基于油门固定开度的汽车驾驶性评价模型

莫易敏，张 鸿，梁军勇，吴 疆，毛万鑫

(1.武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007)

汽车优异的驾驶性能可以大大提高用户的驾驶体验，有助于打造汽车品牌的核心竞争力，故驾驶性评价在汽车研发与制造方面显得尤为重要。当前国内许多汽车厂商在驾驶性评价方面主要依靠主观评价，这种方法可以直接模拟用户的驾驶行为，捕获不同工况的真实驾驶体验，但缺点是所需的人力、物力、财力较大，对评价人员的要求较高且评价结果容易受到不同评价人员的主观影响。因此，客观评价在驾驶性评价研究中逐渐成为重要课题。章桐等[1]在传统汽车燃油经济性和全负荷动力性评价指标基础上，引入了汽车驾驶性客观评价体系，建立了整车级别综合评价体系；胡月[2]针对换挡和起步两个工况，定量分析了主观评价与客观参数之间的关系，验证了BP神经网络预测模型的有效性；牛大旭等[3]建立了驾驶品质仿真模型，并通过优化策略使客观参数满足整车开发品质要求；詹军等[4]提出了一种驾驶模拟器驱动的TCU换挡策略驾驶性评价方法，有效减少了实车测试评价的工作量。

已有研究多针对手动挡汽车，且未找到与主观评价相关度较高的客观评价指标，即驾驶性评价仍未脱离对主观评价的依赖。因此，有必要引入油门开度作为样本变量，选取某款自动挡SUV，针对加速工况、急加速/急减速工况建立综合的客观评价指标体系，通过相关性分析剔除相关度较低的指标，基于特征指标建立驾驶性评价模型，并对该模型进行实车有效性验证，以期为自动挡汽车驾驶性综合评价和前期开发提供指导。

1 驾驶性评价方法分析

汽车驾驶性评价按性质可分为主观评价和客观评价。驾驶员主观输入与车辆客观响应的关系如图1所示，可知驾驶员对车辆的主观评价本质上是其对车辆客观参数的主观感受，主观感受来源于客观响应。

图1 驾驶员主观输入与车辆客观响应的关系

1.1 驾驶性主观评价方案

驾驶性主观评价是指评价人员通过油门踏板、制动踏板等操作设备对车辆进行输入，利用自身的视觉、听觉、触觉和身体平衡感等对车辆动态响应做出的评定。借鉴国内外已有主观评价标准[5]，结合某车企主观评价经验和产品特性，制定出能充分反映车辆驾驶性能的主观评价方案：由专业的评价人员分别对车辆在行驶过程中的乘坐性能、操纵性能、行驶性能、动力性能和整车NVH(噪声与振动)性能[6]进行评价，并将评价结果汇总为综合得分。主观评分量表如表1所示。

表1 主观评分量表

1.2 驾驶性客观评价体系

驾驶性客观评价是通过多种可以量化的客观指标对汽车驾驶性能进行评价的方法，其核心是建立一套完善的客观评价指标体系。借鉴文献[1]、文献[2]和文献[5]的研究，筛选出在固定油门开度下可量化的客观指标，提出了一种基于油门固定开度的驾驶性客观评价指标测试方案：以车辆的纵向速度和加速度为计算基础，采用峰值加速度、加速度增益、加速度均方根值，以及急加速/急减速响应曲线中反映出的响应延迟、加速度上升时间和加速度振荡6个客观指标综合反映主观得分。

峰值加速度是指汽车在直线行驶过程中，车辆在不同油门踏板开度下能达到的加速度最大值，在路况不变且油门踏板开度一定的前提下，车辆能达到的最大加速度越大，说明车辆的速度提升能力越强。加速度增益是指单位油门踏板位移所带来的加速度，表征单位踏板位移下的车辆纵向加速度[7]，加速度增益响应曲线在一定程度上反映了油门踏板输入与加速度响应输出之间的特殊关系。加速度均方根值(RMS)也称加速度有效值，反映了汽车在加速时间历程内的平均加速度值。

在拥挤的城市道路环境下，用户需要经常性地急加速或急减速，急加速/急减速响应曲线能够反映车辆在不同油门踏板开度下的驾驶性响应特性，如响应延迟、加速度上升时间、加速度振荡等，这也是驾驶性客观评价中重要的数据来源。其中，响应延迟是指加速度响应对于油门踏板的滞后时间，响应延迟越长，说明信号在油门踏板与发动机之间的传输速率越慢，驾驶员的加速意志越晚得到满足；加速度上升时间即为加速度由零上升至最大值的时间，加速度上升时间越短，说明加速度上升速度越快，车辆加速性能就越优；加速度振荡是指在一定油门踏板开度下，从加速度刚达峰值到趋于平稳的时间段内加速度的上下跳动情况，主要反映在达到峰值后加速度下降的平稳程度。

2 特征指标的确定

2.1 数据采集方案

(1)实验设备。实验车辆选择国内某车企的一款1.5T自动挡SUV，整备质量为1 550 kg，发动机布置与驱动方式为前置前驱。AVL-DRIVE测量系统是一套集成了各种加速度传感器、振动传感器和电流传感器的汽车行驶实时监测系统[8]，可以从相应的传感器中获取汽车在各个方向的加速度和振动频率，还可以通过CAN总线读取车速、发动机转速和油门踏板开度等信息，实验时主要用其采集汽车行驶时间、速度、纵向加速度和油门踏板开度等参数。

(2)油门踏板开度固定方法。油门踏板是汽车最直接的动力输出装置，在行车时驾驶员通过改变油门踏板的行程来调节发动机节气门开度，从而控制发动机的动力输出[9]。固定油门踏板开度首先要对踏板限位器进行标定，带有踏板限位器的电子油门控制原理如图2所示，即利用AVL-DRIVE系统读取发动机节气门开度信息并传送至上位机，逐渐改变油门踏板的行程，将上位机显示的发动机开度信息反映到踏板限位器的位移刻度上，使油门开度与限位器的位移一一对应。

图2 带有踏板限位器的电子油门控制原理

2.2 主观评价结果分析

由评价人员在不同油门开度下对车辆在行驶过程中的乘坐性能、操纵性能、行驶性能、动力性能和整车NVH性能进行评价，然后汇总为该油门开度下的综合得分，将评价人员对各个性能的评分绘制成蜘蛛图，从中可以看出油门固定开度下汽车各个性能的得分情况和不同油门开度下汽车各个性能的得分变化情况如图3所示。

图3 主观评价得分蜘蛛图

2.3 客观数据处理

加速度传感器记录的加速度信息中掺杂有高频噪音成分，这些噪音会使客观评价指标计算出现误差，故需要对加速度信号进行降噪处理。在Matlab工具中搭建巴特沃斯滤波器，设定通过频率为5 Hz，通带最大衰减ap=2 dB，阶数N=5，将携带高频噪音加速度信号进行低通滤波去噪处理。利用滤波后的数据分别绘制峰值加速度、加速度增益和急加速/急减速响应曲线，如图4～图6所示。利用滤波后的数据和曲线图计算出6个客观指标参数值，与同等工况下车辆主观得分一同记录，得到主、客观评价结果。12次实验中的某次样本评价结果示例如表2所示。

图4 峰值加速度响应曲线

图5 加速度增益曲线

图6 急加速/急减速响应曲线

表2 主、客观评价结果(示例)

2.4 相关性分析

为了定量地将主观评分用客观指标代替，首先要排除样本变量油门开度对主观评分的影响，其次要从6个客观指标中确定出与主观评分相关性较高的特征指标。在统计学中常用相关系数ρxy来描述两个变量x和y之间的相关性，其计算方法为：

(1)

式中：μx、μy分别为随机变量x和y的均值；σx、σy分别为随机变量x和y的标准差。

经计算，得到油门踏板开度与主观评分之间的平均相关系数为0.12，且最大值不超过0.2，说明两者的相关程度较低，可排除油门踏板开度对主观评分的影响。6个客观指标与主观评分的相关性结果如表3所示，将相关程度低的两个指标(峰值加速度、加速度均方根值)剔除，最终确定加速度增益、响应延迟、加速度上升时间、加速度振荡为客观评价特征指标。

表3 客观指标与主观评分的相关性结果

3 模型建立与优化

3.1 模型参数估计

将主观得分作为因变量Y，加速度增益、响应延迟、加速度上升时间和加速度振荡4个特征指标分别为自变量X1、X2、X3、X4，假设Y和X之间的多元线性回归模型为：

Yi=b0+b1X1i+b2X2i+b3X3i+b4X4i

(2)

式中：bk(k=1,2,3,4)为各自变量的回归系数；b0为常数项；i为样本变量序号，i=1,2,…,n。

根据油门开度的不同可得到10组样本数据，利用这10组样本对模型参数bk进行估计。最常用的估计方法是普通最小二乘方法(OLS)，其基本原理是让所选择的回归模型使所有样本观测值的残差平方和达到最小[10]。残差平方和Q的表达式为：

(3)

(4)

Y=-0.35+21.92X1+7.93X2+0.47X3-0.34X4

(5)

3.2 残差分析

利用Matlab工具绘制回归系数的残差和置信区间，如图7所示。其中，直线段表示残差的置信区间，小圆圈代表残差点。从图7可以看出，第4个样本点的残差离零点较远，且残差的置信区间未包含零点，说明该样本数据与原始数据相差较大。

图7 初始模型回归系数残差图

图8 改进后模型回归系数残差图

Y=1.71+17.05X1+4.30X2+0.86X3-0.39X4

(6)

3.3 模型检验

在回归分析中，判定系数R2可以表征回归平方和在总平方和中所占的比例。经计算得判定系数R2=0.908 3，与1非常接近，说明该多元回归方程的拟合程度比较理想。

然后，构造合适的统计量F对模型进行显著性检验[11]，计算得到F检验值为115.33，远大于给定显著性水平α=0.05的拒绝域F0.05(4,5)=9.12，由此可知主观得分Y与4个特征指标X1、X2、X3、X4之间的线性关系显著。

3.4 实车有效性验证

选择油门开度为25%的工况，对模型结果与主观得分的误差进行实车验证，结果如表4所示，可以看出该工况下模型估计值误差均小于3%，平均误差小于2%。

表4 实车验证结果

4 结论

(1)从实验数据看出，油门踏板开度对汽车驾驶性能主观评价得分的影响较小，可作为样本变量依据来建立驾驶性评价模型；以油门踏板开度为样本变量，选用加速度增益、响应延迟、加速度上升时间和加速度振荡4个客观特征指标建立评价模型，模型判定系数大于0.9，实车验证主客观评价之间的误差小于3%，表明特征指标对主观得分定量描述的有效性显著。

(2)该模型的建立方法为客观指标量化主观评价提供了新思路，与传统评价方法相比能有效减少对专业评价人员的依赖，缩短汽车开发周期，节省评价成本，可作为自动挡汽车驾驶品质开发的评价依据；但建立评价模型时使用的实验车辆较少，导致模型具有一定的局限性，下一步应引入不同车型的多辆车进行实验，丰富实验数据，进一步增大模型的覆盖范围。