CN103981795A - 一种利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法，首先利用车辆悬架***自带的加速度传感器采集行驶汽车车身的垂直加速度，然后通过1/2车辆模型理论推导转换为路面不平度，进一步计算出路面功率谱密度指标(PSD)来判别路面质量及分级信息。本发明相较于其它路面识别设备，不需要另外附加专用硬件设备，大幅度降低成本，仅需要对软件及算法进行升级，利用现有车辆设备，即可实现采集，易于实现和推广，测量效率高，对提高路面质量检测水平，促进高质量路面建设、缩小国内外差距具有积极的影响。

Description

一种利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法

技术领域

本发明属于路面特征识别领域，尤其是涉及一种利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法。

背景技术

目前，国内外现有的路面不平整度测量方法或者基于目视检查或者通过一辆装有数字精密仪表的车辆实地测量，这种直接测量分析的方法通常是昂贵低效的。因此，一种广泛存在于日常的车辆中的利用车辆本身进行道路平整度估计的技术需求日益凸显。

发明内容

发明目的：为了克服现有的路面平整度测量技术由于需要专门的测量设备而致成本较高的的缺点,本发明提出一种利用车辆悬架原有传感器实现路面谱软测量的方法，利用车身加速度传感器间接测量路面平整度。

技术方案：一种利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法，包括如下步骤：

步骤1：利用二分之一车辆模型计算出车身加速度传感器测得的车身垂直加速度功率谱密度：PSD_acc(Ω)；

步骤2：校准传递系数H(Ω)；

步骤3：根据校准后的传递系数H(Ω)和车身加速度传感器测得的PSD_acc(Ω)，计算出路面PSD_road(Ω)；

步骤4：根据计算得到的路面PSD_road(Ω)，对路面的不平整度进行判断和归类，输出结果。

所述步骤1计算PSD_acc(Ω)的具体方法为：

${\mathrm{PSD}}_{\mathrm{acc}}\left(\mathrm{\Ω}\right)=\left\{\begin{array}{cc}a{\left(2\mathrm{\π\Ω}\right)}^{-2}& \mathrm{\Ω}\≤\frac{1}{2\mathrm{\π}}\\ a{\left(2\mathrm{\π\Ω}\right)}^{-1.5}& \mathrm{\Ω}>\frac{1}{2\mathrm{\π}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，Ω—空间频率，a—空间几何平均值。

所述步骤2具体如下：

(1)首先进行校准实验，在已知路面上进行数据采集，该路面已知路面谱

密度PSD_road(Ω)；

(2)结合所述步骤1得到的PSD_acc(Ω)，计算出传递系数H(Ω)；

(3)对多次测量计算的传递系数结果进行平滑滤波，得出校准后的传递系

数。

所述传递系数H(Ω)的计算公式为：

$H\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{{\mathrm{PSD}}_{\mathrm{acc}}\left(\mathrm{\Ω}\right)}{{\mathrm{PSD}}_{\mathrm{road}}\left(\mathrm{\Ω}\right)}---\left(2\right)$

所述步骤3根据校准后的传递系数H(Ω)和车身加速度传感器测得的PSD_acc(Ω)的计算PSD_road(Ω)的方法如下：

PSD_road(Ω)＝H(Ω)·PSD_acc(Ω)      (3)

所述步骤4的根据计算得到的路面PSD_road(Ω)，对路面的不平整度进行判断和归类的具体方法如下：

$r\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{4{\mathrm{PSD}}_{\mathrm{road}}\left({\mathrm{\Ω}}_i\right)\mathrm{\Δ\Ω}}\cos (2\mathrm{\π}{\mathrm{\Ω}}_{i}x+{\mathrm{\θ}}_i)---\left(4\right)$

其中，r(x)表示路面不均匀性，x表示测量的距离，N表示测量路面的总个数，ΔΩ是频率间隔，θ_i表示随机相位，Ω_i的计算公式如下：

Ω_i＝Ω_min+(i-0.5)ΔΩ        (5)

所述步骤1中二分之一车辆悬架模型为：

当车辆匀速行驶时，车辆运动控制响应是由以下三个常微分方程定义，方程如下：

${-m}_3\frac{d^2{y}_3\left(t\right)}{d{t}^2}-[Z_1\left(t\right)+Z_{b1}\left(t\right)+Z_2\left(t\right)+Z_{b2}\left(t\right)]=0---\left(7\right)$

$(m_i+m_{3i})g-m_i\frac{d^2{y}_i\left(t\right)}{d{t}^2}+Z_i\left(t\right)+Z_{\mathrm{bi}}\left(t\right)-R_i\left(t\right)=0,i=\mathrm{1,2}---\left(8\right)$

其中，Z_i(t)和Z_bi(t)是车轴和车之间的弹簧阻尼力，公式为：

Z_i(t)＝K_s[y_3i(y)-y_i(t)]  i＝1,2    (9)

Z_bi(t)＝C_s[y_3i(y)-y_i(t)]  i＝1,2    (10)

m_3i和y_i(t)公式表示为：

得到轮胎力R_i(t)：

R_i(t)＝K_t[y_i(t)-r(x_i)]≥0i＝1,2(14)

其中，m₃—为悬架(车身)质量，_y3(t)—为车身位移，I₃—为车身质量惯性矩，m₁、m₂—为非悬架(车轮)质量，_y1(t)、_y2(t)—为垂直车轴位移，Kt—为轮胎刚度系数，K_s—为车身刚度系数，C_s—为阻尼器阻尼系数，D₁—为图心到车前轴的距离，D₂—为图心到车前轴的距离。

有益效果：本发明提出一种通过测量车身自带加速度传感器的垂直加速度路面谱密度从而间接测量路面平整度的方法，实时性高，成本低代价小，易于实现和推广，测量效率高，提高路面质量检测水平，可以更加方便的为道路管理者提供不断更新的路面平整度。

附图说明

图1是本发明流程示意图；

图2是本发明中二分之一车辆悬架模型原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法，首先利用车辆本身自带的加速度传感器检测行驶汽车的垂直加速度来间接的检测出路面的高低起伏信息，然后通过理论推导得到路面不平度信息，进而结果来判断路面识别的信息。具体步骤为：

步骤1：利用二分之一车辆模型计算出车身加速度传感器测得的车身垂直加速度功率谱密度：PSD_acc(Ω)；

计算PSD_acc(Ω)方法如下：

各参数代表的意义如下：Ω—空间频率，a—空间几何平均值

步骤2：校准传递系数H(Ω)；

校准传递系数H(Ω)的公式如下：

上述对于传递系数H(Ω)的校准方法思路如下：

(1)首先进行校准实验，在已知路面上进行数据采集，该路面已知路面谱密度(Ω)；

(2)利用二分之一车辆模型计算出车身加速度传感器测得的车身垂直加速度功率谱密度：PSD_acc(Ω)；

(3)根据公式(2)计算出传递系数H(Ω)；

(4)通过MATLAB等软件对多次测量计算的结果进行平滑滤波，得出校准后的传递系数。

步骤3：根据校准后的传递系数H(Ω)和车身加速度传感器测得的PSD_acc(Ω)，计算出路面PSD_road(Ω)

根据校准后的传递系数H(Ω)和车身加速度传感器测得的PSD_acc(Ω)，计算出路面PSD_road(Ω)公式如下：

PSD_road(Ω)＝H(Ω)？PSD_acc(Ω)(3)

步骤4：根据计算得到的路面PSD_road(Ω)，可以对路面的不平整度进行判断和归类，最终输出结果；

根据计算得到的路面PSD_road(Ω)，可以对路面的不平整度进行判断和归类，原理如下：

其中，r(x)表示路面不均匀性，x表示测量的距离，N表示测量路面的总个数，ΔΩ是频率间隔，θ_i表示随机相位，而Ω_i的计算公式如下：

Ω_i＝Ω_min+(i-0.5)ΔΩ(5)而上述对路面的不平整度进行判断和归类的推理用到了二分之一车辆悬架模型，具体如图2所示，原理如下：

首先各参数代表的意义如下：

m₃—为悬架(车身)质量，_y3(t)—为车身位移，I₃—为车身质量惯性矩

m₁、m₂—为非悬架(车轮)质量，_y1(t)、_y2(t)—为垂直车轴位移，

Kt—为轮胎刚度系数，K_s—为车身刚度系数，C_s—为阻尼器阻尼系数

D₁—为图心到车前轴的距离，D₂—为图心到车前轴的距离

当车辆匀速行驶时，车辆运动控制响应是由以下三个常微分方程定义的，方程如下：

其中，^Zi(^t)和^Zbi(^t)是车轴和车之间的弹簧阻尼力，而m3i和yi(^t)分别用下面公式表示：

Z_i(t)＝K_s[y_3i(y)-y_i(t)]i＝1,2(9)

Z_bi(t)＝C_s[y_3i(y)-y_i(t)]i＝1,2(10)

$m_{31}=m_3\frac{D_2}{D_1+D_2}---\left(11\right)$

$m_{32}=m_3\frac{D_1}{D_1+D_2}---\left(12\right)$

因此，可以得到轮胎力R_i(t)：

R_i(t)＝K_t[y_i(t)-r(x_i)]≥0  i＝1,2    (14)

本发明首先利用车辆悬架***自带的加速度传感器采集行驶汽车车身的垂直加速度，然后通过1/2车辆模型理论推导转换为路面不平度，进一步计算出路面功率谱密度指标(PSD)来判别路面质量及分级信息。本发明相较于其它路面识别设备，不需要另外附加专用硬件设备，大幅度降低成本，仅需要对软件及算法进行升级，利用现有车辆设备，即可实现采集，易于实现和推广，测量效率高，对提高路面质量检测水平，促进高质量路面建设、缩小国内外差距具有积极的影响。

Claims (7)

1.一种利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法，其特征在于，包括如下步骤： 

步骤1：利用二分之一车辆模型计算出车身加速度传感器测得的车身垂直加速度功率谱密度：PSD_acc(Ω)； 

步骤2：校准传递系数H(Ω)； 

步骤3：根据校准后的传递系数H(Ω)和车身加速度传感器测得的PSD_acc(Ω)，计算出路面PSD_road(Ω)； 

步骤4：根据计算得到的路面PSD_road(Ω)，对路面的不平整度进行判断和归类，输出结果。 

2.根据权利要求1所述的利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法，其特征在于，所述步骤1计算PSD_acc(Ω)的具体方法为： 

其中，Ω—空间频率，a—空间几何平均值。 

3.根据权利要求1所述的利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法，其特征在于，所述步骤2具体如下： 

(1)首先进行校准实验，在已知路面上进行数据采集，该路面已知路面谱密度PSD_road(Ω)； 

(2)结合所述步骤1得到的PSD_acc(Ω)，计算出传递系数H(Ω)； 

(3)对多次测量计算的传递系数结果进行平滑滤波，得出校准后的传递系数。 

4.根据权利要求3所述的利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法，其特征在于，所述传递系数H(Ω)的计算公式为： 

。

5.根据权利要求1所述的利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法，其特征在于，所述步骤3根据校准后的传递系数H(Ω)和车身加速度传感器测得的PSD_acc(Ω)的计算PSD_road(Ω)的方法如下： 

PSD_road(Ω)＝H(Ω)·PSD_acc(Ω)        (3) 。

6.根据权利要求1所述的利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法，其特征在于，所述步骤4的根据计算得到的路面PSD_road(Ω)，对路面的不平整度进行判断和归类的具体方法如下： 

其中，r(x)表示路面不均匀性，x表示测量的距离，N表示测量路面的总个数，ΔΩ是频率间隔，θ_i表示随机相位，Ω_i的计算公式如下： 

Ω_i＝Ω_min+(i-0.5)ΔΩ          (5) 。

7.根据权利要求1所述的利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法，其特征在于，所述步骤1中二分之一车辆悬架模型为： 

当车辆匀速行驶时，车辆运动控制响应是由以下三个常微分方程定义，方程如下： 

其中，Z_i(t)和Z_bi(t)是车轴和车之间的弹簧阻尼力，公式为： 

Z_i(t)＝K_s[y_3i(y)-y_i(t)]  i＝1,2    (9) 

Z_bi(t)＝C_s[y_3i(y)-y_i(t)]  i＝1,2    (10) 

m_3i和y_i(t)公式表示为： 

得到轮胎力R_i(t)： 

R_i(t)＝K_t[y_i(t)-r(x_i)]≥0  i＝1,2    (14) 

其中，m₃—为悬架(车身)质量，y₃(t)—为车身位移，I₃—为车身质量惯性矩，m₁、m₂—为非悬架(车轮)质量，y₁(t)、y₂(t)—为垂直车轴位移，K_t—为轮胎刚度系数，K_s—为车身刚度系数，C_s—为阻尼器阻尼系数，D₁—为图心到车前轴的距离，D₂—为图心到车前轴的距离。