段虎明，石 鋒，趙永杰，王紅鋼，謝 飛

(1.中國(guó)汽車工程研究院 博士后科研工作站，重慶 400039;2、中國(guó)汽車工程研究院，重慶 400039;3.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院 上海 201804)

道路路面根據(jù)其設(shè)計(jì)的技術(shù)等級(jí)、鋪裝材料、使用年限、地貌環(huán)境等的不同，路面表面的起伏程度有非常大的差別。在公路行業(yè)通常用國(guó)際路面平整度指數(shù)(International Roughness Index，IRI)來評(píng)價(jià)和反映道路的路面狀況，該參數(shù)是一個(gè)累積量，即反映一段距離內(nèi)道路路面的一個(gè)整體的平整度水平指標(biāo)［1］。對(duì)于車輛工程中的應(yīng)用，很多時(shí)候需要的是更為精細(xì)的真實(shí)路面剖面曲線數(shù)據(jù)而不是一個(gè)累積指標(biāo)。道路路面的剖面曲線信號(hào)通常用來描述路面的真實(shí)起伏變化情況，該剖面曲線信號(hào)是車輛設(shè)計(jì)研發(fā)中的主要激勵(lì)信號(hào)，影響車輛行駛的平順性、乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性、零部件疲勞壽命、運(yùn)輸效率、油耗等各個(gè)方面。道路路面譜是路面剖面曲線信號(hào)的功率譜密度曲線，是其在工程應(yīng)用領(lǐng)域更為常見表現(xiàn)形式，所以對(duì)于從事汽車設(shè)計(jì)開發(fā)的工程技術(shù)人員，測(cè)量和采集到高精度道路路面的剖面數(shù)據(jù)就具有重要的意義［1－6］。

1 道路路面剖面曲線測(cè)量的研究歷史

早在20世紀(jì)的40～50年代，美國(guó)和歐洲一些國(guó)家就是用水平儀作為基準(zhǔn)，對(duì)飛機(jī)場(chǎng)跑道的不平度進(jìn)行了測(cè)量，我國(guó)的海南、定遠(yuǎn)、襄樊等汽車試驗(yàn)場(chǎng)以及一些國(guó)防專用試驗(yàn)場(chǎng)中的一些可靠性試驗(yàn)路段，特別是石塊路路面，從構(gòu)筑到驗(yàn)收無一例外都是用了水平儀和標(biāo)桿的方法來測(cè)量，測(cè)量方法如圖1中左圖所示。其優(yōu)點(diǎn)比較明顯，就是測(cè)量比較準(zhǔn)確真實(shí)、幅頻特性好、測(cè)量重復(fù)性好，但是缺點(diǎn)也很明顯就是速度太慢，效率低［1－3］。

圖1 水平儀和標(biāo)桿、直梁基準(zhǔn)的測(cè)量方法Fig.1 Level and ruler and kohler－ f usez straight beam

后來為了提高測(cè)量效率，人們研制了基于直梁基準(zhǔn)的測(cè)量設(shè)備(如圖1中右圖所示)，并在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，有公路部門使用較多的3 m直尺、多輪測(cè)平車、顛簸累積儀、遞推式的路面計(jì)等，如圖2所示為3 m直尺和多輪儀。

圖2 3 m直尺和多輪儀Fig.2 Three-meter ruler and multi-round rolling straightedge

接觸式道路譜或路面不平度的測(cè)量檢測(cè)方法，它們的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量精度相對(duì)較高、重復(fù)性好、誤差來源較少;缺點(diǎn)是操作冗繁、速度慢、效率低、影響正常的交通秩序，正是因?yàn)檫@些缺點(diǎn)，它們沒有很好地普及起來，因此人們開始研究可以快速測(cè)量的非接觸式測(cè)量方法，并開發(fā)了一系列相應(yīng)的儀器設(shè)備。

非接觸式(響應(yīng)式)的道路譜測(cè)量檢測(cè)方法有很多，大部分都是近些年發(fā)展起來的。由于這類儀器測(cè)量方便快捷、測(cè)量速度快而得到了普遍推廣和發(fā)展。主要有車載式顛簸累積儀、基于慣性基準(zhǔn)的軸頭加速度測(cè)量方法、基于慣性基準(zhǔn)的激光位移傳感器與加速度傳感器配合使用的激光斷面儀、沿車輛縱向一列分布多個(gè)加速度傳感器的慣性測(cè)量方法等［1－10］如圖3所示。其中推廣使用較多的是激光斷面儀測(cè)量方法。

圖3 四種路面測(cè)量方法Fig.3 Four measurement methods of road surface

非接觸式測(cè)量?jī)x器的最大優(yōu)點(diǎn)是速度快、精度高，缺點(diǎn)也很明顯就是使用的是慣性基準(zhǔn)，隨著車輛的行駛在不斷的變化，誤差源比較多，測(cè)量精度難以控制。

2 真實(shí)路面剖面曲線的測(cè)量分析

2.1 傳統(tǒng)測(cè)量方法的局限性

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)的飛速發(fā)展，人們對(duì)道路路面數(shù)據(jù)的精確性和準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。前面介紹了很多的道路路面數(shù)據(jù)測(cè)量方法，非接觸式的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法較接觸式測(cè)量方法有很大的提高，特別是在近十多年來有了很大的進(jìn)步。但還存在不少缺陷和不足，特別是這類設(shè)備僅能測(cè)量波長(zhǎng)較小的信號(hào)，針對(duì)波長(zhǎng)大于車輛長(zhǎng)度的信號(hào)成分測(cè)量誤差很大，測(cè)量結(jié)果中忽略了大波長(zhǎng)信號(hào)(圖4中B信號(hào))，即沒有了坡度的概念，將道路簡(jiǎn)化成了一條平直的道路(圖4中的C信號(hào))，而真正的道路路面是如圖4所示的A信號(hào)。

圖4 真實(shí)道路路面信號(hào)構(gòu)成的示意圖Fig.4 The components of true road profile signals

如文獻(xiàn)［10］中楊殿閣等提出的道路路面剖面曲線信號(hào)的～波長(zhǎng)應(yīng)該在0.01 m～100 m的范圍才有較好的適應(yīng)性和應(yīng)用前景。因此針對(duì)該類測(cè)量方法有待于提高設(shè)備的測(cè)量精度和測(cè)量范圍，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和精確性。

2.2 真實(shí)的路面剖面測(cè)量研究

隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了自主研發(fā)階段，作為車輛的主要振動(dòng)激勵(lì)源的道路路面數(shù)據(jù)，對(duì)汽車的各種性能都起著至關(guān)重要的作用，提高汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中的這些性能，都離不開準(zhǔn)確的、基礎(chǔ)性的道路路面數(shù)據(jù)支持。因此精確的采集和測(cè)量用于汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中使用的道路路面數(shù)據(jù)勢(shì)在必行。正是這種背景下，我們?cè)诨趹T性測(cè)量的激光斷面儀基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研制了一套高精度、寬頻段的道路譜測(cè)量設(shè)備［7－12］，如圖 5 所示。

圖5 測(cè)試試驗(yàn)樣車Fig.5 The testing vehicles

該測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成見圖6所示，主要有激光斷面儀(內(nèi)置激光位移傳感器、高頻和低頻加速度傳感器等測(cè)量多路激光信號(hào)和加速度信號(hào))、精密陀螺儀(測(cè)量車身姿態(tài)變化信息參數(shù))、GPS測(cè)量設(shè)備(實(shí)時(shí)測(cè)量道路的經(jīng)緯海拔高等信息)、高速攝像機(jī)(測(cè)量試驗(yàn)路段的視頻信息)、車速及距離傳感器(測(cè)量試驗(yàn)路段的距離脈沖信息)以及一些輔助的測(cè)量設(shè)備(采集控制箱、控制用的工控機(jī)、UPS不間斷電源、存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)使用的磁盤陣列等)。

圖6 道路譜測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成Fig.6 Instrument integration of test vehicle on road spectrum

該測(cè)量系統(tǒng)將道路路面的信號(hào)測(cè)量頻段分為兩段，即大波形信號(hào)(圖4中的B信號(hào))和小波形信號(hào)(圖4中的C信號(hào))。

針對(duì)高于0.1 Hz的小波形信號(hào)又分為兩部分處理，波長(zhǎng)大于3 Hz的信號(hào)使用高頻加速度傳感器測(cè)量車身的振動(dòng)來修正激光位移信號(hào)，對(duì)于大于0.1 Hz同時(shí)小于3 Hz的信號(hào)成分使用低頻加速度傳感器測(cè)量車身振動(dòng)來修正激光位移信號(hào)，最后將兩個(gè)頻段的信號(hào)疊加即可得到小波形的路形信號(hào)［11］，主要的計(jì)算流程如圖7所示。其中對(duì)于加速度采樣信號(hào)進(jìn)行了二次積分，然后再與濾波以后的激光信號(hào)進(jìn)行疊加修正，并且計(jì)算中多次用到了低通和帶通濾波算法。

圖7 小波形算法流程圖Fig.7 The calculation flow chart of small wavelength signals

針對(duì)頻率低于0.1 Hz的大波形信號(hào)成分，使用實(shí)時(shí)GPS接收信號(hào)中的海拔高度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并且考慮到衛(wèi)星信號(hào)被遮擋而引入較大誤差，使用車載精密陀螺儀和GPS信號(hào)進(jìn)行卡爾曼融合計(jì)算來修正［9，10，12］，得到實(shí)時(shí)的大波形信號(hào)曲線。

在得到大、小波形曲線數(shù)據(jù)以后，由于它們的采樣頻率不同，大波形信號(hào)計(jì)算出的采樣間隔是每1 m一個(gè)采樣點(diǎn)，而小波形數(shù)據(jù)的計(jì)算采樣間隔是1 mm一個(gè)采樣點(diǎn)，因此不能直接疊加組合，首先需要對(duì)大波形信號(hào)進(jìn)行三次樣條插值，變成和小波形相同的抽樣頻率以后，再進(jìn)行有機(jī)的疊加結(jié)合，即可得到真實(shí)的道路剖面曲線信號(hào)，算法流程圖如圖8所示。

圖8 真實(shí)路面剖面信號(hào)算法流程圖Fig.8 The calculation flow chart of true road profiles

可見該系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)實(shí)際上是在小波形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上添加一個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)，即道路路面的坡度走勢(shì)，這樣即可得到真實(shí)的道路路面曲線。

該測(cè)量系統(tǒng)不但測(cè)量速度快(按照正常的行駛車速測(cè)量，不需要交通管制)，而且測(cè)量精度比較高，測(cè)量頻段范圍寬，較好的彌補(bǔ)了現(xiàn)有測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備的不足，得到了較高精度的道路路面數(shù)據(jù)和道路路面譜曲線，為汽車的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了真實(shí)的基礎(chǔ)道路路面信號(hào)。

3 路面測(cè)量試驗(yàn)分析

針對(duì)該道路路面測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的道路實(shí)測(cè)試驗(yàn)，來檢驗(yàn)其測(cè)量效果和精度。根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試原理從大、小波形測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面試驗(yàn)。

3.1 小波形信號(hào)數(shù)據(jù)測(cè)量試驗(yàn)

由于小波形信號(hào)的測(cè)量，即是傳統(tǒng)意義上的道路路面的測(cè)量范圍，相對(duì)比較成熟，采用類似于文獻(xiàn)［5］、［6］、［10］、［11］中提到的方法，即在平直的道路上布置若干不同截面形狀的木板，或者直接在試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)量特殊的道路路面，例如凸塊路、正弦波路、搓板路等進(jìn)行誤差分析，如圖9所示為某汽車試驗(yàn)場(chǎng)三種特殊路面的測(cè)量曲線。

圖9 某汽車試驗(yàn)場(chǎng)的凸塊路、搓板路和正弦波路Fig.9 Rectangular bump road washboard road and sine wave road in an automobile proving ground

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性很好，多次測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，誤差在±5mm內(nèi)?？煽闯鲈摐y(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量小波形數(shù)據(jù)精度較高，測(cè)量結(jié)果較好地符合了實(shí)際路面的狀況，因此該小波形測(cè)量方法可用于測(cè)量短距離、相對(duì)平坦的各種道路路面剖面曲線的測(cè)量。

3.2 大波形信號(hào)數(shù)據(jù)測(cè)量試驗(yàn)

文章前面提到水準(zhǔn)儀標(biāo)桿測(cè)量法雖然效率極低，但是由于誤差源最少，因此精度很高，這里選擇其作為基準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備，在相同試驗(yàn)條件下，作對(duì)比分析試驗(yàn)。也采用每1 m一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行人工測(cè)量，然后進(jìn)行對(duì)比分析，考慮到使用的不同環(huán)境，這里選擇了山區(qū)、平原、城市地區(qū)和GPS信號(hào)不良地區(qū)分別進(jìn)行試驗(yàn)。如圖10所示為水準(zhǔn)儀測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)和山區(qū)、平原坡道、城市地區(qū)和GPS信號(hào)有遮擋的林蔭道的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

3.1.1 山區(qū)

地形比較復(fù)雜的山區(qū)路段測(cè)量選擇的是北京昌平區(qū)崔村鎮(zhèn)至西峪村的中間位置，大約200 m長(zhǎng)的一個(gè)坡道，兩端落差大約為15 m左右。選擇多次試驗(yàn)中的三次來分析，車速分別是10km/h、20km/h、40km/h的結(jié)果進(jìn)行比較，曲線如圖11所示，其中藍(lán)色曲線為水準(zhǔn)儀測(cè)量曲線，綠色曲線為試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量和計(jì)算曲線。

圖11 山區(qū)道路試驗(yàn)對(duì)比曲線Fig.10 Measurement of road test in mountains by compared

該試驗(yàn)路段的這三次試驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，單位為m。

表1 山區(qū)道路試驗(yàn)誤差分析結(jié)果(m)Tab.1 Error analysis result of road test in mountains(m)

通過以上分析可見，在該路段測(cè)量中，試驗(yàn)車測(cè)量數(shù)據(jù)與水準(zhǔn)儀測(cè)繪數(shù)據(jù)的相關(guān)度比較高，相關(guān)性基本可達(dá)99%，平均誤差為0.203314 m，即20 cm左右，起伏程度為15 m。從試驗(yàn)結(jié)果看，GPS信號(hào)良好的情況下，誤差基本在二十幾厘米的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)相關(guān)性高。如果是測(cè)量3 m～5 m以上的坡度起伏，系統(tǒng)精度可以滿足5%的相對(duì)精度，整體測(cè)量效果較好。

3.1.2 平原坡道

平原地區(qū)的試驗(yàn)選擇在某汽車試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)坡道路面上，測(cè)量曲線如圖12所示。

圖12 某試驗(yàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)坡道試驗(yàn)曲線Fig.12 The test of standard ramps:(a)The ramp from 18%to 20%;(b)The ramp from 10%to 6%.

該平原坡道路面測(cè)量從6%到10%、從18%到20%兩條路面，來回各測(cè)兩次，即每個(gè)坡面測(cè)量4次，根據(jù)采集數(shù)據(jù)計(jì)算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 某試驗(yàn)場(chǎng)坡道試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析Tab.2 Error analysis of test data in Proving Ground ramp

由這兩組試驗(yàn)可看出，4種坡道測(cè)量中，最大誤差為0.006280，最小誤差為 0.000375，可見測(cè)量誤差不會(huì)超過1%的坡度值，結(jié)果較好地符合實(shí)際情況。說明在平原開闊地區(qū)，GPS信號(hào)良好的情況下，設(shè)備測(cè)量大路形可以獲得很好的精度。

3.1.3 城市地區(qū)

選擇北京清華大學(xué)東北門外左側(cè)的市內(nèi)公路，約有400 m長(zhǎng)的路段，期間路面形狀有較大起伏，高差約2.5 m左右，首先利用水準(zhǔn)儀沿該公路邊沿間隔1 m進(jìn)行了測(cè)量，然后使用路譜測(cè)量設(shè)備用不同車速(30km/h、35km/h、40km/h)的三次試驗(yàn)來進(jìn)行比較，試驗(yàn)車測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和水準(zhǔn)儀測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖13所示。

圖13 城市道路試驗(yàn)對(duì)比曲線Fig.13 Measurement of road test in city by compared

該試驗(yàn)路段的這三次試驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，單位為m。

表3 城市道路試驗(yàn)誤差分析結(jié)果(400 m路段)(m)Tab.3 Error analysis result of road test in city(m)

通過以上分析可見，在該路段測(cè)量中，試驗(yàn)車測(cè)量數(shù)據(jù)與水準(zhǔn)儀測(cè)繪數(shù)據(jù)的相關(guān)性基本可以達(dá)到97%以上，相關(guān)性較好，平均誤差為0.211282 m，即21 cm左右，由于部分地區(qū)有衛(wèi)星遮擋，相對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)道路數(shù)據(jù)，誤差有所增大。這樣在測(cè)量3 m左右高度的路形起伏時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量誤差可在5%以內(nèi)。

3.1.4 衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重地區(qū)

衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重的道路測(cè)量是最為復(fù)雜和困難的道路情況，針對(duì)環(huán)境比較惡劣的情況(衛(wèi)星遮擋比較嚴(yán)重)，在清華大學(xué)校內(nèi)選擇的一條典型的試驗(yàn)路段，汽車研究所門口的路段長(zhǎng)度大約700 m左右，高差為3 m左右，該路段前面部分比較開闊，后面部分屬于典型的林蔭道，GPS信號(hào)遮擋非常嚴(yán)重，信號(hào)在段時(shí)間內(nèi)也無法穩(wěn)定下來。針對(duì)該路段做了多次測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)該路段選擇三次不同車速(20km/h、30km/h、40km/h)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，曲線如圖14所示。

清華大學(xué)汽車研究所門口的衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重路段的這三次試驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

圖14 衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重地區(qū)對(duì)比試驗(yàn)曲線Fig.14 Measurement of road test where is sheltered about satellite signal by compared

表4 衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重地區(qū)試驗(yàn)誤差分析結(jié)果(m)Tab.4 Error analysis result of road test where is sheltered about satellite signal(m)

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果看，在GPS信號(hào)遮擋非常嚴(yán)重的路段，系統(tǒng)測(cè)量的平均誤差較大，平均誤差為0.413198 m，即大約40 cm左右的平均誤差，最大誤差都達(dá)到1 m以上，而且相關(guān)系統(tǒng)不到90%。與上述的其它試驗(yàn)相比，相關(guān)性和誤差都明顯變差。

綜上所述，小波形的測(cè)量在較平穩(wěn)的車速下，精度很好，可控制在5 mm范圍內(nèi)。大波形的測(cè)量，在GPS信號(hào)良好的情況下測(cè)量精度較好，測(cè)量誤差可以控制在0.2 m范圍內(nèi)，相對(duì)誤差在5%，而在衛(wèi)星信號(hào)有遮擋的情況下精度會(huì)有所下降，誤差可以達(dá)到0.4 m左右;如果衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重，系統(tǒng)的測(cè)量就大部分要考陀螺儀的積分來完成，這樣距離稍長(zhǎng)累積誤差就會(huì)明顯增大，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，相對(duì)誤差會(huì)超過10%以上。

4 結(jié)論

通過大量的道路路面測(cè)量分析試驗(yàn)，表明了該道路路面測(cè)量方法和測(cè)量系統(tǒng)的適用性和可行性。大波形的測(cè)量數(shù)據(jù)可以用于反應(yīng)路段和地區(qū)的大范圍地形地貌的變化趨勢(shì);小波形數(shù)據(jù)可以用于研究道路路面的不平度和路面構(gòu)造等研究;真實(shí)的道路路面剖面曲線信號(hào)可以用于汽車試驗(yàn)，作為振動(dòng)分析的真實(shí)輸入信號(hào)。在測(cè)量中也發(fā)現(xiàn)如果使用差分GPS測(cè)量方法，會(huì)明顯地提高和改善試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，在車速較快、數(shù)據(jù)精度要求較高的道路路面測(cè)量中，測(cè)試人員可以考慮采用固定基站和移動(dòng)站配合使用的差分GPS設(shè)備測(cè)量，這樣可以獲得更加真實(shí)的道路路面的剖面數(shù)據(jù)曲線。

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