本發(fā)明涉及汽車零部件檢測領(lǐng)域，特別涉及基于emd-ga的汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管形變參數(shù)動(dòng)態(tài)跟蹤方法。

背景技術(shù)：

目前，對于汽車排氣系統(tǒng)的降噪、尾氣凈化和壓力損失等問題已受到廣泛關(guān)注，但其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和焊接疲勞耐久性卻沒有引起足夠的重視。汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管作為一種重要的柔性連接和彈性補(bǔ)償元件，其良好的結(jié)構(gòu)性能，使其在汽車排氣系統(tǒng)減振、降噪中起到舉足輕重的作用。汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管連接著汽車排氣系統(tǒng)的冷熱兩端，可以有效減小排氣系統(tǒng)受到的來自發(fā)動(dòng)機(jī)、車身和地面等引起或傳遞的振動(dòng)與沖擊，降低發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣系統(tǒng)相對位移引發(fā)的排氣系統(tǒng)乃至整車的振動(dòng)。為了保證汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管長期可靠的使用壽命，防止其發(fā)生疲勞失效而影響汽車排氣系統(tǒng)的使用壽命，有必要基于道路載荷譜信息通過試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管的熱疲勞測試，盡快彌補(bǔ)國內(nèi)在這方面存在的不足，其研究成果可作為汽車排氣系統(tǒng)早期研發(fā)設(shè)計(jì)的重要參考。這將在很大程度上縮短汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管的熱疲勞測試周期，降低基于實(shí)車道路試驗(yàn)進(jìn)行汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管熱疲勞測試的成本，為汽車排氣系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明基于emd算法對實(shí)車道路試驗(yàn)采集獲得的拉桿位移傳感器位移信號(hào)進(jìn)行去噪處理，鑒別和編輯數(shù)據(jù)中的漂移、毛刺等異常信息，獲取真實(shí)反映測試工況的有效數(shù)據(jù)，將汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管的六個(gè)動(dòng)點(diǎn)到運(yùn)動(dòng)平面距離平方之和最小作為目標(biāo)函數(shù)，以六個(gè)動(dòng)點(diǎn)與相應(yīng)六個(gè)定點(diǎn)間的距離改變量等于傳感器測量數(shù)據(jù)為約束條件，使用ga算法進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算出波紋管六個(gè)動(dòng)點(diǎn)的實(shí)時(shí)空間坐標(biāo)，最終確定汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管在x、y、z三個(gè)方向上的最大偏移及繞x、y、z三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)角度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案：

基于emd-ga的汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管形變參數(shù)動(dòng)態(tài)跟蹤方法，所述的基于emd的汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管位移數(shù)據(jù)去噪算法包括如下步驟：

i、根據(jù)采集的六組汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管位移改變量數(shù)據(jù)di(t),(i＝1,2,…6)，確定原始數(shù)據(jù)di(t)所有的局部極大值點(diǎn)，并將其用三次樣條函數(shù)擬合數(shù)據(jù)的所有極大值點(diǎn)的上包絡(luò)線；ii、再次利用三次樣條函數(shù)擬合數(shù)據(jù)所有的局部極小值的下包絡(luò)線，上、下包絡(luò)線應(yīng)包絡(luò)所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

iii、上、下包絡(luò)線的平均值記為m1，求出x(t)-m1＝h1，理想地，如果h1是一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(intrinsicmodefunction,imf)，那么h1就是x(t)的第一個(gè)imf分量，如果h1不滿足imf的條件，把h1作為原始數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟i到iii，得到上、下包絡(luò)線的平均值m11，再判斷h11＝h1-m11是否滿足imf的條件，如不滿足，則重復(fù)循環(huán)k次，得到h1(k-1)-m1k＝h1k，使得h1k滿足imf的條件，記c1＝h1k，則c1為信號(hào)x(t)的第一個(gè)滿足imf條件的分量；

iv、將c1從x(t)中分離出來，得到r1＝x(t)-c1，將r1作為原始數(shù)據(jù)重復(fù)步驟i到iv，得到x(t)的第二個(gè)滿足imf條件的分離c2，重復(fù)循環(huán)n次，得到信號(hào)x(t)的n個(gè)滿足imf條件的分量，這樣就有當(dāng)rn成為一個(gè)單調(diào)函數(shù)不能再從中提取滿足imf條件的分量時(shí)，循環(huán)結(jié)束，這樣可以得到式中，rn稱為殘余函數(shù)，代表數(shù)據(jù)的平均趨勢或均值，如去掉前面若干個(gè)較高頻率的固有模態(tài)函數(shù)(imf)分量后，由剩余的后幾個(gè)imf分量重構(gòu)原信號(hào)，則相當(dāng)于低通濾波器，具體表達(dá)式如下：

所述的基于遺傳算法優(yōu)化汽車排氣系統(tǒng)波紋管六個(gè)動(dòng)點(diǎn)的空間坐標(biāo)包括如下步驟：

i、編碼；

ii、種群初始化，隨機(jī)初始化六組動(dòng)點(diǎn)空間坐標(biāo)和空間平面參數(shù)值作為ga算法的初始種群，種群大小依據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定，設(shè)定最大進(jìn)化代數(shù)為100代；

iii、構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，建立用于自然選擇的初始種群中樣本的個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)其中xi,yi,zi分別表示汽車排氣系統(tǒng)波紋管夾具上第i個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，a,b,c,d為夾具平面方程系數(shù)；

iv、從舊群體中以一定概率選擇優(yōu)良個(gè)體組成新的種群，以繁殖到下一代個(gè)體，個(gè)體被選中的概率與適應(yīng)度值有關(guān)，個(gè)體適應(yīng)度值越高，被選中的概率越大。本方法采用輪盤賭選擇法，即基于適應(yīng)度比例的選擇策略，個(gè)體i被選中的概率為其中，fi為個(gè)體i的適應(yīng)度值，n為種群個(gè)體數(shù)目；

v、從初始種群中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，通過兩個(gè)染色體的交換組合把父串的優(yōu)秀特征遺傳給子串，產(chǎn)生新的優(yōu)秀個(gè)體，根據(jù)編碼方式采用實(shí)數(shù)交叉法進(jìn)行雜交操作，第k個(gè)染色體ak和第l個(gè)染色體al在j位的交叉操作方法為akj＝aij(1-b)+aljb，alj＝alj(1-b)+akjb，其中，b是[0,1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)，為了維持種群多樣性，從種群中隨機(jī)選取一個(gè)個(gè)體，選取該個(gè)體中的一點(diǎn)進(jìn)行變異，以產(chǎn)生更優(yōu)秀的個(gè)體，(變異方法)第i個(gè)個(gè)體的第j個(gè)基因aij進(jìn)行變異的操作方法為其中，amax是基因aij的上界；amin是基因aij的下界；f(g)＝r2(1-g/gmax)²，r2是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，g是當(dāng)前迭代次數(shù)，gmax是最大進(jìn)化次數(shù)，r是[0,1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)；

vi、非線性尋優(yōu)，利用步驟v所述新個(gè)體替換步驟ii中的初始種群的個(gè)體，重復(fù)步驟iii至步驟v的ga算法，對子代種群個(gè)體優(yōu)化過程，直到步驟iii所述個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)基本穩(wěn)定或者達(dá)到了設(shè)定的進(jìn)化代數(shù)時(shí)，結(jié)束優(yōu)化過程，并得到優(yōu)化的最后一代種群個(gè)體，即得到了六個(gè)動(dòng)點(diǎn)空間坐標(biāo)和空間平面參數(shù)值。

所述的汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管形變參數(shù)的動(dòng)態(tài)跟蹤為：根據(jù)emd-ga優(yōu)化算法，計(jì)算出在不同時(shí)刻t，汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管上動(dòng)夾具的六點(diǎn)空間坐標(biāo)(xi,yi,zi),i＝1,2,…6和動(dòng)夾具的六點(diǎn)所在空間平面方程為ax+by+cz+d＝0，利用式求出每個(gè)點(diǎn)在x,y,z方向上位移的改變量，利用式求出在不同時(shí)刻t波紋管繞x,y,z方向的角度改變量。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明基于emd算法對實(shí)車道路試驗(yàn)采集獲得的拉桿位移傳感器位移信號(hào)進(jìn)行去噪處理，鑒別和編輯數(shù)據(jù)中的漂移、毛刺等異常信息，獲取真實(shí)反映測試工況的有效數(shù)據(jù)，將汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管的六個(gè)動(dòng)點(diǎn)到運(yùn)動(dòng)平面距離平方之和最小作為目標(biāo)函數(shù)，以六個(gè)動(dòng)點(diǎn)與相應(yīng)六個(gè)定點(diǎn)間的距離改變量等于傳感器測量數(shù)據(jù)為約束條件，使用ga算法進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算出波紋管六個(gè)動(dòng)點(diǎn)的實(shí)時(shí)空間坐標(biāo)，最終確定汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管在x、y、z三個(gè)方向上的最大偏移及繞x、y、z三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)角度，為基于試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管的熱疲勞測試提供參數(shù)依據(jù)，縮短汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管熱疲勞試驗(yàn)周期，降低成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于emd-ga的汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管形變參數(shù)動(dòng)態(tài)跟蹤方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明基于emd-ga的汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管形變參數(shù)動(dòng)態(tài)跟蹤方法的拉桿傳感器安裝圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明：

如圖1所示，本發(fā)明的基于emd-ga的汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管形變參數(shù)動(dòng)態(tài)跟蹤方法，首先進(jìn)行汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管道的路載荷譜采集；其次，基于emd算法對實(shí)車道路試驗(yàn)采集獲得的拉桿位移傳感器位移信號(hào)進(jìn)行去噪處理，鑒別和編輯數(shù)據(jù)中的漂移、毛刺等異常信息，獲取真實(shí)反映測試工況的有效數(shù)據(jù)；再次，將汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管的六個(gè)動(dòng)點(diǎn)到運(yùn)動(dòng)平面距離平方之和最小作為目標(biāo)函數(shù)，以六個(gè)動(dòng)點(diǎn)與相應(yīng)六個(gè)定點(diǎn)間的距離改變量等于傳感器測量數(shù)據(jù)為約束條件，使用ga算法進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算出波紋管六個(gè)動(dòng)點(diǎn)的實(shí)時(shí)空間坐標(biāo)；最后，確定汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管在x、y、z三個(gè)方向上的最大偏移及繞x、y、z三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)角度，為基于試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管的熱疲勞測試提供參數(shù)依據(jù)。

本方法所涉及的基于emd的汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管位移數(shù)據(jù)去噪算法包括如下步驟：

i、根據(jù)采集的六組汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管位移改變量數(shù)據(jù)di(t),(i＝1,2,…6)，確定原始數(shù)據(jù)di(t)所有的局部極大值點(diǎn)，并將其用三次樣條函數(shù)擬合數(shù)據(jù)的所有極大值點(diǎn)的上包絡(luò)線；

ii、再次利用三次樣條函數(shù)擬合數(shù)據(jù)所有的局部極小值的下包絡(luò)線，上、下包絡(luò)線應(yīng)包絡(luò)所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)；

iii、上、下包絡(luò)線的平均值記為m1，求出x(t)-m1＝h1，理想地，如果h1是一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(intrinsicmodefunction,imf)，那么h1就是x(t)的第一個(gè)imf分量，如果h1不滿足imf的條件，把h1作為原始數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟i到iii，得到上、下包絡(luò)線的平均值m11，再判斷h11＝h1-m11是否滿足imf的條件，如不滿足，則重復(fù)循環(huán)k次，得到h1(k-1)-m1k＝h1k，使得h1k滿足imf的條件，記c1＝h1k，則c1為信號(hào)x(t)的第一個(gè)滿足imf條件的分量；

iv、將c1從x(t)中分離出來，得到r1＝x(t)-c1，將r1作為原始數(shù)據(jù)重復(fù)步驟i到iv，得到x(t)的第二個(gè)滿足imf條件的分量c2，重復(fù)循環(huán)n次，得到信號(hào)x(t)的n個(gè)滿足imf條件的分量，這樣就有當(dāng)rn成為一個(gè)單調(diào)函數(shù)不能再從中提取滿足imf條件的分量時(shí)，循環(huán)結(jié)束，這樣可以得到式中，rn稱為殘余函數(shù)，代表數(shù)據(jù)的平均趨勢或均值，如去掉前面若干個(gè)較高頻率的固有模態(tài)函數(shù)(imf)分量后，由剩余的后幾個(gè)imf分量重構(gòu)原信號(hào)，則相當(dāng)于低通濾波器，具體表達(dá)式如下：

本發(fā)明所涉及的基于遺傳算法優(yōu)化汽車排氣系統(tǒng)波紋管六個(gè)動(dòng)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，包括如下步驟：

i、編碼：實(shí)數(shù)編碼不必進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，可以直接在解的表現(xiàn)型上進(jìn)行g(shù)a算法操縱，為了便于編碼實(shí)現(xiàn)，本方法采用實(shí)數(shù)編碼方式優(yōu)化；

ii、種群初始化：隨機(jī)初始化六組動(dòng)點(diǎn)空間坐標(biāo)和空間平面參數(shù)值作為ga算法的初始種群，種群大小依據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定，設(shè)定最大進(jìn)化代數(shù)為100代；

iii、構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)：建立用于自然選擇的初始種群中樣本的個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)

式中，xi,yi,zi分別表示汽車排氣系統(tǒng)波紋管夾具上第i個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)；a,b,c,d為夾具平面方程系數(shù)；根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)公式計(jì)算出初始種群中每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度的數(shù)值函數(shù)值越小的個(gè)體，適應(yīng)度值越大，個(gè)體越優(yōu)；

iv、選擇：從舊群體中以一定概率選擇優(yōu)良個(gè)體組成新的種群，以繁殖到下一代個(gè)體，個(gè)體被選中的概率與適應(yīng)度值有關(guān)，個(gè)體適應(yīng)度值越高，被選中的概率越大。本方法采用輪盤賭選擇法，即基于適應(yīng)度比例的選擇策略，個(gè)體i被選中的概率為其中，fi為個(gè)體i的適應(yīng)度值，n為種群個(gè)體數(shù)目；

v、交叉、變異：從初始種群中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，通過兩個(gè)染色體的交換組合把父串的優(yōu)秀特征遺傳給子串，產(chǎn)生新的優(yōu)秀個(gè)體，根據(jù)編碼方式采用實(shí)數(shù)交叉法進(jìn)行雜交操作，第k個(gè)染色體ak和第l個(gè)染色體al在j位的交叉操作方法為akj＝aij(1-b)+aljb，alj＝alj(1-b)+akjb，其中，b是[0,1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)，為了維持種群多樣性，從種群中隨機(jī)選取一個(gè)個(gè)體，選取該個(gè)體中的一點(diǎn)進(jìn)行變異，以產(chǎn)生更優(yōu)秀的個(gè)體，(變異方法)第i個(gè)個(gè)體的第j個(gè)基因aij進(jìn)行變異的操作方法為：

其中，amax是基因aij的上界；amin是基因aij的下界；f(g)＝r2(1-g/gmax)²，r2是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，g是當(dāng)前迭代次數(shù)，gmax是最大進(jìn)化次數(shù)，r是[0,1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)；

vi、非線性尋優(yōu)：利用步驟v所述新個(gè)體替換步驟ii中的初始種群的個(gè)體，重復(fù)步驟iii至步驟v的ga算法，對子代種群個(gè)體優(yōu)化過程，直到步驟iii所述個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)基本穩(wěn)定或者達(dá)到了設(shè)定的進(jìn)化代數(shù)時(shí)，結(jié)束優(yōu)化過程，并得到優(yōu)化的最后一代種群個(gè)體，即得到了六個(gè)動(dòng)點(diǎn)空間坐標(biāo)和空間平面參數(shù)值。

根據(jù)上述的優(yōu)化算法，可計(jì)算出在不同時(shí)刻t，汽車排氣系統(tǒng)波紋管上動(dòng)夾具的六點(diǎn)空間坐標(biāo)(xi,yi,zi),i＝1,2,…6，利用式(3)，求出每個(gè)點(diǎn)在x,y,z方向上位移的改變量

其中(x′i,y′i,z′i),(i＝1,2,…6)分別表示汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋管上動(dòng)夾具的六點(diǎn)的初始空間坐標(biāo)；

利用max{|dx1|,|dx2|,…,|dx6|}得到汽車排氣系統(tǒng)波紋管的位移改變量數(shù)值最大的點(diǎn)，并將這點(diǎn)的位移改變量作為當(dāng)前時(shí)刻波紋管在x方向上的改變量dx(t)。同理，可以得到y(tǒng),z方向上的位移改變量dy(t),dz(t)；

已知汽車排氣系統(tǒng)波紋管的動(dòng)夾具初始平面的方程為ax+by+cz+d＝0，則方向余弦分別為：

分別計(jì)算出初始方向角為：

根據(jù)上述的優(yōu)化算法，可計(jì)算出在不同時(shí)刻t，汽車排氣系統(tǒng)波紋管上動(dòng)夾具所在空間平面方程為ax+by+cz+d＝0，則在不同時(shí)刻t方向余弦分別為：

分別計(jì)算出在不同時(shí)刻t的方向角為：

利用式(4)，求出在不同時(shí)刻t波紋管的x,y,z方向上的角度改變量，