一种车辆结构传递路噪在线诊断与预警方法及系统

本发明涉及汽车噪声、振动与声振粗糙度（nvh）性能监测，具体为一种车辆结构传递路噪在线诊断与预警方法及系统。

背景技术：

1、结构传递路噪（structure-borne road noise，简称结构路噪）是指路面不平度激励经轮胎、悬架、衬套、副车架及车身等结构路径传递至车内、并在乘员耳旁辐射形成的低频噪声。随着汽车电动化的推进，内燃机的掩蔽效应消失，20～200hz频段的结构路噪已成为影响车内声品质与用户对整车品质感知的主导因素，对其进行诊断与控制成为汽车nvh（noise，vibration，harshness）工程的重要课题。

2、目前，结构路噪的诊断技术主要分为三类。

3、第一类是离线传递路径分析（transfer path analysis，tpa）测试。该类方法通常采用惯性质量法或悬置刚度法获取界面力，需要在专用试验台上对整车进行停车拆装，并布置大量传感器。其设备成本高、测试周期长，且无法在车辆正常行驶工况下实施。

4、第二类是工况传递路径分析（operational transfer path analysis，otpa）类工况测试方法。该类方法虽然无需拆装车辆，但通常需要布置大量加速度传感器与车内麦克风，传感器数量多、布线复杂，难以满足装车量产的实际要求。

5、第三类是申请人前期提出的“运行工况下车内结构路噪诊断测试方法”，该方法解决了运行工况下的离线诊断问题，但其本质仍属于“测试型”方法，依赖离线后处理软件，不具备车端实时计算能力，也不具备超限预警与维护提示功能。

6、近年来，行业趋势是将测试模型轻量化后部署到车端的电子控制单元（ecu）或域控制器（例如具备车规级算力的嵌入式计算平台）上，以实现声振性能的实时监测。然而，目前公开的相关技术方案仍存在以下不足：其一，部分方案为保证诊断精度而布置过多传感器，不利于量产装车且增加成本；其二，部分方案仅对车内声压进行简单监测，只能给出总声压级，无法定位结构传递路径，难以指导具体维修；其三，缺乏将“少传感器虚拟测量、物理降阶模型、边缘实时计算与预警闭环”集成于车端的完整方案。

7、因此，现有技术尚需一种传感器数量少、可装车量产、具备车端实时性、能够进行路径级诊断并形成预警闭环的车辆结构传递路噪在线诊断与预警方案，以克服上述缺陷。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种车辆结构传递路噪在线诊断与预警方法及系统，以较少的传感器实现车端实时的结构路噪诊断、路径贡献分解与超限预警，并形成可ota升级的数字孪生闭环。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种车辆结构传递路噪在线诊断与预警方法，包括以下步骤：

3、在车身连接硬点处布置多个加速度传感器，实时采集各连接硬点在x、y、z三个平动方向上的振动加速度信号；

4、调用预先标定并存储于车端的车身频响函数矩阵，以所述振动加速度信号为观测量，通过卡尔曼滤波器递推估计驾驶员位置和/或乘员位置的等效声压响应，得到虚拟测量声压；

5、将预先由高阶有限元模型或传递路径分析模型经模态截断与本征正交分解压缩得到的降阶状态空间模型部署于车载实时计算单元，以所述振动加速度信号为输入，实时计算各传递路径的振动功率流，其中，所述降阶状态空间模型的阶数不大于200阶，单帧计算耗时不大于10毫秒；

6、根据所述各传递路径的振动功率流，实时计算并输出每条传递路径对总声压响应的功率流贡献占比，确定主导传递路径；

7、根据路面等级识别结果，动态调整路噪预警阈值，当所述虚拟测量声压或所述功率流贡献占比超过对应阈值时，触发预警，并依据主导传递路径关联到对应的衬套或连接件，输出维护提示信息。

8、进一步，在车身连接硬点处布置多个加速度传感器，包括：

9、在车辆的左前、右前两个悬架塔顶以及副车架与车身的若干连接硬点处布置共4至6个mems三向加速度传感器。

10、进一步，调用预先标定并存储于车端的车身频响函数矩阵，以所述振动加速度信号为观测量，通过卡尔曼滤波器递推估计驾驶员位置和/或乘员位置的等效声压响应，得到虚拟测量声压，包括：

11、在各连接硬点逐一施加已知激励，同步测量各连接硬点的振动响应与驾驶员、乘员位置的声压响应，辨识得到由各连接硬点振动到乘员位置声压的频响函数矩阵，并将其在20至200赫兹频段内离散化后存储于车端；

12、在车辆运行时，以采集到的各连接硬点振动加速度信号为观测量，建立车身结构-声学耦合状态空间方程作为卡尔曼滤波的过程模型；

13、以所述频响函数矩阵作为观测模型，通过卡尔曼滤波器递推估计驾驶员和/或乘员位置的等效声压响应，得到虚拟测量声压。

14、进一步，将预先由高阶有限元模型或传递路径分析模型经模态截断与本征正交分解压缩得到的降阶状态空间模型部署于车载实时计算单元，以所述振动加速度信号为输入，实时计算各传递路径的振动功率流，包括：

15、建立整车的高阶有限元模型或传递路径分析模型，对上述模型进行经模态截断与本征正交分解压缩，得到降阶状态空间模型，将其部署于车载实时计算单元；

16、以采集到的各硬点振动加速度信号为输入，由所述降阶状态空间模型实时计算各传递路径的界面力与界面速度，并按照路径功率流定义计算各传递路径的瞬时振动功率流。

17、进一步，对上述模型进行经模态截断与本征正交分解压缩，包括：

18、进行模态截断，保留对20至200赫兹频段贡献显著的低频模态，去除高频模态；

19、对截断后模型在典型工况下的响应样本集合进行本征正交分解，提取累计能量占比达到预设阈值的主导特征模态；

20、并以所述主导特征模态为基对系统方程进行投影，得到阶数不大于200阶的降阶状态空间模型。

21、进一步，所述功率流贡献占比为某一传递路径的振动功率流与全部传递路径振动功率流之和的比值；所述传递路径包括左前悬架、右前悬架、左后悬架、右后悬架以及副车架安装路径。

22、进一步，根据路面等级识别结果，动态调整路噪预警阈值，包括：

23、建立路噪基准阈值与行驶里程的对应关系，随行驶里程增大适当放宽基准阈值；

24、将自适应预警模块通过车载总线与防抱死制动系统和/或惯性测量单元通信，融合车速与车轮信号识别当前路面等级，得到路面等级识别结果；

25、基于路面等级识别结果，对基准阈值施加修正系数，使粗糙路面对应较高阈值、平滑路面对应较低阈值，实现动态调整路噪预警阈值。

26、进一步，依据主导传递路径关联到对应的衬套或连接件，输出维护提示信息，包括：

27、预先建立各传递路径与其连接件之间的映射关系；

28、当某一传递路径的功率流贡献占比连续n个采集周期超过对应阈值，且在所述n个采集周期内的滑动平均值相对于该路径的历史基线值的增量不小于预设增量阈值δs时，判定该路径对应的连接件发生性能退化，输出包含该连接件名称及退化等级的维护提示信息，其中，n为3至10的整数，δs取值为0.03至0.10。

29、进一步，所述方法还包括：

30、云端可将更新后的降阶状态空间模型参数、车身频响函数矩阵或预警阈值策略下发至车端，车端予以替换更新；

31、车端将判定为异常的振动与虚拟声压样本及其工况标签回传至云端，由云端用于对高阶模型与降阶模型进行再训练与再标定。

32、一种车辆结构传递路噪在线诊断与预警系统，包括：

33、加速度传感模块，用于实时采集所在硬点沿x、y、z三个平动方向的振动加速度信号；

34、虚拟声压推算模块，用于存储有车身频响函数矩阵并通过卡尔曼滤波估计乘员位置等效声压，推断得到虚拟测量声压；

35、车载实时计算模块，用于实时计算各路径振动功率流，单帧耗时不大于10毫秒；

36、路径贡献分解模块，用于实时输出各路径功率流贡献占比并确定主导路径；

37、自适应预警模块，用于根据里程及路面识别动态调整阈值并在超限时关联到具体连接件输出维护提示；

38、以及通信模块，用于将执行车载模型参数ota升级并将异常样本回传云端。

39、与现有技术相比，本技术的技术方案具备以下有益效果：

40、1、仅在四个悬架塔顶或副车架硬点布置4至6个低成本mems三向加速度传感器，相比传统tpa减少60%以上传感器数量，并通过预先标定的车身频响函数矩阵与卡尔曼滤波推算乘员位置等效声压响应，省去车内麦克风，显著降低成本与布线复杂度，利于量产装车；

41、2、基于压缩功率流模型的车端实时算法，将研究阶段建立的高阶有限元/传递路径分析模型通过模态截断与本征正交分解（pod）压缩为可在车载实时计算单元运行的降阶状态空间模型（不大于200阶），单帧诊断耗时小于10毫秒，满足车端实时性要求；

42、3、路径贡献量在线分解与可视化。实时输出每条主要传递路径（左前悬、右前悬、左后悬、右后悬及副车架等）的振动功率流贡献占比，定位主导传递路径，区别于现有仅给出总声压级的方案，可指导针对性维修；

43、4、自适应阈值预警与维护提示。基于车辆行驶里程与路面识别结果（与abs/imu信号融合）动态调整路噪阈值，超限时触发提示并关联到具体衬套或连接件，给出诸如“右后控制臂衬套老化”的维护建议；

44、5、ota可升级的数字孪生闭环，车载模型参数可通过云端模型更新ota同步，并将异常样本回传用于云端模型再训练，形成“测试—建模—部署—回传—再优化”的全生命周期闭环。