本发明属于路面特征识别领域，具体涉及一种基于车轮垂直动载荷的路面功率谱测量方法。
背景技术：
路面功率谱密度函数常用来表示路面不平度，并作为车辆动态响应、悬架的优化和控制等计算的输入单位，其描述精度和准确性直接影响后续研究。
目前，针对路面功率谱的采集与测量多采用加速度传感器和激光传感器的间接式测量方法，导致测量误差较大、设备价格昂贵以及适用范围小等问题。其中常用的基于惯性基准的激光断面仪具有很多缺点：(1)在路面检测中，道路的表面清洁度会影响到数据的真实值；(2)静态路面检测精度较高，但未考虑由车体振动而引起加速度传感器产生的检测偏差，故其难以检测复杂路面；(3)在雨天或路面有水的情况下，不能进行路面检测，故其受天气影响加大。这些缺点大幅影响路面功率谱的描述精度和准确性，也极大地限制了应用各类传感器的间接式测量方法。
应用车轮六分力仪的直接式测量路面功率谱方法，可根据车轮垂直动载荷的大小和变化快慢反应路面不平度状况，其测量误差较小，具有良好的动态特性，可满足复杂路面功率谱测量要求且不受路面清洁度及天气的影响。
技术实现要素：
为了解决现有路面功率谱测量技术中存在的测量误差较大、动态稳定性差以及适用范围小等问题，本发明提供一种基于车轮垂直动载荷的路面功率谱测量方法。当车辆在不平路面匀速行驶时，路面不平度将直接影响车轮所受垂直动载荷。首先利用车轮六分力仪采集实验车轮胎垂直动载荷数据，然后建立路面不平度与车轮垂直动载荷间关系，进一步地通过校准实验车的放大因子得到路面功率谱，最后根据垂直动载荷功率谱进行路面不平度特征识别。
本发明为达到上述目的，采取如下技术方案：
一种基于车轮垂直动载荷的路面功率谱测量方法，该方法是基于所设计装有六分力仪的实验车实现的，该方法内容包括以下步骤：
步骤1：测量实验车轮胎垂直动载荷信号，并进行信号预处理，得到垂直动载荷功率谱；
步骤2：基于四分之一车辆模型建立路面不平度与车轮垂直动载荷间关系表达式；
步骤3：校准实验车的放大因子，并计算路面不平度功率谱；
步骤4：根据垂直动载荷功率谱进行路面不平度特征识别。
进一步的，在步骤1中，所述实验车包括车轮和该车轮对应的车身，车轮为非簧载质量，车身为簧载质量；该车轮指实验车中的一个车轮；车身是指车轮所对应的实验车的相应车身部分；在车身与车轮之间安装有减振器，其阻尼为cs；车身与车轮之间的连接等效于悬架弹簧，其刚度为ks；牵引车通过拖车钩拉动实验车行进；其中，车轮中装有车轮六分力仪；
所述测量实验车轮胎垂直动载荷信号，并进行信号预处理，得到垂直动载荷功率谱；其具体实现过程如下：
所述牵引车拉动实验车在待测路面上行驶，测量实验车轮胎振动的垂直动载荷信号；
对测量的垂直动载荷信号进行预处理，去除信号中的噪声因子及趋势项得到预处理垂直动载荷信号f(t)；
根据所得预处理垂直动载荷信号f(t)，可以得到垂直动载荷功率谱密度函数，即下式：
其中，gf(w)表示垂直动载荷功率谱密度函数，t表示预处理垂直动载荷信号f(t)的时间区间。
进一步的，在步骤2中，所述基于四分之一车辆模型建立路面不平度与车轮垂直动载荷间关系表达式，是基于四分之一车辆模型实现的，就是对于四分之一车辆振动系统，由路面不平度函数推导车轮垂直动载荷表达式，所得表达式表明车轮垂直动载荷与路面不平度激励具有相同的频率，只是幅值不同；
设车轮垂直动载荷与路面不平度幅值间存在放大因子p，
其中，kt为轮胎刚度，a和ω分别为路面不平度函数的振幅和频率，|zw|和
(2)式表明放大因子p与车辆结构有关。
进一步的，在步骤3中，所述校准实验车的放大因子就是经多次实验，通过数学统计理论去除测量过程中的不准确数据，得到校准后的实验车的放大因子p；
牵引车拉动实验车在已知实验路面上行驶，测量实验车轮胎垂直动载荷信号，测量进行多次，得到一组垂直动载荷信号fi(t)；
已知实验路面的随机不平度信号y(t)；
根据车辆放大因子定义，即设车轮垂直动载荷与路面不平度幅值间存在放大因子p，可得到实验车多次测量的一组放大因子：
通过数学统计理论去除测量的不准确数据，得到校准后的实验车放大因子p。
进一步的，在步骤4中，所述根据垂直动载荷功率谱进行路面不平度特征识别，就是依据垂直动载荷功率谱构成的不同，定义路面识别特征值ξ，定量的进行路面不平度特征识别；
不同路面不平度引起的垂直动载荷的差异主要体现在功率谱结构的区别，故可依据垂直动载荷功率谱构成的不同，作为对路面不平度识别的标准；
定义垂直动载荷功率谱在低频部分有特征量h1，在高频部分有特征量h2，则有：
其中，gf(ω)为垂直动载荷功率谱密度函数；
根据垂直动载荷功率谱在低频部分和高频部分的构成，定义路面识别特征值ξ：
根据车辆在不同路面行驶的识别特征值ξ对路面不平度做出特征识别。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过车轮垂直动载荷直接测量的路面功率谱，具有测量误差较小、动态特性良好以及适用广泛等优点。垂直动载荷的大小和变化的快慢能够准确地反应路面的不平度状况，减小了道路表面清洁度对路面不平度真实值的影响，同时具有良好的测量动态稳定性。
(2)本发明所设计的实验车仅由车轮和简易减震装置组成，避免了由于发动机振动及传动系统回转所引起的垂直动载荷的影响，减少了产生垂直动载荷的激励源，提高了垂直载荷谱测量的准确性。并且所设计的实验车结构简单，自由度少，可近似于线性结构，便于车辆结构参数计算，提高了路面功率谱测量的准确性。实验车可由不同牵引车拉动，适用于各种复杂路面测量且不受特殊天气情况限制，对提高复杂路面检测准确性，促进高质量路面建设具有重要意义。
(3)本发明所提出的根据垂直动载荷功率谱构成不同进行路面不平度特征识别的方法，直接从垂直动载荷功率谱中寻找能反映路面不平度特征的信息，以此来实现对路面不平度的定量识别。这种特征识别方法具有简便直观的优点，便于工作人员对路面进行评价。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为测量小车的整体示意图；
图3为四分之一车辆被动悬架系统的示意图；
图4为车轮垂直动载荷功率谱的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
当车辆在不平路面匀速行驶时，路面不平度状况将直接表现为车轮动载荷的大小及变化快慢。首先利用车轮六分力仪采集实验车轮胎垂直动载荷数据，然后建立路面不平度与车轮垂直动载荷间关系，进一步地通过校准实验车的放大因子得到路面功率谱，最后根据垂直动载荷功率谱构成不同进行路面不平度特征识别。据此提出本发明的一种基于车轮垂直动载荷的路面功率谱测量方法，如图1所示，该方法步骤内容详细说明如下：
步骤1：测量实验车轮胎垂直动载荷信号，并进行信号预处理，得到垂直动载荷功率谱；
所述实验车整体示意图如图2所示，包括车轮1和该车轮1对应的车身2，车轮1为非簧载质量，车身2为簧载质量。该车轮1指实验车中的一个车轮。车身2是指车轮1所对应的实验车的相应车身部分。在车身2与车轮1之间安装有减振器3，其阻尼为cs。车身2与车轮1之间的连接等效于悬架弹簧4，其刚度为ks。牵引车通过拖车钩5拉动实验车行进。其中，车轮1中装有车轮六分力仪。
牵引车拉动实验车在待测路面上行驶，测量实验车轮胎振动的垂直动载荷信号。
对测量的垂直动载荷信号进行预处理，去除信号中的噪声因子及趋势项得到预处理垂直动载荷信号f(t)。
根据所得预处理垂直动载荷信号f(t)，可以得到垂直动载荷功率谱密度函数，即下式：
其中，gf(w)表示垂直动载荷功率谱密度函数，t表示预处理垂直动载荷信号f(t)的时间区间。
步骤2：基于四分之一车辆模型建立路面不平度与车轮垂直动载荷间关系表达式；
所述基于四分之一车辆模型建立路面不平度与车轮垂直动载荷间关系表达式，是基于四分之一车辆模型实现的，就是对于四分之一车辆振动系统，由路面不平度函数推导车轮垂直动载荷表达式，所得表达式表明车轮垂直动载荷与路面不平度激励具有相同的频率，只是幅值不同。
建立四分之一车辆被动悬架系统动力学方程：
其中，mb为簧载质量，mw为非簧载质量，cs为减振器阻尼系数，ks为弹簧刚度，kt为轮胎刚度，zb为车身垂直位移，zw为轮胎垂直位移，y为路面的不平度函数。
车轮垂直力：
fz＝kt(y-zw)(4)
假设路面不平度为单位简谐函数：
y＝asin(ωt)(5)
将(4)式代入悬架系统动力学方程，并改写为矩阵形式：
利用复指数法求解，令aktsin(ωt)＝aktejωt，设方程的解为：
zb(t)＝z1ejωt，zw(t)＝z2ejωt(7)
将(7)式代入矩阵方程(6)中，化简得：
求得：
式中|zw|和
代入(4)式得车轮垂直动载荷：
上式表明车轮垂直动载荷与路面不平度激励具有相同的频率，只是幅值不同。
设车轮垂直动载荷与路面不平度幅值间存在放大因子p，则有：
上式表明放大因子p与车辆结构有关。
步骤3：校准实验车的放大因子，并计算路面不平度功率谱；
所述校准实验车的放大因子就是经多次实验，通过数学统计理论去除测量过程中的不准确数据，得到校准后的实验车放大因子p。
牵引车拉动实验车在已知实验路面上行驶，测量实验车轮胎垂直动载荷信号，测量进行多次，得到一组垂直动载荷信号fi(t)。
已知实验路面的随机不平度信号y(t)。
根据所述车辆放大因子定义，可得到实验车多次测量的放大因子
通过数学统计理论去除测量的不准确数据，得到校准后的实验车放大因子p。根据步骤1中预处理垂直动载荷信号f(t)和校准后的实验车放大因子p，得到路面不平度信号y(t)，公式如下：
进一步地，可以得到悬架行程功率谱密度函数，即下式：
步骤4：根据垂直动载荷功率谱进行路面不平度特征识别。
所述根据垂直动载荷功率谱进行路面不平度特征识别就是依据垂直动载荷功率谱构成的不同，定义路面识别特征值ξ，定量的进行路面不平度特征识别。
如图4所示为车轮垂直动载荷功率谱的示意图。不同路面不平度引起的垂直动载荷的差异主要体现在功率谱结构的区别，故可依据垂直动载荷功率谱构成的不同，作为对路面不平度识别的标准。
由路面不平度引起的垂直动载荷主要集中在低频，少数部分作用于高频。
在频率区间[0，β]内，将垂直动载荷功率谱分为低频部分和高频部分，通过实验数据定义以频率点α为分段节点。如在图4所示车轮垂直动载荷功率谱中，以100hz为分段节点，左侧为低频部分，右侧为高频部分。
定义垂直动载荷功率谱在低频部分有特征量h1，在高频部分有特征量h2
其中，gf(ω)为垂直动载荷功率谱密度函数。
根据垂直动载荷功率谱在低频部分和高频部分的构成，定义路面识别特征值ξ
根据车辆在不同路面行驶的识别特征值ξ对路面不平度做出特征识别。
本发明利用车轮垂直动载荷来进行路面功率谱测量，具有测量误差较小，适用广泛，减小了道路表面清洁度对路面不平度真实值的影响，良好的测量动态稳定性等优点；同时装有车轮六分力仪的实验车结构简单，避免了由于发动机振动及传动系统回转引起的垂直动载荷，提高了车轮垂直动载荷谱测量的准确性；另外所提出的路面不平度特征识别方法，简便直观，便于工作人员对路面进行评价。