高精度道路譜測(cè)量系統(tǒng)的研制

高精度道路譜測(cè)量系統(tǒng)的研制

路面不清晰度的測(cè)量檢測(cè)方法路面的不平衡通常用于描述路面的起伏程度，這是車輛駕駛過(guò)程中的主要激勵(lì)因素，它影響著車輛的平整度、乘坐舒適度、運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性、零件的疲勞和壽命、運(yùn)輸效率和油耗。道路譜是路面不平度序列的功率譜密度曲線,是路面不平度在工程應(yīng)用領(lǐng)域更為常見的表現(xiàn)形式,因此,測(cè)量和采集到高精度道路譜數(shù)據(jù)具有重要的意義。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)路面不平度的采集、測(cè)量和各種試驗(yàn)方法也在不斷地更新和改進(jìn)。從測(cè)量原理上可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?。接觸式道路譜或路面不平度的測(cè)量檢測(cè)方法,其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量精度相對(duì)較高、重復(fù)性好和誤差來(lái)源較少;缺點(diǎn)是操作冗繁、速度慢、效率低和影響正常的交通秩序。非接觸式(響應(yīng)式)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(lái)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。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。其中使用較多的是激光斷面儀測(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),即沒有了坡度的概念,將道路簡(jiǎn)化成了一條平直的道路。因此對(duì)于該類測(cè)量方法應(yīng)著重提高設(shè)備的測(cè)量精度、測(cè)量范圍,以及試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可行性。1系統(tǒng)的測(cè)量方案作為車輛主要振動(dòng)激勵(lì)源的路面不平度,對(duì)汽車的各種性能起著至關(guān)重要的作用,在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中離不開基礎(chǔ)性道路譜數(shù)據(jù)的支持。但由于我國(guó)一直缺乏這種基礎(chǔ)數(shù)據(jù),使得這方面的研究大多直接使用PSA試驗(yàn)路譜或者國(guó)標(biāo)試驗(yàn)路譜,但它并不能真正反映我國(guó)的道路特點(diǎn)。在基于慣性測(cè)量的激光斷面儀基礎(chǔ)上,作者研制了一套高精度、寬頻段的道路譜測(cè)量系統(tǒng),見圖1。該測(cè)量系統(tǒng)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)緯海拔高度等信息)、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不間斷電源和存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)使用的磁盤陣列等)。該測(cè)量系統(tǒng)將路面譜的測(cè)量頻段分為兩段,對(duì)頻率低于0.1Hz的大波形信號(hào)成分,使用GPS的海拔高度方法測(cè)量,并且針對(duì)衛(wèi)星信號(hào)遮擋嚴(yán)重的路段,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(lái)修正;對(duì)頻率高于0.1Hz的小波形信號(hào),則使用加速度傳感器測(cè)量車身的振動(dòng)來(lái)修正激光位移信號(hào)。此時(shí)又分兩種情況:當(dāng)波長(zhǎng)大于車輛軸距時(shí)使用低頻加速度傳感器;當(dāng)波長(zhǎng)小于車輛軸距時(shí)使用高頻加速度傳感器。最后將3個(gè)頻段的信號(hào)恰當(dāng)?shù)剡B接即可得到真實(shí)的道路縱剖面曲線,進(jìn)而得到道路譜信號(hào)。該道路譜測(cè)量設(shè)備不但測(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)量精度較高,測(cè)量頻段范圍較寬,彌補(bǔ)了現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備的不足,得到了較高精度的路面不平度信號(hào)和道路譜。2對(duì)測(cè)設(shè)備的選擇和對(duì)比試驗(yàn)由于道路譜測(cè)量系統(tǒng)是一套非標(biāo)準(zhǔn)的新型測(cè)量系統(tǒng),不能通過(guò)簡(jiǎn)單的方法得到其誤差范圍和測(cè)量精度,因此選擇多種已經(jīng)確定誤差范圍的、精度高于該系統(tǒng)的儀器設(shè)備作為基準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備,然后在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)和誤差分析。由于大、小波形數(shù)據(jù)分別考察和采集不同頻段的數(shù)據(jù)信號(hào),因此須對(duì)大、小波形分別討論。2.1道路對(duì)比試驗(yàn)大波形數(shù)據(jù)主要通過(guò)GPS衛(wèi)星實(shí)時(shí)測(cè)量,再經(jīng)過(guò)精密陀螺儀修正后得到數(shù)據(jù)信號(hào),該信號(hào)的目標(biāo)是在總體輪廓上反映道路路面的走勢(shì)。在對(duì)比試驗(yàn)中,選擇水平儀和標(biāo)桿作為基準(zhǔn)設(shè)備,在相同的路段和試驗(yàn)條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。使用DZS3—1型水準(zhǔn)儀,其測(cè)量偶然誤差在±5mm內(nèi)。路段的選擇原則是盡量覆蓋所有的使用環(huán)境,包括城市道路、山區(qū)道路和衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重的地段。2.1.1試驗(yàn)路段試驗(yàn)誤差分析與平原開闊地帶相比,城市路段衛(wèi)星信號(hào)受高樓和樹木等遮擋,GPS信號(hào)有所降低,為驗(yàn)證這種情況下道路譜測(cè)量設(shè)備的工作情況,選擇清華大學(xué)東北門外左側(cè)的市區(qū)公路,約有1km長(zhǎng)的路段,其路面形狀有較大起伏,高差2.5m左右,首先利用水準(zhǔn)儀沿該公路邊沿進(jìn)行測(cè)量,然后使用路譜測(cè)量設(shè)備以不同車速(30、35和40km/h)的3次試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行比較,試驗(yàn)車和水準(zhǔn)儀測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比見圖2。該試驗(yàn)路段的3次試驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由以上分析可見,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)性較好,基本可以達(dá)到90%,平均誤差為0.346275m,即35cm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3m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)。2.1.2試驗(yàn)結(jié)果和討論地形比較復(fù)雜的山區(qū)道路測(cè)量選擇北京昌平區(qū)崔村鎮(zhèn)的一條路段。這里地形比較復(fù)雜,道路起伏也較大,且車流量較小,衛(wèi)星信號(hào)遮擋也不嚴(yán)重。路段選擇約200m長(zhǎng)的一個(gè)U字形路段,高低點(diǎn)的落差約為7m。首先使用水準(zhǔn)儀和標(biāo)桿沿道路的右側(cè)車道進(jìn)行人工測(cè)量,然后使用道路譜測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量,選擇車速分別為10、20和40km/h的3次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,如圖3所示,誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。從表2可知,該段道路的試驗(yàn)結(jié)果比城市道路的好,平均誤差為0.169339m,即大約17cm,且相關(guān)性很高,基本在99%以上。如果測(cè)量3～5m以上的上坡起伏,類似一般幾十米的山坡起伏,系統(tǒng)相對(duì)誤差可以滿足5%的要求,整體測(cè)量效果較好。2.1.3測(cè)試結(jié)果和分析衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重的道路測(cè)量最為復(fù)雜和困難,針對(duì)衛(wèi)星遮擋比較嚴(yán)重的情況,在清華大學(xué)校內(nèi)選擇一條典型的試驗(yàn)路段(汽車研究所門口的路段長(zhǎng)約700m,高差為3m左右),該路段前100m比較開闊,后600m屬于典型的林蔭道,GPS信號(hào)遮擋非常嚴(yán)重,試驗(yàn)中車輛行駛在該路段時(shí)信號(hào)也無(wú)法穩(wěn)定下來(lái)。針對(duì)該路段,課題組做了多次測(cè)量試驗(yàn),對(duì)該路段選擇3次不同車速(20、30和40km/h)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示。試驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。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0.413198m,即40cm左右,最大誤差都在1m以上,而且相關(guān)性不到90%。與上述的其他試驗(yàn)相比,相關(guān)性和誤差都明顯變差。綜上所述,道路譜測(cè)量系統(tǒng)中的大波形測(cè)量,在衛(wèi)星信號(hào)接收良好的情況下測(cè)量精度較高,誤差可控制在5%以內(nèi),而在衛(wèi)星信號(hào)有遮擋的情況下精度下降,如果衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重,系統(tǒng)的測(cè)量就要靠陀螺儀的積分來(lái)完成,距離稍長(zhǎng)累積誤差就會(huì)增大,導(dǎo)致測(cè)量誤差變大,相對(duì)誤差會(huì)超過(guò)10%以上。2.2知標(biāo)準(zhǔn)形狀對(duì)比的方法進(jìn)行驗(yàn)證有關(guān)小波形的驗(yàn)證方案,參考文獻(xiàn)、文獻(xiàn)和文獻(xiàn)中的設(shè)備驗(yàn)證方案,采用與已知標(biāo)準(zhǔn)形狀對(duì)比的方法進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)在道路上設(shè)置已知形狀的物塊,或選擇汽車試驗(yàn)場(chǎng)中已知形狀的典型道路,同樣使用與大波形一樣的水準(zhǔn)儀作為基準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備,通過(guò)直接比較曲線的相似程度和誤差來(lái)分析設(shè)備的測(cè)量精度和誤差。2.2.1塊苗木截面尺寸分析木板試驗(yàn)選擇清華大學(xué)校內(nèi)的一條大約200m長(zhǎng)的平直道路,并且在其上布置若干塊300mm×30mm截面的木板,讓試驗(yàn)車輛以不同的速度通過(guò),進(jìn)行測(cè)量。圖5為以30km/h速度通過(guò)時(shí)測(cè)量得到的道路路形曲線和第1塊木板處放大后的曲線圖。對(duì)圖5中6塊木板的試驗(yàn),隨機(jī)抽取試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,將試驗(yàn)曲線中6塊木板的測(cè)量參數(shù)值與實(shí)際的木板截面尺寸進(jìn)行對(duì)比,其計(jì)算分析結(jié)果如表4所示。由表4可以看出,計(jì)算的木板寬度與真實(shí)木板寬度(0.3m)的誤差在±5mm內(nèi),計(jì)算木板高度與真實(shí)木板高度(30mm)的誤差是±3mm,各個(gè)木板之間的間隔與真實(shí)間隔(2m)的誤差是±2cm。2.2.2試驗(yàn)曲線的繪制為驗(yàn)證激光加速度傳感器在測(cè)量厘米級(jí)形狀曲線的準(zhǔn)確性,在平直路面上分布橫截面為半圓形的木條來(lái)進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn),木條直徑分別為1～6cm,直徑為1cm的5根木條之間分布間隔為1m,其它直徑的木條每種都有4根,分布間隔為2m。最后一根1cm直徑的木條與第一根2cm直徑的木條之間間隔為5m,其它不同直徑的最后一根木條與下一個(gè)直徑的第一根木條的距離都為4m。試驗(yàn)車以車速30km/h通過(guò)時(shí),整體路段曲線、試驗(yàn)曲線在4個(gè)直徑為3cm的半圓形截面處的局部放大和最后一個(gè)直徑為6cm半圓形截面處的曲線與理想半圓形截面的對(duì)比如圖6所示。在各種不同直徑半圓木條的試驗(yàn)中,隨機(jī)抽取了某次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,將試驗(yàn)曲線中不同直徑木條處的木條高度測(cè)量值與實(shí)際的木板截面半徑進(jìn)行對(duì)比,其計(jì)算結(jié)果如表5所示。2.2.3路譜測(cè)量系統(tǒng)誤差的計(jì)算在某試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)波浪路、搓板路以及凸塊路等特殊路面進(jìn)行了測(cè)量,并使用水準(zhǔn)儀和量尺對(duì)這些路面的形狀進(jìn)行了測(cè)繪。將道路譜測(cè)量的結(jié)果與水準(zhǔn)儀測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)一步分析誤差。圖7為使用水準(zhǔn)儀與道路譜測(cè)量系統(tǒng)針對(duì)短波路、標(biāo)準(zhǔn)搓板路、錯(cuò)位搓板路進(jìn)行比較的結(jié)果。其誤差計(jì)算結(jié)果如表6所示。從表6中可以看出,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性很好,誤差在3mm左右。需要說(shuō)明的是由于波浪路、搓板路等存在一定的磨損情況,隨機(jī)選擇了一個(gè)短波路波峰處進(jìn)行測(cè)量,在4m的寬度范圍內(nèi),每20cm測(cè)量一個(gè)點(diǎn),測(cè)量結(jié)果顯示磨損情況的誤差在±3mm內(nèi)。搓板路波峰處的磨損情況與短波路類似,在同一個(gè)搓板齒部頂端間隔10cm使用水準(zhǔn)儀測(cè)量8個(gè)點(diǎn)來(lái)檢測(cè)磨損情況,確定誤差為±1mm。從試驗(yàn)場(chǎng)特殊道路試驗(yàn)來(lái)看,道路譜設(shè)備的測(cè)量精度較高,測(cè)量結(jié)果基本符合實(shí)際路面的狀況,設(shè)備可用于試驗(yàn)場(chǎng)各種道路路面的測(cè)量。3分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)目前精度較高的道路路面測(cè)量設(shè)備已經(jīng)被研制成功