扈 靜, 胡金鑫, 蔣增強(qiáng), 沈維蕾, 陳 瑋

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,山東濟(jì)南 266510)

0 引 言

汽車舒適性的研究范疇主要包括乘坐舒適性以及駕駛舒適性2個方面[1],乘坐舒適性主要是指與振動相關(guān)的汽車平順性[2],駕駛舒適性則主要集中于靜態(tài)舒適性、振動舒適性和操縱舒適性3個方面[3]。目前,汽車的乘坐舒適性以及駕駛舒適性方面的靜態(tài)、振動舒適性研究較多,而與操縱舒適性有關(guān)的研究甚少;同時,在汽車操縱機(jī)構(gòu)的舒適性研究中,采用的方法多數(shù)是問卷調(diào)查[4]、測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析[5]或模糊評判[6,7],以這些方案指導(dǎo)汽車操縱機(jī)構(gòu)的舒適性分析,很難為其提供準(zhǔn)確、可靠的信息支持。

汽車行駛過程中,駕駛員對各種裝置的操縱基本上是通過施加作用力來進(jìn)行的,與這一操縱過程緊密相關(guān)的變量有操縱力、操縱力的位移以及裝置的扭轉(zhuǎn)角度等,操縱舒適性的程度在駕駛員與汽車組成的人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生交互作用的過程中體現(xiàn),利用操縱力、操縱位移或裝置轉(zhuǎn)角在該過程中的變化曲線與達(dá)到舒適性要求的標(biāo)準(zhǔn)操縱曲線進(jìn)行相關(guān)度分析,可以對汽車的操縱舒適性程度進(jìn)行度量。因此,本文針對前述研究現(xiàn)狀,以相關(guān)度分析為基礎(chǔ),通過設(shè)計數(shù)據(jù)采集方案與操縱舒適性評價方案,利用相關(guān)系數(shù)作為汽車操縱舒適性評價指數(shù),構(gòu)建了基于相關(guān)度分析的汽車操縱舒適性測評系統(tǒng),為快速、準(zhǔn)確地測評汽車操縱舒適性提供了一條解決途徑。

1 相關(guān)系數(shù)的概念以及相關(guān)度分析方法

相關(guān)系數(shù)屬于概率統(tǒng)計學(xué)研究范疇,其本質(zhì)是描述2組隨機(jī)變量相關(guān)性的概念。假設(shè)存在隨機(jī)變量集 α、β,其中 ,α={x1,x2,…,xi};β={x1′,x2′,…,xi′}。i為變量的個數(shù) ,則變量集 α、β的相關(guān)系數(shù)為：

其中,ρ(α,β)為變量集 α、β的相關(guān)系數(shù);Γ(α,β)為變量集α、β的互協(xié)系數(shù);D(α)為變量集α的方差;D(β)為變量集β的方差。

以 X(α)、X(β)表示隨機(jī)變量集合 α、β 的元素,m(α)、m(β)表示隨機(jī)變量集合 α、β的均值 ;E表示數(shù)學(xué)期望的計算,則

以上運(yùn)算過程即是隨機(jī)變量集 α、β的相關(guān)度分析。相關(guān)系數(shù) ρ(α,β)的取值范圍為[0,1],當(dāng)ρ(α,β)的值越趨近于1,則表明集合α、β的相關(guān)程度越高。

由于汽車行駛過程中,駕駛員與汽車內(nèi)室各類操縱裝置的交互均為實時變化的動態(tài)過程,采集操縱過程中的各類數(shù)據(jù)形成動態(tài)曲線,就其本質(zhì)而言是以時間為自變量而變化的隨機(jī)變量的集合。由于汽車的操縱舒適性是在動態(tài)過程中反映出來的一種固有屬性,這些數(shù)據(jù)集合的變化規(guī)律體現(xiàn)了汽車內(nèi)室各類裝置對駕駛員操縱舒適感的影響,在評價汽車操縱舒適性時,不論是單項操縱舒適性還是綜合操縱舒適性,其本質(zhì)均蘊(yùn)含在駕駛員操縱汽車行駛過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量變化中。因此,選取一定的試驗考察期后,測定試驗過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)集合,同時提取企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中滿足操縱舒適性要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集合,利用相關(guān)系數(shù)對被測數(shù)集與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)集的相關(guān)程度進(jìn)行度量,從而實現(xiàn)對汽車操縱舒適性的評價。

2 汽車操縱舒適性測評系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計

準(zhǔn)確、全面、實時的數(shù)據(jù)信息是對汽車進(jìn)行操縱舒適性評價的基礎(chǔ),考慮到汽車內(nèi)室的實際環(huán)境,駕駛員操縱汽車時的各類變量的動態(tài)值均利用傳感器進(jìn)行采集,在傳感器末端連接數(shù)據(jù)采集卡與工控PC組件,即由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和外部電氣輔件共同組成汽車操縱舒適性測評系統(tǒng)的硬件部分。

汽車行駛過程中,測評系統(tǒng)通過傳感器對駕駛過程中的實時數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、并進(jìn)行模擬信號發(fā)送。由于駕駛員在汽車內(nèi)室的操縱動作基本分為踏、壓、推、拉、旋、扭6類,并且有些動作可能是同時發(fā)生的,需要設(shè)定多組數(shù)據(jù)采集通道對這些信息進(jìn)行同時采集。此外,為使采集的數(shù)據(jù)能更好地反映實際的操縱信息,采集的數(shù)據(jù)量以及采集頻率不能低于一定水平;根據(jù)實踐與試驗驗證,確定數(shù)據(jù)采集通道應(yīng)不低于16個,采集頻率設(shè)定應(yīng)不低于100 Hz。

操縱過程中的模擬量數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器上傳后,通過數(shù)據(jù)采集卡(data acquisition board)進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)傳輸速度快,控制方式靈活,能適應(yīng)多種測試需求,同時可以實現(xiàn)多通道同時采樣,容易與計算機(jī)集成[8]。模擬信號通過采集通道輸入,調(diào)理電路模塊對輸入模擬信號進(jìn)行電壓變換,使被采樣的信號電壓幅值及頻率滿足AD轉(zhuǎn)換(模數(shù)轉(zhuǎn)換)的要求,同時還要對輸入信號進(jìn)行濾波處理,降低信號失真率和噪聲比,阻止外界干擾頻率引起的虛假信號。經(jīng)調(diào)理后的信號進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊,模數(shù)轉(zhuǎn)換速率決定了數(shù)據(jù)采集卡的采集頻率。經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后形成的數(shù)字量數(shù)據(jù)信息存儲在采集卡的FIFO緩存中,按照通訊協(xié)議傳入上位機(jī)或計算機(jī),從而完成數(shù)據(jù)采集。

2.2 操縱舒適性評價方案設(shè)計

在VS.NET平臺下,以前述相關(guān)度分析原理為運(yùn)算機(jī)制,開發(fā)一套數(shù)據(jù)采集與處理軟件,為汽車操縱舒適性測評系統(tǒng)提供計算機(jī)輔助工具,方便快捷地在試驗現(xiàn)場進(jìn)行汽車操縱舒適性測評。軟件系統(tǒng)主要構(gòu)成模塊如圖1所示。

初始設(shè)置模塊包括操作對象設(shè)置與通道設(shè)置,提供汽車內(nèi)室各操作對象的基本信息以及數(shù)據(jù)采集通道的設(shè)定功能,在綁定采集通道與傳感器之后,對各通道輸入輸出值之間的映射關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 軟件系統(tǒng)模塊構(gòu)成

數(shù)據(jù)采集模塊的作用是讀取傳感器上傳的、存儲于采集卡中的數(shù)據(jù)信息;然后將數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)存儲模塊以備隨時調(diào)用;同時,數(shù)據(jù)信息在上傳到采集模塊的同時,以曲線圖的形式通過測評系統(tǒng)的人機(jī)界面進(jìn)行實時顯示。報表打印模塊提供評價結(jié)果向外輸出功能,可以進(jìn)行報表存檔。

操縱舒適性評價模塊根據(jù)相關(guān)度分析原理編制,主要運(yùn)算機(jī)制如下：

設(shè)定試驗車行駛過程中某操縱對象的被測數(shù)集為T(x),在相同時間段、相同操縱動作條件下,該對象滿足操縱舒適性標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)集為S(x′),其中 ,T(x)={x1,x2,…,xi};S(x′)={x′1,x′2,…,x′i}。

建立以下方程組：

其中,X(T(x))為 T(x)中元素,即 X(T(x))={xj|xj=x1,x2,…,xi};X(S(x′))為 S(x′)中元素 ,

即 X(S(x′))={xj′|xj′=x1′,x2′,… ,xi′}。

通過方程組(5)可得數(shù)集 T(x)與 S(x′)的方差D(T(x))、D(S(x′))以及互協(xié)系數(shù) Γ(T(x),S(x′)),即可得出數(shù)集 T(x)與S(x′)的相關(guān)系數(shù)：相關(guān)系數(shù)范圍為0＜ρ＜1。針對同一操縱對象進(jìn)行操縱舒適性單項評價時,由于相關(guān)系數(shù)ρ的可能數(shù)值集{ρ1,ρ2,…,ρm}(m 為測評次數(shù))構(gòu)成相關(guān)程度屬性空間的一個強(qiáng)序分割類,故可采用置信度準(zhǔn)則來識別ρ所屬的評價類。這與相關(guān)系數(shù)本身的定義相符合,即越接近1,表明相關(guān)度越高,其操縱舒適度也越高。當(dāng)通過考察多個操縱裝置或汽車所有操縱裝置,對汽車操縱舒適性進(jìn)行多項或綜合操縱舒適性評價時,設(shè)考察的操縱對象數(shù)量為n,則汽車操縱舒適性綜合評價系數(shù)為：

其中,ρI為操縱舒適性綜合評價系數(shù);ρq為第q種操縱對象的操縱舒適性系數(shù);wq為第q種操縱對象操縱舒適性影響權(quán)重。

根據(jù)以上評價原理,在一定時間段內(nèi),通過傳感器采集數(shù)據(jù),一方面將該段隨時間變化的數(shù)據(jù)集合通過圖形繪制代碼處理,在測評系統(tǒng)顯示界面輸出;一方面從數(shù)據(jù)庫抽取滿足操縱舒適性要求的標(biāo)準(zhǔn)曲線,同時提取該標(biāo)準(zhǔn)曲線的數(shù)據(jù)集合,將2組數(shù)據(jù)集合進(jìn)行上述相關(guān)度分析并計算相關(guān)系數(shù),以該系數(shù)作為操縱舒適性評價指數(shù),對試驗車進(jìn)行操縱舒適性評價。評價過程數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 評價過程數(shù)據(jù)流程圖

3 實例分析

結(jié)合以上所述系統(tǒng),對某試驗車進(jìn)行操縱舒適性測評。按照企業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)選擇該車在平順路段行駛一段時間的過程為試驗考察期,在操縱動作與操縱次數(shù)相同的條件下,選擇離合踏板、加速踏板作為考察對象,以操縱力F、操縱位移S為數(shù)據(jù)采集信息,設(shè)定離合踏板操縱力與操縱位移實測數(shù)據(jù)集合為：

加速踏板操縱力與操縱位移實測數(shù)據(jù)集合為：

離合踏板舒適性指數(shù)為ρ1,加速踏板舒適性指數(shù)為ρ2。根據(jù)(7)式,該試驗車在兩類踏板裝置操縱舒適性評價基礎(chǔ)上的舒適性指數(shù)為：

由于僅取2個項目作為評價依據(jù),按照企業(yè)實踐經(jīng)驗,取w1=0.62,w2=0.38。

通過測評系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后,測得2類踏板裝置在考察期內(nèi)的基本數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)量較大,僅示其中一組數(shù)據(jù)(離合踏板)見表1所列。

表1 離合踏板操縱力與操縱位移數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集過程中,測評系統(tǒng)實時曲線顯示界面以及數(shù)據(jù)采集主設(shè)置界面如圖3和圖4所示。

圖3 采集過程“F-S”實時曲線界面

圖4 數(shù)據(jù)采集主設(shè)置界面

通過圖3可看出駕駛員在操縱汽車時操縱狀態(tài)的變化及其趨勢;利用數(shù)據(jù)采集設(shè)置改變測評系統(tǒng)各類參數(shù)設(shè)置,根據(jù)需要顯示曲線、評價、輸出信息等,并可以在各個功能模塊之間切換。

系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時,以(1)～(8)式作為運(yùn)算機(jī)制編寫的軟件評價模塊對采集到的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實現(xiàn)汽車的操縱舒適性評價。系統(tǒng)操縱舒適性評價顯示界面如圖5所示。

圖5 評價結(jié)果顯示

圖5 顯示,以離合踏板與加速踏板為考察對象,該車操縱舒適性程度為：ρI=0.8066,與操縱舒適性企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ρ=0.9)尚有差距,這是由于離合踏板操縱舒適性偏低造成的。評價結(jié)果與駕駛員操縱過程中的主觀反映一致。

以上實例驗證,測評系統(tǒng)在對汽車操縱舒適性進(jìn)行準(zhǔn)確評價的同時,能夠提供相關(guān)的過程數(shù)據(jù)與評價數(shù)據(jù),對改善汽車操縱舒適性起到有效的數(shù)據(jù)信息支持。

4 結(jié)束語

操縱舒適性是反映汽車設(shè)計品質(zhì)的重要指標(biāo),針對目前評價方法較少、評價結(jié)果偏于主觀等問題,提出以相關(guān)度分析為基礎(chǔ),以實測曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線所包含數(shù)據(jù)集合的相關(guān)系數(shù)為操縱舒適性評價指數(shù),構(gòu)建汽車操縱舒適性評價系統(tǒng)[9]。

采用對實測曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線所代表數(shù)據(jù)集合進(jìn)行相關(guān)度分析的方法,來度量汽車單項或綜合操縱舒適性的程度,對于各類機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的舒適性評價問題具有普遍的借鑒意義。

以傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、工控PC板以及相關(guān)電氣輔件為基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng),同時在VS.NET平臺上,開發(fā)一套數(shù)據(jù)處理軟件;結(jié)合兩者構(gòu)成汽車操縱舒適性測評系統(tǒng),通過該系統(tǒng)進(jìn)行實例測評,驗證了該系統(tǒng)的有效性與準(zhǔn)確性。

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