基于多信號(hào)源融合的汽車車速信號(hào)處理及應(yīng)用

冷德龍，杜 潔，孫連明，蘇朋軍

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，吉林 長(zhǎng)春 130011）

隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，商用車的市場(chǎng)保有量大幅上漲，先進(jìn)的技術(shù)手段也得到廣泛應(yīng)用。商用汽車控制是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，其中，車速信號(hào)對(duì)于商用汽車控制來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的信號(hào)，車速信號(hào)不可靠會(huì)給汽車控制帶來(lái)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，甚至?xí)＜靶熊嚢踩?］。目前多數(shù)商用汽車是由組合儀表IC采集車速傳感器的脈沖信號(hào)［2］，實(shí)現(xiàn)組合儀表車速指示、里程累積，并且通過(guò)CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)EMS、行車記錄儀TCO等，如圖1所示。但是存在一些問(wèn)題，主要是由于電氣系統(tǒng)干擾、機(jī)械連接不可靠等因素引起的車速信號(hào)不穩(wěn)定、車速信號(hào)丟失等問(wèn)題，給汽車控制帶來(lái)非常嚴(yán)重的問(wèn)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(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致行駛里程不準(zhǔn)確，給用戶帶來(lái)不便［3］。

圖1 車速信號(hào)路由示意圖

本文首先分析產(chǎn)生當(dāng)前故障可能存在的故障模式，并從故障件試驗(yàn)、故障件拆解、原理理論分析、臺(tái)架試驗(yàn)、故障車采集信號(hào)等方面排查。最終確定通過(guò)對(duì)儀表軟件優(yōu)化，采用多信號(hào)源融合冗余處理方案，以提高車速信號(hào)的可靠性。同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證確認(rèn)符合設(shè)計(jì)要求，最終該方案得到批量裝車應(yīng)用。

1 問(wèn)題分析

1.1 問(wèn)題描述

車輛行駛過(guò)程中，偶發(fā)車速表指針抖動(dòng)，較明顯的一個(gè)現(xiàn)象就是：定速巡航保持80 km／h的速度行駛，突然出現(xiàn)車速表指針從80 km／h瞬間跌落到30 km／h左右，甚至?xí)?，然后又返回正常的車速指示值。同時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)接收儀表的車速信號(hào)，由于車速小于某一臨界值，整車定速巡航會(huì)自動(dòng)退出。

1.2 問(wèn)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(dòng)、儀表車速處理算法 （包括濾波、異常處理）、零部件硬件電路設(shè)計(jì)等方面依次排查，結(jié)論見(jiàn)表1。

表1 問(wèn)題排查過(guò)程

通過(guò)對(duì)可能存在的故障模式從故障件試驗(yàn)、故障件拆解、原理理論分析、臺(tái)架試驗(yàn)、故障車采集信號(hào)等方面排查，最后確定從優(yōu)化組合儀表軟件著手。

2 多信號(hào)源融合方案

由于整車ABS標(biāo)配，通過(guò)實(shí)車測(cè)試，將ABS車速信號(hào)同變速器上的車速傳感器信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示，ABS車速信號(hào)同車速傳感器車速信號(hào)一致 （按照法規(guī)要求，正常儀表指示車速比實(shí)際偏大），并且ABS車速信號(hào)較穩(wěn)定，可以引入ABS信號(hào)源實(shí)現(xiàn)車速指示的冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)于配置車隊(duì)管理模塊的車型，還引入了GPS信號(hào)進(jìn)行冗余校驗(yàn)。通過(guò)改進(jìn)算法策略提示車速指示、CAN輸出的可靠性。

圖2 ABS車速信號(hào)值同車速表指示值對(duì)比

2.1 方案描述

多信號(hào)源融合的車速信號(hào)處理方案，該系統(tǒng)包括安裝在變速器上的車速傳感器、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS、具有GPS模塊的車隊(duì)管理系統(tǒng)和接收以上3種車速信號(hào)的組合儀表。圖3為系統(tǒng)連接框圖。其中，組合儀表與車速傳感器通過(guò)硬線相連，防抱死系統(tǒng)ABS、車隊(duì)管理系統(tǒng) （含GPS模塊）、組合儀表通過(guò)整車CAN總線相連。車速傳感器將變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號(hào)，組合儀表接收車速傳感器的脈沖信號(hào)，根據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)的后橋速比、輪胎滾動(dòng)半徑計(jì)算出車速值，即為車速信號(hào)一。防抱死系統(tǒng)ABS通過(guò)輪速傳感器采集車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，組合儀表通過(guò)CAN總線接收防抱死系統(tǒng)ABS的輪速信號(hào)［4］，根據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)的輪胎滾動(dòng)半徑計(jì)算出車速值，即為車速信號(hào)二。車隊(duì)管理系統(tǒng)含有GPS模塊，可以時(shí)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(guò)CAN接收車隊(duì)管理系統(tǒng)的GPS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車行駛車速、里程的校正，即車速信號(hào)三，其中校正系數(shù)K，默認(rèn)為1.00。

圖3 多車速信號(hào)源融合系統(tǒng)框圖

該多信號(hào)源融合的車速信號(hào)處理系統(tǒng)，在不同的工作情況下，組合儀表可以接收到車速信號(hào)一、車速信號(hào)二和車速信號(hào)三中的一種或多種車速信號(hào)。組合儀表車速信號(hào)處理策略如下：①當(dāng)以上3種車速信號(hào)均存在，優(yōu)先采用車速信號(hào)一，并采用車速信號(hào)二進(jìn)行冗余校驗(yàn)，采用車速信號(hào)三進(jìn)行校正。②當(dāng)車速信號(hào)一丟失，車速信號(hào)二、車速信號(hào)三存在，則采用車速信號(hào)二進(jìn)行指示，采用車速信號(hào)三進(jìn)行校正。③當(dāng)車速信號(hào)一、車速信號(hào)三存在，車速信號(hào)二丟失，則采用車速信號(hào)一指示，采用車速信號(hào)三進(jìn)行校正。④當(dāng)車速信號(hào)一、車速信號(hào)二存在，車速信號(hào)三丟失，則采用車速信號(hào)一指示，并采用車速信號(hào)二進(jìn)行冗余校驗(yàn)，不進(jìn)行校正。⑤當(dāng)車速信號(hào)一或車速信號(hào)二其一丟失，且車速信號(hào)三丟失，則采用另外一路信號(hào)進(jìn)行指示，不進(jìn)行校驗(yàn)、校正。⑥當(dāng)車速信號(hào)一、車速信號(hào)二丟失，不考慮車速信號(hào)三，則無(wú)車速指示，提示需要立即維修。

對(duì)于以上3種車速信號(hào)需要進(jìn)行信號(hào)無(wú)效和有效判斷，需要進(jìn)行丟失 （延遲）和恢復(fù)處理。對(duì)于以上任一情況，如果存在任一車速信號(hào)異常，組合儀表會(huì)記錄并存儲(chǔ)故障供維修查詢，并可通過(guò)車隊(duì)管理系統(tǒng)傳回后臺(tái)信息系統(tǒng)。

另外，除了不同信號(hào)源之間比對(duì)校驗(yàn)，在不影響響應(yīng)特性要求的前提下，融入加速度控制策略，即當(dāng)連續(xù)2次周期采樣 （ms級(jí)）車速差值超過(guò)某一值 （根據(jù)標(biāo)定情況確定），延遲一段時(shí)間 （ms級(jí)）再進(jìn)行判斷，并響應(yīng)車速表指示和車速信號(hào)的輸出。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試

對(duì)改進(jìn)的組合儀表樣件進(jìn)行臺(tái)架功能測(cè)試并通過(guò)。對(duì)試驗(yàn)車換裝新組合儀表并進(jìn)行狀態(tài)情況跟進(jìn)，統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)表2。試驗(yàn)車最長(zhǎng)行駛30 000 km，最長(zhǎng)時(shí)間120天未出現(xiàn)車速相關(guān)異常情況。

通過(guò)整車試驗(yàn)，驗(yàn)證了多信號(hào)源融合的車速處理方案的可行性。即使系統(tǒng)干擾、連接不可靠、車速傳感器失效，儀表也能獲取準(zhǔn)確的車速信號(hào)并發(fā)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(guò)多車速信號(hào)源融合的冗余設(shè)計(jì)達(dá)到車速可靠顯示與輸出，自動(dòng)定期校正的作用。組合儀表新設(shè)計(jì)方案已正式切換應(yīng)用。

表2 改進(jìn)儀表車速試驗(yàn)情況跟進(jìn)

3 結(jié)論

通過(guò)故障模式分析，得出問(wèn)題解決方案，提出對(duì)組合儀表進(jìn)行軟件優(yōu)化，并采用多信號(hào)源融合冗余處理方案，以提高車速信號(hào)的可靠性。該車速信號(hào)處理系統(tǒng)融合了車速傳感器硬線脈沖信號(hào)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS的CAN信號(hào)和車隊(duì)管理系統(tǒng)的GPS車速信號(hào)共3種車速信號(hào)源，通過(guò)多數(shù)據(jù)源的車速信號(hào)互相冗余校驗(yàn)、修正，有效解決了單一車速信號(hào)源系統(tǒng)由于干擾、連接不可靠等因素引起的車速異常問(wèn)題，避免了由于整車載荷變化、輪胎氣壓不足等原因產(chǎn)生的車速、里程不準(zhǔn)問(wèn)題，保證了整車車速信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。該多車速信號(hào)源融合冗余處理方案為車速設(shè)計(jì)提供了參考意義。