CN102831261A - 一种复杂道路的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂道路的建模方法，其步骤如下：1.定义基本道路模型元件库：（1）确定道路属性；（2）确定道路路形：按照水平方向与垂直方向分成以下几种：直线道路、圆曲线道路、回旋线道路、平坦道路、坡路即上坡路及下坡路与竖曲线道路即凸曲线路及凹曲线路；（3）设置道路路形参数：道路实际设计的过程中，要考虑很多因素，一般对于不同的设计车速对应的道路基本参数都是不同的，所以方法中的所有基本道路模型元件设计参数全部参考我国《公路路线设计规范2006》；（4）确定回旋线道路;（5）确定竖曲线道路;（6）定义道路不平度等级;2.建立基本道路模型元件库；3.设计道路连接方法；4.提取基本道路元件生成复杂道路。

Description

一种复杂道路的建模方法

技术领域

本发明涉及一种建模方法，更确切地说，本发明涉及一种用于车辆动力学仿真计算的复杂道路的建模方法。

背景技术

过去的几年里，中国汽车工业获得了巨大的发展。由于汽车市场竞争越来越激烈，以及汽车的保有量的持续增加，迫使汽车企业必须缩短车辆的研发周期，降低研发成本，将更多的研发工作借助于计算机来完成；此外，由于人们对车辆性能和安全性的要求不断提高，有关汽车智能驾驶和主动安全控制的研究逐渐成为一个热门研究方向，而这方面的实车实验往往带有一定的危险性（如车辆爆胎实验），甚至根本无法作实车实验，这使得计算机仿真实验显得尤为重要。在各种车辆计算机仿真试验中，都需要对车辆所处的交通环境进行建模与仿真，而道路的建模又是交通环境中最为重要的一项，道路建模的正确与否直接影响着车辆仿真实验的有效性。但是，目前对道路的研究十分有限，多数车辆动力学仿真实验中对道路的建模都很简单，真实性和通用性都很差。在这种研究背景之下，对复杂形状和不同等级的道路进行建模变得越来越重要。本发明就是提出来一种建立复杂道路模型的方法，基于该方法进行计算机编程，就可以为各种车辆动力学仿真实验提供道路数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在对道路的建模都很简单、真实性和通用性都很差的问题，提供了一种复杂道路的建模方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的一种复杂道路的建模方法的步骤如下：

1.定义基本道路模型元件库：

（1）确定道路属性:

a.定义大地坐标系

x轴代表道路的纵向，y轴代表道路的侧向，z轴代表道路的垂向;将道路上的坐标点定义在建立的大地坐标系上，坐标系的原点就是道路的起点，在原点处道路在水平方向和垂直方向都与X轴相切;

b.水平方向属性

道路中心线末端点的x轴、y轴坐标（x,y）,道路中心线末端切线方向与x轴正方向的夹角

c.垂直方向属性

道路中心线末端点的垂直高度z,道路表面的质量系数为0至7，代表不同等级的道路；

（2）确定道路路形：

按照水平方向与垂直方向可以分成以下几种：

a.水平方向：直线道路、圆曲线道路、回旋线道路;

b.垂直方向：平坦道路、坡路即上坡路与下坡路、竖曲线道路即凸曲线路与凹曲线路；

（3）设置道路路形参数：

道路实际设计的过程中，要考虑很多因素，一般对于不同的设计车速对应的道路基本参数都是不同的，所述的一种复杂道路的建模方法中的所有基本道路模型元件设计参数全部参考我国《公路路线设计规范2006》；

（4）确定回旋线道路；

（5）确定竖曲线道路；

（6）定义道路不平度等级;

2.建立基本道路模型元件库；

3.设计道路连接方法；

4.提取基本道路元件生成复杂道路。

技术方案中所述的确定回旋线道路的步骤如下：

1）初始化参数设置：

a.前后道路曲线的半径，直线道路半径为无穷大，计算机编程时可设置为一个足够大的常数，如100000000；

b.转弯方向；

c.回旋线被分割的段数，该段数视回旋线长度、前后道路曲率变化范围和仿真精度要求而定；

2）参数设置是否正确，是，进入下一步骤3）；否，回到初始化参数设置；

3）生成回旋线道路：

确定回旋线道路的基本原理由如下推导公式表示：

其中：R₁、R₂.回旋线所连接的前、后道路曲线的半径，若道路为直线，可以设置为一个足够大的常数；L.回旋线的长度；n.回旋线被分割的段数；由于规定回旋线的起点是大地坐标系的原点，并在原点处与坐标系X轴相切，所以，x₀=0，y₀=0，

4）保存回旋线道路的数据。

技术方案中所述的确定竖曲线道路的步骤如下：

1）初始化参数设置：

a.竖曲线前后道路的坡度；

b.竖曲线长度；

c.竖曲线半径和竖曲线被分割的段数，分割的段数可以视竖曲线的长度、半径和实际仿真精度而定；

2）参数设置是否正确，是，进入下一步骤3）；否，回到初始化参数设置；

3）生成竖曲线道路：

确定竖曲线道路的基本原理由如下推导公式表示：

△L＝L/n

$z_{i+1}=z_i+\mathrm{\Δ}L\sin [p_1+\frac{p_2-p_1}{n}(i+1)]$

其中：L.竖曲线长度，n.竖曲线被分割的段数，p₁、p₂.竖曲线前后道路的坡度,z₀.竖曲线前面道路末端的高度，z_i.分割后第i段竖曲线的末端高度（i＝0…n）；

4）保存竖曲线道路的数据。

技术方案中所述的设计道路连接方法的步骤如下：

1）从基本道路模型元件库中选取第一段道路的信息1，加载第一段道路的信息1到流程中；

2）读取第一段道路的信息1中的道路路形和属性信息；

3）从基本道路模型元件库中选取第二段道路的信息2，加载第二段道路的信息2到流程中；

4）读取第二段道路的信息2中的道路路形和属性信息；

5）判断第一段道路的信息1与第二段道路的信息2是否正确，如果正确则进入下一步骤，若不正确，则回到流程的第1）步骤，重新加载道路的信息；

6）按照用户需求，进行用户自定义设置，如道路等级设置；

7）运行道路连接流程，将加载的第一段道路的信息1与第二段道路的信息2连接为新一段道路；

道路连接流程的主要原理是将第一条道路末端的坐标（包括X,Y,Z坐标、水平方向末端切线与X轴的夹角、垂直方向上道路末端高度）作为第二条道路的起点，将第二条道路的各项属性作整体平移，进而推算出第二条道路末端的坐标，连接后第二条道路末端坐标表达采用公式：

z＝z₁+z₂

其中：x₁，x₂.第一段道路末端和第二段道路末端的纵向坐标，y₁，y₂.第一段道路末端和第二段道路末端的侧向坐标，z₁，z₂.第一段道路末端和第二段道路末端的垂向坐标，

第一段道路末端切线和第二段道路末端切线与X轴的夹角，正值表示左转，负值表示右转；

8）将新连接成的道路信息保存在新一段道路的信息3中，道路连接流程运行结束。

技术方案中所述的提取基本道路元件生成复杂道路是指：

在基本道路模型元件库与道路连接方法建立和设计好之后，就可以根据车辆动力学仿真实验的需要从基本道路模型元件库中提取相应的基本道路模型元件，并利用设计好的道路连接方法将这些基本道路元件按照顺序连接成一条完整的复杂道路。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种复杂道路的建模方法建立了基本道路模型元件库，该道路元件库中包含了组成公路的所有基本道路形状，道路各项参数都参考我国《公路路线设计规范2006》，符合实际公路的情况。

2.本发明所述的一种复杂道路的建模方法，通过设计计算机程序可以十分方便的实现所设计的道路模型的连接，避免了复杂道路中繁杂的坐标计算工作，使工程师更加专注于整体仿真工况的设计。

3.本发明所述的一种复杂道路的建模方法专门设计了一种回旋线道路和竖曲线道路的生成方法，一种复杂道路的建模方法计算简单，通过调节曲线分割段数，可以生成各种仿真精度要求下的道路模型。

4.本发明所述的一种复杂道路的建模方法利用道路表面不平度的功率谱密度对道路表面等级进行建模，采用国家标准GB7031《车辆振动输入——路面平度表示》规定的8个等级的道路功率谱密度，使得道路模型更加符合实际情况。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的一种复杂道路的建模方法的整体流程示意框图；

图2为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的确定回旋线道路流程的示意框图；

图3为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的确定竖曲线道路流程的示意框图；

图4为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的连接基本道路模型元件流程的示意框图；

图5为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的水平方向上的直线道路示意图；

图6为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的水平方向上的左转圆曲线道路示意图；

图7为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的水平方向上的从直线道路到圆曲线道路过渡的回旋线道路示意图；

图8为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的水平方向上的从圆曲线道路到直线道路过渡的回旋线道路示意图；

图9为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的由直线道路、圆曲线道路和回旋线道路组合而成的复杂道路水平方向上形状示意图；

图10为图9中标记a处的5:1局部放大图；

图11为图9中标记b处的5:1局部放大图；

图12为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的垂直方向上的平坦道路示意图；

图13为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的垂直方向上的上坡道路示意图；

图14为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的垂直方向上的凹型竖曲线道路示意图；

图15为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的垂直方向上的凸型竖曲线道路示意图；

图16为本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的由平坦道路、上坡道路和竖曲线道路组合而成的复杂道路垂直方向上形状示意图；

图17为图16中标记c处的5:1局部放大图;

图18为图16中标记d处的5:1局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1，本发明提供了一种可以应用在车辆动力学仿真实验中的复杂道路模型的建立方法，该方法可以建立任意形状和等级的道路模型。本发明的思路是根据国家道路建设的相关规定和标准，从实现任意道路模型的角度出发，建立一个包含各种典型道路模型元件的道路元件库，其中每一个道路模型元件都包含了相应的道路形状和路面等级信息。当车辆动力学仿真实验中需要一条完整复杂的道路工况时，可以根据需要从道路元件库中选取若干合适的道路模型元件，利用本发明中的道路元件连接方法将它们按照先后顺序连接在一起，从而得到期望的道路模型。图1是一种复杂道路的建模方法的总体流程示意框图，从图1中可以看出一种复杂道路的建模方法主要为四部分内容：定义基本道路模型元件库、建立基本道路模型元件库、设计道路连接方法和提取基本道路元件生成复杂道路。下面结合一种复杂道路的建模方法的总体流程示意框图来说明该方法的主要内容，一种复杂道路的建模方法的步骤如下：

1.定义基本道路模型元件库

基本道路模型元件库中包含了公路设计规范中涉及的典型道路模型元件。基本道路模型元件库按照道路形状进行分类，可以根据需要提取不同形状的道路模型元件将其连接成一条符合实验要求的完整道路。在设置基本道路模型元件时，道路相关参数全部参考国际道路建设规范中确定的道路属性约束条件，同时，对基本道路模型元件进行路面等级设置。由以上设置生成的基本道路模型元件组成了一个完整的道路模型元件库。当需要生成某一复杂道路时，根据具体的道路路形和等级需要进行对应道路模型元件选择，并调用道路连接方法生成期望的道路模型。以下详细介绍建立基本道路模型元件库需考虑的主要因素和主要步骤：

1）确定道路属性

道路属性信息包括了两个主要方面：水平方向属性和垂直方向属性。本发明所述的一种复杂道路的建模方法中首先选取了统一的大地坐标系，再对道路的水平方向属性和垂直方向属性分别进行设置。水平方向属性确定了道路在水平方向上的形状和转弯时的曲率大小等，垂直方向属性确定了道路坡度和道路等级等。其具体步骤如下：

（1）定义大地坐标系：x轴代表道路的纵向，y轴代表道路的侧向，z轴代表道路的垂向。将道路上的坐标点定义在建立的大地坐标系上，坐标系的原点就是道路的起点，在原点处道路在水平方向和垂直方向都与X轴相切。下面将道路属性分为水平方向属性和垂直方向属性分别进行相应描述。

（2）水平方向属性：

道路中心线末端点的x、y轴坐标（x,y）、道路中心线末端切线方向与x轴正方向的夹角

（3）垂直方向属性：

道路中心线末端点的垂直高度z,道路表面的质量系数（0…7，代表不同等级的道路）。

2）确定道路路形

任意道路模型实现的目标为根据国家有关规定中存在的道路路形确定的道路模型是任意的并可以用于车辆动力学仿真实验的道路仿真模型。按照我国《公路路线设计规范2006》的规定，所有的道路均是由不同类型的基本道路曲线组合而成，按照水平方向与垂直方向可以分成以下几种：水平方向：直线道路、圆曲线道路、回旋线道路;垂直方向：平坦道路、坡路（上坡，下坡）、竖曲线道路（凸曲线，凹曲线）。在本发明所述的一种复杂道路的建模方法中，先按照公路路线设计规范中确定的道路类型，设置不同的道路类型。规范中具有的道路路形包含以下几种：

a.直线道路；

b.圆曲线道路；

c.回旋线道路；

d.平坦道路；

e.坡路；

f.竖曲线道路。

本发明所述的一种复杂道路的建模方法生成的任意的道路模型所设定的范围正是以上规范中的各种不同道路形状。根据不同的道路路形，设置相应的基本道路模型元件，为最终道路模型连接生成做基础。

3）设置道路路形参数

道路实际设计的过程中，要考虑很多因素，一般对于不同的设计车速对应的道路基本参数都是不同的。本发明所述的一种复杂道路的建模方法中的所有基本道路模型元件设计参数全部参考我国《公路路线设计规范2006》，下面按照道路不同类型的属性分别进行介绍。

a.公路转角圆曲线设置

各级公路平面不论转角大小，均应设置圆曲线。在选用圆曲线半径时，应与设计速度相适应。圆曲线最小半径应符合设计速度规定，参阅表1，圆曲线最大半径值不宜超过10000m。

表1圆曲线最小半径

备注：“一般值”为正常情况下的采用值；“极限值”为条件受限制时可采用的值，以下各表相同。

b.直线和圆曲线连接处回旋线设置

回旋线道路:当前后两段道路的水平曲率不同时，它们中间需要设置一段回旋线，它是一条曲率不断变化的曲线，其作用是缓和前后两段道路曲率的突变，使其能够平滑过渡，保证车辆安全行驶，也使得道路更加美观。设计时速不同的道路其回旋线长度要求不同，回旋线最小长度规定如表2。

表2回旋线最小长度

设计速度(km/h)	120	100	80	60	40	30	20
								回旋线最小长度(m)	100	85	70	50	35	25	20

直线同圆曲线相连接处，一般应设置回旋线，但圆曲线半径大于表3规定时可以不设置回旋线；半径不同的同向圆曲线径相连接处，应设置回旋线，但小圆半径大于表4规定时可以不设置回旋线。

表3不设置回旋线的圆曲线临界半径

设计速度(km/h)	120	100	80	60	40	30	20
								临界圆曲线半径(m)	5500	4000	2500	1500	600	350	150

表4不设置回旋线的小圆临界圆曲线半径

设计速度(km/h)	120	100	80	60	40	30
							临界圆曲线半径(m)	2100	1500	900	500	250	130

c.最大最小坡长设置

公路在纵向坡路上，不同的设计时速和不同坡度的纵向坡路的长度有相应的限制，纵向坡坡的最小坡长规定如表5，纵向坡坡最大坡长和坡度规定如表6。

表5不同纵向坡路最小坡长

设计速度(km/h)	120	100	80	60	40	30	20
								最小坡长（m）	300	250	200	150	120	100	60

表6不同纵向坡路最大坡长（m）

d.公路纵向坡路变化处的竖曲线设置

竖曲线道路:当前后两段道路的垂直坡度不同时，它们中间需要设置一段竖曲线道路，竖曲线道路是一条圆弧，其作用是缓和前后两段道路坡度的突变，避免车辆在道路连接处产生较大冲击，保证车辆安全行驶，同时也使得道路更加美观。竖曲线最小半径与竖曲线长度规定如表7。

表7竖曲线最小半径与竖曲线长度

4）确定回旋线道路

参阅图2，对于水平方向上的直线道路和圆曲线道路，以及不同半径的两个圆曲线道路之间，为了避免道路曲率发生突变而影响交通安全，需要在它们之间设置一段回旋线道路来缓和曲率的变化。所以在基本道路模型元件库中应该包含各种情况下的回旋线道路基本元件。由于回旋线道路的曲率是不断变化的，本发明所述的一种复杂道路的建模方法中专门设计了一种确定回旋线道路的方法，其基本原理是用若干段曲率渐变（单调递增或单调递减）的圆曲线近似等效回旋线，其中每一段圆曲线都可看作是一段独立的基本道路模型元件，具备基本道路模型元件具有的所有水平方向的属性。回旋线的起点为大地坐标系原点，并在原点处与坐标系X轴相切。回旋线道路模型生成程序的流程示意图如图中所示，其中初始化参数设置包括前后道路曲线的半径（直线道路半径为无穷大，计算机编程时可设置为一个足够大的常数，如100000000）、转弯方向以及回旋线被分割的段数（该段数视回旋线长度、前后道路曲率变化范围和仿真精度要求而定）。生成回旋线道路的基本原理可由如下推导公式表示：

其中：R₁、R₂.回旋线所连接的前、后道路曲线的半径（若道路为直线，可以设置为一个足够大的常数）；L.回旋线的长度；n.回旋线被分割的段数；由于规定回旋线的起点是大地坐标系的原点，并在原点处与坐标系X轴相切，所以，x₀=0，y₀=0，

在回旋线道路信息生成之后，将这些信息按照定义好的道路属性格式保存在电子文件当中，该流程结束。

5）确定竖曲线道路

参阅图3，由于竖曲线道路的坡度是渐变的，本发明所述的一种复杂道路的建模方法中专门设计了一种确定竖曲线的方法，该方法是利用若干条坡度渐变（单调递增或单调递减）的道路首尾相连近似等效竖曲线，其中每一条坡路都可看作是一段独立的基本道路模型元件，具备基本道路模型元件具有的所有垂直方向的属性。竖曲线的起点为大地坐标系原点，并在原点处与坐标系X轴相切。竖曲线道路模型生成的流程如图中所示，其中初始化参数设置包括竖曲线前后道路的坡度、竖曲线长度、竖曲线半径和竖曲线被分割的段数（分割的段数可以视竖曲线的长度、半径和实际仿真精度而定）。生成竖曲线道路的基本原理可由如下推导公式表示：

△L＝L/n

$z_{i+1}=z_i+\mathrm{\Δ}L\sin [p_1+\frac{p_2-p_1}{n}(i+1)]$

其中：L.竖曲线长度，n.竖曲线被分割的段数，p₁、p₂.竖曲线前后道路的坡度,z₀.竖曲线前面道路末端的高度，z_i.分割后第i段竖曲线的末端高度（i＝0…n）。

在竖曲线道路生成之后，将这些信息按照定义好的道路属性格式保存在电子文件当中，该流程结束。

6）定义道路不平度等级

根据道路垂直方向属性确定的道路，无论是平坦道路，竖曲线道路还是坡路，其表面是绝对平坦的，没有一点波动，这不符合实际道路的情况。真实道路的表面总是会有一些幅值不等的随机波动，只是不同等级的道路其波动幅值不同，比如山路和高速公路的表面波动幅值就相差很大。起伏不平的道路是造成车辆垂直振动的最主要的原因。因此，在研究悬架系统的过程中，首先要研究的就是地面干扰输入的特性。通常把路面垂直方向上相对基准平面的高度q，沿着道路纵向长度x的变化函数q(x)称作路面不平度函数，或者也叫路面纵断面曲线。由于道路表面轮廓具有很强的随机性，在不同的路段测量很难获得两个完全相同的道路不平度曲线。所以，通常的做法是通过实验测量得到大量的随机路面不平度数据，然后在计算机上进行统计特性分析，求出路面不平度的功率谱密度。根据国家标准GB7031《车辆振动输入——路面平度表示》的规定，路面功率谱密度的表达式为：

$G_q\left(n\right)=G_q\left(n_0\right){\left(\frac{n}{n_0}\right)}^{-w}$

式中：n.表示空间频率，单位.m^-1，表示每一米长度的道路中包含多少个波长；n₀.参考空间频率，一般取值为n₀＝0.1m^-1；G_q(n₀).参考空间频率下的道路功率谱密度，被称为路面不平度系数，单位.m²/m^(-1)；W.频率指数，它决定了路面功率谱密度的频率结构，对于分级路面而言，一般取值为W＝2。此外，还可以采用不平度函数q(x)对纵向长度x的一阶导数和二阶导数，即速度功率谱密度

和加速度功率谱密度来补充描述道路表面的统计特性，其表达式分别如下：

$\left\{\begin{array}{c}{G}_{\stackrel{\·}{q}}\left(n\right)={\left(2\mathrm{\πn}\right)}^2{G}_q\left(n\right)\\ G_{\stackrel{\·\·}{q}}\left(n\right)={\left(2\mathrm{\πn}\right)}^4{G}_q\left(n\right)\end{array}\right.$

当w＝2时，速度功率谱密度可以表示为：

$G_{\stackrel{\·}{q}}\left(n\right)={\left(2\mathrm{\π}{n}_0\right)}^2{G}_q\left(n_0\right)$

显然，道路速度功率谱密度的幅值是一个与频率无关的常数，即一个“白噪声”。为了方便分析，一般将空间频率转换为时间频率，假设车速为v，二者之间的关系为：f＝n·V，则速度功率谱密度可写成：

那么路面不平度函数可以由下式描述：

$\stackrel{\·}{q}=2\mathrm{\π}{n}_0\sqrt{G_q\left(n_0\right)V}w\left(t\right)$

其中：w(t).均值为零，强度为1的白噪声；V.道路设计车速。那么，道路不平度函数q就可通过上式得到，将上面生成的表面绝对平坦的道路各点处Z方向坐标与q相叠加就可以得到各个等级的道路。根据国家标准GB/T7031-2005中的规定，本发明依据功率谱密度的值将路面分为8个等级的不平度，具体见如表8。根据以上方法原理，设置道路模型元件的对应路面属性，使得表面绝对平坦的道路成为具有不同路面等级的道路。

表8.道路分级（来自国家标准GB/T7031-2005）

2.建立基本道路模型元件库

在定义了基本道路模型元件库之后，就可以根据道路形状和道路等级进行分类，建立不同形状与等级的基本道路模型元件，并将这些基本道路模型元件保存在对应的道路信息文件中，以组成一个基本道路模型元件库，以便在需要时从基本道路模型元件库中取出若干基本道路模型元件，并将它们拼接成一个完整的复杂道路模型。

3.设计道路连接方法

参阅图4，基本道路模型元件库建立完成后，我们就可以根据仿真需求，从库中取出若干条基本道路模型元件，将它们连接成一条完整的复杂道路模型。基本道路模型元件连接流程的具体步骤如下：

1）从基本道路模型元件库中选取第一段道路的信息1，加载第一段道路的信息1到流程中；

2）读取第一段道路的信息1中的道路路形和属性信息；

3）从基本道路模型元件库中选取第二段道路的信息2，加载第二段道路的信息2到流程中；

4）读取第二段道路的信息2中的道路路形和属性信息；

5）判断第一段道路的信息1与第二段道路的信息2是否正确，如果正确则进入下一步骤，若不正确，则回到流程的第1）步骤，重新加载道路的信息；

6）按照用户需求，进行用户自定义设置，如道路等级设置；

7）运行道路连接流程，将加载的第一段道路的信息1与第二段道路的信息2连接为新一段道路；

8）将新连接成的道路信息保存在新一段道路的信息3中，道路连接流程运行结束。

道路连接流程的主要原理是将第一条道路末端的坐标（包括X,Y,Z坐标、水平方向末端切线与X轴的夹角、垂直方向上道路末端高度）作为第二条道路的起点，将第二条道路的各项属性作整体平移，进而推算出第二条道路末端的坐标，连接后第二条道路末端坐标表达采用公式：

z＝z₁+z₂

其中：x₁，x₂.第一段道路末端和第二段道路末端的纵向坐标，y₁，y₂.第一段道路末端和第二段道路末端的侧向坐标，z₁，z₂.第一段道路末端和第二段道路末端的垂向坐标，

第一段道路末端切线和第二段道路末端切线与X轴的夹角（正值表示左转，负值表示右转）。

4.提取基本道路元件生成复杂道路

在基本道路模型元件库与道路连接方法建立和设计好之后，就可以根据车辆动力学仿真实验的需要从基本道路模型元件库中提取相应的基本道路模型元件，并利用设计好的道路连接方法将这些基本道路元件按照顺序连接成一条完整的复杂道路。下面就从水平方向和垂直方向两个方向来验证本发明所述的一种复杂道路的建模方法的有效性。

实施例1：

生成复杂道路水平方向形状

为了验证本发明所述的一种复杂道路的建模方法在生成道路水平方向形状的有效性，本实施例专门设计了一组道路的水平方向形状，并将它们连接成为一条复杂道路。

参阅图5至图9，图5所示是一条长600米的水平方向上的直线道路，图6所示是一条半径为1000米的45度左转水平方向上的圆曲线道路，图7是根据直线道路到圆曲线道路的曲率变化生成的一条长100米的水平方向上的左转回旋线道路a，图8是根据圆曲线道路到直线道路的曲率变化生成的一条长100米的左转水平方向上的回旋线道路b。这些道路都作为道路库中水平方向上的一个基本道路模型元件，在需要的时候可以多次重复使用。图9显示的就是将上述基本道路模型元件按照直线道路、左转回旋线道路a、左转圆曲线道路、左转回旋线道路b和直线道路的先后顺序首尾相连而生成的一条水平方向上的复杂道路的形状。将图9中的a和b处进行局部放大，分别得到了图10和图11，其中图11中的虚线是为了更加直观而附加的一条与末端直线道路相平行的参照线，从图10和图11中可以直观得看出，设置了回旋线道路后，直线道路与圆曲线道路之间的过渡非常平滑，完全符合实际道路设计的形状要求。

实施例2

生成垂直方向道路

为了验证本发明所述的一种复杂道路的建模方法在生成道路垂直方向形状的有效性，本实施例专门设计了一组道路的垂直方向形状，并将它们连接成为一条复杂道路。

图12所示是一条长300米的垂直方向上的平坦道路，图13所示是一条长约200米坡度为1%的垂直方向上的上坡道路，图14是根据平坦道路到上坡道路的坡度变化生成的一条长100米的垂直方向上的凹型竖曲线道路，图15是根据上坡道路到平坦道路的坡度变化生成的一条长100米的垂直方向上的凸型竖曲线道路。这些道路都可以作为道路库中垂直方向上的一个基本道路模型元件，在需要的时候可以多次重复使用。图16显示的就是将上述基本道路模型元件按照平坦道路、凹型竖曲线道路、上坡道路、凸型竖曲线道路和平坦道路的先后顺序首尾相连而生成的一条垂直方向上的复杂道路的形状。将附图16中的c和d处进行局部放大，分别得到了图17和图18，从图17和图18中可以直观地看出设置了竖曲线道路后，平坦道路与坡道之间的过渡非常平滑，完全符合实际道路设计的形状要求。

Claims (5)

1.一种复杂道路的建模方法，其特征在于，所述的一种复杂道路的建模方法的步骤如下：

1）定义基本道路模型元件库：

（1）确定道路属性:

a.定义大地坐标系

x轴代表道路的纵向，y轴代表道路的侧向，z轴代表道路的垂向;将道路上的坐标点定义在建立的大地坐标系上，坐标系的原点就是道路的起点，在原点处道路在水平方向和垂直方向都与X轴相切;

b.水平方向属性

道路中心线末端点的x轴、y轴坐标（x,y）,道路中心线末端切线方向与x轴正方向的夹角

c.垂直方向属性

道路中心线末端点的垂直高度z,道路表面的质量系数为0至7，代表不同等级的道路；

（2）确定道路路形：

按照水平方向与垂直方向可以分成以下几种：

a.水平方向：直线道路、圆曲线道路、回旋线道路;

b.垂直方向：平坦道路、坡路即上坡路与下坡路、竖曲线道路即凸曲线路与凹曲线路；

（3）设置道路路形参数：

道路实际设计的过程中，要考虑很多因素，一般对于不同的设计车速对应的道路基本参数都是不同的，所述的一种复杂道路的建模方法中的所有基本道路模型元件设计参数全部参考我国《公路路线设计规范2006》；

（4）确定回旋线道路；

（5）确定竖曲线道路；

（6）定义道路不平度等级;

2）建立基本道路模型元件库；

3）设计道路连接方法；

4）提取基本道路元件生成复杂道路。

2.按照权利要求1所述的一种复杂道路的建模方法，其特征在于，所述的确定回旋线道路的步骤如下：

1）初始化参数设置：

a.前后道路曲线的半径，直线道路半径为无穷大，计算机编程时可设置为一个足够大的常数，如100000000；

b.转弯方向；

c.回旋线被分割的段数，该段数视回旋线长度、前后道路曲率变化范围和仿真精度要求而定；

2）参数设置是否正确，是，进入下一步骤3）；否，回到初始化参数设置；

3）生成回旋线道路：

确定回旋线道路的基本原理由如下推导公式表示：

其中：R₁、R₂.回旋线所连接的前、后道路曲线的半径，若道路为直线，可以设置为一个足够大的常数；L.回旋线的长度；n.回旋线被分割的段数；由于规定回旋线的起点是大地坐标系的原点，并在原点处与坐标系X轴相切，所以，x₀=0，y₀=0，

4）保存回旋线道路的数据。

3.按照权利要求1所述的一种复杂道路的建模方法，其特征在于，所述的确定竖曲线道路的步骤如下：

1）初始化参数设置：

a.竖曲线前后道路的坡度；

b.竖曲线长度；

c.竖曲线半径和竖曲线被分割的段数，分割的段数可以视竖曲线的长度、半径和实际仿真精度而定；

2）参数设置是否正确，是，进入下一步骤3）；否，回到初始化参数设置；

3）生成竖曲线道路：

确定竖曲线道路的基本原理由如下推导公式表示：

△L＝L/n

$z_{i+1}=z_i+\mathrm{\Δ}L\sin [p_1+\frac{p_2-p_1}{n}(i+1)]$

其中：L.竖曲线长度，n.竖曲线被分割的段数，p₁、p₂.竖曲线前后道路的坡度,z₀.竖曲线前面道路末端的高度，z_i.分割后第i段竖曲线的末端高度（i＝0…n）；

4）保存竖曲线道路的数据。

4.按照权利要求1所述的一种复杂道路的建模方法，其特征在于，所述的设计道路连接方法的步骤如下：

1）从基本道路模型元件库中选取第一段道路的信息1，加载第一段道路的信息1到流程中；

2）读取第一段道路的信息1中的道路路形和属性信息；

3）从基本道路模型元件库中选取第二段道路的信息2，加载第二段道路的信息2到流程中；

4）读取第二段道路的信息2中的道路路形和属性信息；

5）判断第一段道路的信息1与第二段道路的信息2是否正确，如果正确则进入下一步骤，若不正确，则回到流程的第1）步骤，重新加载道路的信息；

6）按照用户需求，进行用户自定义设置，如道路等级设置；

7）运行道路连接流程，将加载的第一段道路的信息1与第二段道路的信息2连接为新一段道路；

道路连接流程的主要原理是将第一条道路末端的坐标（包括X,Y,Z坐标、水平方向末端切线与X轴的夹角、垂直方向上道路末端高度）作为第二条道路的起点，将第二条道路的各项属性作整体平移，进而推算出第二条道路末端的坐标，连接后第二条道路末端坐标表达采用公式：

z＝z₁+z₂

其中：x₁，x₂.第一段道路末端和第二段道路末端的纵向坐标，y₁，y₂.第一段道路末端和第二段道路末端的侧向坐标，z₁，z₂.第一段道路末端和第二段道路末端的垂向坐标，

第一段道路末端切线和第二段道路末端切线与X轴的夹角，正值表示左转，负值表示右转；

8）将新连接成的道路信息保存在新一段道路的信息3中，道路连接流程运行结束。

5.按照权利要求1所述的一种复杂道路的建模方法，其特征在于，所述的提取基本道路元件生成复杂道路是指：

在基本道路模型元件库与道路连接方法建立和设计好之后，就可以根据车辆动力学仿真实验的需要从基本道路模型元件库中提取相应的基本道路模型元件，并利用设计好的道路连接方法将这些基本道路元件按照顺序连接成一条完整的复杂道路。

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