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测量在测定道路轮廓中的应用

测量在测定道路轮廓中的应用

Duan Huming1, 3 Ma Ying2 Shi Feng2 Zhang Kaibin2 XieFei2
(1.Post-Doctoral Research Center of China Automobile Engineering Research Institue,Chongqing400039; 2.China Automobile Engineering Research Institue, Chongqing 400039;3.College of Automotive Engineering of Tongji University, Shanghai 201804)
摘要：本文回顾最近几年里道路纵横面测量的研究进展情况。概括介绍了一个新的道路测量方法道和一个发达的高精度道路纵面测量系统(RSPMS)。介绍了RSPMS的测量原理和测试方法。为了获得高精度，用这些设备，通过水准测量完成了许多对比测试。 对比测试主要由小信号和大信号波长组成并且得到更好的结果。另外，讨论了道路轮廓数据的应用。最后,评价了测量方法的优缺点，总结了道路轮廓数据的应用领域。
关键词：路面,路面谱,测量系统,对比测试
1．引言
路纵断面面通常是用来描述道路的起伏状况的。它是机动车行进过程中影响车辆的平稳性,乘客舒适度、操控性和稳定性、部件和组件损耗和使用寿命,运输效率、燃料消耗和其他方面的主要因素。在工程应用中，路面不平度的主要表现形式为路面谱的顺序，道路轮廓的硬度谱密度(PSD)曲线,所以，道路轮廓曲线数据的高精度测量对从事汽车设计和开发的工程技术人员非常重要。
2、道路轮廓的测量
从四个方面来介绍，道路轮廓的测量方法包括道电流测量方法的发展和局限性，RSPMS,对比实验的测量仪器。
2.1研究历史
随着传感器技术,计算机技术和信号处理技术的快速发展,人们在路面不平度集合的测量,以及各种测试方法不断更新和改进。基于测量原理,有两种测量方法。一个是接触式测量仪器(接触路面)另一个是[1 - 10]非接触式测量仪器。
2.1.1接触测量仪器
早在40到50年的20世纪，美国和一些欧洲国家使用水准仪为基准测量仪器,测量机场跑道的粗糙度。在中国,大多数的汽车试验场在建设中也使用水准仪进行检验。水准测量方法如图1所示。

图1，水准测量法
后来，为了提高测量的效率，开发了一种基于直梁基准的测量设备,并在此基础上,持续改进。有一些测量设备如图2所示。

在相对于接触路面的测量仪器，优势是,这些结构相对简单,成本低,相对较高的准确性和重现性好,误差来源少,缺点是复杂的操作,慢,效率低,影响正常的交通秩序。因为这些缺点，这种仪器没有推广。
2.1.2非接触测量仪器
为了提高测量速度,人们开始开发非接触式测量仪器。有许多非接触式(响应类型)路面测量方法,他们中的大多数在近年来都有所发展。因为这些测量工具方便快捷,已广泛制定和推广。有车载集成系统,它是基于惯性参考轴加速度的测量方法,基于惯性参考激光位移传感器和加速度传感器结合使用的激光截面装置,以及一个分布在车辆上的纵向惯性加速度传感器的一种测量方法,如图3所示。在这些非接触式测量仪器中，激光截面装置是最受欢迎的。

图3
这种非接触式测量设备的最大的优势是速度快,精度高,这些方法比前面提到的接触测量方法有了很大的提高,特别是在过去的十年中,有很大的进步。但仍有许多缺点和不足,特别是在较小的波长时，设备只能测量波长大于信号组件的长度的信号，大型车辆测量误差、在忽视大波长信号没有斜坡路的情况下测量结果减少到一个直线路径。因此,此类测量方法的设备需要改进的其准确性和测量范围,提高测试精度和可行性。
2.2 RSPMS的发展
随着汽车行业的快速发展，中国已经成为世界汽车生产国家,经历了模仿,技术转让和生产处理阶段,已经进入了独立研究和开发、自主创新的新阶段。在独立的研究和开发阶段,路面不平度的数据,促进着汽车的发展, 在提高汽车各种性能的行业中起着至关重要的作用。在汽车设计和开发,提高汽车性能都离不开基本的路面波普数据支持。
因此,近年来,许多国内的科学研究单位,已经开始在这区域和国家开发研究科学技术,也有投资方在这方面增加研究经费,基于汽车基本测试数据开始,针对提高中国汽车研究(5 - 9)开发工作，开始汽车基本数据的测试。在这种背景下,我们改进和开发了一个基于惯性参考测量仪器的激光截面装置的高精度、宽频谱测量路面的设备,道路表面轮廓测量系统(RSPMS)如图4。

在RSPMS上有许多的的传感器,如图5所示。该仪器系统是主要由梁激光截面设备(内置激光位移传感器、高频和低频加速度传感器被用来多通道激光信号和测量加速度信号)、精密陀螺仪(记录测试车辆姿态变化信息参数),GPS测量设备(实时记录路面纬度、经度和高度信息),高速摄像机(记录测试部分的视频信息),速度和距离测量传感器(来自测试部分的测量的脉冲信息)和辅助设备(UPS、IPC、RAID、数据[9]采集控制箱等)。

RSPMS的测试原理是路面信号(“A”信号在图6)的频率范围的分为两个部分,一是使用组合的GPS和陀螺仪测量在频率低于0.1赫兹的大波长信号,是“B”信号，在图6中所示,另一个是使用组合的激光位移传感器和加速度传感器来测量在高于0.1赫兹的“C”小波长信号，如图6。

大波长信号测量主要使用高精度的GPS传感器,对一个重要的道路块卫星信号,进行修改计算
卡尔曼融合汽车精密陀螺仪信号和GPS信号。
小的波长信号的测量分为两部分处理,信号波长大于3赫兹的用低频加速度传感器测量，用测试车辆本身的震动信号来修改激光位移信号,不到3赫兹的使用高频加速度传感器测量，用测试车辆本身的震动信号来修改激光位移信号,最后两种频率信号叠加可以得到一个真正的在不同的渠道小波长信号曲线。
合理的组合大波长信号和小波长信号,你可以得到一个真正的路面纵断面信号曲线,因此我们可以得到它的力度谱密度曲线。计算流程图如图7所示。

2.3测量仪器的测试比较
作为一组测量系统,测量误差是该设备最重要的指标。随着一种非标准测量系统的组成,没有简单的方法方法来获得误差范围和精度,所以我们选择了各种各样的误差范围,高精度系统作为基准测量仪器和设备装置,然后在相同的实验条件比较试验进行了误差分析。根据对测试理论,分别从大型和小的波长信号两个方面介绍了（10 - 11)。
大的波形数据主要通过GPS卫星实时测量,然后由精密陀螺仪修改数据,一般来说,反映路面的趋势。在
比较测试,我们选择水准作为一个基准在相同的部分和测试条件下进行了比较测试,如图8所示为标准坡道测试区域的四个坡道测量试验场。

标准坡道路面测量6%至10%,18%到20%的两条路,每个来回测量两次,并且每个斜率测量四次,根据计算测试车辆收集数据,统计结果如下在下面的表1。
从这两组测试中可以看到,四个坡道测量过程中,最大误差是0.006280,最小误差为0.000150,显示,测量误差不超过1%的坡度值,更好的结果符合实际情况。

小波长信号测量的准确性,使用与已知的标准[9]形状的方法比较来验证。一个汽车测量可以证明地面,波路,崎岖不平的道路,疙瘩道路和其他特殊路面测量,还利用水平准测量。这些道路的形状如图9。

统计计算这些道路的测试数据,误差结果如表2所示,包括平均误差(Ave),最大误差(最大),最低误差(Min)、方差(Var),标准偏差(SD),相关系数(CC)。
这从图中可以看出,实验数据的相关性很好,误差约±3毫米。
特殊道路试验的汽车试验场的视图,设备与RSPMS高精密测量和测量结果好符合实际道路条件。这个设备与RSPMS可以用于测试各种各样汽车的路面数据。

3、设备装置
道路表面轮廓数据反映了道路表面的真实数据,并能真正代表我们的国家的路面条件和特点。数据可以推动和促进中国的汽车[7、12 - 13)工程和公路部门的科学技术进步。
3.1路模拟器装置
车辆在道路表面轮廓数据按照一定的格式转换,作为输入信号的数据在4路模拟器的测试如图10所示

在这种类型的测试,用户可以研究检查运行舒适感和测试车辆的耐久性。在这个测试中,这些都是一些不同的输入数据的比较结果,如图11所示为一个车辆在道路模拟器MTS的四个海报。

在这个图中,红色信号的PSD曲线之间的位移数据左后轮和测试车辆在实际搓板公路剖面作为输入数据。蓝色信号曲线PSD的位移之间的数据离开后轮和身体测试车辆的轴负载数据作为输入数据。绿色信号曲线是
PSD的位移之间数据左后轮和测试车辆在数据采集与RSPMS作为输入数据。从图中看,三条曲线非常相似,并具有很好的一致性。
3.2应用程序在虚拟仿真软件车辆
沿着垂直和水平的路面,数据分布在道路剖面,形成一个虚拟的道路表面。在一些指定的格式转换,公路剖面数据可以用来作为在一些流行仿真软件的输入数据,如VPG,亚当斯和CarSim。这些都是一些在一个汽车试验场获得的特殊的道路数据，作为输入数据,并形成一些虚拟的道路表面模型在VPG如图12。在虚拟路面模型,汽车工程师可以设计和开发新的车辆并试着汽车性能测试。

3.3运输和公路部门的应用
道路表面轮廓数据是路面真实的测量数据,反映真实的道路表面条件和特点。数据不只可以用在汽车工程研究各种性能测试和分析虚拟仿真软件,还可以应用到道路运输行业新的公路路面的规划和建设和维护修理旧的公路。
4、结论
一种高精度道路表面轮廓测量设备已成功开发和且完成了大量的对比试验。这个大波长信号可以用于查看宽范围内的道路和地形的区域变化趋势。小的波长信号数据可以用于研究路面不平度和道路建设等,还可以用于汽车设计,作为真正车辆振动的输入信号。
RSPMS的测量设备操作很简单,使用方便,精度高。它可以用于设计和开发的汽车产业,也可以用于路面测量和监测道路网络的高速公路部门。缺点是仪器价格更加昂贵,测试原则是相对的复杂。在未来,我们的目标是开发成本低、精度高的道路表面轮廓测量仪器。

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Author Biographies
Duan Huming: (1979.01 - ), male, Ph. D, Engineer of China Automotive Engineering Research Institute, Post-Doctoral of Tongji University, mainly engaged in virtual instrumentation and intelligent testing, Engineering signal processing,Automotive Testing and Theory, Road surface spectrum measurement and application, etc.
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