CN105427375A - 一种三维路面轮廓生成的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维路面轮廓生成的方法及系统，其中方法包括：对实车所采集的路面功率谱密度数据进行光滑化处理，且基于标准的路面不平度功率谱密度函数模型，应用谐波叠加方法建立与实车采集路面数据所对应的三维路面的轮廓方程；对路面功率谱的空间频率进行离散化处理，基于所述三维路面的轮廓方程，生成三维路面离散轮廓模型；对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，并与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性；在验证结果为数据和模型有效时，将所生成的三维路面离散轮廓模型去尖锐边界，构造平坦边界的三维路面模型。本发明步骤简单，理论严密，对仿真试验计算具有很强的通过性。

Description

一种三维路面轮廓生成的方法及系统

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，特别涉及一种三维路面轮廓生成的方法及系统。

背景技术

汽车路面谱的生成是汽车虚拟试验分析最重要内容之一。在虚拟试验中，路面的模拟对仿真结果有着重要的影响，特别是对汽车的强度、耐久性、平顺性等因素进行评价时，获得准确的路面信息是进行车辆性能分析的关键。

现有多种路面谱仿真方法，例如积分白噪声法、成型滤波白噪声法、谐波叠加法等，但是目前基本停留在对路面谱的二维仿真阶段。为了获取准确详细的路面信息，确需建立3D路面模型应用至仿真过程。基于实际测量我国典型道路的不平度数据，需要建立符合中国道路的三维路面模型，这样对汽车整车及零部件分析更有针对性、更合理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种三维路面轮廓生成的方法及系统，该三维路面轮廓生成的方法及系统，既适用于对路谱采集的处理，又适用于理论路谱的虚拟实现，理论严密，步骤简单，对仿真试验计算具有很强的通过性。

依据本发明的一个方面，提供了一种三维路面轮廓生成的方法，所述方法包括：

对实车所采集的路面功率谱密度数据进行光滑化处理，且基于标准的路面不平度功率谱密度函数模型，应用谐波叠加方法建立与实车采集路面数据所对应的三维路面的轮廓方程；

对路面功率谱的空间频率进行离散化处理，基于所述三维路面的轮廓方程，生成三维路面离散轮廓模型；

对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，并与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性；

在验证结果为数据和模型有效时，将所生成的三维路面离散轮廓模型去尖锐边界，构造平坦边界的三维路面模型。

优选地，所述对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，并与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性，具体包括：

应用维纳-辛钦定理对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，得到简化生成二维的功率谱密度函数；

将得到的所述二维的功率谱密度函数与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性。

优选地，所述将所生成的三维路面离散轮廓模型去尖锐边界，构造平坦边界的三维路面模型，具体为：

计算边界轮廓的加权值；

根据所述加权值和利用三角剖分方法对所生成的三维路面离散轮廓模型进行去尖锐边界处理，构造平坦边界的三维路面模型。

优选地，所述边界轮廓的加权值为：

$W_{ij}=1-\frac{N_a.N_b}{\left|N_a\right|\left|N_b\right|}$

其中，i和j是AB边界的两个端点，N_a是此边界边与最优点C相连接所构成的三角形的法向量，N_b是包含边界边与另外一点D的组成的另一边三角形法向量。

依据本发明的另一个方面，还提供了一种三维路面轮廓生成的系统，包括：

光滑化处理模块，用于对实车所采集的路面功率谱密度数据进行光滑化处理，且基于标准的路面不平度功率谱密度函数模型，应用谐波叠加方法建立与实车采集路面数据所对应的三维路面的轮廓方程；

离散化处理模块，用于对路面功率谱的空间频率进行离散化处理，基于所述三维路面的轮廓方程，生成三维路面离散轮廓模型；

功率谱密度分析模块，用于对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，并与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性；

去尖锐边界模块，用于在验证结果为数据和模型有效时，将所生成的三维路面离散轮廓模型去尖锐边界，构造平坦边界的三维路面模型。

优选地，所述光滑化处理模块包括：

采集数据处理子模块，用于将实车路面采集的数据进行光滑化处理；

二维路面生成子模块，用于生成二维路面时域模型。

优选地，所述去尖锐边界模块包括：

转化子模块，用于将所生成的三维路面转化为3D等效容积路面；

编写子模块，用于编写适用于应用至ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems，机械系统动力学自动分析)软件中，应用MATLAB(MatrixLaboratory,矩阵实验室)编写GUI(GraphicalUserInterface,图形用户接口)控制文件，方便重复生成及修改三维路面轮廓文件；

应用子模块，用于将所生成的路面文件应用至ADAMS中，进行操纵稳定性和平顺性仿真试验。

本发明的实施例具有如下有益效果：

本发明的三维路面轮廓生成的方法及系统，既适用于对路谱采集的处理，又适用于理论路谱的虚拟实现，理论严密、计算准确，步骤简单，对仿真试验计算具有较强的通过性，普遍适用于ADAMS/car对车辆操纵稳定性、平顺性等动力学仿真。

附图说明

图1为本发明的三维路面轮廓生成的方法步骤的示意图；

图2为本发明的步骤103的示意图；

图3为本发明的步骤104的示意图；

图4为本发明所述的系统的连接示意图；

图5为本发明所述的光滑化处理模块的连接示意图；

图6为本发明所述的去尖锐边界模块连接示意图；

图7为本发明中的C级路面不平度时域曲线图；

图8为本发明中的二维路面谱的功率谱密度曲线图；

图9为本发明中的加权三角剖分示意图；

图10为本发明中的三维路面轮廓示意图；

图11为本发明中适用于ADAMS软件的三角剖分数据存放格式的示意图；

图12为本发明中的GUI应用界面示意图；

图13为本发明中的ADAMS操纵稳定性和平顺性仿真试验示意图；

图14为本发明中的三维路面轮廓生成的方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

参见图1，本发明的实施例提供了一种三维路面轮廓生成的方法，该方法包括：

步骤101、对实车所采集的路面功率谱密度数据进行光滑化处理，且基于标准的路面不平度功率谱密度函数模型，应用谐波叠加方法建立与实车采集路面数据所对应的三维路面的轮廓方程；

步骤102、对路面功率谱的空间频率进行离散化处理，基于所述三维路面的轮廓方程，生成三维路面离散轮廓模型；

步骤103、对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，并与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性；

步骤104、在验证结果为数据和模型有效时，将所生成的三维路面离散轮廓模型去尖锐边界，构造平坦边界的三维路面模型。

需要说明的是，在本发明的实施例并不限定步骤101～步骤104中各个步骤之间的先后顺序。

进一步，参见图2，步骤103具体包括：

步骤1031、应用维纳-辛钦定理对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，得到简化生成二维的功率谱密度函数；

步骤1032、将得到的所述二维的功率谱密度函数与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性。

需要说明的是，在本发明的实施例并不限定步骤1031～步骤1032中各个步骤之间的先后顺序。

具体地，对于实车所采集的路面功率谱密度数据一般采用双对数坐标来描述，通常会在高频部分出现剧烈的波动，因而需要进行光滑处理，用一段或几段直线来表示，将上下截止频率[n_l，n_h]，f(0.011·u≤f≤2.83·u)划分为N个区间，用每个区间的中心频率f_{i(i＝1，2...N)}处的谱密度值G_q(f_i)代替G_q(f)在整个小区间的值，则在规定的频率段内对功率谱密度进行平均计算，其光滑化计算公式为：

$G_q\left(f_i\right)=\begin{array}{c}\frac{\[(n_L+0.5)P_f-n_l\left(i\right)\]G_q\left(n_L\right)}{n_h\left(i\right)-n_l\left(i\right)}\\ +\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=n_{L-1}}^{n_{H-1}}{G}_q\left(f_j\right)P_f+\[n_h\left(i\right)-(n_H-0.5)P_f\]G_q\left(n_H\right)}{n_h\left(i\right)-n_l\left(i\right)}\end{array}---\left(1\right)$

式中，G_q(f_i)为第i个频带内的光滑功率谱密度；n_h，n_l分别为频率上下限；P_f为频率分辨率； $n_H=INT(\frac{n_h\left(i\right)}{P_f}+0.5);$ $n_L=INT(\frac{n_l\left(i\right)}{P_f}+0.5).$

这处理方法避免了在高频部分出现的剧烈波动，对路面不平度功率谱密度模型的识别，产生较大误差的影响。

参见图7，依据GB7031《车辆振动输入、路面平度表示方法》规定的路面功率谱密度，对光滑化处理后的数据进行识别，得到与之相对应的功率谱密度模型。

路面功率谱密度G_q(n)用下式作为拟合表达式，

$G_q\left(n\right)=G_q\left(n_0\right){\left(\frac{n}{n_0}\right)}^{-W}---\left(2\right)$

式中，n为空间频率(m^-1)；n₀为空间频率，n₀＝0.1m^-1；G_q(n₀)为参考空间频率n₀下的路面功率谱密度值，单位为m³；W为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面功率谱密度的频率结构。

f＝u·n(3)

式中，f为时间频率(s^-1)；n为空间频率(m^-1)；u为行驶速度。

将空间功率谱密度转为时间功率谱密度，

$G_q\left(f\right)=\frac{G_q\left(n\right)}{u}---\left(4\right)$

将上下截止频率[n_l，n_h]，f(0.011·u≤f≤2.83·u)划分为N个区间，用每个区间的中心频率f_{i(i＝1，2...N)}处的谱密度值G_q(f_i)代替G_q(f)在整个小区间的值，则可以在时间域内用三角级数叠加出来：

$Z\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\sqrt{2G_q\left(f_i\right)\·\mathrm{\Δ}f}\·\sin \[2\mathrm{\π}(f_{i}t+{\mathrm{\α}}_i)\]---\left(5\right)$

式中，α_i为[0，2π]的随机数；Z(t)为垂向位移。参见[代码1]：

参见图8和图10，将常规的二维路面模型扩展生成三维路面离散空间模型，应用式(3)，有：

$f_i=\frac{x}{t}\·n_i---\left(6\right)$

将公式(6)带入公式(5)，并扩展为三维路面模型为：

$Z(x,y)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\sqrt{2G_q\left(f_i\right)\·\mathrm{\Δ}f}\·\sin \[2\mathrm{\π}(f_i\sqrt{x^2+y^2}/u+{\mathrm{\α}}_i(x,y\left)\right)\]---\left(7\right)$

式中，x为车辆行驶纵向位移，y为横向位移。

应用公式(7)，将二维路面模型扩展为三维路面模型，用MATLAB(MatrixLaboratory，矩阵实验室)编程，生成三维路面离散数据。参见[代码2]：

进一步，参见图3，步骤104具体为：

步骤1041、计算边界轮廓的加权值；

步骤1042、根据所述加权值和利用三角剖分方法对所生成的三维路面离散轮廓模型进行去尖锐边界处理，构造平坦边界的三维路面模型。

需要说明的是，在本发明的实施例并不限定步骤1041～步骤1042中各个步骤之间的先后顺序。

进一步，所述边界轮廓的加权值为：

$W_{ij}=1-\frac{N_a.N_b}{\left|N_a\right|\left|N_b\right|}$

其中，i和j是AB边界的两个端点，N_a是此边界边与最优点C相连接所构成的三角形的法向量，N_b是包含边界边与另外一点D的组成的另一边三角形法向量。

具体地，传统的delaunay三角剖分方法(Delaunaytriangulationalgorithm)生成的三维路面轮廓，对于含有尖锐边界轮廓的剖分，会导致仿真试验计算误差趋于无穷大，致使仿真试验不能进行计算。本发明通过计算边界轮廓的加权值来减弱尖锐边界，从而实现轮廓表面的平坦化，增强了仿真试验的通过性。

参见图9，通过引进边界权值W_ij为判断依据：

$W_{ij}=1-\frac{N_a.N_b}{\left|N_a\right|\left|N_b\right|}---\left(4\right)$

其中，i和j是AB边界的两个端点，N_a是此边界边与最优点C相连接所构成的三角形的法向量，N_b是包含边界边与另外一点D的组成的另一边三角形法向量，表示两三角形法向量的余弦值，W_ij反映了轮廓表面局部区域形状的弯曲程度，比如若两个三角形最平坦时，表明法向量同向，此时W_ij达到最小是为0。

通过计算边界权值W_ij来判断平坦与尖端状态，增加这种判断计算，从而改进传统的delaunay三角剖分方法，减弱尖锐边界，从而实现轮廓表面的平坦化，增强了仿真试验的通过性。

在[代码2]基础上增加[代码3]来生成三维路面轮廓。参见[代码3]：

参见图4，依据本发明的另一个方面，还提供了一种三维路面轮廓生成的系统，该系统包括：

光滑化处理模块401，用于对实车所采集的路面功率谱密度数据进行光滑化处理，且基于标准的路面不平度功率谱密度函数模型，应用谐波叠加方法建立与实车采集路面数据所对应的三维路面的轮廓方程；

离散化处理模块402，用于对路面功率谱的空间频率进行离散化处理，基于所述三维路面的轮廓方程，生成三维路面离散轮廓模型；

功率谱密度分析模块403，用于对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，并与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性；

去尖锐边界模块404，用于在验证结果为数据和模型有效时，将所生成的三维路面离散轮廓模型去尖锐边界，构造平坦边界的三维路面模型。

进一步，参见图5，所述光滑化处理模块包括：

采集数据处理子模块501，用于将实车路面采集的数据进行光滑化处理；

二维路面生成子模块502，用于生成二维路面时域模型。

进一步，参见图6，所述去尖锐边界模块包括：

转化子模块601，用于将所生成的三维路面转化为3D等效容积路面；

编写子模块602，用于编写适用于应用至ADAMS软件中，应用MATLAB编写GUI控制文件，方便重复生成及修改三维路面轮廓文件；

应用子模块603，用于将所生成的路面文件应用至ADAMS中，进行操纵稳定性和平顺性仿真试验。

具体地，对所生成的三维路面转化为3D等效容积路面,并编写适用于应用至ADAMS软件中，其编辑格式参见图11；

应用MATLAB编写GUI控制文件，方便重复生成及修改三维路面轮廓文件，参见图12；

将所生成的路面文件应用至ADAMS中，进行操纵稳定性和平顺性仿真试验，参见图13。

参见图14，第一步、首先对实车所采集的路面功率谱密度数据进行光滑化处理，且基于GB_7031规定的路面不平度功率谱密度函数模型，应用谐波叠加方法建立与实车采集路面数据所对应的三维路面的轮廓方程；第二步、对路面功率谱的空间频率进行离散化处理，编写MATLAB程序，生成三维路面离散轮廓模型；第三步、应用维纳-辛钦定理，对所生成的三维路面轮廓进行功率谱密度分析，与国标规定的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性；第四步、应用改进的加权三角剖分方法，将所生成的三维路面数据去尖锐边界，构造平坦边界的三维路面模型，增加了ADAMS/car的路面仿真通过性。

在本发明的实施例中的三维路面轮廓生成的方法及系统，既适用于对路谱采集的处理，又适用于理论路谱的虚拟实现，理论严密、计算准确，步骤简单，对仿真试验计算具有较强的通过性，普遍适用于ADAMS/car对车辆操纵稳定性、平顺性等动力学仿真。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三维路面轮廓生成的方法，其特征在于，所述方法包括：

对实车所采集的路面功率谱密度数据进行光滑化处理，且基于标准的路面不平度功率谱密度函数模型，应用谐波叠加方法建立与实车采集路面数据所对应的三维路面的轮廓方程；

对路面功率谱的空间频率进行离散化处理，基于所述三维路面的轮廓方程，生成三维路面离散轮廓模型；

对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，并与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性；

在验证结果为数据和模型有效时，将所生成的三维路面离散轮廓模型去尖锐边界，构造平坦边界的三维路面模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，并与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性，具体包括：

应用维纳-辛钦定理对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，得到简化生成二维的功率谱密度函数；

将得到的所述二维的功率谱密度函数与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所生成的三维路面离散轮廓模型去尖锐边界，构造平坦边界的三维路面模型，具体为：

计算边界轮廓的加权值；

根据所述加权值和利用三角剖分方法对所生成的三维路面离散轮廓模型进行去尖锐边界处理，构造平坦边界的三维路面模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述边界轮廓的加权值为：

$W_{ij}=1-\frac{N_a.N_b}{\left|N_a\right|\left|N_b\right|}$

其中，i和j是AB边界的两个端点，N_a是此边界边与最优点C相连接所构成的三角形的法向量，N_b是包含边界边与另外一点D的组成的另一边三角形法向量。

5.一种三维路面轮廓生成的系统，其特征在于，所述系统包括：

光滑化处理模块，用于对实车所采集的路面功率谱密度数据进行光滑化处理，且基于标准的路面不平度功率谱密度函数模型，应用谐波叠加方法建立与实车采集路面数据所对应的三维路面的轮廓方程；

离散化处理模块，用于对路面功率谱的空间频率进行离散化处理，基于所述三维路面的轮廓方程，生成三维路面离散轮廓模型；

功率谱密度分析模块，用于对所生成的三维路面离散轮廓模型进行功率谱密度分析，并与标准的路面不平度功率谱密度函数对比，验证数据和模型的有效性；

去尖锐边界模块，用于在验证结果为数据和模型有效时，将所生成的三维路面离散轮廓模型去尖锐边界，构造平坦边界的三维路面模型。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光滑化处理模块包括：

采集数据处理子模块，用于将实车路面采集的数据进行光滑化处理；

二维路面生成子模块，用于生成二维路面时域模型。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述去尖锐边界模块包括：

转化子模块，用于将所生成的三维路面转化为3D等效容积路面；

编写子模块，用于编写适用于应用至ADAMS软件中，应用MATLAB编写GUI控制文件，方便重复生成及修改三维路面轮廓文件；

应用子模块，用于将所生成的路面文件应用至ADAMS中，进行操纵稳定性和平顺性仿真试验。