CN102252659A - 基于激光传感器的车载式道路路面坡度测量方法 - Google Patents

基于激光传感器的车载式道路路面坡度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光传感器的车载式道路路面坡度测量方法，在车辆的质心位置安装陀螺仪，通过陀螺仪实时测量车身平面与水平基准面之间的角度值∠3；在车身前后端的左右两侧对称安装有激光位移传感器，通过四个激光位移传感器实时测量车身平面在这四点位置处距离道路路面的位移值；任取三个激光位移传感器测得的位移值通过几何技术即可得出道路路面的横坡角度和纵坡角度。本发明数据精度高、测量间隔小、可正常车速测量、可大范围统计测量等，可适用于公路部门进行道路路面的路网监测和检查验收，也可用于车辆工程中进行路面基础数据的测量，用于研究和提升车辆在设计和开发过程中的性能，特别是在针对车辆的操纵稳定性研究时，有非常明显的作用。

Description

基于激光传感器的车载式道路路面坡度测量方法
技术领域
本发明属于汽车工程技术领域，具体地说，特别涉及一种基于激光传感器的车载式道路路面坡度测量方法。 
背景技术
    在汽车工程领域中，无论是室内的各种试验台性能试验还是在计算机中的虚拟仿真分析都离不开基础路面数据的支持（路面数据是车辆的主要外部激励源），在所有的路面数据中，道路路面的横坡角度和纵坡角度是两个非常关键的数据，特别是在针对车辆操纵稳定性研究中，这两个角度序列起到至关重要的作用。然而，在目前市场上，现有的道路路面的坡度测量设备和方法，都是通过类似于水准仪的原理，人工的、步进的逐点测量，进而推算路面坡度，没有一种合理高效的方法来简便、快速、准确的测量车辆行驶过程中，道路路面的实时横坡和纵坡角度值。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于激光传感器的车载式道路路面坡度测量方法，能够实时测量道路路面的横坡角度和纵坡角度。 
本发明的技术方案如下：一种基于激光传感器的车载式道路路面坡度测量方法，包含以下步骤： 
1）在车辆的质心位置安装陀螺仪，通过陀螺仪实时测量车身平面与水平基准面之间的角度值∠3；在车身前端的左右两侧以及后端的左右两侧均对称安装有激光位移传感器，通过四个激光位移传感器实时测量车身平面在这四点位置处距离道路路面的位移值；
2）任取三个激光位移传感器测得的位移值，代入公式
∠1=∠3-arctan（ 
Figure 2011101551262100002DEST_PATH_IMAGE001
）或∠1= arctan（
Figure 108349DEST_PATH_IMAGE002
 ）-∠3，通过计算得到实时的道路路面的横坡角度值；
将所述三个激光位移传感器测得的位移值代入公式
纵坡角度=陀螺仪的俯仰角度-arctan（
Figure 2011101551262100002DEST_PATH_IMAGE003
）    或
纵坡角度= arctan（）-陀螺仪的俯仰角度，通过计算得到实时的道路路面的纵坡角度值；
式中
Z1为1号激光位移传感器测得的位移值，z2为2号激光位移传感器测得的位移值，z3为3号激光位移传感器测得的位移值，1号及2号激光位移传感器在同一横向上，L为1号激光位移传感器与2号位移传感器安装位置之间的距离，1号及3号激光位移传感器分布在车辆纵向一侧，L’为1号激光位移传感器与3号位移传感器安装位置之间的距离。
由于在测量过程中，车辆的行驶车速不稳定，因此测量得到的路面横坡角度和纵坡角度都是随着等时间间隔分布的，不能准确到具体的道路路面位置。因此，在车辆其中一个车轮上安装车速及距离传感器，通过车速及距离传感器实时记录车辆的行驶速度，将对应不同时间点的横坡和纵坡值转换为等距离间隔的角度值，这将会更加方便和准确地定位道路路面上某一点处的坡度值。 
本发明的有益效果是：实现了针对道路路面的横坡与纵坡角度值的实时测量，是一种实时、高效的路面坡度测量方法。该测量方法的优点有：数据精度高、测量间隔小、可正常车速测量（不需要交通管制）、可大范围统计测量等，通过该测量方法得到的道路路面横坡和纵坡角度，可适用于公路部门进行道路路面的路网监测和检查验收，也可用于车辆工程中进行路面基础数据的测量，用于研究和提升车辆在设计和开发过程中的性能，特别是在针对车辆的操纵稳定性研究时，有非常明显的作用。 
附图说明
图1为本发明中各传感器在车辆上的布置示意图。 
图2为沿着道路路面前端激光位移传感器安装位置的横向剖面示意图。 
图3为沿着道路路面前端激光位移传感器安装位置的横向剖面另一种情况的示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 
实施例
如图1、图2所示，在车辆的质心位置安装有陀螺仪5，车辆右后轮上装有车速及距离传感器6。在车身前端的左右两侧对称安装有激光位移传感器，左边的为1号激光位移传感器，右边的为2号激光位移传感器；在车身后端的左右两侧也对称安装有激光位移传感器，左边的为3号激光位移传感器，右边的为4号激光位移传感器。所述车身上四个激光位移传感器的中心连线为矩形或等腰梯形，1号激光位移传感器与2号位移传感器安装位置之间的距离为L， 1号激光位移传感器与3号位移传感器安装位置之间的距离为L’。使用常规的数据采集仪器如采集卡等对四个激光位移传感器、陀螺仪5及车速及距离传感器6进行同步测量，并进行相关信号前端调理和计算。激光位移传感器、陀螺仪和车速及距离传感器均为现有技术，其结构及工作原理在此不做赘述。陀螺仪5实时测量车身平面与水平基准面之间的角度值∠3并显示俯仰角度；四个激光位移传感器实时测量车身平面在这四点位置处距离道路路面的位移值，1号激光位移传感器的位移值为z1，2号激光位移传感器的位移值为z2，3号激光位移传感器的位移值为z3，4号激光位移传感器的位移值为z4。 
本实施例取1、2、3号激光位移传感器测得的位移值。图2中所示为沿着1号和2号激光位移传感器所在位置的横向的剖面曲线示意图，图中AH为道路路面平面，AD为车辆的车身平面，在车辆的行驶过程中由于车身姿态随时都是在发生变化（在进行测量以前，需要选择一处平整路段，停车状态下，针对以上的所有传感器和测量的初始状态进行标定，在这种状态下，路面平面和车身平面都是平行于绝对水平面的），因此车身平面和路面平面之间存在一个夹角，假设它们的延长线交汇于A点，并假设AK为水平基准平面。B点和C点分别为1号和2号激光位移传感器安装位置，BF和CG分别为1号激光位移传感器和2号激光位移传感器的距离路面平面的位移值（z1和z2）。在这一环节中，可使用以上参数计算道路路面的横坡角度，即路面平面AH与水平基准面AK之间的角度∠1。图2中的车身平面AD与水平基准面AK之间的角度∠3由陀螺仪5的横滚角输出，为已知。图2中FJ为BC的平行线，为1号和2号激光位移传感器安装位置之间的距离（L，已知）。JG为1号和2号激光位移传感器输出位移值的差，即z2-z1，这样可以计算得到： 
                   （1）
进而得到车身平面与路面平面之间的横向夹角
Figure 184987DEST_PATH_IMAGE006
，这样我们要计算的道路路面的横坡角度
Figure 2011101551262100002DEST_PATH_IMAGE007
为
Figure 393246DEST_PATH_IMAGE008
                   （2）
从公式（2）可以看出，所有变量都是已知值或者实时测量值，通过计算可以得到实时的道路路面的横坡角度值。
图3所示为车辆在道路路面上行驶时，沿着1号和2号激光位移传感器所在位置的横向的剖面曲线的另一种情况（车身姿态侧倾方向不同），其计算原理和图2中类似，所有的字母标识和角度标识与图2中相同，不同之处在于计算道路路面的横坡角度的公式为 
                   （3）
在具体测量和计算中，根据z1和z2值的大小，选择公式（2）或者公式（3）进行计算。
在计算道路路面的纵坡角度时，计算和处理方法与计算路面横坡角度类似，不同点在于计算剖面位置选择在车辆纵向通过1号和3号激光位移传感器的安装位置或者通过2号和4号激光位移传感器的安装位置。在计算过程中，车身平面与路面平面之间的纵向角度值，通过使用1号和3号激光位移传感器位移值之间的差来求解，即 
Figure 92398DEST_PATH_IMAGE010
                   （4）
式（4）中L’为3号激光位移传感器安装位置到1号激光位移传感器安装位置的距离，式（4）中所有变量都是已知值或者实时测量值，通过计算可以得到实时的道路路面的纵坡角度值。在具体测量和计算中，根据z1和z3值的大小，选择公式（4）中的上式或者下式进行计算。
尽管以上结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明不限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以作出多种类似的表示，如选取1、2、4号激光位移传感器进行测量，或者选取2、3、4号激光位移传感器进行测量等，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种基于激光传感器的车载式道路路面坡度测量方法，其特征在于包含以下步骤：
1）在车辆的质心位置安装陀螺仪，通过陀螺仪实时测量车身平面与水平基准面之间的角度值∠3；在车身前端的左右两侧以及后端的左右两侧均对称安装有激光位移传感器，通过四个激光位移传感器实时测量车身平面在这四点位置处距离道路路面的位移值；
2）任取三个激光位移传感器测得的位移值，代入公式
∠1=∠3-arctan（                                               
Figure 2011101551262100001DEST_PATH_IMAGE002
 ）或∠1= arctan（
Figure 2011101551262100001DEST_PATH_IMAGE004
 ）-∠3，通过计算得到实时的道路路面的横坡角度值；
将所述三个激光位移传感器测得的位移值代入公式
纵坡角度=陀螺仪的俯仰角度-arctan（
Figure 2011101551262100001DEST_PATH_IMAGE006
）    或
纵坡角度= arctan（
Figure 2011101551262100001DEST_PATH_IMAGE008
）-陀螺仪的俯仰角度，通过计算得到实时的道路路面的纵坡角度值；
式中
Z1为1号激光位移传感器测得的位移值，z2为2号激光位移传感器测得的位移值，z3为3号激光位移传感器测得的位移值，1号及2号激光位移传感器在同一横向上，L为1号激光位移传感器与2号位移传感器安装位置之间的距离，1号及3号激光位移传感器分布在车辆纵向一侧，L’为1号激光位移传感器与3号位移传感器安装位置之间的距离。
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