高精度道路譜測量系統的研制

高精度道路譜測量系統的研制

路面不清晰度的測量檢測方法路面的不平衡通常用于描述路面的起伏程度，這是車輛駕駛過程中的主要激勵因素，它影響著車輛的平整度、乘坐舒適度、運營穩(wěn)定性、零件的疲勞和壽命、運輸效率和油耗。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用領域更為常見的表現形式,因此,測量和采集到高精度道路譜數據具有重要的意義。隨著傳感器技術、計算機技術和信號處理技術的飛速發(fā)展,人們對路面不平度的采集、測量和各種試驗方法也在不斷地更新和改進。從測量原理上可分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。接觸式道路譜或路面不平度的測量檢測方法,其優(yōu)點是結構簡單、成本低、測量精度相對較高、重復性好和誤差來源較少;缺點是操作冗繁、速度慢、效率低和影響正常的交通秩序。非接觸式(響應式)道路譜測量檢測方法有很多,大部分都是近些年發(fā)展起來的。由于這類儀器測量方便快捷、測量速度快而得到了普遍推廣。主要有車載式顛簸累積儀、基于慣性基準的軸頭加速度測量方法、基于慣性基準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加速度傳感器的慣性測量方法等。其中使用較多的是激光斷面儀測量方法。非接觸式的測量設備和測量方法較接觸式測量方法有很大的進步。但還存在不少缺陷和不足,特別是這類設備僅能測量波長較小的信號,針對波長大于車輛長度的信號成分測量誤差很大,測量結果中忽略了大波長信號,即沒有了坡度的概念,將道路簡化成了一條平直的道路。因此對于該類測量方法應著重提高設備的測量精度、測量范圍,以及試驗的準確性和可行性。1系統的測量方案作為車輛主要振動激勵源的路面不平度,對汽車的各種性能起著至關重要的作用,在汽車設計開發(fā)中離不開基礎性道路譜數據的支持。但由于我國一直缺乏這種基礎數據,使得這方面的研究大多直接使用PSA試驗路譜或者國標試驗路譜,但它并不能真正反映我國的道路特點。在基于慣性測量的激光斷面儀基礎上,作者研制了一套高精度、寬頻段的道路譜測量系統,見圖1。該測量系統主要有激光斷面儀(內置激光位移傳感器、高頻和低頻加速度傳感器等測量多路激光信號和加速度信號)、精密陀螺儀(測量車身姿態(tài)變化信息參數)、GPS測量設備(實時測量道路的經緯海拔高度等信息)、高速攝像機(測量試驗路段的視頻信息)、車速及距離傳感器(測量試驗路段的距離脈沖信息)以及一些輔助的測量設備(采集控制箱、控制用的工控機、UPS不間斷電源和存儲海量數據使用的磁盤陣列等)。該測量系統將路面譜的測量頻段分為兩段,對頻率低于0.1Hz的大波形信號成分,使用GPS的海拔高度方法測量,并且針對衛(wèi)星信號遮擋嚴重的路段,使用車載精密陀螺儀和GPS信號進行卡爾曼融合計算來修正;對頻率高于0.1Hz的小波形信號,則使用加速度傳感器測量車身的振動來修正激光位移信號。此時又分兩種情況:當波長大于車輛軸距時使用低頻加速度傳感器;當波長小于車輛軸距時使用高頻加速度傳感器。最后將3個頻段的信號恰當地連接即可得到真實的道路縱剖面曲線,進而得到道路譜信號。該道路譜測量設備不但測量速度快(按照正常的行駛車速測量,不需要交通管制)、而且測量精度較高,測量頻段范圍較寬,彌補了現有測量設備的不足,得到了較高精度的路面不平度信號和道路譜。2對測設備的選擇和對比試驗由于道路譜測量系統是一套非標準的新型測量系統,不能通過簡單的方法得到其誤差范圍和測量精度,因此選擇多種已經確定誤差范圍的、精度高于該系統的儀器設備作為基準測量設備,然后在相同試驗條件下進行對比試驗和誤差分析。由于大、小波形數據分別考察和采集不同頻段的數據信號,因此須對大、小波形分別討論。2.1道路對比試驗大波形數據主要通過GPS衛(wèi)星實時測量,再經過精密陀螺儀修正后得到數據信號,該信號的目標是在總體輪廓上反映道路路面的走勢。在對比試驗中,選擇水平儀和標桿作為基準設備,在相同的路段和試驗條件下進行對比試驗。使用DZS3—1型水準儀,其測量偶然誤差在±5mm內。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)星遮擋嚴重的地段。2.1.1試驗路段試驗誤差分析與平原開闊地帶相比,城市路段衛(wèi)星信號受高樓和樹木等遮擋,GPS信號有所降低,為驗證這種情況下道路譜測量設備的工作情況,選擇清華大學東北門外左側的市區(qū)公路,約有1km長的路段,其路面形狀有較大起伏,高差2.5m左右,首先利用水準儀沿該公路邊沿進行測量,然后使用路譜測量設備以不同車速(30、35和40km/h)的3次試驗來進行比較,試驗車和水準儀測量的數據對比見圖2。該試驗路段的3次試驗誤差統計結果見表1。由以上分析可見,在該路段測量中試驗車測量數據與水準儀測繪數據的相關性較好,基本可以達到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,相對試驗場道路數據,誤差有所增大。這樣在測量3m左右高度的路形起伏時,系統測量誤差可在5%以內。2.1.2試驗結果和討論地形比較復雜的山區(qū)道路測量選擇北京昌平區(qū)崔村鎮(zhèn)的一條路段。這里地形比較復雜,道路起伏也較大,且車流量較小,衛(wèi)星信號遮擋也不嚴重。路段選擇約200m長的一個U字形路段,高低點的落差約為7m。首先使用水準儀和標桿沿道路的右側車道進行人工測量,然后使用道路譜測量系統測量,選擇車速分別為10、20和40km/h的3次試驗結果進行比較,如圖3所示,誤差統計結果見表2。從表2可知,該段道路的試驗結果比城市道路的好,平均誤差為0.169339m,即大約17cm,且相關性很高,基本在99%以上。如果測量3～5m以上的上坡起伏,類似一般幾十米的山坡起伏,系統相對誤差可以滿足5%的要求,整體測量效果較好。2.1.3測試結果和分析衛(wèi)星遮擋嚴重的道路測量最為復雜和困難,針對衛(wèi)星遮擋比較嚴重的情況,在清華大學校內選擇一條典型的試驗路段(汽車研究所門口的路段長約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信號遮擋非常嚴重,試驗中車輛行駛在該路段時信號也無法穩(wěn)定下來。針對該路段,課題組做了多次測量試驗,對該路段選擇3次不同車速(20、30和40km/h)的測量結果進行對比,如圖4所示。試驗誤差統計結果如表3所示。從數據分析結果看,在GPS信號遮擋非常嚴重的路段,系統測量的平均誤差較大,平均誤差為0.413198m,即40cm左右,最大誤差都在1m以上,而且相關性不到90%。與上述的其他試驗相比,相關性和誤差都明顯變差。綜上所述,道路譜測量系統中的大波形測量,在衛(wèi)星信號接收良好的情況下測量精度較高,誤差可控制在5%以內,而在衛(wèi)星信號有遮擋的情況下精度下降,如果衛(wèi)星遮擋嚴重,系統的測量就要靠陀螺儀的積分來完成,距離稍長累積誤差就會增大,導致測量誤差變大,相對誤差會超過10%以上。2.2知標準形狀對比的方法進行驗證有關小波形的驗證方案,參考文獻、文獻和文獻中的設備驗證方案,采用與已知標準形狀對比的方法進行驗證。通過在道路上設置已知形狀的物塊,或選擇汽車試驗場中已知形狀的典型道路,同樣使用與大波形一樣的水準儀作為基準測量設備,通過直接比較曲線的相似程度和誤差來分析設備的測量精度和誤差。2.2.1塊苗木截面尺寸分析木板試驗選擇清華大學校內的一條大約200m長的平直道路,并且在其上布置若干塊300mm×30mm截面的木板,讓試驗車輛以不同的速度通過,進行測量。圖5為以30km/h速度通過時測量得到的道路路形曲線和第1塊木板處放大后的曲線圖。對圖5中6塊木板的試驗,隨機抽取試驗結果進行對比計算,將試驗曲線中6塊木板的測量參數值與實際的木板截面尺寸進行對比,其計算分析結果如表4所示。由表4可以看出,計算的木板寬度與真實木板寬度(0.3m)的誤差在±5mm內,計算木板高度與真實木板高度(30mm)的誤差是±3mm,各個木板之間的間隔與真實間隔(2m)的誤差是±2cm。2.2.2試驗曲線的繪制為驗證激光加速度傳感器在測量厘米級形狀曲線的準確性,在平直路面上分布橫截面為半圓形的木條來進行測量試驗,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直徑的第一根木條的距離都為4m。試驗車以車速30km/h通過時,整體路段曲線、試驗曲線在4個直徑為3cm的半圓形截面處的局部放大和最后一個直徑為6cm半圓形截面處的曲線與理想半圓形截面的對比如圖6所示。在各種不同直徑半圓木條的試驗中,隨機抽取了某次試驗結果進行對比,將試驗曲線中不同直徑木條處的木條高度測量值與實際的木板截面半徑進行對比,其計算結果如表5所示。2.2.3路譜測量系統誤差的計算在某試驗場對波浪路、搓板路以及凸塊路等特殊路面進行了測量,并使用水準儀和量尺對這些路面的形狀進行了測繪。將道路譜測量的結果與水準儀測量的結果進行對比,進一步分析誤差。圖7為使用水準儀與道路譜測量系統針對短波路、標準搓板路、錯位搓板路進行比較的結果。其誤差計算結果如表6所示。從表6中可以看出,實驗數據相關性很好,誤差在3mm左右。需要說明的是由于波浪路、搓板路等存在一定的磨損情況,隨機選擇了一個短波路波峰處進行測量,在4m的寬度范圍內,每20cm測量一個點,測量結果顯示磨損情況的誤差在±3mm內。搓板路波峰處的磨損情況與短波路類似,在同一個搓板齒部頂端間隔10cm使用水準儀測量8個點來檢測磨損情況,確定誤差為±1mm。從試驗場特殊道路試驗來看,道路譜設備的測量精度較高,測量結果基本符合實際路面的狀況,設備可用于試驗場各種道路路面的測量。3分析試驗設計目前精度較高的道路路面測量設備已經被研制成功