一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法，包括以下步骤：确定检测车速、重力加速度传感器及其采样频率；采用不同车型的测试车辆在不同路面平整度道路行驶，获取重力加速度传感器的重力加速度值；对采集到的重力加速度值进行傅里叶变换，得到功率谱密度；建立同种车型的功率谱密度与IRI的拟合模型；对同种车型的拟合模型进行普通适用性检验，得到不同车型的功率谱密度与IRI的拟合模型；对不同车型的功率谱密度与IRI的拟合模型进行普通适用性检验；根据通用拟合模型以及采集到的重力加速度值，进行路面平整度检测。与现有技术相比，本发明的检测基于重力加速度数据，可以解决目前激光平整度检测车价格昂贵且检测工序繁琐的问题。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种检测方法，尤其是涉及一种基于重力加速度传感器的路面平整度 检测方法。 -种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法
【背景技术】
[0002] 在公路建设巨大增长的同时，公路养护和管理也日趋重要。2010年，我国高速公路 的大中修养护速度已超过建设速度，国内大批等级公路也将进入大中修养护期，公路道路 养护和管理工作面临前所未有的挑战。此时，提供科学合理的路面性能检测手段至关重要。
[0003] 目前，在评价路面性能指标方面，国际平整度指数IRI (international roughness index)是应用最广泛的指标之一。世界银行以1/4车模型来计算IRI，该车以规定的速度 行驶在路面上，计算一定行驶距离内悬挂系统的累积位移作为IRI。
[0004] IRI可以通过广泛使用的仪器测量得到（如水准仪或RTRRMS仪），结果具有有效 性以及可转移性，但水准仪等需要人工完成测量其效率很低。目前，国内外普遍采用道路激 光平整度测试车进行国际平整度指数检测，但其价格昂贵且检测工序繁琐，不利于定时性 的检测路面平整度情况，从而不能及时的给路面养护和管理部门提供参考性意见。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于重力加速 度传感器的路面平整度检测方法，用于解决目前激光平整度检测车价格昂贵且检测工序繁 琐的问题。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] -种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法，包括以下步骤：
[0008] (1)确定检测车速、重力加速度传感器及其采样频率；
[0009] (2)采用不同车型的测试车辆在不同路面平整度道路行驶，获取重力加速度传感 器的重力加速度值；
[0010] ⑶对采集到的重力加速度值进行傅里叶变换，得到功率谱密度；
[0011] ⑷建立同种车型的功率谱密度与IRI的拟合模型；
[0012] (5)对不同车型的功率谱密度与IRI的拟合模型进行普通适用性检验；
[0013] (6)消除不同车型对于拟合模型的影响，得到功率谱密度与IRI的通用拟合模型；
[0014] (7)根据通用拟合模型以及采集到的重力加速度值，进行路面平整度检测。
[0015] 所述的重力加速度传感器为三轴加速度传感器。
[0016] 步骤（6)消除不同车型对于拟合模型的影响的具体方法为：首先计算车辆静止时 的平均功率谱密度的值，然后利用车辆行驶时平均功率谱密度的值减去其静止时的平均功 率谱密度的值，得到通用拟合模型中的功率谱密度。
[0017] 与现有技术相比，本发明通过重力加速度传感器采集的不同车型的数据进行建模 分析，消除测试车型对模型的影响，建立通用性检测方法和检测模型，可以解决目前激光平 整度检测车价格昂贵且检测工序繁琐的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的流程图；
[0019] 图2为同种车型重力加速度功率谱密度与IRI的拟合模型
[0020] 图3为不同车型重力加速度功率谱密度与IRI的拟合模型；
[0021] 图4为重力加速度功率谱密度与IRI的通用拟合模型。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0023] 实施例
[0024] 如图1所示，一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法，包括以下步骤：
[0025] (1)确定检测车速，并且选定重力加速度传感器及其采样频率；
[0026] (2)采用不同车型的测试车辆在不同路面平整度道路行驶，在形式过程中获取重 力加速度传感器的重力加速度值。在行车的过程中，路面的这种不平度会激起汽车的振动， 汽车的振动必然将会产生上下颠簸的垂直加速度，即Z轴的重力加速度，其Z轴重力加速度 的大小反应的汽车颠簸的大小，从而间接的反应出路面不平整的情况。重力加速度传感器 的选取以及所需的采样频率的确定在路面平整度检测中十分重要，根据实际需要，选取重 力加速度传感器量程为±l〇g，精度为o.ooig，所选采样频率为10Hz。
[0027] -般道路纵向的不平整要远大于其横向的不平整，车辆纵向的倾覆和转动不能忽 略，但可以近似认为道路沿横向是平整的，并可假设车辆左右对称。另外，双轴车辆占公路 上行驶车辆的大多数，因此，宜以双轴车辆作为代表车型，由于左右对称可取其一半作为研 究对象，借鉴1/4车辆模型原理，将重力加速度传感器置于后轴上方。
[0028] 根据对振动方程的分析，随着车速的增大，加权加速度均方根值在增大，但增速在 降低，因此，选用各等级公路或城市道路的设计速度，作为测试车速。
[0029] 选取具有代表性的不同路面平整度的道路，精密水准仪或激光平整度车实测路面 平整度指数IRI。在代表性道路上，利用不同车型的双轴车辆以设计车速行驶，采集Z轴重 力加速度值。
[0030] (3)对采集到的重力加速度值进行傅里叶变换，得到功率谱密度。
[0031] 功率谱密度是结构在随机动态载荷激励下响应的统计结果，是一条功率谱密度值 一频率值的关系曲线，其中功率谱密度可以是加速度功率谱密度、位移功率谱密度、速度功 率谱密度、力功率谱密度等形式。
[0032] 在汽车驾驶过程中，道路不平整会造成车辆的震动，在每一次上下震动当中，重力 一直沿着坚直方向做功，产生能量的变化，且功率谱密度只与信号的幅度谱有关，与相位谱 无关，能够获得信号的幅度信息，因此通过功率谱密度函数能够表示出路面平整度能量在 空间频域上的分布，它刻画出路面平整度的结构。
[0033] 从功率谱密度函数不仅可以了解路面波的结构，还能反映出路面的总体特征，功 率谱密度变化幅度大的地方代表此位置的道路不平整越加明显，道路的质量低。但是，信 号随机过程的每一个实现是不可预测的，某一实现的功率谱密度不能作为过程的功率谱密 度，随机过程功率谱密度看做每一实现的功率谱密度的统计平均，得到一段道路的平均功 率谱密度，作为该道路的行驶过程中道路不平整的间接表现，从而反映道路的具体特征。
[0034] 依靠 matlab软件，对每一代表性道路所测得到行驶车辆在数值方向上的加速度 的数值进行上述傅里叶变换之后得到平均功率谱密度。
[0035] (4)选取同种车型的功率谱密度与IRI进行拟合分析，建立同种车型的功率谱密 度与IRI的拟合模型；
[0036] (5)对不同车型的功率谱密度与IRI的拟合模型进行普通适用性检验；
[0037] (6)由于选用车型差距较大的两种车型的模型进行比较，对于不同的车型，虽然其 函数的形式很相近，但是在使用时需要对函数的参数进行标定，因此不具有很好的通用性， 所以消除不同车型对于拟合模型的影响，得到功率谱密度与IRI的通用拟合模型。
[0038] 由于三轴重力加速度传感器测量得到的是车辆自身振动和路面不平整引起车辆 振动的叠加，因此，首先计算车辆静止时的平均功率谱密度的值，然后利用车辆行驶时平均 功率谱密度的值减去其静止时功率谱密度的值，通用拟合模型中的功率谱密度，即表示路 面不平整引起的车辆振动。
[0039] (7)根据通用拟合模型以及采集到的重力加速度值，进行路面平整度检测。
[0040] 采用本发明对上海市域范围内的实际路段进行了平整度检测，选取有代表性的 路段38条，其平整度指标分布在1-10之间，市内道路行驶车速选择为40km/h，公路行驶 车速按照其设计车速为60km/h或80km/h，选取重力加速度传感器量程为-± 10g，精度为 O.OOlg，所选采样频率为10Hz，同时选用两个传感器消除仪器误差后，固定于车内后轴上 方，往返测量三次，取其重力加速度的平均值。测试车型选用别克凯越三厢车，以及福特江 铃测试车。
[0041] 以福特江铃测试车为例，采用matlab软件，对每一代表性道路所测得到行驶车辆 在数值方向上的加速度的数值进行上述傅里叶变换之后得到平均功率谱密度，见表1，将其 功率谱密度与IRI进行拟合分析，拟合曲线见图2。
[0042] 分别拟合两种车型的重力加速度功率谱密度以及国际平整度指数IRI模型，见图 3,从两个拟合模型中可以发现其函数的形式也有很大的近似性，但由于车型的影响，两条 曲线没能很好的重合到一起，因此首先计算车辆静止时的平均功率谱密度的值，然后利用 车辆行驶时平均功率谱密度的值减去其静止时功率谱密度的值，建立其与IRI之间的通用 拟合模型如图4所示。
[0043] 表 1
[0044] 路段名 IRI实际值1"""功率谱密度- 保德路-| 江杨南路-阳泉路-1 6.73 1.0816 ~
[0045] 阳泉路-阳曲路 3.21 1.0786 阳曲路-安业路 ―― 9.48 1-084133 安业路-岭南路 10.82__1.069 岭南路-平顺路 4.33 ~~~ 1 0784 平顺路-共和新路 乃.64 1.0744 1和新路-安泽路~ 4.97 1,0825 安泽路-曲沃路 3.17 1.0968 _ 曲沃路-三泉路 _ 3.23 1.0683 长宁路-愚园路 4.91 1.1118 _ 安西路 愚园路-宣化路 6.13 - 1.1008 _ 宣化路-安化路 - 8.25 U008 - 安亭路-和静路 一 飞.25 ~~ 1.139733 讲1路 _曹安公路-昌吉路__3.86__1.1819_ 口山贿 曹安路-安驰路 ~ 3.10 1.16428 _ 和静路·阜康路 - 6.82 U01 祕灯m^ 花家浜路-丰庄路 》 5.14 ^ 1.123183 丰庄路-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] 然后采用两种车型，测量不同代表性路段行驶时的重力加速度值，用图4的通用 拟合模型，计算其IRI值。利用该种方法测得IRI值与IRI实际值的相关系数为〇. 9642,可 以很好的满足实际测量的需求。
[0047] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围 为准。
【权利要求】
1. 一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 确定检测车速、重力加速度传感器及其采样频率； (2) 采用不同车型的测试车辆在不同路面平整度道路行驶，获取重力加速度传感器的 重力加速度值； (3) 对采集到的重力加速度值进行傅里叶变换，得到功率谱密度； (4) 建立同种车型的功率谱密度与IRI的拟合模型； (5) 对不同车型的功率谱密度与IRI的拟合模型进行普通适用性检验； (6) 消除不同车型对于拟合模型的影响，得到功率谱密度与IRI的通用拟合模型； (7) 根据通用拟合模型以及采集到的重力加速度值，进行路面平整度检测。
2. 根据权利要求1所述的一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法，其特征 在于，所述的重力加速度传感器为三轴加速度传感器。
3. 根据权利要求1所述的一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法，其特征 在于，步骤（6)消除不同车型对于拟合模型的影响的具体方法为：首先计算车辆静止时的 平均功率谱密度的值，然后利用车辆行驶时平均功率谱密度的值减去其静止时的平均功率 谱密度的值，得到通用拟合模型中的功率谱密度。
【文档编号】E01C23/01GK104120644SQ201310150517
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月26日 优先权日:2013年4月26日
【发明者】杜豫川, 蒋盛川, 孙立军, 刘成龙, 吴荻非 申请人:同济大学