凌啟輝 戴巨川 陳盛釗 孫飛鷹 汪國(guó)勝 廖力力
1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湘潭 4112012.江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司,湘潭 411100 3.中國(guó)北方車輛研究所,北京 100072
路面不平是履帶車輛行駛過(guò)程中振動(dòng)的主要激勵(lì),直接影響行駛的平順性、乘員的舒適性、操縱的穩(wěn)定性及零部件的壽命,常用路面不平度對(duì)其進(jìn)行描述[1-3]。獲得準(zhǔn)確的路面不平度信息是進(jìn)行車輛平順性分析、減振控制、耐久性分析和操縱穩(wěn)定性分析等相關(guān)性能研究的關(guān)鍵。路面不平度可通過(guò)直接測(cè)量[4]和響應(yīng)識(shí)別[5-11]等方式獲取,或通過(guò)數(shù)值模擬[12-14]的方式設(shè)定。
路面不平度測(cè)量通常需要特定的測(cè)量?jī)x器,一般通過(guò)接觸式或非接觸式的路面不平度儀對(duì)路面高程信號(hào)進(jìn)行采集,這種方式獲取路面不平度的效率低且成本較高。路面不平度模擬仿真先給定路面不平度功率譜密度,再對(duì)空間域或頻域內(nèi)的路面不平度進(jìn)行建模,進(jìn)而設(shè)定路面不平度。常見(jiàn)的路面不平度的建模方法主要包括:諧波疊加法、傅里葉逆變換法、小波分析法、線性濾波器法、濾波白噪聲建模法。路面不平度識(shí)別是近年來(lái)開(kāi)始研究的方法,它不需要特定的路面不平度測(cè)量?jī)x器,實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,可以降低成本、提高效率,其基本思想是通過(guò)測(cè)得的車輛響應(yīng),結(jié)合某些算法來(lái)建立車輛響應(yīng)和路面不平度兩者之間的關(guān)系模型,從而反求出路面的不平度信息。李杰等[2]通過(guò)動(dòng)力學(xué)建模及數(shù)值仿真獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入和輸出,考慮了車輛響應(yīng)作為輸入的合理性,建立了路面不平度識(shí)別模型。
履帶車輛的野外工作環(huán)境差,涉及的路面非常復(fù)雜,行駛路面不平度等級(jí)往往在C級(jí)以上,其不平度仍需通過(guò)特定的測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量[15],效率低、成本高。受行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響,履帶車輛車體垂向振動(dòng)和俯仰振動(dòng)等動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)便于測(cè)試,因此,筆者利用車體的垂向振動(dòng)和俯仰振動(dòng)等動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)識(shí)別路面不平度。該方法基于道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)開(kāi)展路面激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn),以車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)為輸入、路面不平度為輸出,利用非線性自回歸(nonlinear auto-regressive with exogeneous inputs, NARX)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立路面不平度輸入識(shí)別模型;提出了識(shí)別效果評(píng)價(jià)的相關(guān)性系數(shù)、均方根誤差和絕對(duì)誤差累計(jì)概率密度,及其融合方法;基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)傳感器的布置,分析了不同的路面、采樣頻率和車速的路面不平度識(shí)別效果,實(shí)現(xiàn)了基于履帶車輛車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的行駛路面不平度識(shí)別。
基于履帶車輛車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的路面不平度識(shí)別以車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)為輸入,以路面激勵(lì)為輸出,辨識(shí)履帶車輛的振動(dòng)特性?;谙到y(tǒng)辨識(shí)結(jié)果,利用車體動(dòng)態(tài)響應(yīng),反求履帶車輛的路面不平度輸入。因此,如何獲得車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)和路面激勵(lì)是建立路面不平度識(shí)別模型首要解決的問(wèn)題。一般而言,道路實(shí)車試驗(yàn)更能反映車輛行駛的實(shí)際情況,能輕松獲取車體動(dòng)態(tài)響應(yīng),但無(wú)法獲取路面不平度信息。道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)能精確再現(xiàn)車輛在道路上行駛時(shí)的負(fù)荷與振動(dòng),為車輛試驗(yàn)提供近似于實(shí)際行駛條件的可控制、可重復(fù)的負(fù)荷與振動(dòng)環(huán)境。因此,本文利用道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)。如圖1所示,道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括激振器及其平臺(tái)、試驗(yàn)車和振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等幾大部分。振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),激振器的輸出位移為模擬的路面不平度信息,車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)由振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)獲取。
圖1 道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of road simulation test system
履帶車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要指負(fù)重輪的振動(dòng)、懸掛動(dòng)撓度、懸掛動(dòng)速度、車體振動(dòng)和車體俯仰振動(dòng)。受行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響,負(fù)重輪的振動(dòng)、懸掛動(dòng)撓度、懸掛動(dòng)速度不方便測(cè)量,車體垂向振動(dòng)和俯仰振動(dòng)的獲取相對(duì)容易。履帶車輛車體屬大型結(jié)構(gòu)件,受板筋、橫梁等連接結(jié)構(gòu)的影響,車體不同位置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)往往有較為明顯的差異[16],因此,有必要多點(diǎn)布置測(cè)試傳感器。
在試驗(yàn)車上布置10個(gè)加速度傳感器(型號(hào):B&K-4534B001)和1個(gè)角度傳感器(型號(hào):HIS528),如圖2a所示,實(shí)際安裝如圖2b所示。傳感器1~4布置在車體前上傾斜板上,傳感器5、7、11布置于橫梁上,傳感器6、8、9安裝在車體底板,傳感器10安裝于車體尾部。傳感器6位于車體質(zhì)心附近,傳感器9位于第6號(hào)負(fù)重輪上方,傳感器4位于第1負(fù)重輪上方。
(a)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置
實(shí)測(cè)路譜的頻率成分有限,以實(shí)測(cè)路譜進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),并不能較為全面地反映履帶車輛振動(dòng)特性。隨機(jī)路譜頻率成分更為豐富,能滿足履帶車輛振動(dòng)特性的辨識(shí)要求,因此選擇隨機(jī)路譜激勵(lì)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),給定的隨機(jī)路譜激勵(lì)信號(hào)如圖3所示。
圖3 隨機(jī)路譜激勵(lì)時(shí)域信號(hào)Fig.3 Random road spectrum excitation timedomain signal
NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有反饋和記憶特性,常用于多步預(yù)測(cè),在學(xué)習(xí)和泛化能力[17]方面優(yōu)于其他類型的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),因此,本文基于NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立路面不平度識(shí)別模型。如圖4所示,該模型主要包括輸入?yún)?shù)、NARX網(wǎng)絡(luò)、模型輸出參數(shù)、模型性能評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)。NARX網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括輸入及其節(jié)點(diǎn)數(shù)、隱藏層及其節(jié)點(diǎn)數(shù)、輸出及其節(jié)點(diǎn)、延遲層等參數(shù)。
圖4 路面不平度識(shí)別模型結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.4 Structure diagram of road unevenness recognition model
NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)得到理想的路面不平度識(shí)別模型非常重要。延遲層對(duì)識(shí)別模型的輸出進(jìn)行延遲處理,其階數(shù)不宜過(guò)大。NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱藏層層數(shù)一般為1,隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)為
(1)
式中,m為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù);n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù);a為0~10之間的整數(shù)。
理論上,識(shí)別模型的輸入越少越好,但輸入信號(hào)太少必然導(dǎo)致辨識(shí)不夠準(zhǔn)確,因此,尋求數(shù)量和效果的平衡是首先需要解決的問(wèn)題。顯然,將所測(cè)得的11個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)全部作為識(shí)別模型的輸入并不一定是最佳的輸入方案,因此需要進(jìn)一步分析以獲得最佳的組合方案。每個(gè)采集到的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)有兩種狀態(tài):作為輸入(記為1,稱之為水平1);不作為輸入(記為0,稱之為水平2)。這樣, 11個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)的組合就會(huì)有211(2048)種方案。從如此多的輸入方案中選擇最優(yōu)的一組輸入方案是非常耗時(shí)的,為此,借助正交試驗(yàn)的思路,將11個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)作為試驗(yàn)因素,以動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)是否作為輸入為水平,進(jìn)行11因素、2水平的正交試驗(yàn),選用正交表L16(215)的16組輸入方案詳情如表1所示。
表1 正交試驗(yàn)方案
經(jīng)過(guò)上述過(guò)程,動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)的組合方案減4少為16個(gè)。然后,進(jìn)一步開(kāi)展三個(gè)方面的工作:①給出合理的識(shí)別效果評(píng)價(jià)指標(biāo);②基于評(píng)價(jià)指標(biāo)逐一評(píng)價(jià)16個(gè)方案,得到每個(gè)方案的識(shí)別效果系數(shù);③基于識(shí)別效果系數(shù)和正交試驗(yàn)表判斷每個(gè)因素的顯著水平,再根據(jù)顯著水平選擇最終的組合方案。
為對(duì)模型識(shí)別效果進(jìn)行評(píng)價(jià),引入相關(guān)性系數(shù)、均方根誤差、絕對(duì)誤差累計(jì)概率密度,然后對(duì)這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行融合處理,得到一個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)即識(shí)別效果系數(shù)。
(1)相關(guān)性系數(shù)的公式為
(2)
相關(guān)性系數(shù)反映預(yù)測(cè)輸出與目標(biāo)值之間一致的程度,其值越大,說(shuō)明結(jié)果越好。
(2)均方根誤差為
(3)
均方根誤差反映預(yù)測(cè)輸出和目標(biāo)值之間的偏差程度,其值越小,識(shí)別精度越高。
(3)絕對(duì)誤差累計(jì)概率密度為
F(X)=P(X≤x)
(4)
式中,x為允許的絕對(duì)誤差,本文取目標(biāo)路面不平度極大值的5%。
F(X)表示識(shí)別誤差在允許的絕對(duì)誤差范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率,其值越大,說(shuō)明識(shí)別模型效果越好。
上述3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同,不便于直接進(jìn)行信息融合處理,因此,需要對(duì)每個(gè)試驗(yàn)方案得到的評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行量綱一化。相關(guān)性系數(shù)和絕對(duì)誤差累計(jì)概率密度是量綱一指標(biāo),因此只需要對(duì)均方根誤差進(jìn)行量綱一化。由于均方根誤差越小越好,這和其他兩個(gè)指標(biāo)相反,需要按下式進(jìn)行處理:
(5)
式中,El為第l次試驗(yàn)時(shí)的均方根誤差,l=1,2,…,16。
然后,為每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分配一個(gè)權(quán)重系數(shù),根據(jù)量綱一化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行信息融合,得到一個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo):
yl=(w1D1l+w2D2l+w3D3l)/3
(6)
式中,D1l、D2l、D3l分別為量綱一化后的識(shí)別模型相關(guān)性系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)、均方根誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)和絕對(duì)誤差累計(jì)概率密度評(píng)價(jià)指標(biāo);w1~w3分別為D1l~D3l的權(quán)重系數(shù),D1l=D2l=D3l。
按照文獻(xiàn)[18]的方法,最終確定NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為11,輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為6,隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)取13,延遲層節(jié)點(diǎn)數(shù)為6。根據(jù)表1所示的試驗(yàn)方案,進(jìn)行隨機(jī)路譜振動(dòng)試驗(yàn),得到履帶車輛車體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)(信號(hào)采樣頻率為256 Hz,共14 403組數(shù)據(jù)),選取前30 s的數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本,以剩余的數(shù)據(jù)為測(cè)試樣本,訓(xùn)練NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),對(duì)路面不平度進(jìn)行識(shí)別。為克服NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程中的隨機(jī)性,每組輸入方案訓(xùn)練6次并取預(yù)測(cè)輸出的平均值為最終的識(shí)別結(jié)果。由于履帶車輛各負(fù)重輪的輸入只存在時(shí)間上的延遲,故本文均以第一負(fù)重輪的路面不平度進(jìn)行分析。每組NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的16組輸入方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。
表2 各試驗(yàn)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)
表2中,試驗(yàn)2的識(shí)別效果系數(shù)最大,效果最好,但是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析得到的結(jié)果基于不全面試驗(yàn),因此有必要結(jié)合正交試驗(yàn)表(表1)和表2的路面不平度識(shí)別效果系數(shù)進(jìn)行分析,確定試驗(yàn)因素的主次、各試驗(yàn)因素的顯著水平及試驗(yàn)范圍的最優(yōu)組合,具體過(guò)程過(guò)可參考文獻(xiàn)[19]。表3所示為最優(yōu)輸入方案分析結(jié)果,其中,j為評(píng)價(jià)指標(biāo)序號(hào),j=1,2,3分別對(duì)應(yīng)相關(guān)性系數(shù)、均方根誤差和絕對(duì)誤差累計(jì)概率密度;yj1為水平1總的水平影響系數(shù);yj2為水平2總的水平影響系數(shù);Rj為水平1和水平2總的水平影響系數(shù)的極差,極差越大,表示該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大(即顯著水平越高)。由表3可以看出,因素1、6、9的顯著水平最高,均大于0.9;因素11的顯著水平為0.424,其他因素的顯著水平相對(duì)較低。根據(jù)表2和表3的分析結(jié)果,以試驗(yàn)方案2為最優(yōu)輸入方案時(shí),不平度識(shí)別模型的輸入?yún)?shù)較多且測(cè)試成本高;選擇1、6、9、11號(hào)傳感器所測(cè)得的響應(yīng)信號(hào)作為最優(yōu)的輸入方案,傳感器相對(duì)較少。因此,本文選擇1、6、9、11號(hào)傳感器所測(cè)得的響應(yīng)信號(hào)可作為識(shí)別模型的最優(yōu)輸入。
表3 輸入方案分析結(jié)果
根據(jù)3.1節(jié)的分析結(jié)果,以1、6、9、11號(hào)傳感器信號(hào)為識(shí)別模型的輸入,對(duì)NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新訓(xùn)練和測(cè)試后,再次識(shí)別路面不平度,結(jié)果如圖5~圖7所示。不難看出,訓(xùn)練樣本、測(cè)試樣本的預(yù)測(cè)輸出和目標(biāo)值吻合度均很高,識(shí)別模型相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.977,均方根誤差為0.056 mm,絕對(duì)誤差小于0.1 mm時(shí)的累計(jì)概率密度達(dá)到0.959。由此可見(jiàn),通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了路面不平度識(shí)別模型輸入數(shù)量和識(shí)別效果的平衡,簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)傳感器的布置。
(a)訓(xùn)練樣本
(a)訓(xùn)練樣本
圖7 路面不平度識(shí)別絕對(duì)誤差的累計(jì)概率密度Fig.7 Accumulated probability density of absoluteerror for road roughness recognition
履帶車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果受路面類型、測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率、車速等因素的影響,因此,為更好地分析履帶車輛路面不平度識(shí)別模型的有效性,將研究路面類型、采樣頻率和車速對(duì)路面不平度識(shí)別效果的影響。
以鋪面路、起伏路、戈壁路和砂石路為履帶車輛的典型行駛路面,將參照文獻(xiàn)[15]測(cè)得的路面不平度數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理后作為道路模擬系統(tǒng)的控制輸入,如圖8所示。
(a)鋪面路
利用道路模擬系統(tǒng)分別再現(xiàn)4種行駛路面,試驗(yàn)的模擬車速為15 km/h?;诘?節(jié)建立的路面不平度識(shí)別模型,識(shí)別4種典型路面的不平度。鋪面路、起伏路、戈壁路和砂石路的相關(guān)性系數(shù)分別為0.991、0.987、0.993和0.988,均方根誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為0.084 mm、0.122 mm、0.097 mm和0.249 mm,絕對(duì)誤差為1 mm時(shí)的累計(jì)概率密度均接近于1。由圖9、圖10可以看出,4種路面的路面不平度識(shí)別效果均非常好,其中,鋪面路的識(shí)別效果最好。由此可見(jiàn),該識(shí)別模型可以識(shí)別履帶車輛4種典型路面的不平度信息。
(a)鋪面路
圖10 絕對(duì)誤差的累計(jì)概率密度曲線(不同路面)Figu.10 Cumulative probability density curve ofabsolute error under different road types
不同的采樣頻率會(huì)導(dǎo)致履帶車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)不同程度的失真。相同時(shí)間段內(nèi),采樣頻率越低,樣本數(shù)據(jù)越少,模型訓(xùn)練所需時(shí)間越短;采樣頻率越高,樣本數(shù)據(jù)量越大,模型訓(xùn)練所需時(shí)間越長(zhǎng)。因此,本節(jié)將分析采樣頻率對(duì)識(shí)別效果的影響。
以25 km/h的車速進(jìn)行戈壁路道路模擬試驗(yàn),采樣頻率f分別為128 Hz、256 Hz、512 Hz和1024 Hz時(shí),采用相同的識(shí)別模型進(jìn)行路面不平度識(shí)別,得到不同采樣頻率的絕對(duì)誤差累計(jì)概率密度曲線,如圖11所示。采樣頻率分別256 Hz、512 Hz和1024 Hz時(shí),路面不平度識(shí)別絕對(duì)誤差為1 mm的累計(jì)概率密度分別為0.991、0.972和0.980,具有較高的識(shí)別精度;采樣頻率為128 Hz時(shí),路面不平度識(shí)別絕對(duì)誤差為1 mm的累計(jì)概率密度僅為0.516,模型識(shí)別精度相對(duì)較低。因此,采樣頻率為256 Hz、512 Hz和1024 Hz時(shí),路面不平度識(shí)別模型具有很好的識(shí)別效果,其中,采樣頻率256 Hz的效果最好。
圖11 絕對(duì)誤差的累計(jì)概率密度曲線(不同采樣頻率)Fig.11 Cumulative probability density curve of absoluteerror with different sample frequency
分別以5 km/h、15 km/h和25 km/h的車速v進(jìn)行戈壁路道路模擬試驗(yàn),采集不同車速下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),檢驗(yàn)不同車速下的路面不平度識(shí)別模型識(shí)別效果。由圖12、圖13不難看出,車速為5 km/h時(shí),識(shí)別誤差最小,路面不平度識(shí)別絕對(duì)誤差為1 mm的累計(jì)概率密度最大,說(shuō)明路面不平度識(shí)別效果最好;車速15 km/h的路面不平度識(shí)別效果次之;車速25 km/h的路面不平度識(shí)別效果相對(duì)較差,但路面不平度識(shí)別絕對(duì)誤差為1 mm的累計(jì)概率密度也達(dá)到了0.991。由此可見(jiàn),3種車速下的路面不平度識(shí)別均具有很好的識(shí)別效果。
(a)v=5 km/h
圖13 絕對(duì)誤差累計(jì)概率密度曲線(不同車速)Fig.13 Absolute error cumulative probability densitycurve at different vehicle speeds
(1)建立了一種以基于履帶車輛車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的行駛路面不平度識(shí)別模型。該模型采用NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以履帶車輛車體動(dòng)態(tài)響應(yīng)為輸入,以路面不平度為輸出。提出了識(shí)別效果評(píng)價(jià)的3個(gè)指標(biāo)(相關(guān)性系數(shù)、均方根誤差、絕對(duì)誤差累計(jì)概率密度),通過(guò)信息融合的方式獲得的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)能有效評(píng)價(jià)識(shí)別模型的效果。
(2)基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路,實(shí)現(xiàn)了路面不平度識(shí)別模型輸入數(shù)量和識(shí)別效果的平衡。通過(guò)正交試驗(yàn)獲得了不同輸入組合方案的識(shí)別效果系數(shù),得到不同輸入的顯著水平,主次因素排序后,剔除不顯著的輸入,簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)傳感器的布置,精簡(jiǎn)后的模型輸入方案滿足識(shí)別效果的精度需求。
(3)分析了不同的路面、采樣頻率和車速的路面不平度識(shí)別效果。結(jié)果表明,本文提出的行駛路面不平度識(shí)別模型在不同情況下均有較高的精度,滿足工程實(shí)際需求;采樣頻率對(duì)路面不平度識(shí)別效果有較大的影響,并非越高越好。