CN108804814A - 一种提取路面谱参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提取路面谱参数的方法，包括如下步骤：步骤一、建立1/4车辆模型，基于国际平整度指数IRI计算模型，建立任意均匀车速u下的广义国际平整度指数IRIE的计算模型；步骤二、基于随机振动理论，得到广义国际平整度指数IRIE与路面谱的关系式；步骤三、基于广义国际平整度指数IRIE与路面谱的关系式，提取频率指数W和路面不平度系数Gq(n0)作为路面谱参数。本发明提供的提取路面谱参数的方法，能够实现大量实测路面谱数据库的建立，高效、低成本的提取路面谱。

Description

一种提取路面谱参数的方法
技术领域
本发明属于路面特征测量技术领域，特别涉及一种提取路面谱参数的方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，汽车产业呈现出前所未有的活力。截止到2017年6月份，我国汽车保有量达2.05亿辆，目前，我国汽车市场规模已稳居世界第一位。在庞大的市场背后，消费者对汽车的舒适性和整体品质有了更高的追求，各大汽车厂商之间的竞争也更为激烈。
2005年，为与世界标准《Mechanical vibration—Road surface profiles—Reporting of measured data(ISO 8608-1995(E)》接轨，中国国家标准化管理委员会出台了《机械振动-道路路面谱测量数据报告(GB/T 7031-2005)》代替原有旧标准《车辆振动输入-路面平度表示方法(GB/T 7031-1986)》，新标准提出了用于描述路面谱的曲线拟合方法，阐述了基于路面谱的道路分级标准。路面谱，是路面不平度功率谱密度的简称，英文为Power Spectral Density(PSD)，是单位频率内的路面高程均方值，其在频域内描述了路面功率分布，直观地定义了路面不平度的短波、中波和长波组成。路面谱，常用于车辆动力学系统研究，如车辆平顺性分析、人体舒适性研究、轮胎动载荷评估、车辆耐久性分析、悬架参数优化以及悬架控制等方面。此外，路面谱也可用于路面等级分类，路面不平度时域模型的重构和生成等方面。众所周知，表征路面谱的两个参数分别是频率指数和路面不平度系数。因此，如何高效、快捷地提取路面谱参数，建立大量实测道路的路面谱数据库，对于汽车厂商掌握未来竞争的主动权具有重要的现实意义。
获取路面谱参数的方法有两类：一类是时间(空间)域方法，另一类是频域方法。时间(空间)域法，是指利用时间(空间)域路面不平度数据，采用傅里叶变换求取功率谱密度，进而提取路面谱参数。频域法，也称频率响应方法，是指利用测量设备的频率响应函数和响应的功率谱密度，提取路面谱参数。
在车辆工程领域，常基于车辆振动响应获取路面谱参数，如基于神经网络、卡尔曼滤波、数值最优、控制-约束等技术的时间(空间)域方法。频域方法是，将测量车辆进行线性化，基于车辆振动响应的功率谱密度，结合频率响应函数获取路面谱参数。目前，基于车辆振动响应提取路面谱参数的方法，虽能一定程度降低测量成本，但测量结果多受车辆模型精度、车辆运行工况、测量操作复杂程度、数据处理运算量和计算效率等因素的制约。
在道路工程领域，常采用国际平整度指数(International Roughness Index，IRI)表征路面不平度，其定义为单位行驶里程内“黄金车辆”悬架动行程的累积量。因其易于获取、时间稳定性好、可传递性强等优点，常用于道路验收、道路设计、路面等级评定、道路管理和维护等方面。常用的IRI测量设备有激光断面仪、红外线断面仪、超声波断面仪、可见光断面仪等。此外，响应类路面平整度仪如颠簸累积平整度仪、连续式平整度仪也可输出国际平整度指数IRI。这些设备具有测量效率高、响应速度快等特点，但多是专为道路工程设计的，测量的指标直接面向国际平整度指数IRI，很少输出路面不平度数据，更不会输出路面谱参数。
发明内容
本发明的目的是提供一种提取路面谱参数的方法，其通过对国际平整度指数进行拓展得到广义国际平整度指数，建立广义国际平整度指数与路面谱的关系，通过上述关系提取路面谱参数，能够实现大量实测路面谱数据库的建立，高效、低成本的提取路面谱。
本发明提供的技术方案为：
一种提取路面谱参数的方法，包括：
步骤一、建立车辆模型，基于国际平整度指数IRI计算模型，建立任意均匀车速ui下的广义国际平整度指数IRIEi的计算模型；
步骤二、建立广义国际平整度指数IRIEi与路面谱的关系式；
步骤三、基于所述步骤二所述关系式，求取频率指数W和路面不平度系数Gq(n0)作为路面谱参数，
其中，所述频率指数W为：
式中，u1和u2分别是两个不同车速，IRIE1和IRIE2分别是u1和u2对应的广义国际平整度指数值；
所述路面不平度系数Gq(n0)为：
其中，或
式中，n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1；f为时间频率，fl为时间频率下限；fu为时间频率上限，为簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数。
优选的是，所述步骤一中建立所述车辆模型参数满足：
其中，ms和mu分别为簧载质量和非簧载质量，ks和kt分别为悬架刚度和轮胎刚度，cs为悬架阻尼。
优选的是，所述广义国际平整度指数IRIEi的计算模型为：
其中，L为汽车行驶的总距离；ui为车速，和分别为簧载质量和非簧载质量的垂直速度。
优选的是，所述广义国际平整度指数IRIEi与路面谱的关系式为：
其中，f为时间频率；fl为时间频率下限，fu为时间频率上限，为簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数，Gq(f)为路面不平度时间频率功率谱密度。
优选的是，所述簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数为：
其中，为簧载质量与非簧载质量相对垂直速度；j为虚数单位；f为时间频率；μ为簧载质量与非簧载质量的比值；c为悬架刚度与簧载质量的比值；k1为轮胎刚度与簧载质量的比值；k2为悬架刚度与簧载质量的比值。
优选的是，所述路面不平度时间频率功率谱密度Gq(f)为：
其中，Gq(n)为路面不平度空间频率功率谱密度，f为时间频率，f＝uin，ui为车速，n为空间频率。
优选的是，路面不平度空间频率功率谱密度Gq(n)为：
其中，n为空间频率；n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1；Gq(n0)为路面不平度系数；W为频率指数。本发明的有益效果是：
1、本发明提供的提取路面谱参数的方法，实现了国际平整度指数IRI与路面谱的双向转化，克服了以往车辆工程学科中，路面谱与车辆振动响应、人体舒适度不相关的缺点，有益于车辆动力学研究；
2、本发明提供的提取路面谱参数的方法，弥补了以往道路工程学科中，国际平整度指数IRI不能反映路面不平度短波、中波和长波分布信息的缺陷，有益于道路验收、管理和维护等；
3、本发明提供的提取路面谱参数的方法，基于道路工程常用的国际平整度指数IRI指标，对其进行拓展，进而实现路面谱参数的提取，有利于车辆工程领域研究者降低路面谱参数测量成本，实现大量实测路面谱参数数据库的建立，提高汽车舒适性和汽车整体品质，进而提升车辆研发竞争力，同时该方法也符合现代汽车研发朝着节能和环保方向发展的要求。
附图说明
图1为本发明所述的提取路面谱参数方法的流程图。
图2为本发明所述的广义国际平整度指数IRIE的1/4车辆模型。
图3为本发明实施例一中的路面JL-6和JL-7的不平度数据。
图4为本发明实施例一中的路面JL-6和JL-7的原始功率谱密度和提取出的功率谱密度对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供了一种提取路面谱参数的方法，包括：
步骤一、建立车辆模型，基于国际平整度指数IRI计算模型，建立任意均匀车速ui下的广义国际平整度指数IRIEi的计算模型：
如图2所示，建立1/4车辆模型，1/4车辆模型参数的选择与描述国际平整度指数IRI的车辆模型参数相同，参数具体值为：
其中，ms和mu分别为簧载质量和非簧载质量，ks和kt分别为悬架刚度和轮胎刚度，cs为悬架阻尼；
基于国际平整度指数IRI的概念，对其拓展，定义任意均匀车速ui下单位行驶里程内悬架动行程累积量为广义国际平整度指数IRIEi，其数学表达式为：
其中，L为汽车行驶的总距离；和分别为簧载质量和非簧载质量的垂直速度，是汽车行驶时间t的函数。
步骤二、建立广义国际平整度指数IRIEi与路面谱的关系式：
基于牛顿定律或者拉格朗日方程，1/4车辆振动系统的动力学方程为：
其中，q为路面激励，和分别为簧载质量和非簧载质量的垂直加速度，μ为簧载质量与非簧载质量的比值；c为悬架刚度与簧载质量的比值；k1为轮胎刚度与簧载质量的比值；k2为悬架刚度与簧载质量的比值。
结合式(3)和式(4)，应用傅里叶变换，求取簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数为：
其中，为簧载质量与非簧载质量相对垂直速度；f为时间频率；j为虚数单位。
基于随机振动理论，可知，零期望正态分布随机变量绝对值分布的期望值，等于零期望正态分布随机变量均方根值的倍。路面不平度激励常被假设为满足零期望正态分布随机过程，因此，式(2)定义的广义国际平整度指数IRIEi可转化为：
式中，为簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的均方根值。
其中，簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的均方根值为：
其中，fl为时间频率下限；fu为时间频率上限；
因此，根据式(6)和式(7)，得到广义国际平整度指数IRIEi与路面谱的关系式为：
式中，Gq(f)为路面不平度时间频率功率谱密度。
其中，路面不平度时间频率功率谱密度Gq(f)为：
式中，Gq(n)为路面不平度空间频率功率谱密度，f＝uin；
路面不平度空间频率功率谱密度Gq(n)的表达式为：
式中，n为空间频率；n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1；Gq(n0)为路面不平度系数；W为功率谱密度的频率指数。
步骤三、基于所述步骤二所述关系式，求取频率指数W和路面不平度系数Gq(n0)作为路面谱参数：
(1)频率指数的提取
结合式(8)、式(9)和式(10)，则有：
引入
则广义国际平整度指数IRIEi为：
结合式(13)，不同车速u1和u2对应的广义国际平整度指数IRIE1和IRIE2分别为：
基于式(13)和式(14)，求取频率指数W为：
(2)路面不平度系数的提取
结合式(12)、式(13)和式(16)，求取路面不平度系数Gq(n0)为：
其中，
或
实施例一
车载机械式累积颠簸仪，具有效率高、操作简单、成本低等优点，在道路工程建设中应用较为普遍。本实施例以车载机械式累积颠簸仪为提取路面谱参数的测量工具。选用的某型号车载机械式累积颠簸仪测试速度为30～80km/h，测试幅值范围为-20～20cm，最小分辨率为1mm，该颠簸仪可同时输出累积颠簸值VBI(cm/km)和国际平整度指数IRI(m/km)指标。
在吉林大学南岭校区校园内，选择7段100米长的路面，编号分别为JL-1、JL-2、JL-3、JL-4、JL-5、JL-6和JL-7，其中5段路面(JL-1、JL-2、JL-3、JL-4和JL-5)用于累积颠簸值VBI和广义国际平整度指数IRIE相关关系的建立，剩余2段路面(JL-6和JL-7)用于测量校验。将测试路面打扫干净，采用DAPPRES自动化路面纵断面剖面仪，获取路面不平度数据，其中2段路面数据(JL-6和JL-7)，如图3所示。基于美国材料与试验协会发布的标准《StandardPractice for Computing International Roughness Index of Roads fromLongitudinal Profile Measurements(ASTM E1926-98)》给出的程序代码，分别计算速度u1＝40km/h和u2＝80km/h对应的广义国际平整度指数IRIE1和IRIE2。在本实施例中，设定车载机械式累积颠簸仪的测试速度分别为40km/h和60km/h，即车载机械式累积颠簸仪分别以测试速度40km/h和60km/h驶过上述7段路面。
在测试速度40km/h时，建立累积颠簸值VBI与速度u1＝40km/h对应的广义国际平整度指数IRIE1的回归模型为：
IRIE1＝0.0296VBI+0.2496，R2＝0.9683 (20)；
在测试速度60km/h时，建立累积颠簸值VBI与速度u2＝80km/h对应的广义国际平整度指数IRIE2的回归模型为：
IRIE2＝0.03247VBI+0.2030，R2＝0.9596 (21)；
将待测量校验的2段路面(JL-6和JL-7)的累积颠簸值VBI分别代入式(20)和(21)，求取相应的IRIE1和IRIE2值，基于式(16)、(17)、(18)和(19)，完成2段路面JL-6和JL-7的路面谱参数提取，其中时间频率上、下限分别取fu＝30Hz，fl＝0Hz。
表1为提取的2段路面JL-6和JL-7的不平度信息。图4为2段路面JL-6和JL-7的原始功率谱密度和经本发明提取的功率谱密度。与路面原始功率谱密度比较可知，经本发明提取出来的路面功率谱密度能够真实反映路面不平度信息，与路面原始功率谱密度较为吻合，可直接用于路面谱数据库的建立。
表1路面JL-6和JL-7的累积颠簸值、广义国际平整指数和路面谱参数
基于车载机械累积颠簸仪提取的路面谱参数，为道路工程师们分析路面不平度短波、中波和长波的分布，制定道路管理和维护方案提供了重要依据；为车辆工程师们评价路面和选择适当路面用于车辆研究提供了数据支持；同时，直接基于道路工程的仪器设备实现路面谱数据库的建立，大大降低了车辆工程领域获取路面谱的成本。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种提取路面谱参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立车辆模型，基于国际平整度指数IRI计算模型，建立任意均匀车速ui下的广义国际平整度指数IRIEi的计算模型；
步骤二、建立广义国际平整度指数IRIEi与路面谱的关系式；
步骤三、基于所述步骤二所述关系式，求取频率指数W和路面不平度系数Gq(n0)作为路面谱参数，
其中，所述频率指数W为：
式中，u1和u2分别是两个不同车速，IRIE1和IRIE2分别是u1和u2对应的广义国际平整度指数值；
所述路面不平度系数Gq(n0)为：
其中，或
式中，n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1；f为时间频率，fl为时间频率下限；fu为时间频率上限，为簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数。
2.根据权利要求1所述的提取路面谱参数的方法，其特征在于，所述步骤一中建立所述车辆模型参数满足：
其中，ms和mu分别为簧载质量和非簧载质量，ks和kt分别为悬架刚度和轮胎刚度，cs为悬架阻尼。
3.根据权利要求2所述的提取路面谱参数的方法，其特征在于，所述广义国际平整度指数IRIEi的计算模型为：
其中，L为汽车行驶的总距离；ui为车速，和分别为簧载质量和非簧载质量的垂直速度。
4.根据权利要求3所述的提取路面谱参数的方法，其特征在于，所述广义国际平整度指数IRIEi与路面谱的关系式为：
其中，f为时间频率；fl为时间频率下限，fu为时间频率上限，为簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数，Gq(f)为路面不平度时间频率功率谱密度。
5.根据权利要求4所述的提取路面谱参数的方法，其特征在于，所述簧载质量与非簧载质量相对垂直速度的频率响应函数为：
其中，为簧载质量与非簧载质量相对垂直速度；j为虚数单位；f为时间频率；μ为簧载质量与非簧载质量的比值；c为悬架刚度与簧载质量的比值；k1为轮胎刚度与簧载质量的比值；k2为悬架刚度与簧载质量的比值。
6.根据权利要求4或5所述的提取路面谱参数的方法，其特征在于，所述路面不平度时间频率功率谱密度Gq(f)为：
其中，Gq(n)为路面不平度空间频率功率谱密度，f为时间频率，f＝uin，ui为车速，n为空间频率。
7.根据权利要求6所述的提取路面谱参数的方法，其特征在于，路面不平度空间频率功率谱密度Gq(n)为：
其中，n为空间频率；n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1；Gq(n0)为路面不平度系数；W为频率指数。
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