CN103076188B

CN103076188B - 基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法

Info

Publication number: CN103076188B
Application number: CN201310000866.8A
Authority: CN
Inventors: 张农; 王立夫; 郑敏毅
Original assignee: CHANGZHOU WAN'AN AUTOMOBILE PARTS TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: CHANGZHOU WAN'AN AUTOMOBILE PARTS TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2013-01-04
Filing date: 2013-01-04
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-01-04
Also published as: CN103076188A

Abstract

本发明公开了一种基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，包括以下步骤：在车辆上设置测点；通过多个跌落实验识别出车辆空载的固有频率以及各固有频率分别对应的阻尼比及振型；分别在车身上增加质量进行跌落实验，识别车辆加载的固有频率以及各固有频率对应的阻尼比及振型；计算出车身的垂向刚度、车身簧上质量、俯仰刚度、俯仰转动惯量、侧倾刚度以及侧倾转动惯量；计算出前悬架刚度K_s_f和后悬架刚度K_s_r；计算出的轮胎刚度与实际刚度结果一致；进行方法精确性验证。通过上述方式，本发明实验设备的要求比较低，实验可操作性强，单次实验费用较低；精度高，计算物理参数的方法比较简单。

Description

基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法

技术领域

本发明涉及汽车参数识别领域，特别是涉及一种基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法。

背景技术

车辆参数包括模态参数和物理参数。模态参数主要是指：固有频率，阻尼比，振型。物理参数有实际的物理意义，其中比较重要的几个参数就是悬架的刚度、阻尼、簧上质量、簧下质量、侧倾旋转惯量、俯仰旋转惯量、轮胎刚度及相关的几何参数等参数。

为什么要识别模态参数：

三个模态参数都很重要，因为模态参数是识别物理参数的基础，除此之外，模态参数也可以直接用于评价汽车的乘坐舒适性等性能，如果其垂向固有频率和人自身的固有频率很接近，则会严重影响乘坐舒服性。

为什么要识别物理参数：

物理参数不仅是建立7自由度整车模型的基础，而且对于评价汽车的平顺性、操稳性也十分重要，尤其是在抗侧倾、抗俯仰方面十分重要，侧倾刚度的大小直接决定着汽车抗侧倾的能力。

获得模态参数的方法主要有两种，

方法一：进行跌落实验，根据采集到的自由衰减图像，认为两个峰值之间的时间即为周期，周期的倒数即为频率；根据利用自由衰减信号，获得对数衰减率，从而获得阻尼比。这种方法是一种十分粗糙的方法，获得的固有频率及阻尼比偏差都很大，很难满足实际的精度要求。

方法二：利用四通道***实验台对汽车进行激励，根据激励及获得的信号，识别汽车的参数。这种方法的缺点就是四通道***实验台价格十分昂贵，只有很少的大公司、研究院或学校有这种设备，并且单次实验花费也十分昂贵。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，能够通过把汽车模型简化之后，利用跌落实验采集到的数据，利用状态变量法进行模态参数识别，实验可操作性强，单次实验费用较低。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，包括以下步骤：

1）在车辆上设置至少6 个测点；

2）通过多个跌落实验获得各测点信号，通过基于状态变量模态参数时域识别方法，识别出汽车空载的垂向固有频率、俯仰固有频率、侧倾固有频率以及各固有频率分别对应的阻尼比及振型；

3）分别在车身的质心位置增加质量、在车身的质心前后对称的位置增加相同的质量，同时改变俯仰转动惯量及在车身的质心左右对称的位置增加相同的质量，同时改变侧倾转动惯量后分别进行跌落实验，通过状态变量法，识别汽车加载的垂向固有频率、俯仰固有频率、侧倾固有频率以及各固有频率对应的阻尼比及振型；

4）利用步骤2）和步骤3）中获得的各模态参数，以及公式

和，计算出车身的垂向刚度、车身簧上质量、俯仰刚度、俯仰转动惯量、侧倾刚度以及侧倾转动惯量，其中K是等效垂向刚度、等效俯仰刚度或等效侧倾刚度，M是车身簧上质量、俯仰转动惯量或侧倾转动惯量，是步骤3）中各实验增加的车身簧上质量、俯仰转动惯量或侧倾转动惯量，是步骤2）中各实验获得汽车空载时的垂向固有频率、俯仰固有频率或侧倾固有频率，是步骤3）中各实验获得的汽车加载时垂向固有频率、俯仰固有频率或侧倾固有频率；

5）由步骤4）中可获得车身的垂向刚度，由公式和计算出前悬架刚度K _sf和后悬架刚度K _sr，轮胎的刚度由经验估算所得，再通过循环精度计算，确定实际的前悬架刚度K _sf和后悬架刚度K _sr；

6）根据经验确定轮胎刚度的范围，在轮胎刚度中取一个值作为轮胎刚度，得到刚度矩阵K，再利用偏差与要求的精度进行比较，若不满足精度要求重新选择轮胎刚度计算，直到获得满足小于给定误差的轮胎刚度；

7）利用前悬架刚度K _sf、后悬架刚度K _sr和轮胎刚度,即得到刚度矩阵K，而质量矩阵M已知，由此得到固有频率、振型，把实验识别出的频率与比较，进行方法精确性验证。

在本发明一个较佳实施例中，通过四轮跌落实验获得信号，通过基于状态变量模态参数时域识别方法，识别出车辆空载的垂向固有频率，以及其对应阻尼比和振型；

通过前轮胎或后轮胎跌落实验获得信号，通过基于状态变量模态参数时域识别方法，识别出车辆空载的俯仰固有频率，以及其对应的阻尼比和振型；

通过左侧轮胎或右侧轮胎跌落实验获得信号，通过基于状态变量模态参数时域识别方法，识别出车辆空载的侧倾固有频率，以及其对应的阻尼比和振型。

在本发明一个较佳实施例中，在车身的质心位置增加质量，通过四轮跌落实验获得数据，用基于状态变量模态参数时域识别方法，得到车辆加载的垂向固有频率，以及其对应的阻尼比和振型；

在车身的质心前后对称的位置增加相同的质量，改变俯仰转动惯量，通过前轮跌落实验或后轮跌落实验获得数据，用基于状态变量模态参数时域识别方法，得到车辆加载的俯仰固有频率，以及其对应的阻尼比和振型；

在车身的质心左右对称的位置增加相同的质量，改变侧倾转动惯量，通过左轮跌落实验或右轮跌落实验获得数据，用基于状态变量模态参数时域识别方法，得到车辆加载的侧倾固有频率，以及其对应的阻尼比及振型。

在本发明一个较佳实施例中，所述基于状态变量模态参数时域识别方法是利用信号通道从***的采集自由衰减数据信号，并构建整个***的传递矩阵，通过对传递矩阵求解特征值，得到***的固有频率、振型和阻尼比。

在本发明一个较佳实施例中，步骤5）中，循环精度计算的方法为每取一个r得到一组刚度矩阵，利用模态理论计算确定无阻尼固有频率，该固有频率到与实际实验的得到的固有频率的偏差，由公式确定，其中，、、为加权值，其对应的实验识别出的频率为、、，计算确定无阻尼固有频率为、、；根据得到的偏差，判断是否满足精度要求，不满足继续利用程序进行循环取值计算，直到与实际实验结果匹配，确定实际的前悬架刚度K _sf和后悬架刚度K _sr。

在本发明一个较佳实施例中，步骤6）中利用偏差与要求的精度进行比较和循环计算的方法为由模态理论分析可得，在已知质量矩阵M和刚度矩阵K的情况下，得到固有频率，把得到的固有频率与通过实验识别出的固有频率按照公式进行偏差判断，其中为加权值，偏差与要求的精度进行比较，若不满足精度要求重新选择轮胎刚度计算，直到获得满足小于给定误差的轮胎刚度。

在本发明一个较佳实施例中，步骤1）的各测点的布设方案为第一测点和第二测点分别设于距离车身质心两侧最大距离处，第三测点设于车身的纵向中心线与车身的前轴的交点处，所述第四测点设于车身的纵向中心线的尾部，所述第五测点设于车身质心处，第六测点设于车身上无任何测点的任一位置。

本发明的有益效果是：本发明基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法通过把汽车模型简化之后，利用跌落实验采集到的数据，利用基于状态变量模态参数时域识别方法进行模态参数识别，实验设备的要求比较低，实验可操作性强，单次实验费用较低；通过这种方法识别出的精度与四通道***实验台识别出的固有频率及振型的精度一致，计算物理参数的方法比较简单，实验过程中需要拆除阻尼器，阻尼单独估算。

附图说明

图1是本发明基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法一较佳实施例的流程示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，包括以下步骤：

1）在车辆上设置至少6 个测点，第一测点和第二测点分别设于距离车身质心两侧最大距离处，第三测点设于车身的纵向中心线与车身的前轴的交点处，所述第四测点设于车身的纵向中心线的尾部，所述第五测点设于车身质心处，第六测点设于车身上无任何测点的任一位置。

2）通过四轮跌落实验获得信号，通过基于状态变量模态参数时域识别方法，识别出车辆空载的垂向固有频率，以及其对应阻尼比和振型；

3）在车身的质心位置增加质量，通过四轮跌落实验获得数据，用基于状态变量模态参数时域识别方法，得到车辆加载的垂向固有频率，以及其对应的阻尼比和振型；

在车身的质心前后对称的位置增加相同的质量，在不改变质心位置的情况下，改变俯仰转动惯量，通过前轮跌落实验或后轮跌落实验获得数据，用基于状态变量模态参数时域识别方法，得到车辆加载的俯仰固有频率，以及其对应的阻尼比和振型；

在车身的质心左右对称的位置增加相同的质量，在不改变质心位置的情况下，改变侧倾转动惯量，通过左轮跌落实验或右轮跌落实验获得数据，用状态变量法，得到车辆加载的侧倾固有频率，以及其对应的阻尼比和振型。

4）利用步骤2）和步骤3）中获得的各模态参数，以及公式

和，计算出车身的垂向刚度、车身簧上质量、俯仰刚度、俯仰转动惯量、侧倾刚度以及侧倾转动惯量，其中K是等效垂向刚度、等效俯仰刚度或等效侧倾刚度，M是车身簧上质量、俯仰转动惯量或侧倾转动惯量，是步骤3）中各实验增加的车身簧上质量、俯仰转动惯量或侧倾转动惯量，是步骤2）中各实验获得汽车空载时的垂向固有频率、俯仰固有频率或侧倾固有频率，是步骤3）中各实验获得的汽车加载时的垂向固有频率、俯仰固有频率或侧倾固有频率；

5）由步骤4）中可获得车身的垂向刚度，以及公式和可以计算出前悬架刚度K _sf和后悬架刚度K _sr，轮胎的刚度可以由经验公式估算；其中每取一个r都可得到一组刚度矩阵，利用状态变量法可以确定无阻尼固有频率，该固有频率到与实际实验的得到的固有频率的偏差，由公式确定，其中，、、为加权值，根据得到的偏差，判断是否满足精度要求，不满足继续利用程序进行循环取值计算，直到与实际实验结果匹配，确定实际的前悬架刚度K _sf和后悬架刚度K _sr；

6）根据经验确定轮胎刚度的范围，在轮胎刚度中取一个值作为轮胎刚度，得到刚度矩阵K，由状态变量法可得，在已知质量矩阵M和刚度矩阵K的情况下，得到固有频率，把得到的固有频率与通过实验识别出的固有频率按照公式进行偏差判断，偏差与要求的精度进行比较，若不满足精度要求重新选择轮胎刚度计算，直到获得满足小于给定误差的轮胎刚度。

所述基于状态变量模态参数时域识别方法是通过引入变量的方法，将***的动力学方程变为状态方程，通过求解状态方程的自由衰减振动响应的动力学第一类逆问题，得到***的固有频率、振型和阻尼比。

具体过程如下：

对于一般***的动力学方程由为：

(1)

其中[M]，[C]，和[K]分别表示***的质量，刚度和阻尼矩阵，{X}表示***的位移向量。

将方程(1)改写为下面的方程组

(2)

引入状态变量，则方程组(2)可用以下式子表示

(3)

其中：

式(3)的解为：

(4)

其中Y ₀为初始条件，为初位移向量，为初速度向量，令t _k=kΔt，(k=0,1,2, …)，其中Δt为采样时间间隔。

(5)

(6)

(7)

方程(7)即为微分方程(3)的差分形式。

其中:

(8)

(9)

(10)

利用时域参数识别方法，***振动方程可以表示为以下差分方程：

(11)

其中k为离散时间点，Y为状态参数，A 为传递矩阵。如果能得到传递矩阵A，就能得到***的特征值。以下利用测到的振动信号来估算传递矩阵A。定义以下信号矩阵：

(12)

(13)

采用最小二乘原理，估算矩阵A

(14)

其特征值和特征向量为:

(15)

, (16)

根据Z域与S域之间的关系

(17)

(18)

(19)

(20)

其中F _s为采样频率，F _max为识别区间的最大频率。

(21)

(22)

(23)

通过以上公式得到***的固有频率和阻尼比。考虑更为一般的情况

信号矩阵为：

(24)

(25)

(26)

其中u ₀,u ₁,u ₂, …,u _p-1,k ₁,k ₂, …,k _N为整数。这时两个信号矩阵之间的关系为:

(27)

计算固有频率和阻尼比的过程与前面相同，就是把Δt用u ₀ Δt替换。当选取合适u _i, k _i得到ITD和STD方法。

振型的计算：

方程(3)用状态变量描述的微分方程是一个耦合的方程，通过模态坐标变换可以将方程(3)解耦。其解耦之后的微分方程为：

(28)

(29)

(30)

其中Q是模态矩阵P的逆矩阵。相应的初始条件为

(31)

方程(28)的解为:

(32)

则方程(3)的解为:

(33)

用分量形式表示为:

(34)

由方程(34)给的解得到第j个振型为

(35)

其中P _m=max{P _1j, P _2j, …, P _nj}。

基于状态变量模态参数时域识别方法的特点是：仅需要少量的传感器测量测点的加速度信号就能够获得***全部模态参数。利用采集到的自由衰减数据信号（测量信号通道数可以小于***自由度），按照特定的格式构建***传递矩阵A，通过对A矩阵求特征值问题，得到***的固有频率、振型和阻尼比。

本发明基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法通过把汽车模型简化之后，利用跌落实验采集到的数据，利用基于状态变量模态参数时域识别方法进行模态参数识别，实验设备的比较低，实验可操作性强，单次实验费用较低；通过这种方法识别出的精度与四通道***实验台识别出的固有频率及振型的精度一致，计算物理参数的方法比较简单，实验过程中需要拆除阻尼器，阻尼单独估算。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在车辆上设置至少6 个测点；

3）分别在车身的质心位置增加质量、在车身的质心前后对称的位置增加相同的质量，同时改变俯仰转动惯量及在车身的质心左右对称的位置增加相同的质量，同时改变侧倾转动惯量后分别进行跌落实验，通过基于状态变量模态参数时域识别方法，识别汽车加载的垂向固有频率、俯仰固有频率、侧倾固有频率以及各固有频率对应的阻尼比及振型；

4）利用步骤2）和步骤3）中获得的各模态参数，以及公式

5）由步骤4）中可获得车身的垂向刚度，由公式和计算出前悬架刚度K _sf和后悬架刚度K _sr，轮胎的刚度由经验估算所得，再通过循环计算，确定实际的前悬架刚度K _sf和后悬架刚度K _sr；

6）根据经验确定轮胎刚度的范围，在给定的轮胎刚度范围中取一个值作为轮胎刚度，得到刚度矩阵K，再利用偏差与要求的精度进行比较，若不满足精度要求重新选择轮胎刚度计算，直到获得满足小于给定误差的轮胎刚度；

2.根据权利要求1所述的基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，其特征在于，通过四轮跌落实验获得信号，通过基于状态变量模态参数时域识别方法，识别出车辆空载的垂向固有频率，以及其对应阻尼比和振型；

通过左侧轮胎或右侧轮胎跌落实验获得信号，通过基于状态变量模态参数时域识别法，识别出车辆空载的侧倾固有频率，以及其对应的阻尼比和振型。

3.根据权利要求1所述的基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，其特征在于，在车身的质心位置增加质量，通过四轮跌落实验获得数据，用基于状态变量模态参数时域识别方法，得到车辆加载的垂向固有频率，以及其对应的阻尼比和振型；

在车身的质心左右对称的位置增加相同的质量，改变侧倾转动惯量，通过左轮跌落实验或右轮跌落实验获得数据，用基于状态变量模态参数时域识别方法，得到车辆加载的侧倾固有频率，以及其对应的阻尼比和振型。

4.根据权利要求1所述的基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，其特征在于，所述基于状态变量模态参数时域识别方法是利用信号通道从***采集自由衰减数据信号，并构建整个***的传递矩阵，通过对传递矩阵求解特征值，得到***的固有频率、振型和阻尼比。

5.根据权利要求1所述的基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，其特征在于，步骤5）中，循环精度计算的方法为每取一个r得到一组刚度矩阵，利用模态理论计算确定固有频率，该固有频率到与实际实验的得到的固有频率之间的偏差，由公式确定，其中，、、为加权值，其对应的实验识别出的频率为、、，计算确定固有频率为、、；根据得到的偏差，判断是否满足精度要求，不满足继续利用程序进行循环取值计算，直到与实际实验结果匹配，确定实际的前悬架刚度K _sf和后悬架刚度K _sr。

6.根据权利要求1所述的基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，其特征在于，步骤6）中利用偏差与要求的精度进行比较和循环计算的方法为由模态理论分析可得，在已知质量矩阵M和刚度矩阵K的情况下，得到固有频率，把得到的固有频率与通过实验识别出的固有频率按照公式进行偏差判断，其中为加权值，偏差与要求的精度进行比较，若不满足精度要求重新选择轮胎刚度计算，直到获得满足小于给定误差的轮胎刚度。

7.根据权利要求1所述的基于跌落实验单自由度车辆模型的车辆参数识别方法，其特征在于，步骤1）的各测点的布设方案为第一测点和第二测点分别设于距离车身质心两侧最大距离处，第三测点设于车身的纵向中心线与车身的前轴的交点处，第四测点设于车身的纵向中心线的尾部，第五测点设于车身质心处，第六测点设于车身上无任何测点的任一位置。