定频段的计权滤波网络 的设计利用四立柱道路模拟试验系统（如图 所示），分别模拟路面凹陷、凸起激励测得的胎压信号显示：路面凸起激励和与凹陷激励下的频率响应一样，胎压变化主要频率在低频 以下，其中 附近出现胎压变化的频率波峰，之间存在一定幅度的胎压分量。图 四立柱道路模拟实验系统利用机动车试验场内道路设置路障测试胎压信号，试验结果显示：胎压变化主要频率在低频 以下；其中 附近出现胎压变化的频率波峰，并在 出现最大值，之间存在一定幅度的胎压分量。利用机动车试验场内平顺道路（不设路障）测试胎压信号，试验结果显示：胎压变化主要频率在低频 以下；其中 处出现最大值，由于该路段为标准试验场直线路段，路面平顺、无病害，因此认为该处 左右的峰值应得到衰减。基于上述试验分析，动态胎压变化的信号在 以后幅值趋于，因此设置如图 所示的滤波网络曲线，在 时出现转折点，增益开始下降以衰减该频率以上的胎压信号，该滤波网络频率增益函数如式（）所示：（）（）（）由于动态胎压信号在 之间为峰值图 转折衰减滤波网络频段，且无论上述何种工况下的动态胎压信号均主要集中在该频段，根据机动车试验场内未设置路面障碍物情况下的动态胎压信号，显示在 时动态胎压出现峰值，因此需要将 频段进行信号衰减，频段进行信号放大，进而设计滤波网络曲线如图 所示，该滤波网络频率增益函数如式（）所示：（）（）（）（）图 转折增益滤波网络动态 胎 压 信 号 特 定 频 段 的 计 权 滤 波 函 数（）（）（），滤波曲线如图 所示。可见该计权滤波网络针对动态胎压信号的主要频段进行了细分增益或衰减以提高信号的有效性。结合频带界限滤波网络 和特定频段的计权滤波网络，得到动态胎压计权滤波函数（）（）（），滤波曲线如图 所示。图 特定频段的计权滤波网络计权滤波后的动态胎压（等效动态胎压）计算信号的均方根（）也称作有效值，普遍用于表征信号能量大小，本文将一定测量时间内经过上第 期叶伟，胡晓阳等：动态胎压传感器在公路路面行车舒适性检测技术中的应用研究 图 动态胎压计权滤波网络述频率计权后的动态胎压信号均方根（）定义为等效动态胎压（，），用以量化评价轮胎胎压对路面形变的响应，等效动态胎压的表达式如式（）所示：（）（）式中：为等效动态胎压；为动态胎压计权滤波函数；为动态胎压信号；为测量时间；为时间（积分变量）。颠簸指数算法 指数模型构建为便于进行路面行车颠簸量化评价，需将等效动态胎压进行数据标准化，映射到 的数值范围，提出颠簸指数（，）的概念，便于从路面颠簸角度评价路面行车舒适性。由于人体总是对某区间强度的路面颠簸程度敏感，而对另外区间的路面颠簸程度不敏感，因此等效动态胎压与颠簸指数之间并非简单的线性映射。图 全身振动测试仪 由于全身振动测试仪（型号，如图 所示）可用于监测由于路面形变引起的车内振动，动态胎压传感器所可监测路面形变所引起的胎压变化，两者可从不同的技术指标来反映路面行车颠簸状况。本文采用基于坐姿人体的全身振动评价，全身振动传感器安放于车辆副驾驶座椅支撑面上，测试人员坐于传感器上方，背部自然地靠在座椅靠背上，全身放松，两手自然地放在大腿上。振动频率计权采用机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第 部分：一般要求（）规定的用于坐姿人体舒适评价的频率计权及对应的方向因数，其中 轴采用 计权，方向因数 ；轴采用 计权，方向因数 ；轴采用 计权，方向因数。采用计权加速度均方根 作为振动评价指标，并结合方向因数计算多方向的合成振动量（振动总量），其定义式如下：（）（）式中：（）为瞬时频率计权加速度；为测量时间；为时间（积分变量）。（）（）式中：为 轴计权加速度均方根；为 轴计权加速度均方根；为 轴计权加速度均方根；为振动总量。经试验研究发现，采用全身振动测试仪测得的振动信号与动态胎压检测系统测得的动态胎压信号具有较好的一致性，如图 所示。因此可将 与 进行数据拟合，并参考机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第 部分：一般要求（）关于不同振动量值区间对应的人体舒适度来量化等效动态胎压与颠簸指数的关系。图 全身振动信号与动态胎压信号的相关性基于等效动态胎压与振动总量较好的一致性，可认为二者服从线性关系，则构建线性模型如式（）：（）将式（）改写为矩阵形式，得到式（）：（）式中：；。采用 全身振动测试仪器对 段路面进行振动总量 测试，结果为 传 感 技 术 学 报第 卷，则可设置最小二乘目标函数：（）（）（）（）（）将式（）对矢量参数 求偏导得到梯度函数（）（）令梯度等于零，可得 的估计量为（）（）因此，基于一定量的观测数据 和 则可以计算出待估参数，进而得到 与 的转换式如下。（）参考机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第 部分：一般要求（）振动总量 对人体舒适具有一定影响，其影响程度可按照表 进行分类。表 振动总量对人体舒适性感受的影响振动总量 （）舒适度小于 感觉不到不舒适有点不舒适相当不舒适不舒适非常不舒适大于 极不舒适 为了将振动总量 映射到 的分值区间构建颠簸指数（，），根据表 振动总量 与舒适度的对应区间范围，结合各舒适度区间对应的颠簸指数工程经验值，给出了振动总量 与颠簸指数 的对应关系，见表。表 振动总量与颠簸指数工程经验值对照振动总量值 颠簸指数 图 振动总量与颠簸指数回归曲线拟合 根据表 中振动总量与颠簸指数工程经验值拟合得到图 中的回归曲线，振动总量与颠簸指数呈指数线性关系，对应的曲线函数如式（）所示，将式（）代入式（）最终得到基于等效动态胎压 的颠簸指数计算模型，如式（）所示：（）（）（）模型参数求解路面破损和变形是导致路面行车颠簸的直接因素，本文选取了水泥混凝土路面和沥青混凝土路面的典型病害路段共 段，每段里程 （如图 所示），利用动态胎压传感器和全身振动测试仪采集不同路面材质和病害类型路段的行车动态胎压信号和 全身振动信号，计算对应的等效动态胎压 和振动总量值，对各试验路段分别进行 次重复测试，取 次重复性试验的平均值作为该路段的代表值。图 实验求参路段将以上实验求参路段计算得到的等效动态胎压 和振动总量 代表值（如表 所示）代入式（），对矢量参数 进行最小二乘估计得到?，最后将矢量参数 代入式（）得到第 期叶伟，胡晓阳等：动态胎压传感器在公路路面行车舒适性检测技术中的应用研究 等效动态胎压 与颠簸指数 的换算式如下：（）表 典型病害路段 和 代表值路面类型病害类型 代表值 代表值（）水泥混凝土错台沉陷断板露骨沥青混凝土车辙沉陷龟裂推移拥包 结论分析了不同车速下动态胎压信号在 频段内的功率谱，发现随着行车速度增大，动态胎压信号的功率谱幅值也相应变大，表明行车速度对轮胎动态胎压信号具有一定影响；并通过对速度影响的抑制算法研究，可以实现将不同速度下的动态胎压幅值换算成标准化速度（）下的动态胎压幅值。以实测动态胎压信号为基础，频域计权滤波为关键技术，在对大量动态胎压信号采集、处理、分析的基础上，提出将一定测量时间内经计权滤波后的动态胎压信号的均方根定义为等效动态胎压，作为轮胎胎压响应路面形变的量化指标，并给出推荐采用的胎压信号计权滤波网络。利用等效动态胎压 与振动总量 较好的相关性，基于最小二乘法构建等效动态胎压 与振动总量 的目标函数，并基于不同路面典型病害下的观测数据 和 计算出待估参数，得到振动总量 与等效动态胎压 的关系式；结合振动总量 与颠簸指数 工程经验值的对应关系，建立起振动总量 与颠簸指数 的回归曲线模型，并代入以等效动态胎压 为变量的振动总量 表达式，最终建立起等效动态胎压 与颠簸指数 的换算关系式，实现对路面行车舒适性的数据标准化评价。参考文献：，张建莉，陈榕峰，姚岢 公路路面不平整度对汽车振动的影响分析 公路交通科技，（）：，：，：庄继德 汽车轮胎学 北京：北京理工大学出版社，：，（）：杨世锡，梁文军，于保华 振动信号多通道同步整周期数据采集卡设计 振动、测试与诊断，（）：陈霞 轮胎噪声分析评价及试验研究 武汉：武汉理工大学，（）：，（）：，：，尹龙川，凃玲英，丰励，等 基于频域分析的间接式胎压监测算法研究 现代电子技术，（）：张志飞，胡正权，徐中明，等 面向振动响应特性的坐姿人体动力学模型 振动与冲击，（）：，：，李全通，王翔宇，张邦基，等 颠簸路面下轮胎纵垂向耦合状态观测及其滑移率控制研究 机械工程学报，（）：马蒙，张厚贵 城市轨道交通环境振动对人体影响的暴露响应关系研究现况 噪声与振动控制，（）：，徐进，杨奎，鲁工圆，等 基于自然驾驶的山区公路行驶舒适性研究 西南交通大学学报，（）：张磊，曹跃云，郭光林 机械振动系统的频响函数估计方法研究 武汉理工大学学报（交通科学与工程传 感 技 术 学 报第 卷版），（）：刘建伟，高峰，罗雄麟 基于值函数和策略梯度的深度强化学习综述 计算机学报，（）：叶伟（），男，四川乐山人，硕士，高级工程师，主要从事公路智能化无损检测与养护技术研究工作，。