| 专利名称： | 一种利用车辆悬架传感器实现路面谱软测量的方法 | ||
| 专利名称(英文)： | Method for implementing road spectrum soft measurement by using vehicle suspension sensor | ||
| 专利号： | CN201410231112.8 | 申请时间： | 20140528 |
| 公开号： | CN103981795A | 公开时间： | 20140813 |
| 申请人： | 江苏科技大学 | ||
| 申请地址： | 212003 江苏省镇江市梦溪路2号 | ||
| 发明人： | 刘庆华; 詹松林; 周帏; 张文明 | ||
| 分类号： | E01C23/01 | 主分类号： | E01C23/01 |
| 代理机构： | 南京苏高专利商标事务所(普通合伙) 32204 | 代理人： | 柏尚春 |
| 摘要： | 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，首先利用车辆悬架系统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。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention discloses a method for implementing road spectrum soft measurement by using a vehicle suspension sensor. The method comprises the steps of acquiring the vertical acceleration of a running vehicle body by using an acceleration sensor of a vehicle suspension system, then converting the vertical acceleration into road unevenness by theoretical derivation through a 1/2 vehicle model, and further calculating a road power spectral density (PSD) index to judge road quality and grading information. Compared with other road identification equipment, the method disclosed by the invention has the advantages that additional dedicated hardware equipment is not needed, so that the cost is greatly reduced; only software and algorithms need to be upgraded, and acquisition can be realized by using the existing vehicle equipment, so that the implementation and the popularization can be realized easily, and the measurement efficiency is high, and the method has positive effects of improving the road quality detection level, promoting high-quality road construction and narrowing the gap between home and abroad. | ||
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：PSDacc(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PSDacc(Ω)，计算出路面PSDroad(Ω)； 步骤4：根据计算得到的路面PSDroad(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PSDacc(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PSDroad(Ω)； (2)结合所述步骤1得到的PSDacc(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PSDacc(Ω)的计算PSDroad(Ω)的方法如下： PSDroad(Ω)＝H(Ω)·PSDacc(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PSDroad(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，θi表示随机相位，Ωi的计算公式如下： Ωi＝Ωmin+(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，Zi(t)和Zbi(t)是车轴和车之间的弹簧阻尼力，公式为： Zi(t)＝Ks[y3i(y)-yi(t)] i＝1,2 (9) Zbi(t)＝Cs[y3i(y)-yi(t)] i＝1,2 (10) m3i和yi(t)公式表示为：
得到轮胎力Ri(t)： Ri(t)＝Kt[yi(t)-r(xi)]≥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，Kt—为轮胎刚度系数，Ks—为车身刚度系数，Cs—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。
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：PSDacc(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PSDacc(Ω)，计算出路面PSDroad(Ω)； 步骤4：根据计算得到的路面PSDroad(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PSDacc(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PSDroad(Ω)； (2)结合所述步骤1得到的PSDacc(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PSDacc(Ω)的计算PSDroad(Ω)的方法如下： PSDroad(Ω)＝H(Ω)·PSDacc(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PSDroad(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，θi表示随机相位，Ωi的计算公式如下： Ωi＝Ωmin+(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，Zi(t)和Zbi(t)是车轴和车之间的弹簧阻尼力，公式为： Zi(t)＝Ks[y3i(y)-yi(t)] i＝1,2 (9) Zbi(t)＝Cs[y3i(y)-yi(t)] i＝1,2 (10) m3i和yi(t)公式表示为：
得到轮胎力Ri(t)： Ri(t)＝Kt[yi(t)-r(xi)]≥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，Kt—为轮胎刚度系数，Ks—为车身刚度系数，Cs—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。
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：PSDacc(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 PSDacc(Ω)，计算出路面PSDroad(Ω)；
步骤4：根据计算得到的路面PSDroad(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PSDacc(Ω)的具体方法为：
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PSDroad(Ω)；
(2)结合所述步骤1得到的PSDacc(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：
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 PSDacc(Ω)的计算PSDroad(Ω)的方法如下：
PSDroad(Ω)＝H(Ω)·PSDacc(Ω) (3)
所述步骤4的根据计算得到的路面PSDroad(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，θi表示随机相位，Ωi的计算公式如下：
Ωi＝Ωmin+(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：
其中，Zi(t)和Zbi(t)是车轴和车之间的弹簧阻尼力，公式为：
Zi(t)＝Ks[y3i(y)-yi(t)] i＝1,2 (9)
Zbi(t)＝Cs[y3i(y)-yi(t)] i＝1,2 (10)
m3i和yi(t)公式表示为：
得到轮胎力Ri(t)：
Ri(t)＝Kt[yi(t)-r(xi)]≥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，Ks—为车身刚度系数，Cs—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：PSDacc(Ω)；
计算PSDacc(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：PSDacc(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PSDacc(Ω)， 计算出路面PSDroad(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PSDacc(Ω)，计算出 路面PSDroad(Ω)公式如下：
PSDroad(Ω)＝H(Ω)？PSDacc(Ω)(3)
步骤4：根据计算得到的路面PSDroad(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PSDroad(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，θi表示随机相位，而Ωi的计算公式如下：
Ωi＝Ωmin+(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，Ks—为车身刚度系数，Cs—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：
Zi(t)＝Ks[y3i(y)-yi(t)]i＝1,2(9)
Zbi(t)＝Cs[y3i(y)-yi(t)]i＝1,2(10)
因此，可以得到轮胎力Ri(t)：
Ri(t)＝Kt[yi(t)-r(xi)]≥0 i＝1,2 (14)
本发明首先利用车辆悬架系统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。
