本科畢業(yè)論文-測(cè)量在測(cè)定道路輪廓中的應(yīng)用

1、測(cè)量在測(cè)定道路輪廓中的應(yīng)用測(cè)量在測(cè)定道路輪廓中的應(yīng)用1 32222Duan Huming , Ma Ying Shi Feng Zhang Kaibin XieFei(I.Post-Doctoral Research Cen ter of China Automobile Engin eeri ng Research Institue,Chongqing400039; 2.China Automobile Engineering Research Institue, Chongqing 400039;3.College of Automotive En gi neeri ng of Tongj

2、i Un iversity, Sha nghai 201804)摘要：本文回顧最近幾年里道路縱橫面測(cè)量的研究進(jìn)展情況。概括介紹了一個(gè)新的道路測(cè)量方法道和一個(gè)發(fā)達(dá)的高精度道路縱面測(cè)量系統(tǒng)(RSPMS。介紹了 RSPM的測(cè)量原理和測(cè)試方法。為了獲得高精度，用這些設(shè)備，通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量完成了許多對(duì)比測(cè)試。對(duì)比測(cè)試主要由小信號(hào)和大信號(hào)波長(zhǎng)組成并且得到更好的結(jié)果。另外，討論了道路輪廓數(shù)據(jù)的應(yīng)用。最后，評(píng)價(jià)了測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了道路輪廓數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：路面,路面譜，測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)比測(cè)試1 .引言路縱斷面面通常是用來(lái)描述道路的起伏狀況的。它是機(jī)動(dòng)車(chē)行進(jìn)過(guò)程中影響車(chē)輛的平穩(wěn)性，乘客舒適度、操控性和穩(wěn)定性

3、、部件和組件損耗和使用壽命，運(yùn)輸效 率、燃料消耗和其他方面的主要因素。在工程應(yīng)用中，路面不平度的主要表現(xiàn)形式為路面譜的順序，道路輪廓的硬度譜密度(PSD)曲線,所以，道路輪廓曲線數(shù)據(jù) 的高精度測(cè)量對(duì)從事汽車(chē)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的工程技術(shù)人員非常重要。2、道路輪廓的測(cè)量從四個(gè)方面來(lái)介紹，道路輪廓的測(cè)量方法包括道電流測(cè)量方法的發(fā)展和局限性，RSPMS寸比實(shí)驗(yàn)的測(cè)量?jī)x器。2.1研究歷史隨著傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，人們?cè)诼访娌黄蕉?集合的測(cè)量，以及各種測(cè)試方法不斷更新和改進(jìn)?；跍y(cè)量原理，有兩種測(cè)量方 法。一個(gè)是接觸式測(cè)量?jī)x器(接觸路面)另一個(gè)是1 - 10非接觸式測(cè)量?jī)x器。 2.1.1

4、接觸測(cè)量?jī)x器早在40到50年的20世紀(jì)，美國(guó)和一些歐洲國(guó)家使用水準(zhǔn)儀為基準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器 測(cè)量機(jī)場(chǎng)跑道的粗糙度。在中國(guó)，大多數(shù)的汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)在建設(shè)中也使用水準(zhǔn)儀進(jìn) 行檢驗(yàn)。水準(zhǔn)測(cè)量方法如圖1所示。11圖1，水準(zhǔn)測(cè)量法后來(lái)，為了提高測(cè)量的效率，開(kāi)發(fā)了一種基于直梁基準(zhǔn)的測(cè)量設(shè)備，并在此基 礎(chǔ)上,持續(xù)改進(jìn)。有一些測(cè)量設(shè)備如圖2所示。Fig.2 Tiiree-iitelvi mlvi. Kolikrd iez btrdigtu mMulti-Roncid Roll mp冬 and Tv o i j,ccs 艮（widPiufikriiieRr在相對(duì)于接觸路面的測(cè)量?jī)x器，優(yōu)勢(shì)是,這些結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低,相對(duì)較

5、高 的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性好，誤差來(lái)源少，缺點(diǎn)是復(fù)雜的操作，慢,效率低,影響正常的交 通秩序。因?yàn)檫@些缺點(diǎn)，這種儀器沒(méi)有推廣。2.1.2非接觸測(cè)量?jī)x器為了提高測(cè)量速度，人們開(kāi)始開(kāi)發(fā)非接觸式測(cè)量?jī)x器。有許多非接觸式 （響應(yīng) 類(lèi)型）路面測(cè)量方法，他們中的大多數(shù)在近年來(lái)都有所發(fā)展。因?yàn)檫@些測(cè)量工具方 便快捷，已廣泛制定和推廣。有車(chē)載集成系統(tǒng)，它是基于慣性參考軸加速度的測(cè)量 方法,基于慣性參考激光位移傳感器和加速度傳感器結(jié)合使用的激光截面裝置，以及一個(gè)分布在車(chē)輛上的縱向慣性加速度傳感器的一種測(cè)量方法，如圖3所示。在這些非接觸式測(cè)量?jī)x器中，激光截面裝置是最受歡迎的。圖3這種非接觸式測(cè)量設(shè)備的最大的優(yōu)勢(shì)是速度快

6、，精度高,這些方法比前面提到 的接觸測(cè)量方法有了很大的提高，特別是在過(guò)去的十年中，有很大的進(jìn)步。但仍有 許多缺點(diǎn)和不足，特別是在較小的波長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備只能測(cè)量波長(zhǎng)大于信號(hào)組件的長(zhǎng) 度的信號(hào)，大型車(chē)輛測(cè)量誤差、在忽視大波長(zhǎng)信號(hào)沒(méi)有斜坡路的情況下測(cè)量結(jié)果 減少到一個(gè)直線路徑。因此，此類(lèi)測(cè)量方法的設(shè)備需要改進(jìn)的其準(zhǔn)確性和測(cè)量范 圍,提高測(cè)試精度和可行性。2.2 RSPMS的發(fā)展隨著汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為世界汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)家 ，經(jīng)歷了模仿，技 術(shù)轉(zhuǎn)讓和生產(chǎn)處理階段，已經(jīng)進(jìn)入了獨(dú)立研究和開(kāi)發(fā)、自主創(chuàng)新的新階段。在獨(dú) 立的研究和開(kāi)發(fā)階段，路面不平度的數(shù)據(jù)，促進(jìn)著汽車(chē)的發(fā)展，在提高汽車(chē)各種 性能的行業(yè)中起

7、著至關(guān)重要的作用。在汽車(chē)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，提高汽車(chē)性能都離不開(kāi) 基本的路面波普數(shù)據(jù)支持。因此，近年來(lái),許多國(guó)內(nèi)的科學(xué)研究單位，已經(jīng)開(kāi)始在這區(qū)域和國(guó)家開(kāi)發(fā)研究 科學(xué)技術(shù),也有投資方在這方面增加研究經(jīng)費(fèi)，基于汽車(chē)基本測(cè)試數(shù)據(jù)開(kāi)始，針對(duì) 提高中國(guó)汽車(chē)研究（5 - 9）開(kāi)發(fā)工作，開(kāi)始汽車(chē)基本數(shù)據(jù)的測(cè)試。在這種背景下，我們改進(jìn)和開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于慣性參考測(cè)量?jī)x器的激光截面裝置的高精度、寬頻譜 測(cè)量路面的設(shè)備,道路表面輪廓測(cè)量系統(tǒng)（RSPMS如圖4。Fifl. 4 The tesliiiR vdlides w ith RSPMS在RSPM上有許多的的傳感器,如圖5所示。該儀器系統(tǒng)是主要由梁激光截面 設(shè)備（內(nèi)置激光位

8、移傳感器、高頻和低頻加速度傳感器被用來(lái)多通道激光信號(hào)和 測(cè)量加速度信號(hào)）、精密陀螺儀（記錄測(cè)試車(chē)輛姿態(tài)變化信息參數(shù)）,GPS測(cè)量設(shè)備 （實(shí)時(shí)記錄路面緯度、經(jīng)度和高度信息）,高速攝像機(jī)（記錄測(cè)試部分的視頻信息）， 速度和距離測(cè)量傳感器（來(lái)自測(cè)試部分的測(cè)量的脈沖信息）和輔助設(shè)備（UPSIPC、 RAID數(shù)據(jù)9采集控制箱等）。Fiij.5 tLnitTk-iil iiil蜜wlioii ol RbiPStSRSPM的測(cè)試原理是路面信號(hào)（A”信號(hào)在圖6）的頻率范圍的分為兩個(gè)部分, 一是使用組合的GP和陀螺儀測(cè)量在頻率低于0.1赫茲的大波長(zhǎng)信號(hào),是B”信號(hào) 在圖6中所示,另一個(gè)是使用組合的激光位移傳感器

9、和加速度傳感器來(lái)測(cè)量在高 于0.1赫茲的C”小波長(zhǎng)信號(hào)，如圖6。Fig. 6 Thetesl principle olRSSMS大波長(zhǎng)信號(hào)測(cè)量主要使用高精度的GP傳感器,對(duì)一個(gè)重要的道路塊衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行修改計(jì)算卡爾曼融合汽車(chē)精密陀螺儀信號(hào)和 GP信號(hào)。小的波長(zhǎng)信號(hào)的測(cè)量分為兩部分處理，信號(hào)波長(zhǎng)大于3赫茲的用低頻加速度傳感器測(cè)量，用測(cè)試車(chē)輛本身的震動(dòng)信號(hào)來(lái)修改激光位移信號(hào)，不到3赫茲的使用 高頻加速度傳感器測(cè)量，用測(cè)試車(chē)輛本身的震動(dòng)信號(hào)來(lái)修改激光位移信號(hào)，最后兩種頻率信號(hào)疊加可以得到一個(gè)真正的在不同的渠道小波長(zhǎng)信號(hào)曲線。合理的組合大波長(zhǎng)信號(hào)和小波長(zhǎng)信號(hào)，你可以得到一個(gè)真正的路面縱斷面信號(hào) 曲線,因

10、此我們可以得到它的力度譜密度曲線。計(jì)算流程圖如圖7所示。Fig. 7 Tlie cakruliilHMi flow chart of small wave length sigiiahi2.3測(cè)量?jī)x器的測(cè)試比較作為一組測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量誤差是該設(shè)備最重要的指標(biāo)。隨著一種非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量系 統(tǒng)的組成,沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法方法來(lái)獲得誤差范圍和精度，所以我們選擇了各種各 樣的誤差范圍，高精度系統(tǒng)作為基準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器和設(shè)備裝置，然后在相同的實(shí)驗(yàn)條 件比較試驗(yàn)進(jìn)行了誤差分析。根據(jù)對(duì)測(cè)試?yán)碚摚謩e從大型和小的波長(zhǎng)信號(hào)兩個(gè) 方面介紹了( 10 - 11)。大的波形數(shù)據(jù)主要通過(guò)GP衛(wèi)星實(shí)時(shí)測(cè)量，然后由精密陀螺儀修改數(shù)據(jù)，一般來(lái)

11、說(shuō),反映路面的趨勢(shì)。在比較測(cè)試,我們選擇水準(zhǔn)作為一個(gè)基準(zhǔn)在相同的部分和測(cè)試條件下進(jìn)行了比較測(cè) 試,如圖8所示為標(biāo)準(zhǔn)坡道測(cè)試區(qū)域的四個(gè)坡道測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)。亍 匸 二 耳：二 /亠厶 上_二勺二二二二二二二1 二|r”rTi-f-(b) The suiiidiud 畑tips from IWo to 6%Fin. K The teslof iitandanJ ruinrhi標(biāo)準(zhǔn)坡道路面測(cè)量6%至 10%,183到20%勺兩條路,每個(gè)來(lái)回測(cè)量?jī)纱?并且每 個(gè)斜率測(cè)量四次，根據(jù)計(jì)算測(cè)試車(chē)輛收集數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下在下面的表1。從這兩組測(cè)試中可以看到，四個(gè)坡道測(cè)量過(guò)程中,最大誤差是0.006280,最小 誤差

12、為0.000150,顯示,測(cè)量誤差不超過(guò)1%勺坡度值,更好的結(jié)果符合實(shí)際情況。Table 1 Error anal、sir of it si dula in Pro tug Ciroutid ruitipTimes6%10%】收Mo1O.O5543SOIO2W30 lXJTL0.1904820.063811O.17S3O40.20195630.10102301903350.19070340,l即40孑O.1K9322A i crage0.059625OJO2OO30.1S14600.193720ErrorO.WW375D.OO2U030U014(M?0(MX,2NU小波長(zhǎng)信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性，使用

13、與已知的標(biāo)準(zhǔn)9形狀的方法比較來(lái)驗(yàn)證。個(gè)汽車(chē)測(cè)量可以證明地面，波路,崎嶇不平的道路，疙瘩道路和其他特殊路面測(cè)量還利用水平準(zhǔn)測(cè)量。這些道路的形狀如圖 9(a) McaLirehMrut ofJ 1 J 45$7W 11 U 門(mén)G vral t *IuPfif- USJWt(MLriwurt；ineiU of WajihlMidird iitduf Rev cis 也 bbizni roadFiji號(hào) Tesl of lpkain a vehicle proving grouixE統(tǒng)計(jì)計(jì)算這些道路的測(cè)試數(shù)據(jù)，誤差結(jié)果如表2所示,包括平均誤差（Ave）,最大誤差（最大）,最低誤差（Min）、方差（Va

14、r）,標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）,相關(guān)系數(shù)（CC）。這從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性很好，誤差約土3毫米。特殊道路試驗(yàn)的汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)的視圖，設(shè)備與RSPM高精密測(cè)量和測(cè)量結(jié)果好符合 實(shí)際道路條件。這個(gè)設(shè)備與RSPM可以用于測(cè)試各種各樣汽車(chē)的路面數(shù)據(jù)。Tiible2 Enxn-of ixunis in dikle pro ini-grmndRoadWash boardReversedroiwJroadAve(nun)3.0615002.9N7O772.433M6Max (nun)K.656 204.6 LMm (m in)0.350.110.50Xai (mnr見(jiàn)咄II弗5.057931R.4B6776S

15、D (mmf3.1561252.24R9M2.834921Ct0.9M4S300.9-170130.957M343、設(shè)備裝置道路表面輪廓數(shù)據(jù)反映了道路表面的真實(shí)數(shù)據(jù)，并能真正代表我們的國(guó)家的路面條件和特點(diǎn)。數(shù)據(jù)可以推動(dòng)和促進(jìn)中國(guó)的汽車(chē)7、12 - 13）工程和公路部門(mén)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。3.1路模擬器裝置車(chē)輛在道路表面輪廓數(shù)據(jù)按照一定的格式轉(zhuǎn)換，作為輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)在4路模 擬器的測(cè)試如圖10所示FipdD Tlw test on 4 pOnta1 road Minn Laiors of MTS在這種類(lèi)型的測(cè)試，用戶(hù)可以研究檢查運(yùn)行舒適感和測(cè)試車(chē)輛的耐久性。在這個(gè)測(cè)試中，這些都是一些不同的輸入數(shù)據(jù)的

16、比較結(jié)果，如圖11所示為一個(gè)車(chē)輛在 道路模擬器MTS勺四個(gè)海報(bào)。在這個(gè)圖中，紅色信號(hào)的PSD曲線之間的位移數(shù)據(jù)左后輪和測(cè)試車(chē)輛在實(shí)際搓 板公路剖面作為輸入數(shù)據(jù)。藍(lán)色信號(hào)曲線 PSD勺位移之間的數(shù)據(jù)離開(kāi)后輪和身體 測(cè)試車(chē)輛的軸負(fù)載數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)。綠色信號(hào)曲線是PSD勺位移之間數(shù)據(jù)左后輪和測(cè)試車(chē)輛在數(shù)據(jù)采集與 RSPM作為輸入數(shù)據(jù)。從圖中 看,三條曲線非常相似，并具有很好的一致性。3.2應(yīng)用程序在虛擬仿真軟件車(chē)輛沿著垂直和水平的路面,數(shù)據(jù)分布在道路剖面，形成一個(gè)虛擬的道路表面。在 一些指定的格式轉(zhuǎn)換，公路剖面數(shù)據(jù)可以用來(lái)作為在一些流行仿真軟件的輸入數(shù) 據(jù)，如VPG亞當(dāng)斯和CarSim。這些都是一

17、些在一個(gè)汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)獲得的特殊的道路 數(shù)據(jù)，作為輸入數(shù)據(jù),并形成一些虛擬的道路表面模型在 VPG口圖12。在虛擬路面 模型,汽車(chē)工程師可以設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新的車(chē)輛并試著汽車(chē)性能測(cè)試。 iu. 12 T3ic Jiudct ol iilLLil i tkkJ surliicc3.3運(yùn)輸和公路部門(mén)的應(yīng)用道路表面輪廓數(shù)據(jù)是路面真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，反映真實(shí)的道路表面條件和特點(diǎn)。 數(shù)據(jù)不只可以用在汽車(chē)工程研究各種性能測(cè)試和分析虛擬仿真軟件，還可以應(yīng)用 到道路運(yùn)輸行業(yè)新的公路路面的規(guī)劃和建設(shè)和維護(hù)修理舊的公路。4、結(jié)論一種高精度道路表面輪廓測(cè)量設(shè)備已成功開(kāi)發(fā)和且完成了大量的對(duì)比試驗(yàn)。這個(gè)大波長(zhǎng)信號(hào)可以用于查看寬范圍內(nèi)

18、的道路和地形的區(qū)域變化趨勢(shì)。小的波長(zhǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)可以用于研究路面不平度和道路建設(shè)等 ，還可以用于汽車(chē)設(shè)計(jì)，作為真 正車(chē)輛振動(dòng)的輸入信號(hào)。RSPMI的測(cè)量設(shè)備操作很簡(jiǎn)單,使用方便,精度高。它可以用于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的 汽車(chē)產(chǎn)業(yè),也可以用于路面測(cè)量和監(jiān)測(cè)道路網(wǎng)絡(luò)的高速公路部門(mén)。缺點(diǎn)是儀器價(jià) 格更加昂貴，測(cè)試原則是相對(duì)的復(fù)雜。在未來(lái)，我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)成本低、精度高 的道路表面輪廓測(cè)量?jī)x器。參考文獻(xiàn)1 Zhao Jihai, Wang Zheren, et al. Measurement, analysis and application of road surface roughness M. Beijing

19、:Beijing Institute of TechnologyPress, 2000.2 Sayers M W., et al. Guidelines for conducting and calibrating road roughness measurementsR. World Bank Technical Paper Number 46, 1986.3 GB/T 7031-2005. Mechanical vibration - road surface profiles - reporting of measured dataS,2005.4 Kropac O, Mucka P.

20、Becareful when using the International Roughness Index as an indicatorof road unevenness J. Journal of Sound and Vibration, 2005, 287: 989-1003.5 Duan Huming, Shi Feng, et al. A Survey of Road Roughness Study J, Journal of Vibration and Shock, 2008,28(9): 95-101.6 Duan Huming, Shi Feng, et al. Revie

21、w on Research of Road Spectrum Measurement J, Journal of Electronic Measurement and Instruments, 2010,24(1): 72-79.7 Duan Huming, Shi Feng, et al. Review on construction and application of Chinese typical vehicle road spectra J,China Measurement and Test, 2009, 35(4): 76-79.8 Yang Diange, Han Yi, et

22、 al. Research on the road wavelength range in measurement of road spectrum C, China Automotive Engineering Society Annual Meeting Papers, 2009: 707-712.9 Han Yi, Yang Diange, et al. Research and Development of vehicle-mounted road spectrum detector based on shape measurement C, China Automotive Engineering SocietAnnual Meeting Papers, 2009: 770-774.10 Duan Huming, Shi Feng, et al. Research and practice of road surface profile measurement J, Journal of Vibration and Shock, 2010.11 Duan Huming, Shi Feng, et al. Error ana