舒蘭 潘冰 洛布頓珠

【摘 要】針對(duì)路面質(zhì)量檢測(cè)中的路面平整度問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套路面平整度采集系統(tǒng)。硬件部分，開(kāi)發(fā)了以STM32 F103ZET6開(kāi)發(fā)板為核心，結(jié)合MPU6050加速度模塊和LCD顯示屏的單片機(jī)作為的信號(hào)采集模塊;軟件部分，用Carsim進(jìn)行路面和車輛的模型建立，得到了不同路面國(guó)際平整度指數(shù)（International Roughness Index，IRI）和55 km/h車速狀況下的車輛前進(jìn)方向的加速度峰值，進(jìn)行自回歸分析后得出IRI值關(guān)于加速度功率譜密度均方根的回歸方程。檢驗(yàn)后根據(jù)回歸方程編寫程序，實(shí)現(xiàn)通過(guò)加速度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的IRI值的功能。

【關(guān)鍵詞】路面檢測(cè);Carsim仿真;加速度;國(guó)際平整度指數(shù)IRI值

1.研究背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的迅速發(fā)展，與此相關(guān)的道路檢測(cè)與建設(shè)工程也變得尤為重要。在路面質(zhì)量檢驗(yàn)的諸多指標(biāo)中，路面平整度是其中最重要的指標(biāo)之一[1]。路面平整度關(guān)系到行車的安全、舒適以及路面所受沖擊力的大小和使用壽命，不平整的路表面會(huì)增大行車阻力，并使車輛產(chǎn)生附加的振動(dòng)作用。這種振動(dòng)作用會(huì)造成行車顛簸，影響行車的速度和安全，影響駕駛的平穩(wěn)和乘客的舒適性。為了客觀定量分析路面平整度，世界銀行提出采用IRI作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建議。IRI是以四分之一車在速度為80km/h時(shí)的累積豎向位移值為IRI值，單位用m/km。

我國(guó)過(guò)去使用較多的儀器有三米直尺、連續(xù)式平整度儀等，這些儀器受長(zhǎng)度和速度的限制，難以反映較高車速下路面較長(zhǎng)波長(zhǎng)的顛簸和起伏，存在測(cè)試效率低、機(jī)械配置龐大而笨重、測(cè)定精度差等問(wèn)題。之后，與國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)相同，國(guó)內(nèi)也逐漸重視起激光傳感器技術(shù)。但國(guó)內(nèi)激光平整度檢測(cè)產(chǎn)品采用的激光位移傳感器基本上是引進(jìn)的，價(jià)格較為昂貴。

2.設(shè)計(jì)思路

首先基于Carsim仿真軟件，建立了加速度與平整度的關(guān)聯(lián)模型，其次對(duì)系統(tǒng)設(shè)備安裝位置進(jìn)行確認(rèn)，然后對(duì)整個(gè)路面平整度檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1基于Carsim仿真的關(guān)聯(lián)模型的建立

應(yīng)用Carsim軟件建立路面和車輛仿真模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)所建立的仿真模型得到了不同等級(jí)路面的加速度數(shù)據(jù)，然后利用Matlab對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，得到了加速度功率譜密度均方根與IRI值的回歸方程。

2.1.1 Carsim標(biāo)準(zhǔn)三維路面模型的建立與驗(yàn)證

國(guó)標(biāo)GB/T7031-2005將道路劃分為8種等級(jí)[2]，本項(xiàng)目采用基于路面功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）函數(shù)的方法對(duì)8種標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)路面進(jìn)行仿真模擬;另外，獲取標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)路面時(shí)域模型時(shí)，采用傅里葉逆變換法[3]（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）。本文采用基于PSD離散采樣的IFFT法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)路面進(jìn)行仿真模擬，獲得了GB/T7031-2005規(guī)定的8種標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)路面的二維路面不平度數(shù)據(jù)。

Carsim三維仿真道路模型由道路水平線形文件、道路縱斷面線形文件和道路不平度文件組成。通過(guò)利用Matlab運(yùn)行相應(yīng)函數(shù)把處理過(guò)的二維路面不平度數(shù)據(jù)自動(dòng)生成Carsim道路模型文件。為了驗(yàn)證所建路面的準(zhǔn)確性采用Welch法對(duì)模擬的路面信號(hào)進(jìn)行了功率譜密度的估計(jì)[4]。部分驗(yàn)證結(jié)果如圖1所示，其仿真得到的功率譜密度與標(biāo)準(zhǔn)功率譜密度曲線有較高的吻合度，因此驗(yàn)證了所建Carsim三維虛擬路面的準(zhǔn)確性。

2.1.2 Carsim車輛仿真模型的建立與驗(yàn)證

在Carsim中，整車分為車體、轉(zhuǎn)向、輪胎、懸架、制動(dòng)系、傳動(dòng)等子系統(tǒng)，在對(duì)上述子系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)后，利用Carsim軟件中的車輛模型求解器進(jìn)行運(yùn)算，便可完成車輛建模。

為驗(yàn)證所建車輛模型的準(zhǔn)確性，以55km/h的車速在某A級(jí)道路上進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。采用車載式激光路面平整度儀LIPRES-I型，車上帶有NI LabVIEW軟件的微機(jī)、NI USB-6000數(shù)據(jù)采集卡、MEMSIC CXL25GP3三軸加速度傳感器等，用于采集路面豎直方向上的加速度數(shù)據(jù)。Carsim仿真得到的加速度數(shù)據(jù)與實(shí)車試驗(yàn)得到的加速度數(shù)據(jù)有較高的吻合度，驗(yàn)證了所建車輛模型的可靠性，如圖2所示。

2.1.3關(guān)聯(lián)模型的建立與驗(yàn)證

依據(jù)1986年世界銀行發(fā)45號(hào)文件中規(guī)定的路面IRI值的計(jì)算方法，通過(guò)編程計(jì)算出了標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)路面分別對(duì)應(yīng)的IRI值。之后在Carsim軟件中運(yùn)行所建立的三維虛擬路面模型和車輛模型，得到了在車速為55 km/h狀況下不同路面的車輛豎直方向上的加速度數(shù)據(jù)。

將仿真得到的加速度數(shù)據(jù)及路面平整度數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中，計(jì)算得到加速度功率譜密度均方根值;經(jīng)擬合得到IRI值與加速度功率譜密度的均方根值X的回歸方程，且該模型的擬合優(yōu)度R2為0.8923?；貧w方程如下：

式中，IRI值的單位為m/km，X為加速度功率譜密度均方根，單位為m/s2。

2.2系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)

將路面平整度檢測(cè)系統(tǒng)的加速度傳感器安裝在測(cè)試車內(nèi)右前輪減振器缸體上[4]。檢測(cè)時(shí)，選取測(cè)試車輛的行駛速度為55km/h，當(dāng)試驗(yàn)車沿縱向行駛0.25米時(shí)，加速度傳感器向開(kāi)發(fā)板傳送一個(gè)數(shù)據(jù)。

2.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

路面平整度檢測(cè)系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，該系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)碼運(yùn)算系統(tǒng)、MPU6050六軸加速度模塊、電源系統(tǒng)等。

2.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)以Keil uVeil5為開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用面向?qū)ο?C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)各個(gè)傳感器初始化、待測(cè)區(qū)域起止位置的標(biāo)定以及記錄檢測(cè)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊是軟件系統(tǒng)的核心，主要通過(guò)單片機(jī)ADC模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)C語(yǔ)言程序運(yùn)行計(jì)算IRI值。存儲(chǔ)模塊包括文件存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，其中各傳感器的原始數(shù)據(jù)使用文本文件形式保存，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信息、縱斷面信息和國(guó)際平整度指數(shù)等用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)其具體數(shù)據(jù)。

2.5實(shí)驗(yàn)?zāi)M

將組裝好的設(shè)備按照安裝設(shè)計(jì)方案固定在車輛上，選定鎮(zhèn)江市的學(xué)府路為待測(cè)路段，并做好起點(diǎn)標(biāo)記。將裝有設(shè)備的車輛停至起點(diǎn)處，以55km/h的車速行駛。設(shè)備啟動(dòng)后，加速度傳感器將測(cè)得的加速度數(shù)據(jù)傳送給開(kāi)發(fā)板數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)算法程序處理得到IRI值。試驗(yàn)實(shí)物圖如圖4所示。

由試驗(yàn)可知，泓江西路段由本系統(tǒng)測(cè)出的IRI測(cè)量均值為2.328，該路段的IRI實(shí)際值[1]為2.726，平均相對(duì)誤差為14.60%，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)模型較高的準(zhǔn)確性。

3、結(jié)論

與傳統(tǒng)的人工測(cè)量或使用成本高的激光檢測(cè)相比，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于加速度傳感器的路面平整度檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的道路平整度測(cè)量。本文模型尚未考慮不同車輛模型對(duì)Caisim仿真得到的回歸方程結(jié)果的影響，今后需不斷改進(jìn)。

【參考文獻(xiàn)】

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作者簡(jiǎn)介：舒蘭（1998—），女，漢族，云南昆明人，江蘇大學(xué)本科在讀，交通運(yùn)輸方向。潘冰（1998—），男，漢族，浙江嘉興人，江蘇大學(xué)本科在讀，車輛工程方向。洛布頓珠（1998—），男，藏族，西藏山南人，江蘇大學(xué)本科在讀，交通運(yùn)輸方向。

基金項(xiàng)目：本文系江蘇大學(xué)第十八批大學(xué)生科研課題立項(xiàng)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：18A340