基于Carsim仿真的路面平整度檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計

舒蘭 潘冰 洛布頓珠

【摘 要】針對路面質(zhì)量檢測中的路面平整度問題，本文設(shè)計了一套路面平整度采集系統(tǒng)。硬件部分，開發(fā)了以STM32 F103ZET6開發(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)通過加速度傳感器測得的數(shù)據(jù)計算出對應(yīng)的IRI值的功能。

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

1.研究背景

近年來，隨著我國交通運(yùn)輸行業(yè)的迅速發(fā)展，與此相關(guān)的道路檢測與建設(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，不平整的路表面會增大行車阻力，并使車輛產(chǎn)生附加的振動作用。這種振動作用會造成行車顛簸，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作為評價標(biāo)準(zhǔn)的建議。IRI是以四分之一車在速度為80km/h時的累積豎向位移值為IRI值，單位用m/km。

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

2.設(shè)計思路

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，其次對系統(tǒng)設(shè)備安裝位置進(jìn)行確認(rèn)，然后對整個路面平整度檢測系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計，最后通過實(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，通過所建立的仿真模型得到了不同等級路面的加速度數(shù)據(jù)，然后利用Matlab對仿真數(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

國標(biāo)GB/T7031-2005將道路劃分為8種等級[2]，本項目采用基于路面功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）函數(shù)的方法對8種標(biāo)準(zhǔn)等級路面進(jìn)行仿真模擬;另外，獲取標(biāo)準(zhǔn)等級路面時域模型時，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法對標(biāo)準(zhǔn)等級路面進(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。通過利用Matlab運(yùn)行相應(yīng)函數(shù)把處理過的二維路面不平度數(shù)據(jù)自動生成Carsim道路模型文件。為了驗(yàn)證所建路面的準(zhǔn)確性采用Welch法對模擬的路面信號進(jìn)行了功率譜密度的估計[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、制動系、傳動等子系統(tǒng)，在對上述子系統(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號文件中規(guī)定的路面IRI值的計算方法，通過編程計算出了標(biāo)準(zhǔn)等級路面分別對應(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

將路面平整度檢測系統(tǒng)的加速度傳感器安裝在測試車內(nèi)右前輪減振器缸體上[4]。檢測時，選取測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，加速度傳感器向開發(fā)板傳送一個數(shù)據(jù)。

2.3系統(tǒng)硬件設(shè)計

路面平整度檢測系統(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

此系統(tǒng)以Keil uVeil5為開發(fā)環(huán)境，采用面向?qū)ο?C++程序設(shè)計語言進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)采集模塊主要是對各個傳感器初始化、待測區(qū)域起止位置的標(biāo)定以及記錄檢測時現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊是軟件系統(tǒng)的核心，主要通過單片機(jī)ADC模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過C語言程序運(yùn)行計算IRI值。存儲模塊包括文件存儲和數(shù)據(jù)庫存儲，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)場檢測信息、縱斷面信息和國際平整度指數(shù)等用數(shù)據(jù)庫來存儲其具體數(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)計方案固定在車輛上，選定鎮(zhèn)江市的學(xué)府路為待測路段，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)備啟動后，加速度傳感器將測得的加速度數(shù)據(jù)傳送給開發(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)測出的IRI測量均值為2.328，該路段的IRI實(shí)際值[1]為2.726，平均相對誤差為14.60%，體現(xiàn)了設(shè)計模型較高的準(zhǔn)確性。

3、結(jié)論

與傳統(tǒng)的人工測量或使用成本高的激光檢測相比，本系統(tǒng)設(shè)計的基于加速度傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的道路平整度測量。本文模型尚未考慮不同車輛模型對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)】

[1]劉慶華，張文明，夏鵬飛.基于加速度傳感器的路面不平度采集系統(tǒng)[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，30（04）：362-369.

[2]余志生.汽車?yán)碚揫M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3]王文超.稀疏快速傅里葉變換的應(yīng)用方法研究[D].中國測繪科學(xué)研究院，2018.

[4]劉爽，劉云峰，董景新.基于功率譜密度的靜電懸浮加速度計分辨率估計方法[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015，（10）：30-34.

作者簡介：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。

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