一種基于重力加速度傳感器的路面平整度檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于重力加速度傳感器的路面平整度檢測方法，包括以下步驟：確定檢測車速、重力加速度傳感器及其采樣頻率；采用不同車型的測試車輛在不同路面平整度道路行駛，獲取重力加速度傳感器的重力加速度值；對采集到的重力加速度值進(jìn)行傅里葉變換，得到功率譜密度；建立同種車型的功率譜密度與IRI的擬合模型；對同種車型的擬合模型進(jìn)行普通適用性檢驗(yàn)，得到不同車型的功率譜密度與IRI的擬合模型；對不同車型的功率譜密度與IRI的擬合模型進(jìn)行普通適用性檢驗(yàn)；根據(jù)通用擬合模型以及采集到的重力加速度值，進(jìn)行路面平整度檢測。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的檢測基于重力加速度數(shù)據(jù)，可以解決目前激光平整度檢測車價(jià)格昂貴且檢測工序繁瑣的問題。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種檢測方法，尤其是涉及一種基于重力加速度傳感器的路面平整度 檢測方法。 -種基于重力加速度傳感器的路面平整度檢測方法

【背景技術(shù)】
[0002] 在公路建設(shè)巨大增長的同時(shí)，公路養(yǎng)護(hù)和管理也日趨重要。2010年，我國高速公路 的大中修養(yǎng)護(hù)速度已超過建設(shè)速度，國內(nèi)大批等級公路也將進(jìn)入大中修養(yǎng)護(hù)期，公路道路 養(yǎng)護(hù)和管理工作面臨前所未有的挑戰(zhàn)。此時(shí)，提供科學(xué)合理的路面性能檢測手段至關(guān)重要。
[0003] 目前，在評價(jià)路面性能指標(biāo)方面，國際平整度指數(shù)IRI (international roughness index)是應(yīng)用最廣泛的指標(biāo)之一。世界銀行以1/4車模型來計(jì)算IRI，該車以規(guī)定的速度 行駛在路面上，計(jì)算一定行駛距離內(nèi)懸掛系統(tǒng)的累積位移作為IRI。
[0004] IRI可以通過廣泛使用的儀器測量得到（如水準(zhǔn)儀或RTRRMS儀），結(jié)果具有有效 性以及可轉(zhuǎn)移性，但水準(zhǔn)儀等需要人工完成測量其效率很低。目前，國內(nèi)外普遍采用道路激 光平整度測試車進(jìn)行國際平整度指數(shù)檢測，但其價(jià)格昂貴且檢測工序繁瑣，不利于定時(shí)性 的檢測路面平整度情況，從而不能及時(shí)的給路面養(yǎng)護(hù)和管理部門提供參考性意見。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于重力加速 度傳感器的路面平整度檢測方法，用于解決目前激光平整度檢測車價(jià)格昂貴且檢測工序繁 瑣的問題。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種基于重力加速度傳感器的路面平整度檢測方法，包括以下步驟：
[0008] (1)確定檢測車速、重力加速度傳感器及其采樣頻率；
[0009] (2)采用不同車型的測試車輛在不同路面平整度道路行駛，獲取重力加速度傳感 器的重力加速度值；
[0010] ⑶對采集到的重力加速度值進(jìn)行傅里葉變換，得到功率譜密度；
[0011] ⑷建立同種車型的功率譜密度與IRI的擬合模型；
[0012] (5)對不同車型的功率譜密度與IRI的擬合模型進(jìn)行普通適用性檢驗(yàn)；
[0013] (6)消除不同車型對于擬合模型的影響，得到功率譜密度與IRI的通用擬合模型；
[0014] (7)根據(jù)通用擬合模型以及采集到的重力加速度值，進(jìn)行路面平整度檢測。
[0015] 所述的重力加速度傳感器為三軸加速度傳感器。
[0016] 步驟（6)消除不同車型對于擬合模型的影響的具體方法為：首先計(jì)算車輛靜止時(shí) 的平均功率譜密度的值，然后利用車輛行駛時(shí)平均功率譜密度的值減去其靜止時(shí)的平均功 率譜密度的值，得到通用擬合模型中的功率譜密度。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過重力加速度傳感器采集的不同車型的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模 分析，消除測試車型對模型的影響，建立通用性檢測方法和檢測模型，可以解決目前激光平 整度檢測車價(jià)格昂貴且檢測工序繁瑣的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0019] 圖2為同種車型重力加速度功率譜密度與IRI的擬合模型
[0020] 圖3為不同車型重力加速度功率譜密度與IRI的擬合模型；
[0021] 圖4為重力加速度功率譜密度與IRI的通用擬合模型。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0023] 實(shí)施例
[0024] 如圖1所示，一種基于重力加速度傳感器的路面平整度檢測方法，包括以下步驟：
[0025] (1)確定檢測車速，并且選定重力加速度傳感器及其采樣頻率；
[0026] (2)采用不同車型的測試車輛在不同路面平整度道路行駛，在形式過程中獲取重 力加速度傳感器的重力加速度值。在行車的過程中，路面的這種不平度會激起汽車的振動， 汽車的振動必然將會產(chǎn)生上下顛簸的垂直加速度，即Z軸的重力加速度，其Z軸重力加速度 的大小反應(yīng)的汽車顛簸的大小，從而間接的反應(yīng)出路面不平整的情況。重力加速度傳感器 的選取以及所需的采樣頻率的確定在路面平整度檢測中十分重要，根據(jù)實(shí)際需要，選取重 力加速度傳感器量程為±l〇g，精度為o.ooig，所選采樣頻率為10Hz。
[0027] -般道路縱向的不平整要遠(yuǎn)大于其橫向的不平整，車輛縱向的傾覆和轉(zhuǎn)動不能忽 略，但可以近似認(rèn)為道路沿橫向是平整的，并可假設(shè)車輛左右對稱。另外，雙軸車輛占公路 上行駛車輛的大多數(shù)，因此，宜以雙軸車輛作為代表車型，由于左右對稱可取其一半作為研 究對象，借鑒1/4車輛模型原理，將重力加速度傳感器置于后軸上方。
[0028] 根據(jù)對振動方程的分析，隨著車速的增大，加權(quán)加速度均方根值在增大，但增速在 降低，因此，選用各等級公路或城市道路的設(shè)計(jì)速度，作為測試車速。
[0029] 選取具有代表性的不同路面平整度的道路，精密水準(zhǔn)儀或激光平整度車實(shí)測路面 平整度指數(shù)IRI。在代表性道路上，利用不同車型的雙軸車輛以設(shè)計(jì)車速行駛，采集Z軸重 力加速度值。
[0030] (3)對采集到的重力加速度值進(jìn)行傅里葉變換，得到功率譜密度。
[0031] 功率譜密度是結(jié)構(gòu)在隨機(jī)動態(tài)載荷激勵(lì)下響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是一條功率譜密度值 一頻率值的關(guān)系曲線，其中功率譜密度可以是加速度功率譜密度、位移功率譜密度、速度功 率譜密度、力功率譜密度等形式。
[0032] 在汽車駕駛過程中，道路不平整會造成車輛的震動，在每一次上下震動當(dāng)中，重力 一直沿著堅(jiān)直方向做功，產(chǎn)生能量的變化，且功率譜密度只與信號的幅度譜有關(guān)，與相位譜 無關(guān)，能夠獲得信號的幅度信息，因此通過功率譜密度函數(shù)能夠表示出路面平整度能量在 空間頻域上的分布，它刻畫出路面平整度的結(jié)構(gòu)。
[0033] 從功率譜密度函數(shù)不僅可以了解路面波的結(jié)構(gòu)，還能反映出路面的總體特征，功 率譜密度變化幅度大的地方代表此位置的道路不平整越加明顯，道路的質(zhì)量低。但是，信 號隨機(jī)過程的每一個(gè)實(shí)現(xiàn)是不可預(yù)測的，某一實(shí)現(xiàn)的功率譜密度不能作為過程的功率譜密 度，隨機(jī)過程功率譜密度看做每一實(shí)現(xiàn)的功率譜密度的統(tǒng)計(jì)平均，得到一段道路的平均功 率譜密度，作為該道路的行駛過程中道路不平整的間接表現(xiàn)，從而反映道路的具體特征。
[0034] 依靠 matlab軟件，對每一代表性道路所測得到行駛車輛在數(shù)值方向上的加速度 的數(shù)值進(jìn)行上述傅里葉變換之后得到平均功率譜密度。
[0035] (4)選取同種車型的功率譜密度與IRI進(jìn)行擬合分析，建立同種車型的功率譜密 度與IRI的擬合模型；
[0036] (5)對不同車型的功率譜密度與IRI的擬合模型進(jìn)行普通適用性檢驗(yàn)；
[0037] (6)由于選用車型差距較大的兩種車型的模型進(jìn)行比較，對于不同的車型，雖然其 函數(shù)的形式很相近，但是在使用時(shí)需要對函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，因此不具有很好的通用性， 所以消除不同車型對于擬合模型的影響，得到功率譜密度與IRI的通用擬合模型。
[0038] 由于三軸重力加速度傳感器測量得到的是車輛自身振動和路面不平整引起車輛 振動的疊加，因此，首先計(jì)算車輛靜止時(shí)的平均功率譜密度的值，然后利用車輛行駛時(shí)平均 功率譜密度的值減去其靜止時(shí)功率譜密度的值，通用擬合模型中的功率譜密度，即表示路 面不平整引起的車輛振動。
[0039] (7)根據(jù)通用擬合模型以及采集到的重力加速度值，進(jìn)行路面平整度檢測。
[0040] 采用本發(fā)明對上海市域范圍內(nèi)的實(shí)際路段進(jìn)行了平整度檢測，選取有代表性的 路段38條，其平整度指標(biāo)分布在1-10之間，市內(nèi)道路行駛車速選擇為40km/h，公路行駛 車速按照其設(shè)計(jì)車速為60km/h或80km/h，選取重力加速度傳感器量程為-± 10g，精度為 O.OOlg，所選采樣頻率為10Hz，同時(shí)選用兩個(gè)傳感器消除儀器誤差后，固定于車內(nèi)后軸上 方，往返測量三次，取其重力加速度的平均值。測試車型選用別克凱越三廂車，以及福特江 鈴測試車。
[0041] 以福特江鈴測試車為例，采用matlab軟件，對每一代表性道路所測得到行駛車輛 在數(shù)值方向上的加速度的數(shù)值進(jìn)行上述傅里葉變換之后得到平均功率譜密度，見表1，將其 功率譜密度與IRI進(jìn)行擬合分析，擬合曲線見圖2。
[0042] 分別擬合兩種車型的重力加速度功率譜密度以及國際平整度指數(shù)IRI模型，見圖 3,從兩個(gè)擬合模型中可以發(fā)現(xiàn)其函數(shù)的形式也有很大的近似性，但由于車型的影響，兩條 曲線沒能很好的重合到一起，因此首先計(jì)算車輛靜止時(shí)的平均功率譜密度的值，然后利用 車輛行駛時(shí)平均功率譜密度的值減去其靜止時(shí)功率譜密度的值，建立其與IRI之間的通用 擬合模型如圖4所示。
[0043] 表 1
[0044] 路段名 IRI實(shí)際值1"""功率譜密度- 保德路-| 江楊南路-陽泉路-1 6.73 1.0816 ~
[0045] 陽泉路-陽曲路 3.21 1.0786 陽曲路-安業(yè)路 ―― 9.48 1-084133 安業(yè)路-嶺南路 10.82__1.069 嶺南路-平順路 4.33 ~~~ 1 0784 平順路-共和新路 乃.64 1.0744 1和新路-安澤路~ 4.97 1,0825 安澤路-曲沃路 3.17 1.0968 _ 曲沃路-三泉路 _ 3.23 1.0683 長寧路-愚園路 4.91 1.1118 _ 安西路 愚園路-宣化路 6.13 - 1.1008 _ 宣化路-安化路 - 8.25 U008 - 安亭路-和靜路 一 飛.25 ~~ 1.139733 講1路 _曹安公路-昌吉路__3.86__1.1819_ 口山賄 曹安路-安馳路 ~ 3.10 1.16428 _ 和靜路·阜康路 - 6.82 U01 祕燈m^ 花家浜路-豐莊路 》 5.14 ^ 1.123183 豐莊路-新郁 ^ 7.28 1.11075 新郁路- 金沙江路-清峪路 - 5.24 ~ 1.12636 上行 2.72 1.2595 上行 15-16 1.99__1.2516 上行 1647 2.36 1.2641 ~ 上行 17-18 2.65 ?.2531 ~ 上行 1849 - -2.24 1.267 -上行 19-20 2.29 1.267 上行 20-21 2.06 1.2576 ~ 上行 21-22 2.29 1.2531 ~ 上行 22-23 2.3 1.2584 ~ 曹安公路 上行23-24 _ 2.16 _ 1.2763 一 上行 24-25 - 2.08__1.2831 上行 25-26 2.07 1.2588 一 上行 26-27 一 1.5 ~ 1.2645 上行 27-28 1.86 1.2768 ~ 上行 28-29 2 1.2691 ~ 上行 29-30 - 1.99 _ 1.2759 ^ 上行 30-31 -2.1 - 1-2709 上行 31-32 - -1.78 - 1.2664 _| 上行 32-33 1.47 1.2719
[0046] 然后采用兩種車型，測量不同代表性路段行駛時(shí)的重力加速度值，用圖4的通用 擬合模型，計(jì)算其IRI值。利用該種方法測得IRI值與IRI實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)為〇. 9642,可 以很好的滿足實(shí)際測量的需求。
[0047] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)力要求的保護(hù)范圍 為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于重力加速度傳感器的路面平整度檢測方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 確定檢測車速、重力加速度傳感器及其采樣頻率； (2) 采用不同車型的測試車輛在不同路面平整度道路行駛，獲取重力加速度傳感器的 重力加速度值； (3) 對采集到的重力加速度值進(jìn)行傅里葉變換，得到功率譜密度； (4) 建立同種車型的功率譜密度與IRI的擬合模型； (5) 對不同車型的功率譜密度與IRI的擬合模型進(jìn)行普通適用性檢驗(yàn)； (6) 消除不同車型對于擬合模型的影響，得到功率譜密度與IRI的通用擬合模型； (7) 根據(jù)通用擬合模型以及采集到的重力加速度值，進(jìn)行路面平整度檢測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力加速度傳感器的路面平整度檢測方法，其特征 在于，所述的重力加速度傳感器為三軸加速度傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力加速度傳感器的路面平整度檢測方法，其特征 在于，步驟（6)消除不同車型對于擬合模型的影響的具體方法為：首先計(jì)算車輛靜止時(shí)的 平均功率譜密度的值，然后利用車輛行駛時(shí)平均功率譜密度的值減去其靜止時(shí)的平均功率 譜密度的值，得到通用擬合模型中的功率譜密度。
【文檔編號】E01C23/01GK104120644SQ201310150517
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月26日
【發(fā)明者】杜豫川, 蔣盛川, 孫立軍, 劉成龍, 吳荻非 申請人:同濟(jì)大學(xué)