CN113984648A - 一种基于三维的路面摩擦系数测量方法 - Google Patents

一种基于三维的路面摩擦系数测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，该方法包括：获取待测量路面的面状三维纹理数据；模拟轮胎移动的过程，根据面状三维纹理数据和预设路面顶面向下深度，获取待测量路面与模拟轮胎胎面之间的接触区域；根据接触区域，通过频率分析和接触区域断面预设划分规则，获取路面纹理的摩擦力表征，路面纹理的摩擦力表征包括沾着力响应纹理特征和滞后力响应纹理特征；根据沾着力响应纹理特征、滞后力响应纹理特征和路面摩擦系数关系模型，获取待测量路面的路面摩擦系数。本发明针对传统路面摩擦系数测量结果易受橡胶性能和水膜厚度、温度、测量速度和橡胶老化等影响问题，通过更为精准的三维纹理表征方法，实现路面摩擦系数非接触式测量。

Description

一种基于三维的路面摩擦系数测量方法
技术领域
本发明涉及路面摩擦系数测量技术领域，尤其涉及一种基于三维的路面摩擦系数测量方法。
背景技术
轮胎与路面间的摩擦力是影响道路行车安全至关重要的因素。路面摩擦力是轮胎与路面间相对运动产生的阻力，它由沾着和滞后两种机制的结合引起。
在过去几十年中，通过在道路或样本上拖动轮胎或橡胶垫，仍然是测量道路防滑性的主要方法，此类测量方法采用直接测量的方式，含低速(静态)测量和高速测量两类，其中，典型的低速测量装备包含摆式仪(British Pendulum Tester，简称BPT)和动态摩擦系数测试仪(Dynamic Friction Tester，简称DFT)，两种装置都使用旋转的橡胶滑块，利用橡胶滑块与路表面摩擦来减缓摆锤或旋转头的速度，对每个测量点采用静态测量的方式，此类测量装置往往用于感兴趣区域的测量。高速测量仪包含纵向摩擦力(LongitudinalFriction Coefficient，简称LFC)测量装置和横向摩擦力(Transverse FrictionCoefficient，TFC)测量装置，典型的纵向摩擦力测量装备含ADHERA、BV-11、Grip-test和ICC等，主要的横向摩擦力测量装备含SCRIM、SKM等。高速测量设备通常选用特定的测试轮胎，通过施加制动力来产生测试轮胎的受控滑动过程。
然而，所有现有的高速测试设备，都需要消耗水和测试轮胎来收集路面摩擦数据，测量的是橡胶轮和潮湿路面之间的摩擦力。它们的共同点是，它们相对复杂且成本高昂，目前的抗滑性测量一般在项目层面进行。因为通常需要一辆载有大型水箱的卡车来用规定的水层湿润表面，由于它们能携带的水量有限，所以它们的单次测量的量程有限，此外，其测量结果还取决于水膜厚度、温度、测量速度、橡胶老化、橡胶磨损甚至路面平整度等因素，所有这些因素都会使得测量结果难以控制。因此，现在亟需一种基于三维的路面摩擦系数测量方法来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于三维的路面摩擦系数测量方法。
本发明提供一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，包括：
获取待测量路面的面状三维纹理数据；
模拟轮胎移动的过程，根据所述面状三维纹理数据和预设路面顶面向下深度，获取所述待测量路面与模拟轮胎胎面之间的接触区域；
根据所述接触区域，通过频率分析和接触区域断面预设划分规则，获取路面纹理的摩擦力表征，所述路面纹理的摩擦力表征包括沾着力响应纹理特征和滞后力响应纹理特征；
根据所述沾着力响应纹理特征、所述滞后力响应纹理特征和路面摩擦系数关系模型，获取所述待测量路面的路面摩擦系数，其中，所述路面摩擦系数关系模型是由历史实测路面摩擦系数、样本沾着力响应纹理特征和样本滞后力响应纹理特征，通过回归分析方法构建得到的。
根据本发明提供的一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，在所述获取待测量路面的面状三维纹理数据之后，所述方法还包括：
对所述面状三维纹理数据进行数据预处理，所述数据预处理包括***误差矫正、异常测点处理和测量姿态矫正。
根据本发明提供的一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，所述模拟轮胎移动的过程，根据所述面状三维纹理数据和预设路面顶面向下深度，获取所述待测量路面与模拟轮胎胎面之间的接触区域，包括：
在模拟轮胎移动的过程中，根据模拟轮胎与所述待测量路面之间接触的波峰区域，获取模拟轮胎与所述待测量路面的接触点，其中，所述波峰区域是基于波峰高度确定的；
根据预设接触点范围值和所述接触点，从模拟轮胎与所述待测量路面的接触范围内，通过预设路面顶面向下深度，确定所述待测量路面与模拟轮胎胎面之间的接触区域。
根据本发明提供的一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，所述根据所述接触区域，通过频率分析和接触区域断面预设划分规则，获取路面纹理的摩擦力表征，包括：
获取所述接触区域断面轮廓的高频信号，并根据所述高频信号的平均幅值信息，生成沾着力响应纹理特征；
将所述接触区域断面划分为上坡区域和下坡区域，并根据所述上坡区域和所述下坡区域各自对应的斜率和距离，生成滞后力响应纹理特征。
根据本发明提供的一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，所述根据所述上坡区域和所述下坡区域各自对应的斜率和距离，生成滞后力响应纹理特征，包括：
根据所述上坡区域的斜率与距离乘积的累积值，获取第一累积值，根据所述上坡区域的斜率与距离乘积的平均值，获取第一平均值；
根据所述下坡区域的斜率与距离乘积的累积值，获取第二累积值，根据所述下坡区域的斜率与距离乘积的平均值，获取第二平均值；
根据所述第一累积值、所述第一平均值、所述第二累积值和所述第二平均值，生成滞后力响应纹理特征。
根据本发明提供的一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，所述历史实测路面摩擦系数是通过摆式摩擦仪、动态摩擦系数测试仪、纵向摩擦力测量装备和横向摩擦力测量装备中的一种或多种获取得到的。
根据本发明提供的一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，所述回归分析方法包括线性回归、逻辑回归、多项式回归、逐步回归、和指数回归中的一种或多种。
本发明提供的一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，针对传统路面摩擦系数测量结果易受橡胶性能和水膜厚度、温度、测量速度和橡胶老化等影响问题，通过更为精准的三维纹理表征方法，实现路面摩擦系数的非接触式测量，并避免了现有高速测试设备需要消耗水和测试轮胎来收集路面摩擦数据，解决现有单次测量的量程有限，且相对复杂且成本高昂问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于三维的路面摩擦系数测量方法的流程示意图；
图2为本发明提供的接触深度为0.5mm的接触区域示意图；
图3为本发明提供的路面摩擦系数测量值与参考摩擦系数之间的关系示意图；
图4为本发明提供的微观纹理特征值与摩擦力的关系示意图；
图5为本发明提供的上坡区域与下坡区域的划分示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在现有的基于高精度路面纹理研究中，大多简单使用振幅和波长相关参数，然而，这些参数在抗滑性评估中的可用性还存有争议，目前没有任何基于路面纹理的抗滑预测模型在工程实践中成功应用。基于上述问题，本发明提供了一种基于高精度面状纹理的路面摩擦系数测量方法。
图1为本发明提供的基于三维的路面摩擦系数测量方法的流程示意图，如图1所示，本发明提供了一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，包括：
步骤101，获取待测量路面的面状三维纹理数据。
在本发明中，可利用高精度线扫描三维测量传感器，获取待测量路面的面状三维纹理数据。具体地，本发明利用高精度线扫描三维测量传感器(由激光器和CCD相机组成)采集路面纹理数据，主要由三维测量传感器、测量载体和数据采集计算机组成，其中，三维测量传感器用于路表面轮廓深度信息的测量，测量载体用于控制测量传感器沿测量方向运动，数据采集计算机用于控制测量传感器工作，并存储测量数据。在测量工作中，三维测量传感器基于三角测量原理，线激光垂直投射到被测路面，相机与激光器呈一定夹角观测激光线，并通过内置算法提取激光线对应位置的被测物体表面轮廓高程。进一步地，线扫描三维测量传感器单次测量，可同时获取待测量路面的断面所有测点的高程信息，从而可得到面状三维纹理数据，在本发明中，其横向分辨率为0.1mm，在移动方向的采样间隔为0.1mm，测量幅宽约35mm。
步骤102，模拟轮胎移动的过程，根据所述面状三维纹理数据和预设路面顶面向下深度，获取所述待测量路面与模拟轮胎胎面之间的接触区域。
在本发明中，在面状路面三维纹理数据中，通过模拟路面与轮胎之间的接触，从而进行路面摩擦系数的测量。具体地，由于路面实际是凹凸不平的，通过模拟轮胎移动的过程，定义模拟轮胎与路面之间产生接触的区域，即路面顶面(路面表面存在凸出的位置)向下深度＜预设路面顶面向下深度T的数据区域，图2为本发明提供的接触深度为0.5mm的接触区域示意图，如图2所示，基于面状路面三维纹理数据，获取到的一种从路面顶面向下0.5mm的接触区域示例。在本发明中，路面顶面为模拟轮胎移动过程中，在轮胎与路面接触区域(L*W)范围内，面积大于预设接触点范围值A的多个接触点(该接触点的个数大于等于3)所确定的平面(若接触点大于3个，则采用三角构网的方式，分别确定各三角区域对应的平面)，而接触点为接触区域范围内，轮胎与路面优先接触的波峰区域，其中，任意一个接触点为可由1个测点或多个测点组成。需要说明的是，在本发明中，若波峰高度越高，优先级越高，从而判断优先接触的波峰区域。
步骤103，根据所述接触区域，通过频率分析和接触区域断面预设划分规则，获取路面纹理的摩擦力表征，所述路面纹理的摩擦力表征包括沾着力响应纹理特征和滞后力响应纹理特征。
在本发明中，路面纹理的摩擦力表征为路面与轮胎胎面之间接触区域的纹理表征，包含沾着力响应纹理特征和滞后力响应纹理特征。其中，沾着力响应纹理特征，是根据路面与轮胎胎面之间接触区域的数据，通过频率分析生成的；滞后力响应纹理特征，是根据路面与轮胎胎面之间接触区域数据对应的横截面，分析模拟轮胎在行进时路面表面的变化特征生成的。
步骤104，根据所述沾着力响应纹理特征、所述滞后力响应纹理特征和路面摩擦系数关系模型，获取所述待测量路面的路面摩擦系数，其中，所述路面摩擦系数关系模型是由历史实测路面摩擦系数、样本沾着力响应纹理特征和样本滞后力响应纹理特征，通过回归分析方法构建得到的。
具体地，所述回归分析方法包括线性回归、逻辑回归、多项式回归、逐步回归、和指数回归中的一种或多种。在本发明中，首先利用回归分析方法，通过路面历史纹理特征数据，建立沾着力响应纹理特征、滞后力响应纹理特征与实测路面摩擦系数的关系模型，即路面摩擦系数关系模型，从而实现后续路面摩擦系数的测量。在一实施例中，统计组合不同影响因子情况下的回归模型性能，确定最终的模型影响因子的，本实施例建立的五元一次回归模型如下：
Figure BDA0003266483630000071
Figure BDA0003266483630000072
其中，Y为回归分析的预测值(估计值)，F为实测路面摩擦系数；b0为回归模型的常数项，bi为回归系数，(i＝1,2,…,5)；X1为微观纹理影响因子(接触区域断面轮廓中高频信号的平均幅值)，X2为“上坡区域”斜率与距离乘积的累积值，X3为“上坡区域”斜率与距离乘积的平均值，X4为“下坡区域”斜率与距离乘积的累积值，X5为“下坡区域”斜率与距离乘积的平均值，ε为服从标准正态分布的误差项，i为影响因子的标记序号，j为观察样本序号，n为观测样本总个数，xij为第i个影响因子对应的第j个样本特征观测值。需要说明的是，上坡区域和下坡区域是基于接触区域中断面划分得到的，具体在本申请后续内容中说明。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述历史实测路面摩擦系数是通过摆式摩擦仪、动态摩擦系数测试仪、纵向摩擦力测量装备和横向摩擦力测量装备中的一种或多种获取得到的。
在本发明中，历史实测路面摩擦系数是由摆式摩擦仪(BPT)、动态摩擦系数测试仪(DFT)、纵向摩擦力测量装备(ADHERA、BV-11、Grip-test、ICC)、横向摩擦力测量装备(SCRIM、SKM)中的一种或多种获取得到的。在本实施例中，以摆式摩擦仪(BPT)进行说明。由于摆式摩擦仪(BPT)采用离散测量的方式，因此，在路面摩擦系数关系模型建立过程中，从5个不同类型测试路段中，选用25个测点值作为参考值(包含有样本沾着力响应纹理特征和样本滞后力响应纹理特征)，建立路面摩擦系数关系模型，然后通过该模型和沾着力响应纹理特征、滞后力响应纹理特征，计算得到待测量路面的路面摩擦系数，在本实施例中，路面摩擦系数关系模型具体公式为：
Y＝-0.1219+44.2942X1-0.000102X2+24.67X3+0.000115X4-27.7607X5；
图3为本发明提供的路面摩擦系数测量值与参考摩擦系数之间的关系示意图，回归效果可参考图3所示，其中，横轴为回归分析目标值(参考值)，纵轴为回归分析的预测值(即通过路面摩擦系数关系模型，计算得到的测量值)Y。观察可知，预测值与参考值具备良好的一致性。
本发明提供的路面摩擦系数测量方法，针对传统路面摩擦系数测量结果易受橡胶性能和水膜厚度、温度、测量速度和橡胶老化等影响问题，通过更为精准的三维纹理表征方法，实现路面摩擦系数的非接触式测量，并避免了现有高速测试设备需要消耗水和测试轮胎来收集路面摩擦数据，解决现有单次测量的量程有限，且相对复杂且成本高昂问题。
在上述实施例的基础上，在所述获取待测量路面的面状三维纹理数据之后，所述方法还包括：
对所述面状三维纹理数据进行数据预处理，所述数据预处理包括***误差矫正、异常测点处理和测量姿态矫正。
在本发明中，在获取路面与轮胎胎面之间接触区域之前，还需要对待测量路面的面状三维纹理数据进行数据预处理。其中，数据预处理包括***误差矫正、异常测点处理和测量姿态矫正。具体地，***误差矫正包括传感器测量误差矫正和传感器安装误差矫正；异常测点处理包括盲区测点处理和异物测点处理。
在上述实施例的基础上，所述模拟轮胎移动的过程，根据所述面状三维纹理数据和预设路面顶面向下深度，获取所述待测量路面与模拟轮胎胎面之间的接触区域，包括：
在模拟轮胎移动的过程中，根据模拟轮胎与所述待测量路面之间接触的波峰区域，获取模拟轮胎与所述待测量路面的接触点，其中，所述波峰区域是基于波峰高度确定的；
根据预设接触点范围值和所述接触点，从模拟轮胎与所述待测量路面的接触范围内，通过预设路面顶面向下深度，确定所述待测量路面与模拟轮胎胎面之间的接触区域。
在本发明中，在面状路面三维纹理数据中，模拟轮胎胎面与待测量路面之间产生接触的区域，为路面顶面向下深度＜预设路面顶面向下深度T(本发明T＝0.5mm)的数据区域。而路面顶面，是在模拟轮胎移动过程中，从轮胎与路面接触区域(本发明选取126mm*34mm)范围内，选取面积大于预设接触点范围值A(本发明选取400mm2)的多个接触点(接触点的数量大于等于3)所确定的平面(若接触点大于3个，则采用三角构网的方式，分别确定各三角区域对应的平面)。进一步地，接触点为接触区域范围内，轮胎与路面优先接触的波峰区域，其中，任意一个接触点为可由1个测点或多个测点组成。在本发明中，优先接触的波峰区域，其波峰高度越高，优先级越高。
在上述实施例的基础上，所述根据所述接触区域，通过频率分析和接触区域断面预设划分规则，获取路面纹理的摩擦力表征，包括：
获取所述接触区域断面轮廓的高频信号，并根据所述高频信号的平均幅值信息，生成沾着力响应纹理特征；
将所述接触区域断面划分为上坡区域和下坡区域，并根据所述上坡区域和所述下坡区域各自对应的斜率和距离，生成滞后力响应纹理特征。
在本发明中，沾着力响应纹理特征，是根据路面与轮胎胎面之间接触区域的数据，通过频率分析，提取断面轮廓中的高频信号，以高频信号的平均幅值信息作为沾着力响应纹理特征。图4为本发明提供的微观纹理特征值与摩擦力的关系示意图，将接触区域数据中高频信号的平均幅值信息作为沾着力响应纹理特征，可参考图4所示。
在上述实施例的基础上，所述根据路面与轮胎胎面之间接触区域的数据，通过频率分析，提取断面轮廓中的高频信号，具体步骤为：
步骤S1，对路面与轮胎胎面之间接触区域的数据进行预处理后，得到对应的断面数据，然后，通过预设的低通滤波器对该断面数据进行滤波，获取滤波后的频域数据，其中，预设的低通滤波器的通带范围为[N/2-fc*N/2,N/2+fc*N/2]，N表示预处理后得到的断面数据的长度，fc表示预设的低通滤波器的截止频率(
Figure BDA0003266483630000101
Rx为预处理后得到的断面数据沿测量幅宽方向的分辨率，Wx的取值范围为0.1m～1m)；
步骤S2，对滤波后的频域数据进行反傅里叶变换，获取滤波后的低频成分数据；
步骤S3，将上述步骤得到的断面数据减去滤波后的低频成分数据，获取该断面数据的高频成分数据；
步骤S4，根据高频成分数据，截取路面与轮胎胎面之间接触区域范围内的高频成份数据，获取断面轮廓中的高频信号。
在上述实施例的基础上，所述根据所述上坡区域和所述下坡区域各自对应的斜率和距离，生成滞后力响应纹理特征，包括：
根据所述上坡区域的斜率与距离乘积的累积值，获取第一累积值，根据所述上坡区域的斜率与距离乘积的平均值，获取第一平均值；
根据所述下坡区域的斜率与距离乘积的累积值，获取第二累积值，根据所述下坡区域的斜率与距离乘积的平均值，获取第二平均值；
根据所述第一累积值、所述第一平均值、所述第二累积值和所述第二平均值，生成滞后力响应纹理特征。
在本发明中，滞后力响应纹理特征，是在模拟轮胎行进过程中，根据路面与轮胎胎面之间接触区域的数据，将断面分为“上坡区域”和“下坡区域”，然后分别提取“上坡区域”和“下坡区域”的斜率与距离的乘积，即得到第一累积值、第一平均值、第二累积值和第二平均值，作为滞后力响应纹理特征。图5为本发明提供的上坡区域与下坡区域的划分示意图，基于接触区域的断面划分的可参考图5所示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于三维的路面摩擦系数测量方法，其特征在于，包括：
获取待测量路面的面状三维纹理数据；
模拟轮胎移动的过程，根据所述面状三维纹理数据和预设路面顶面向下深度，获取所述待测量路面与模拟轮胎胎面之间的接触区域；
根据所述接触区域，通过频率分析和接触区域断面预设划分规则，获取路面纹理的摩擦力表征，所述路面纹理的摩擦力表征包括沾着力响应纹理特征和滞后力响应纹理特征；
根据所述沾着力响应纹理特征、所述滞后力响应纹理特征和路面摩擦系数关系模型，获取所述待测量路面的路面摩擦系数，其中，所述路面摩擦系数关系模型是由历史实测路面摩擦系数、样本沾着力响应纹理特征和样本滞后力响应纹理特征，通过回归分析方法构建得到的。
2.根据权利要求1所述的基于三维的路面摩擦系数测量方法，其特征在于，在所述获取待测量路面的面状三维纹理数据之后，所述方法还包括：
对所述面状三维纹理数据进行数据预处理，所述数据预处理包括***误差矫正、异常测点处理和测量姿态矫正。
3.根据权利要求1所述的基于三维的路面摩擦系数测量方法，其特征在于，所述模拟轮胎移动的过程，根据所述面状三维纹理数据和预设路面顶面向下深度，获取所述待测量路面与模拟轮胎胎面之间的接触区域，包括：
在模拟轮胎移动的过程中，根据模拟轮胎与所述待测量路面之间接触的波峰区域，获取模拟轮胎与所述待测量路面的接触点，其中，所述波峰区域是基于波峰高度确定的；
根据预设接触点范围值和所述接触点，从模拟轮胎与所述待测量路面的接触范围内，通过预设路面顶面向下深度，确定所述待测量路面与模拟轮胎胎面之间的接触区域。
4.根据权利要求1所述的基于三维的路面摩擦系数测量方法，其特征在于，所述根据所述接触区域，通过频率分析和接触区域断面预设划分规则，获取路面纹理的摩擦力表征，包括：
获取所述接触区域断面轮廓的高频信号，并根据所述高频信号的平均幅值信息，生成沾着力响应纹理特征；
将所述接触区域断面划分为上坡区域和下坡区域，并根据所述上坡区域和所述下坡区域各自对应的斜率和距离，生成滞后力响应纹理特征。
5.根据权利要求4所述的基于三维的路面摩擦系数测量方法，其特征在于，所述根据所述上坡区域和所述下坡区域各自对应的斜率和距离，生成滞后力响应纹理特征，包括：
根据所述上坡区域的斜率与距离乘积的累积值，获取第一累积值，根据所述上坡区域的斜率与距离乘积的平均值，获取第一平均值；
根据所述下坡区域的斜率与距离乘积的累积值，获取第二累积值，根据所述下坡区域的斜率与距离乘积的平均值，获取第二平均值；
根据所述第一累积值、所述第一平均值、所述第二累积值和所述第二平均值，生成滞后力响应纹理特征。
6.根据权利要求1所述的基于三维的路面摩擦系数测量方法，其特征在于，所述历史实测路面摩擦系数是通过摆式摩擦仪、动态摩擦系数测试仪、纵向摩擦力测量装备和横向摩擦力测量装备中的一种或多种获取得到的。
7.根据权利要求1所述的基于三维的路面摩擦系数测量方法，其特征在于，所述回归分析方法包括线性回归、逻辑回归、多项式回归、逐步回归、和指数回归中的一种或多种。
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