基于語音交互的發動機故障診斷裝置開發

王懷寬,劉月美,侯忠良

濰柴動力股份有限公司,山東 濰坊 261061

0 引言

為滿足汽車操控性、動力性、安全性等方面的要求，汽車電子控制系統的復雜程度不斷增加[1]，汽車故障種類及診斷排除的難度不斷增大。目前汽車故障主要是由專業技術人員使用故障診斷儀確定故障類型并采取相應的解決措施。市場現有的診斷儀操作復雜，故障通常以發光二極管(light-emitting diode，LED)的閃爍次數和時間、運行參數和記憶故障碼的形式體現[2-3]，對維修人員要求較高。

語音交互已成為信號處理、人工智能、模式識別等方面的熱點研究技術[4]，目前已應用于車輛功能控制、信息查詢[5]、遠程調控[6]等方面。與傳統的故障診斷儀相比，語音交互技術用于電壓、車輛關鍵參數檢測、故障狀態檢測，可直觀顯示故障類型，降低維修人員工作難度，提高故障診斷效率。

1 診斷設備組成

語音交互的發動機故障診斷設備包含電源、電子控制單元(electronic control unit，ECU)、發動機故障診斷裝置、通信設備，無多余連接線，故障點少，降低了使用難度。通過連接ECU，可實現指令的發送和接收、接入信號的電壓檢測、ECU內部故障信息的讀取等功能。

語音交互的發動機故障診斷組成如圖1所示，主要由語音識別系統、語音播報系統、語音庫、微處理器控制系統和通信接口模塊組成，其中，語音識別系統采用離線式語音識別模塊，與語音庫配合工作，將自然語言編譯成機器指令；語音播報系統在語音庫的配合下，接收來自語音識別系統或微處理器控制系統的指令完成語音播報。

圖1 語音交互的發動機故障診斷裝置組成 圖2 語音交互的發動機故障診斷裝置工作原理

語音交互的發動機故障診斷裝置工作原理如圖2所示，麥克風采集環境聲音信息，經過語音增強[7]對微弱的音頻電信號進行放大、濾波形成模擬信號。模擬信號通過音頻特征提取、聲音學習和語言模型解碼等過程，最終通過識別決策將自然語言編譯成機器指令，通過串口將機器指令輸入到微處理器控制系統。微處理器控制系統負責協調控制，可實現系統模塊初始化、故障判斷、控制器局域網絡(controller area network,CAN)和K-line指令的收發、故障診斷和顯示診斷結果等功能，接收來自語音識別系統的機器指令，發送給通信接口模塊，通信接口模塊將指令轉換成CAN/K-line物理信號，并傳給ECU，ECU接收信號后響應，發送對應的信息給通信接口模塊，通信接口模塊將ECU反饋的信息送給微處理器，微處理器將采集的信息進行判別，根據不同的判別結果發送不同的語音播報指令給語音播報系統。語音播報系統包括語音解碼電路、音頻功率放大電路、揚聲器等，語音解碼電路完成數字音頻信號到模擬音頻信號的轉換，音頻功率放大器用于模擬音頻信號的功率放大，揚聲器為聲音播放執行部件，可將模擬音頻信號轉換成聲音，將信息傳遞給維修人員。

2 診斷系統方案

診斷系統包括物理層電壓級別檢測、車輛關鍵參數檢測、發動機故障系統狀態檢測3部分。工作流程如圖3所示。由圖3可知：發動機故障診斷裝置在通電運行后，首先開啟上電自動檢查模式，對物理層電壓和車輛關鍵參數依次進行常規檢測。當檢測物理層電壓異常和車輛關鍵參數異常后，語音播報系統主動對其進行播報。若無異常，則依次播報“物理層電壓正?！薄败囕v關鍵參數正?！?。發動機故障診斷裝置結束上電自動檢查模式，實時監測環境的語音指令，進行車輛故障檢測，支持的語音指令有“檢測電壓”“檢測標定參數”“檢測測量參數”“檢測故障狀態”。

圖3 診斷系統工作流程

2.1 物理層電壓級別檢測

診斷設備使用16針標準車載診斷系統(on board diagnostics，OBD)接口與車輛ECU連接。診斷設備支持車輛24 V及12 V供電。物理層電壓級別檢測包含供電電壓、CAN接口電壓和K-line接口電壓。供電接口為VCC，引腳為16針，當電壓低于22 V(11 V)或高于30 V(15 V)時，視為電壓異常。CAN接口包含CAN1H、CAN1L、CAN2H、CAN2L，對應的引腳分別為1、9、6、14，4個接口電壓正常在2.5 V左右，當電壓低于2.3 V或高于2.7 V時，視為電壓異常。K-line接口對應的引腳為7，工作電壓正常在22 V(11 V)左右，當低于15 V(7.5 V)視為電壓異常。診斷設備出現以上異常情況時，播報系統會播報對應引腳電壓異常，并播報異常電壓值。

2.2 車輛關鍵參數檢測

車輛關鍵參數檢測主要包含關鍵標定參數檢測[8]和關鍵測量參數范圍檢測。

2.2.1 關鍵標定參數

一般ECU數據區包含發動機或車輛全部數據，如動力相關數據、排放相關數據、診斷系統相關數據等，為關鍵標定參數，記為D。采用循環冗余校驗[9](cyclic redundancy check,CRC)對D進行運算，得到校驗值F，在發動機出廠時，F以ECU中數字標簽的形式儲存，為保密項，不可隨意修改，用來驗證數據合法性。

CRC-32是一種依據數據包或文件等數據生成的4字節校驗值的算法，一個n比特的CRC-32碼由2部分組成，高(n-32)位是ECU中關鍵標定參數D；低32位是冗余位F，D與F之間需滿足公式

(2n-32D+F)modP=0，

(1)

式中：mod為取模運算；P為生成多項式0x04C11DB7，即P=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+

x4+x2+x+1。

關鍵標定參數檢驗檢測流程如圖4所示。發動機出廠時設定d1、d2、…、di為ECU中關鍵標定參數，即式(1)中D，所對應ECU中數字標簽的檢驗參數，記為f1、f2、...、fi，即式(1)中F。由于多項式P是固定的，D與F之間的關系是確定的。發動機出廠后，D或F可能會被非法修改或物理損壞，通過發動機故障診斷裝置讀取ECU中的實時關鍵標定數據，記為D1；根據式(1)，得到F1；比較F1和F，若相等，則數據合法；否則認為數據非法，語音播報系統報出“標定參數錯誤”。

圖4 關鍵標定參數檢驗檢測流程圖

2.2.2 關鍵測量參數范圍

車輛運行后，ECU內存中存儲表征部件特性或程序運行狀態等的各種測量參數，選取其中真實部件的測量參數為關鍵測量參數[10]。

以多態開關、油門踏板傳感器、遠程油門傳感器為例，以各傳感器測量參數范圍為標準，設定10%冗余范圍，具體結果如表1所示。當被診斷車輛在冗余范圍時，認為車輛無故障；當超出此范圍時，認為車輛有故障，根據超范圍量查找對應部件，并完成語音播報。

表1 各部件關鍵測量參數范圍及冗余范圍

2.3 車輛故障系統狀態檢測

通常ECU自帶部分診斷系統，檢測的故障存儲在ECU的電可擦除只讀存儲器(electrical erasable read-only memories，EEPROM)。當發動機故障診斷裝置接收到環境語音診斷命令后,微處理器控制系統通過統一診斷服務[11](unified diagnostic Services，UDS)或KWP2000協議中的讀取故障碼指令，獲取ECU中的故障碼。若此時無故障碼，說明ECU無故障；若此時讀取到故障碼，說明ECU有故障。根據UDS協議要求，讀取故障碼指令中0x19表示診斷服務、0x02表示子功能，0x0C表示設定的掩碼，共3字節。發動機故障診斷裝置發送給ECU完整診斷指令之后，ECU與診斷裝置之間進行通信連接。

3 試驗驗證

發動機故障診斷裝置識別語音指令、發送診斷報文、診斷故障判定、診斷結果播報為一個閉環系統，采用語音指令“檢測電壓”“檢測標定參數”“檢測測量參數”“檢測故障狀態”，分別對物理層電壓級別檢測、關鍵標定參數檢測、關鍵測量參數范圍檢測、車輛故障系統狀態檢測4項功能進行測試。

在測試前，將診斷裝置與ECU線路連接，開啟裝置。按照文獻[12]語音識別輸入準則要求，保持周圍環境噪聲在60 dB以下，試驗人員聽到語音提示后，以正常語速隨機發出對應語音指令，聽到檢測結果，視為測試成功。對于每條語音指令，重復測試10次，4條語音指令成功率均為100%。

4 結語

1)基于語音交互技術開發的發動機故障診斷裝置與ECU連接后，通過識別對應語音指令，可完成物理層電壓、關鍵標定參數、關鍵測量參數范圍及車輛故障系統狀態檢測。

2)試驗測試準確率為100%，該系統為語音交互技術在發動機故障診斷裝置的推廣應用有一定的參考價值。