本发明公开车辆动力学技术领域中的一种基于实测数据重构的路面激励输出系统及方法，路面激励信号发生单元由惯性环节校正型相干传递函数计算模块、惯性环节校正型不相干传递函数计算模块、非平稳滤波传递函数计算模块，第一、第二、第三白噪声模块、第一、第二、第三非平稳滤波传递函数模块、第一、第二惯性环节校正型不相干传递函数模块、惯性环节校正型相干传递函数模块以及第一、第二求和模块组成，非平稳滤波模型能够用于路面波动指数不等于2时的路面激励动力学建模，并很方便地用于实时在线生成非平稳路面激励信号生成，可让车辆台架试验台的左、右轮辙路面激励激振头提供与实测路面计算功率谱与相干传递函数相符的双轮辙非平稳路面激励。
1.一种基于实测数据重构的路面激励输出系统，包括道路路面不平度采集系统和车辆道路模拟试验系统，道路路面不平度采集系统由多功能激光路检测仪和GPS接收机组成，GPS接收机的输出端连接多功能激光路检测仪的输入端，GPS接收机采集道路纵向坐标，多功能激光路检测仪在采集点实测左、右轮辙路面激励的高度L、R并输出左、右轮辙路面不平度实测数据L1(I)和R1(I)；车辆道路模拟试验系统由控制系统和左激振头、右激振头组成，控制系统由路面激励信号发生单元、左激振头伺服控制单元和右激振头伺服控制单元组成，多功能激光路检测仪的输出端连接路面激励信号发生单元的输入端，路面激励信号发生单元的输出端分别连接左激振头伺服控制单元、右激振头伺服控制单元的输入端，左激振头伺服控制单元的输出端连接左激振头的输入端，左激振头输出的是模拟路面激励L(t)，右激振头伺服控制单元的输出端连接右激振头的输入端，右激振头输出的是模拟路面激励R(t)，其特征是：所述的路面激励信号发生单元由惯性环节校正型相干传递函数计算模块(12)、惯性环节校正型不相干传递函数计算模块(13)、非平稳滤波传递函数计算模块(14)，第一、第二、第三白噪声模块(1、2、3)、第一、第二、第三非平稳滤波传递函数模块(4、
5、6)、第一、第二惯性环节校正型不相干传递函数模块(7、9)、惯性环节校正型相干传递函数模块(8)以及第一、第二求和模块(10、11)组成；所述的多功能激光路检测仪的输出端分别连接惯性环节校正型相干传递函数计算模块(12)、惯性环节校正型不相干传递函数计算模块(13)、非平稳滤波传递函数计算模块(14)的输入端，惯性环节校正型相干传递函数计算模块(12)的输出端连接惯性环节校正型相干传递函数模块(8)的一个输入端，惯性环节校正型不相干传递函数计算模块(13)的输出端分别连接第一惯性环节校正型不相干传递函数模块(7)、第二惯性环节校正型不相干传递函数模块(9)的各自的1个输入端，非平稳滤波传递函数计算模块(14)的输出端分别连接第一非平稳滤波传递函数模块(4)、第二非平稳滤波传递函数模块(5)和第三非平稳滤波传递函数模块(6)的各自的1个输入端；第一白噪声模块(1)的输出端连接第一非平稳滤波传递函数模块(4)，第二白噪声模块(2)的输出端连接第二非平稳滤波传递函数模块(5)，第三白噪声模块(3)的输出端连接第三非平稳滤波传递函数模块(6)，第一非平稳滤波传递函数模块(4)的输出端连接第一惯性环节校正型不相干传递函数模块(7)的另一个输入端，第二非平稳滤波传递函数模块(5)的输出端连接惯性环节校正型相干传递函数模块(8)的另一个输入端，第三非平稳滤波传递函数模块(6)的输出端连接第二惯性环节校正型不相干传递函数模块(9)的另一个输入端，第一惯性环节校正型不相干传递函数模块(7)以及惯性环节校正型相干传递函数模块(8)的输出端均连接第一求和模块(10)的输入端，第一求和模块(10)的输出端连接左激振头伺服控制单元的输入端，第二惯性环节校正型不相干传递函数模块(9)以及惯性环节校正型相干传递函数模块(8)的输出端均连接第二求和模块(11)的输入端，第二求和模块(11)的输出端连接右激振头伺服控制单元的输入端。
2.一种如权利要求1所述的基于实测数据重构的路面激励输出系统的路面激励输出方法，其特征是包含有以下步骤：
步骤A：第一惯性环节校正型相干传递函数计算模块(12)对左、右轮辙路面不平度实测数据L1(I)和R1(I)进行处理，得到惯性环节校正型相干传递函数H1(S)，将H1(S)输入至惯性环节校正型相干传递函数模块(8)中；惯性环节校正型不相干传递函数计算模块(13)对左、右轮辙路面不平度实测数据L1(I)和R1(I)进行处理，得到惯性环节校正型不相干传递函数H2(S)，将H2(S)输入至第一惯性环节校正型不相干传递函数模块(7)和第二惯性环节校正型不相干传递函数模块(9)中，非平稳滤波传递函数计算模块(14)对左、右轮辙路面不平度实测数据L1(I)和R1(I)进行处理，得到非平稳滤波传递函数H0(S)，将滤波传递函数H0(S)分别输入至第一、第二、第三非平稳滤波传递函数模块(4、5、6)中；
步骤B：第一白噪声模块(1)生成白噪声ω1(t)并输入至第一非平稳滤波传递函数模块(4)，第一非平稳滤波传递函数模块(4)输出的是非平稳路面激励q1(t)并输入至第一惯性环节校正型不相干传递函数模块(7)中；第二白噪声模块(2)生成白噪声ω2(t)并输入至第二非平稳滤波传递函数模块(5)，第二非平稳滤波传递函数模块(5)输出的是非平稳路面激励q2(t)并输入至惯性环节校正型相干传递函数模块(8)中；第三白噪声模块(3)生成白噪声ω3(t)并输入至第三非平稳滤波传递函数模块(6)，第三非平稳滤波传递函数模块(6)输出的是非平稳路面激励q3(t)并输入至第二惯性环节校正型不相干传递函数模块(9)中：步骤C：第一惯性环节校正型不相干传递函数模块(7)对非平稳路面激励q1(t)进行处理得到左轮辙扰动路面激励qLi(t)并输入至第一求和模块(10)中；惯性环节校正型相干传递函数模块(8)对输入的非平稳路面激励q2(t)和惯性环节校正型相干传递函数H1(S)进行处理得到剩余路面激励qc(t)并分别输入至第一求和模块(10)和第二求和模块(11)中，第二惯性环节校正型不相干传递函数模块(9)对输入的非平稳路面激励q3(t)信号进行处理得到右轮辙扰动路面激励qRi(t)并输入至第二求和模块(11)中；
步骤D：第一求和模块(10)对输入的路面激励qLi(t)、qc(t)求和得到左轮车辙路面激励L1(t)并输入到左激振头伺服控制单元中，第二求和模块(11)对输入的路面激励qRi(t)、qc(t)求和得到右轮车辙路面激励R1(t)并输入到右激振头伺服控制单元中；
步骤E：左、右激振头伺服控制单元根据左、右轮车辙路面激励L1(t)、R1(t)控制左、右激振头实时输出模拟路面激励L(t)和R(t)。
3.根据权利要求2所述的路面激励输出方法，其特征是：步骤A中，惯性环节校正型相干传递函数计算模块(12)和惯性环节校正型不相干传递函数计算模块(13)先根据式[Coh2LR nR]＝mscohere(L1(I),R1(I)，256，[],1024,2nmax)求得相干函数平方向量Coh2LR，再根据式求得L1(I)和R1(I)的空间域内的相干函数CohLR，nR为与CohLR数据对应的路面空间频率向量，[]表示使用默认值；
然后惯性环节校正型相干传递函数计算模块(12)根据式
得出拟合参数α0、α1、α2、β0、β1和β2，j为单位虚
数；n为路面空间频率；惯性环节校正型不相干传递函数计算模块(13)根据式
得出拟合参数ψ0、ψ1、ψ2、ξ0、ξ1和ξ2的值；
最后，惯性环节校正型相干传递函数计算模块(12)根据式
得到惯性环节校正型相干传递函数H1(S)，S为拉普拉斯算
子；惯性环节校正型不相干传递函数计算模块(13)根据式
4.根据权利要求2所述的路面激励输出方法，其特征是：步骤A中，非平稳滤波传递函数计算模块(14)先求取出L1(I)和R1(I)的空间域内的自功率谱密度GL和GR，根据式求取预估路面激励系数 n为路面空间频率；再根据式
χ1、χ2、χ3、μ1、μ2、μ3；ns为初次修正后误差最大的频率点；nmin为不平路面的下截止频率；最后根据式 得到非平稳滤波传递函数H0(S)。
5.根据权利要求2所述的路面激励输出方法，其特征是：步骤D中，第一求和模块(10)根据式L1(t)＝qLi(t)+qc(t)计算出左轮车辙路面激励L1(t)，第二求和模块(11)根据式R1(t)＝qRi(t)+qc(t)计算出左轮车辙路面激励R1(t)。
基于实测数据重构的路面激励输出系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于车辆动力学技术领域，涉及动力学仿真与台架试验，尤其是一种用于实时在线生成车辆的双轮辙非平稳路面激励的输出系统及方法。
背景技术
[0002] 动力学仿真与台架试验是汽车研究与开发的重要工具，可大幅度降低研发成本和缩短研发时间。路面激励是汽车不能回避的外界干扰，它对汽车的平顺性、耐久性及侧翻稳定有重要影响。路面激励的建模主要分为单轮辙建模与双轮辙建模两方面。针对单轮辙建模，国际标准ISO/TG 108/SC2N67和国家标准GB 7031-2005均建议路面功率谱密度(或称功率谱)Gq用式(1)表示：
[0003]
[0004] 式中，n0为参考路面空间频率，国标GB/T 7031-2005的推荐取值为0.1m-1；n为路面空间频率；Gq(n0)为参考路面空间频率下的不平度系数；W为路面波动指数。当且仅当W为2时，可使用下式(2)的平稳高斯模型表达路面激励，此时能使用MATLAB/Simulink软件实时生成路面激励，非常方便地为车辆动力学实时仿真实时提供路面激励信号和为车辆台架试验台路面激励激振头实时提供路面激励信号：
[0005]
[0006] 式中，q(I)为路面激励， 为q(I)的导数；I为道路走向长度；nmin为不平路面的-1下截止频率，国标GB/T 7031-2005的推荐取值为0.011m ；ω(I)为标准白噪声信号。
[0007] 但是，根据实测路面激励数据计算得到的路面功率谱密度Gq计算公式中的路面波动指数W常常不等于2，而且绝大多数时候是变化的，即实际路面激励是非平稳的。因此，为提高单轮辙非平稳路面激励建模精度，提出了非平稳高斯模型、平稳拉普拉斯模型、非平稳拉普拉斯模型、高斯-拉普拉斯混合模型、自回归(AR)模型、自回归移动平均(ARMA)模型、傅里叶逆变换方法、谐波叠加方法、小波分析建模方法等。但这些方法都必需事先离线生成数据，不能直接利用MATLAB/Simulink软件实时生成路面激励，且具有计算工作量、需要事先存储等缺点。
[0008] 目前，双轮辙建模是根据实际检测得到的左、右轮辙路面激励数据计算得到的相干传递函数拟合出相干传递函数模型，然后以一个单轮辙路面激励信号为基础求取另一轮辙的路面激励信号。常用的相干传递函数模型主要有Ammon模型、多段线模型、指数函数模型、二次型模型、各向同性单/多参数模型、有理因式倒数模型等。目前拟合实际相干传递函数精确最高的是Ammon模型，由式下(3)来表达：
[0009]
[0010] 式中，n为路面空间频率；ρ为轮距；a为轮距指数；Ω0为参考空间角频率；W为路面波动指数；p为参考系数。
[0011] 上述其他相干传递函数模型与Ammon模型具有一个共同的缺点，即模型表达式中均含有路面空间频率n，因而无法利用MATLAB/Simulink软件实时输出左、右轮辙路面激励。为此，提出利用下式(4)的上下项数相等的传递函数模拟和逼近相干传递函数，该模型需要拟合的参数多，拟合过程中容易形成正极点，以滤波白噪声为输入经过此传递函数获取的另一轮辙路面激励，计算出的左、右轮辙路面激励信号均不能满足指定功率谱与相干传递函数要求：
[0012]
[0013] 式中，S＝j2πn，j为单位虚数；λ0、λ1、…、λk、η0、η1、…、ηk均为模型拟合参数。
发明内容
[0014] 本发明针对现有实测路面计算功率谱与相干传递函数不相符、以及相干传递函数模型和非平稳路面激励模型不能实时在线生成双轮辙非平稳路面激励的问题，提供了一种基于实测数据重构的路面激励输出系统及方法，以实现实时生成实测路面计算功率谱与相干传递函数相符的双轮辙非平稳路面激励。
[0015] 本发明所述的基于实测数据重构的路面激励输出系统采用的技术方案是：包括道路路面不平度采集系统和车辆道路模拟试验系统，道路路面不平度采集系统由多功能激光路检测仪和GPS接收机组成，GPS接收机的输出端连接多功能激光路检测仪的输入端，GPS接收机采集道路纵向坐标，多功能激光路检测仪在采集点实测左、右轮辙路面激励的高度L、R并输出左、右轮辙路面不平度实测数据L1(I)和R1(I)；车辆道路模拟试验系统由控制系统和左激振头、右激振头组成，控制系统由路面激励信号发生单元、左激振头伺服控制单元和右激振头伺服控制单元组成，多功能激光路检测仪的输出端连接路面激励信号发生单元的输入端，路面激励信号发生单元的输出端分别连接左激振头伺服控制单元、右激振头伺服控制单元的输入端，左激振头伺服控制单元的输出端连接左激振头的输入端，左激振头输出的是模拟路面激励L(t)，右激振头伺服控制单元的输出端连接右激振头的输入端，右激振头输出的是模拟路面激励R(t)。
[0016] 所述的路面激励信号发生单元由惯性环节校正型相干传递函数计算模块、惯性环节校正型不相干传递函数计算模块、非平稳滤波传递函数计算模块，第一、第二、第三白噪声模块、第一、第二、第三非平稳滤波传递函数模块、第一、第二惯性环节校正型不相干传递函数模块、惯性环节校正型相干传递函数模块以及第一、第二求和模块组成；所述的多功能激光路检测仪的输出端分别连接惯性环节校正型相干传递函数计算模块、惯性环节校正型不相干传递函数计算模块、非平稳滤波传递函数计算模块的输入端，惯性环节校正型相干传递函数计算模块的输出端连接惯性环节校正型相干传递函数模块的一个输入端，惯性环节校正型不相干传递函数计算模块的输出端分别连接第一惯性环节校正型不相干传递函数模块、第二惯性环节校正型不相干传递函数模块的各自的1个输入端，非平稳滤波传递函数计算模块的输出端分别连接第一非平稳滤波传递函数模块、第二非平稳滤波传递函数模块和第三非平稳滤波传递函数模块的各自的1个输入端；第一白噪声模块的输出端连接第一非平稳滤波传递函数模块，第二白噪声模块的输出端连接第二非平稳滤波传递函数模块，第三白噪声模块的输出端连接第三非平稳滤波传递函数模块，第一非平稳滤波传递函数模块的输出端连接第一惯性环节校正型不相干传递函数模块的另一个输入端，第二非平稳滤波传递函数模块的输出端连接惯性环节校正型相干传递函数模块的另一个输入端，第三非平稳滤波传递函数模块的输出端连接第二惯性环节校正型不相干传递函数模块的另一个输入端，第一惯性环节校正型不相干传递函数模块以及惯性环节校正型相干传递函数模块的输出端均连接第一求和模块的输入端，第一求和模块的输出端连接左激振头伺服控制单元的输入端，第二惯性环节校正型不相干传递函数模块以及惯性环节校正型相干传递函数模块的输出端均连接第二求和模块的输入端，第二求和模块的输出端连接右激振头伺服控制单元的输入端。
[0017] 本发明所述的基于实测数据重构的路面激励输出系统的路面激励输出方法采用的技术方案是：是包含有以下步骤：
[0018] 步骤A：第一惯性环节校正型相干传递函数计算模块对左、右轮辙路面不平度实测数据L1(I)和R1(I)进行处理，得到惯性环节校正型相干传递函数H1(S)，将H1(S)输入至惯性环节校正型相干传递函数模块中；惯性环节校正型不相干传递函数计算模块对左、右轮辙路面不平度实测数据L1(I)和R1(I)进行处理，得到惯性环节校正型不相干传递函数H2(S)，将H2(S)输入至第一惯性环节校正型不相干传递函数模块和第二惯性环节校正型不相干传递函数模块中，非平稳滤波传递函数计算模块对左、右轮辙路面不平度实测数据L1(I)和R1(I)进行处理，得到非平稳滤波传递函数H0(S)，将滤波传递函数H0(S)分别输入至第一、第二、第三非平稳滤波传递函数模块中；
[0019] 步骤B：第一白噪声模块生成白噪声ω1(t)并输入至第一非平稳滤波传递函数模块，第一非平稳滤波传递函数模块输出的是非平稳路面激励q1(t)并输入至第一惯性环节校正型不相干传递函数模块中；第二白噪声模块生成白噪声ω2(t)并输入至第二非平稳滤波传递函数模块，第二非平稳滤波传递函数模块输出的是非平稳路面激励q2(t)并输入至惯性环节校正型相干传递函数模块中；第三白噪声模块生成白噪声ω3(t)并输入至第三非平稳滤波传递函数模块，第三非平稳滤波传递函数模块输出的是非平稳路面激励q3(t)并输入至第二惯性环节校正型不相干传递函数模块中：
[0020] 步骤C：第一惯性环节校正型不相干传递函数模块对非平稳路面激励q1(t)进行处理得到左轮辙扰动路面激励qLi(t)并输入至第一求和模块中；惯性环节校正型相干传递函数模块对输入的非平稳路面激励q2(t)和惯性环节校正型相干传递函数H1(S)进行处理得到剩余路面激励qc(t)并分别输入至第一求和模块和第二求和模块中，第二惯性环节校正型不相干传递函数模块对输入的非平稳路面激励q3(t)信号进行处理得到右轮辙扰动路面激励qRi(t)并输入至第二求和模块中；
[0021] 步骤D：第一求和模块对输入的路面激励qLi(t)、qc(t)求和得到左轮车辙路面激励L1(t)并输入到左激振头伺服控制单元中，第二求和模块对输入的路面激励qRi(t)、qc(t)求和得到右轮车辙路面激励R1(t)并输入到右激振头伺服控制单元中；
[0022] 步骤E：左、右激振头伺服控制单元根据左、右轮车辙路面激励L1(t)、R1(t)控制左、右激振头实时输出模拟路面激励L(t)和R(t)。
[0023] 本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：
[0024] 1、使用本发明可让车辆台架试验台的左、右轮辙路面激励激振头提供与实测路面计算功率谱与相干传递函数相符的双轮辙非平稳路面激励。
[0025] 2、本发明提供的非平稳滤波模型能够用于路面波动指数不等于2时的路面激励动力学建模，并很方便地用于实时在线生成非平稳路面激励信号生成。
[0026] 3、使用本发明生成的左、右轮辙非平稳路面激励数据计算工作量小，且精度高。
附图说明
[0027] 图1是实现本发明的系统框图；
[0028] 图2是图1中的路面激励信号发生单元的结构框图。
具体实施方式
[0029] 参见图1，本发明基于实测数据重构的路面激励输出系统采用道路路面不平度采集系统实测车辆的左、右轮辙路面不平度L1(I)、R1(I)数据，将实测数据L1(I)、R1(I)输入车辆道路模拟试验系统，经车辆道路模拟试验系统处理后生成模拟路面激励L(t)、R(t)。其中，道路路面不平度采集系统由多功能激光路检测仪和GPS接收机组成，GPS接收机的输出端连接多功能激光路检测仪的输入端，多功能激光路检测仪的输出端连接车辆道路模拟试验系统。多功能激光路检测仪和GPS接收机均布置在汽车的顶部横梁上，GPS接收机以特定长度间隔获得道路走向长度上采集点的道路纵向坐标I，并将道路纵向坐标I输入给多功能激光路检测仪。多功能激光路检测仪在采集点实测左、右轮辙路面激励的高度，分别是左轮辙路面激励高度L和右轮辙路面激励高度R。多功能激光路检测仪将实测的路面激励的高度L、R再结合道路纵向坐标I，融合生成道路空间域内的左、右轮辙路面不平度实测数据L1(I)和R1(I)，然后发送到车辆道路模拟试验系统。
[0030] 所述的车辆道路模拟试验系统由控制系统和左激振头、右激振头组成，其中的控制系统由路面激励信号发生单元、左激振头伺服控制单元、右激振头伺服控制单元组成。多功能激光路检测仪的输出端连接路面激励信号发生单元的输入端，路面激励信号发生单元的输出端分别连接左激振头伺服控制单元、右激振头伺服控制单元的输入端。左激振头伺服控制单元的输出端连接左激振头的输入端，左激振头输出的是模拟路面激励L(t)，右激振头伺服控制单元的输出端连接右激振头的输入端，右激振头输出的是模拟路面激励R(t)。
[0031] 参见图2，路面激励信号发生单元由惯性环节校正型相干传递函数计算模块12、惯性环节校正型不相干传递函数计算模块13、非平稳滤波传递函数计算模块14，第一、第二、第三白噪声模块1、2、3、第一、第二、第三非平稳滤波传递函数模块4、5、6、第一、第二惯性环节校正型不相干传递函数模块7、9、惯性环节校正型相干传递函数模块8以及第一、第二求和模块10、11组成。
[0032] 其中，多功能激光路检测仪的输出端分别连接惯性环节校正型相干传递函数计算模块12、惯性环节校正型不相干传递函数计算模块13、非平稳滤波传递函数计算模块14的输入端，将左、右轮辙路面不平度的实测数据L1(I)和R1(I)输入到惯性环节校正型相干传递函数计算模块12、惯性环节校正型不相干传递函数计算模块13和非平稳滤波传递函数计算模块14中。惯性环节校正型相干传递函数计算模块12的输出端连接惯性环节校正型相干传递函数模块8的一个输入端，惯性环节校正型不相干传递函数计算模块13的输出端分别连接第一惯性环节校正型不相干传递函数模块7、第二惯性环节校正型不相干传递函数模块9的各自的1个输入端。非平稳滤波传递函数计算模块14的输出端分别连接第一非平稳滤波传递函数模块4、第二非平稳滤波传递函数模块5和第三非平稳滤波传递函数模块6的各自的1个输入端。三个独立的白噪声模块1、2、3输出端分别连接对应的一个非平稳滤波传递函数模块4、5、6的各自的另一个输入端，即第一白噪声模块1的输出端连接第一非平稳滤波传递函数模块4，第二白噪声模块2的输出端连接第二非平稳滤波传递函数模块5，第三白噪声模块3的输出端连接第三非平稳滤波传递函数模块6。第一非平稳滤波传递函数模块4的输出端连接第一惯性环节校正型不相干传递函数模块7的另一个输入端，第二非平稳滤波传递函数模块5的输出端连接惯性环节校正型相干传递函数模块8的另一个输入端，第三非平稳滤波传递函数模块6的输出端连接第二惯性环节校正型不相干传递函数模块9的另一个输入端。第一惯性环节校正型不相干传递函数模块7以及惯性环节校正型相干传递函数模块8的输出端均连接第一求和模块10的输入端，第一求和模块10的输出端连接左激振头伺服控制单元的输入端。第二惯性环节校正型不相干传递函数模块9以及惯性环节校正型相干传递函数模块8的输出端均连接第二求和模块11的输入端，第二求和模块11的输出端连接右激振头伺服控制单元的输入端。
[0033] 其中，第一惯性环节校正型相干传递函数计算模块12对接收到的实测L1(I)和R1(I)进行计算处理，得到惯性环节校正型相干传递函数H1(S)，将H1(S)输入至惯性环节校正型相干传递函数模块8中，完成惯性环节校正型相干传递函数模块8的构建。惯性环节校正型不相干传递函数计算模块13对接收到的实测数据L1(I)和R1(I)进行计算处理，得到惯性环节校正型不相干传递函数H2(S)，将H2(S)输入至第一惯性环节校正型不相干传递函数模块7和第二惯性环节校正型不相干传递函数模块9中，完成第一惯性环节校正型不相干传递函数模块7和第二惯性环节校正型不相干传递函数模块9的构建。非平稳滤波传递函数计算模块14对接收到的实测数据L1(I)和R1(I)进行计算处理，得到非平稳滤波传递函数H0(S)，将滤波传递函数H0(S)分别输入至第一、第二、第三非平稳滤波传递函数模块4、5、6中，完成第一、第二、第三非平稳滤波传递函数模块4、5、6构建。
[0034] 其中，第一白噪声模块1生成白噪声ω1(t)，将白噪声ω1(t)输入至第一非平稳滤波传递函数模块4，第一非平稳滤波传递函数模块4输出的是非平稳路面激励信号q1(t)，非平稳路面激励信号q1(t)输入至第一惯性环节校正型不相干传递函数模块7中。第二白噪声模块2生成白噪声ω2(t)，将白噪声ω2(t)输入至第二非平稳滤波传递函数模块5，第二非平稳滤波传递函数模块5输出的是非平稳路面激励信号q2(t)，非平稳路面激励信号q2(t)输入至惯性环节校正型相干传递函数模块8中。第三白噪声模块3生成白噪声ω3(t)，将白噪声ω3(t)输入至第三非平稳滤波传递函数模块6，第三非平稳滤波传递函数模块6输出的是非平稳路面激励信号q3(t)，非平稳路面激励信号q3(t)输入至第二惯性环节校正型不相干传递函数模块9中。
[0035] 第一惯性环节校正型不相干传递函数模块7对输入的非平稳路面激励q1(t)信号进行处理，得到左轮辙扰动路面激励qLi(t)信号，且将该qLi(t)信号输入至第一求和模块10中。惯性环节校正型相干传递函数模块8对输入的非平稳路面激励q2(t)信号、惯性环节校正型相干传递函数H1(S)进行处理，得到剩余路面激励qc(t)信号，并将该qc(t)信号分别输入至第一求和模块10和第二求和模块11中。第二惯性环节校正型不相干传递函数模块9对输入的非平稳路面激励q3(t)信号进行处理，得到右轮辙扰动路面激励qRi(t)信号，并将该qRi(t)信号输入至第二求和模块11中。
[0036] 第一求和模块10对输入的路面激励qLi(t)、qc(t)求和计算，得到左轮车辙路面激励L1(t)，左轮车辙路面激励L1(t)输入到左激振头伺服控制单元中。第二求和模块11对输入的路面激励qRi(t)、qc(t)求和计算，得到右轮车辙路面激励R1(t)，右轮车辙路面激励R1(t)输入到右激振头伺服控制单元中。
[0037] 左、右激振头分别固定在垂直向上的车辆的液压油缸的活塞杆上端，左、右激振头伺服控制单元根据左、右轮车辙路面激励L1(t)、R1(t)控制左、右激振头实时输出不同的模拟路面激励L(t)和R(t)，模拟路面激励。
[0038] 参见图1-2，车辆道路模拟试验系统工作前，先使用道路路面不平度采集系统实测一段至少2公里长的左、右轮辙路面不平度数据，计算出左、右轮辙路面激励自功率谱密度和相干传递函数，然后根构建非平稳滤波传递函数模块、惯性环节校正型相干传递函数模块、惯性环节校正型不惯性环节校正型相干传递函数模块，接着根据所要模拟的汽车行驶车速v(m/s)确定白噪声模块的输入参数。车辆道路模拟试验系统工作时，将试验汽车的左、右车轮分别固定在相应的左、右激振头上，左、右激振头伺服控制单元根据求和模块输出的左、右轮车辙路面激励L1(t)、R1(t)控制左、右活塞杆实时输出不同的高度，即模拟路面激励L(t)和R(t)，此时试验汽车左、右车轮就受到了与左、右轮辙路面激励实时信号对应的模拟路面激励输入。具体过程如下：
[0039] 步骤1：采用道路路面不平度采集系统实测路面不平度，实测一段至少2公里长的左右轮辙路面不平度数据。在实测道路纵向坐标I上，GPS接收机以2倍不平路面上截止频率的倒数 为采样间隔，其中nmax为不平路面上的截止频率，国标GB/T 7031-2005的推荐取值为2.83m-1，确定各路面不平度采集点的道路纵向坐标I，并输入至多功能激光路检测仪，多功能激光路检测仪在道路坐标点实测左轮辙路面激励高度L和右轮辙路面激励高度R，采集完成后生成左、右轮辙路面不平度L1(I)、R1(I)，然后发送至控制系统。
[0040] 步骤2：惯性环节校正型相干传递函数计算模块12和惯性环节校正型不相干传递函数计算模块13对左、右轮辙路面不平度L1(I)、R1(I)进行处理，利用Matlab软件提供的mscohere()函数按下式(5)先求得相干函数平方向量Coh2LR，再按式(6)求得L1(I)和R1(I)的空间域内的相干函数CohLR，CohLR为与路面空间频率向量nR一一对应的向量。
[0041] [Coh2LR nR]＝mscohere(L1(I),R1(I)，256，[],1024,2nmax) (5)
[0042]
[0043] 其中，Coh2LR为相干函数向量CohLR的平方向量；nR为与CohLR数据对应的路面空间频率向量；[]表示使用默认值。
[0044] 然后，惯性环节校正型相干传递函数计算模块12利用MATLAB软件提供的lsqcurvefit()工具按下式(7)拟合得出拟合参数α0、α1、α2、β0、β1和β2，拟合时取遍向量nR中的每一个值：
[0045]
[0046] 其中，j为单位虚数；α0、α1、α2、β0、β1和β2均为非负的拟合参数；n为路面空间频率。
[0047] 与惯性环节校正型相干传递函数计算模块12的拟合方法不同的是，惯性环节校正型不相干传递函数计算模块13利用MATLAB软件提供的lsqcurvefit()工具按下式(8)拟合得出拟合参数ψ0、ψ1、ψ2、ξ0、ξ1和ξ2的值，拟合时取遍向量nR中的每一个值：
[0048]
[0049] 其中，ψ0、ψ1、ψ2、ξ0、ξ1和ξ2均为非负的拟合参数。
[0050] 惯性环节校正型相干传递函数计算模块12根据拟合参数α0、α1、α2、β0、β1、β2，按下式(9)构建惯性环节校正型相干传递函数模型的传递函数H1(S)。
[0051]
[0052] 式中，S为拉普拉斯算子。
[0053] 惯性环节校正型不相干传递函数计算模块13根据拟合参数ψ0、ψ1、ψ2、ξ0、ξ1、ξ2，按下式(10)构建惯性环节校正型不相干传递函数模型的传递函数H2(S)。
[0054]
[0055] 在公式(9)和公式(10)中， 和 为惯性环节趋势项，描述惯性环节校正型相干传递函数模型和惯性环节校正型不相关函数模型的大致形态； 和
为拟合精度校正项，在趋势项确定相干传递函数模型和不相关函数模型
大致形态基础上，根据具体数值的不同进行模型精度校正来提高建模精度，校正项越多拟合精度越高，校正项数可根据实际拟合精度要求进行增减。
[0056] 步骤3：与步骤2同时实施的是：非平稳滤波传递函数计算模块14对左、右轮辙路面激励实测数据L1(I)、R1(I)进行处理，采用MATLAB软件提供的pwelch()函数按下式(11)和(12)分别求取出L1(I)和R1(I)的空间域内的自功率谱密度GL和GR，GL和GR均为与路面空间频率向量nR一一对应的向量：
[0057] [GL nR]＝pwelch(L1(I),1024,[],[],2nmax) (11)
[0058] [GR nR]＝pwelch(R1(I),1024,[],[],2nmax) (12)
[0059] 然后，非平稳滤波传递函数计算模块14利用MATLAB软件提供的mean()函数按式(13)求取需要生成路面激励的预估路面激励系数
[0060]
[0061] 式中，n为路面空间频率，拟合时取遍向量nR中的每一个值。
[0062] 然后，非平稳滤波传递函数计算模块14利用MATLAB软件提供的lsqcurvefit()工具按式(13)拟合得出拟合参数χ0、χ1、χ2、χ3、μ1、μ2和μ3的值：
[0063]
[0064] 式中，ns为初次修正后误差最大的频率点；χ0、χ1、χ2、χ3、μ1、μ2和μ3均为大于0的拟合参数；nmin为不平路面的下截止频率。
[0065] 当车辆道路模拟试验系统所要模拟的车速为vm/s时，将 作为车辆道路模拟试验系统左右轮辙路面激励激振头提供实时的时域内预估路面激励系数，并按下式(14)构建非平稳滤波传递函数H0(S)：
[0066]
[0067] 其中，v为汽车行驶速度； 为由式(13)求取出的需要生成路面激励的预估路面激励系数； 为基准滤波项，它对应路面波动指数W等于2， 为路面波动指数初次修正项，χ1＞μ1对应W＜2， 是针对初次修正后误差最大频率点
ns的特征频率点修正项，χ0为预估不平度系数修正项，特征频率点修正项越多拟合精度越高，它的项数可根据实际拟合精度要求进行增减。
[0068] 步骤4：将步骤2中的传递函数H1(S)输入至惯性环节校正型相干传递函数模块8，将传递函数H2(S)分别输入至第一惯性环节校正型不相干传递函数模块7和第二惯性环节校正型不相干传递函数模块9中，将步骤3中非平稳滤波传递函数H0(S)输入至三个非平稳滤波传递函数模块4、5、6中。
[0069] 由三个白噪声模块1、2、3分别产生三个相互独立的倍频半单位白噪声信号ω1(t)、ω2(t)和ω3(t)，这三个白噪声模块的谱值和采样时间分别设定为1和 t为时间变量，种子分别设定为23341、23343和23347，此时，按采用频率2vnmax计算ωi(t)(i＝1,
2,3)在[0 vnmax]频率范围内的功率谱密度Gωi等于2。白噪声信号ω1(t)输入至第一非平稳滤波传递函数模块4中，白噪声信号ω2(t)输入至第二非平稳滤波传递函数模块5中，白噪声信号ω3(t)输入至第三非平稳滤波传递函数模块6中。
[0070] 第一非平稳滤波传递函数模块4对输入的白噪声信号ω1(t)进行处理，得到非平稳路面激励信号q1(t)。第二非平稳滤波传递函数模块5对输入的白噪声信号ω2(t)进行处理，得到非平稳路面激励信号q2(t)。第三非平稳滤波传递函数模块6对输入的白噪声信号ω3(t)进行处理，得到非平稳路面激励信号q3(t)。3个非平稳滤波传递函数模块4、5、6对输入的信号进行处理的方法相同，以第一非平稳滤波传递函数模块4为例，具体过程为：先对白噪声信号ω1(t)进行傅里叶变换得到 然后对 和H0(S)的乘积进行傅里叶逆变换，得到非平稳路面激励 其中 与 分别为傅
里叶变换运算符和傅里叶逆换变换运算符，计算时拉普拉斯算子S＝j2πn。
[0071] 第一惯性环节校正型不相干传递函数模块7对输入的非平稳路面激励q1(t)信号进行处理，得到左轮辙扰动路面激励qLi(t)信号， 惯性环节校正型相干传递函数模块8对输入的非平稳路面激励信号q2(t)得到剩余路面激励qc(t)信号，第二惯性环节校正型不相干传递函数模块9对输入的非平稳路
面激励q3(t)进行处理，得到右轮辙扰动路面激励qRi(t)，
[0072] 第一惯性环节校正型不相干传递函数模块7与惯性环节校正型相干传递函数模块8分别输出左轮辙扰动路面激励qLi(t)与剩余路面激励qc(t)至第一求和模块10中，第一求和模块10根据式L1(t)＝qLi(t)+qc(t)计算出左轮车辙路面激励L1(t)。第二惯性环节校正型不相干传递函数模块9与惯性环节校正型相干传递函数模块8分别输出右轮辙扰动路面激励qRi(t)与剩余路面激励qc(t)至第二求和模块11中，第二求和模块11根据式R1(t)＝qRi(t)+qc(t)计算出左轮车辙路面激励R1(t)。
[0073] 步骤5：激振头伺服控制单元接收到步骤4中生成的左、右轮辙路面激励L1(t)、R1(t)，分别驱动对应的左、右激振头，实时产生由实测路面激励和模拟车速决定的左右轮辙路面激励。将试验汽车左右车轮分别固定在相应的左、右激振头上，左、右激振头伺服控制单元接收到步骤4中的左右轮车辙路面激励L1(t)、R1(t)，控制左、右活塞杆实时输出不同的高度，高度值为L(t)、R(t)，即模拟非平稳路面激励。此时，实际模拟路面激励L(t)和R(t)的数值分别等于左轮车辙路面激励信号L1(t)和右轮车辙路面激励信号R1(t)。
[0074] 本发明中，时域内的左轮车辙路面激励信号L1(t)和右轮车辙路面激励信号右轮车辙路面激励信号R1(t)的复数表达式分别见下式(15)和(16)：
[0075] L1(j2πn)＝H2(j2πn)q1(j2πn)+H1(j2πn)q2(j2πn) (15)
[0076] R1(j2πn)＝H2(j2πn)q3(j2πn)+H1(j2πn)q2(j2πn) (16)
[0077] 由于时域内相干传递函数的指定值为 的数值与路面激励空间域内相干传递函数CohLR相等，但 和 对应的频率向量由nR在车速v的作用下转变成了
vnR。
[0078] 时域左右轮辙路面激励信号L1(t)和R1(t)的自功率谱密度 和相干传递函数 分别由式(17)、(18)和(19)表示。
[0079]
[0080]
[0081]
[0082] 其中， 和 分别为时域内L1(t)、R1(t)、q1(t)、q2(t)和q3(t)的自功率谱密度； 和 分别为时域内q1(t)、q2(t)和q3
(t)的互功率谱密度； 和 分别为时域内L1(t)和R1(t)的互功率谱密度。
[0083] 由于q1(t)、q2(t)和q3(t)的自功率谱密度相等，由qi(t)＝H0ωi(t)(i＝1,2,3)知它们自功率谱密度值为
[0084]
[0085] 式中，Gωi为时域内的倍频半单位白噪声信号ωi(t)的功率谱密度，等于2。
[0086] 将(13)和(14)带入式(21)有：
[0087]
[0088] 由于q1(t)、q2(t)和q3(t)相互独立，所以 和 均等于零，式(17)、(18)和(19)可以化简为：
[0089]
[0090]
[0091]
[0092] 由于实际模拟路面激励L(t)和R(t)的数值分别等于左轮车辙路面激励信号L1(t)和R1(t)，因此，式(22)和(23)表明使用本发明提供的方法可以使实时生成的左右轮辙路面激励的功率谱密度与模拟汽车以速度v行驶在步骤1中实测路面上的功率谱密度的乘积相吻合，式(24)表明使用本发明提供的方法可以使实时生成左右轮辙路面激励的相干传递函数与模拟汽车以速度v行驶在步骤1中实测路面上的相干传递函数模型
相吻合。
