CN109446573B - 一种构建多维路面仿真模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种构建多维路面仿真模型的方法，具体步骤为：确定路面信息；根据路面信息，建立初步路面三维模型图；对初步路面三维模型图的路面进行网格划分，得到所有网格节点标号、坐标和三角形单元标号、坐标，根据路面信息的路面不平度等级，计算和生成不平度路面高程数据；根据路面形状，在初步路面三维模型图中的网格节点所在平面的法向方向加载不平度路面高程数据；根据更新后的所有网格节点的坐标、网格节点标号、所有三角形单元标号和三角形单元三个顶点坐标，建立路面文件，并进行加载仿真，得到路面仿真模型。有益效果：实现多维公路路面多维建模突破，对多维公路路面实现多维不平度加载，与实际路面更相近，利于汽车模拟测试和仿真。
Description
技术领域
本发明涉及路面仿真技术领域，具体的说是一种构建多维路面仿真模型的 方法。
背景技术
车辆平顺性、操稳性及安全性是汽车重要的性能指标，在设计阶段需要通 过动力学软件及虚拟样机进行研究，而所有研究的基础就是根据工况要求搭建 不同的路面，如平面随机路面、过坑、起伏路，多弯道路，特殊跳跃路，环形 路等。
现阶段国内外对常规路面都进行了研究及技术实现，同时多数多体动力学 软件都自带了不同的路面文件，如机械系统动力学自动分析软件(ADAMS软 件)。但软件自带的路面都是标准定义的路面，相对简单，多数还是2D路面， 在仿真时不直观。其中三维路面的研究也主要停留于“平面三维”，或者是加 载了高程数据的平面三维路面，随机三维路面高程数据的生成方法国内已有多 个专利可参考。
其中在专利名称为：一种三维路面轮廓生成的方法及系统；专利号为：CN201510941232.1的专利文件中提出了加载了高程数据的平面三维路面，但是 该方法只能对直行平面公路进行模拟仿真，并且模拟出的路面也是仅限于三维 路面，无法真实模拟现实生活中的路面。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种构建多维路面仿真模型的方法，通过构 建任意复杂的三维路面，再结合网格划分，提取网格节点和单元信息，最后 编辑相应的路面文件而实现模型建立。其中路面文件还可加载各种等级不平 度路面，建立的模型不仅仅限于现有技术中的平面直行路面，可以实现多维路 面建立。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种构建多维路面仿真模型的方法，其关键技术在于具体步骤为：
S1：确定路面信息，该路面信息至少包括路面形状、路面不平度等级、路 面辅助设备安装信息、路面尺寸；
其中，路面形状至少包括平面路面、起伏路面；其中平面路面至少包括平 面直行路面、平面曲线行驶路面；起伏路面包括起伏直行路面、起伏曲线行驶 路面；
路面不平度等级根据国际不平度路面等级进行划分，共设八个等级。同时, 规定了各级路面不平度系数Gq(n0)的范围及几何平均值,分级路面谱的频率指 数为W＝2，n0为参考空间频率(n0＝0.1m-1)；Gq(n0)为路面不平度系数(m3)；具 体见表一：
表1：国标8级路面等级
路面辅助设备安装信息：可以是设置在路面上的减速带、井盖等影响常规 汽车行驶路面的设备或者建筑。
路面尺寸至少包括路面宽度、弯曲度和长度。
S2：在Adams软件中，根据步骤S1的路面形状、路面辅助设备安装信息 和路面尺寸，建立初步路面三维模型图；
S3：将步骤S2中的初步路面三维模型图送入CAE软件，对初步路面三维模 型图的路面进行网格划分，其中网格划分单元为三角形单元，得到N个网格节 点和M个三角形单元，对N个网格节点和M个三角形单元进行标号，并建立 坐标系，得到所有网格节点标号以及网格节点对应的坐标、所有三角形单元标 号和三角形单元三个顶点坐标；其中，单元类型为三角形单元，三角形边长大 小一般定义为0.2-0.4m。
S4：根据步骤S1中的路面不平度等级，计算和生成不平度路面高程数据；
S5：根据步骤S1中的路面形状，在初步路面三维模型图中N个网格节点所 在平面的法向方向加载不平度路面高程数据，对N个网格节点的坐标、所有三 角形单元三个顶点坐标进行更新；
S6：根据步骤S5得到的更新后的N个网格节点的坐标、网格节点标号、所 有三角形单元标号和三角形单元三个顶点坐标，建立路面文件，并进行加载仿 真，得到路面仿真模型。
通过上述设计，首先，可以构建不同形状、分布的路面，可构建三维公路， 例如螺旋公路、错位起伏公路、上坡公路、环形公路，并且对于公路路面可以 从多维角度，结合实际路面粗糙度，加载路面的不平度。构建的公路与实际公 路更加贴近。解决现有技术只能构建直行平面公路的缺陷。
进一步的，在步骤S1中的路面信息或为根据仿真目的对路面形状、路面辅 助设备安装信息、路面尺寸数据进行设定；路面信息或为对实际路面进行扫描 得到的路面形状、路面辅助设备安装信息、路面尺寸数据。
进一步的，所述路面形状至少包括平面路面、起伏路面；其中平面路面至 少包括平面直行路面、平面曲线行驶路面；起伏路面包括起伏直行路面、起伏 曲线行驶路面。
再进一步的，S4中计算和生成不平度路面高程数据的步骤为：
S41：根据步骤S1中设定的路面不平度等级，得到该路面不平度等级对应 的路面不平度系数，并计算路面空间位移功率谱密度；
S42：根据车速将空间频率谱密度Gq(n)换算为时间频率谱密度Gq(f)；
其中，
Gq(n)为路面空间位移功率谱密度；
n为空间频率(m-1)；
n0为参考空间频率(n0＝0.1m-1)；
Gq(n0)为路面不平度系数(m3)；
W为频率指数,决定路面谱的频率结构；
根据车速将空间频率谱密度Gq(n)换算为时间频率谱密度Gq(f),由时间频 率f＝un(u为车速),取频率指数W＝2,得到路面时间频率谱密度为：
S43：根据时间频率谱密度Gq(f)，取空间上下频率，在时间域内用三角级 数进行叠加后扩展，生成时间频率谱密度Gq(f)数据文件夹；
将空间上下频率划分为N个区间，用每个区间的中心频率fi(i＝1，2...N) 处的谱密度值Gq(fi)代替Gq(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：
S44：根据时间频率谱密度Gq(f)数据生成基准平面的高度q在时间域内的 变化q(t)数据；
S45：根据基准平面的高度q在时间域内的变化q(t)数据得到基准平面的高 度q沿道路走向长度I的变化q(I)，根据步骤S1的路面信息，定义路面设置， 在Matlab软件中，编写Matlab程序，生成GUI界面，得到不平度路面高程数 据。其中，在GUI界面中的模拟的随机路面中，其矩阵元素排列和初步路面三 维模型的网格节点数排列一致。
再进一步描述，在步骤S5中，可根据路面形状对加载不平度路面高程数据 的方式进行不同的选择，若路面形状为平面路面，加载不平度路面高程数据的 内容为：
设初步路面三维模型中网格节点坐标为x1(i)，y1(i),z1(i)；
加载加载不平度路面高程数据后相对应节点坐标为x2(i)，y2(i),z2(i)；
其中：x2(i)＝x1(i)；y2(i)＝y1(i)；z2(i)＝z1(i)+zm(i)；
i＝1，2,3…N，N为网格节点数；zm(i)为沿Z轴方向加载的不平度路面高程 数据。
则在步骤S5中，若路面形状为起伏路面，是在初步路面三维模型图中N个 网格节点中任一网格节点A所在平面的法向方向加载不平度路面高程数据，具 体的内容为：
S51：计算网格节点A法向矢量在全局坐标系下法向的空间笛卡尔坐标角α， β，γ，空间笛卡尔坐标角α，β，γ分别为沿x，y，z轴向的夹角；
S52：根据网格节点A的法向的空间笛卡尔坐标角，计算该网格节点A的 不平度路面高程数据；
x(i)'＝zm(i)*cos(α)；
y(i)'＝zm(i)*cos(β)；
z(i)'＝zm(i)*cos(γ)；
i＝1，2,3…N，N为网格节点数；
zm(i)为沿Z轴方向加载的不平度路面高程数据；
S53：加载网格节点A所在平面的法向方向加载不平度路面高程数据；
设初步路面三维模型中网格节点坐标为x1(i)，y1(i),z1(i)；
加载加载不平度路面高程数据后相对应节点坐标为x2(i)，y2(i),z2(i)；
x2(i)＝x1(i)+x(i)'＝x1(i)+zm(i)*cos(α)；
y2(i)＝y1(i)+y(i)'＝y1(i)+zm(i)*cos(β)；
z2(i)＝z1(i)+z(i)'＝z1(i)+zm(i)*cos(γ)。
步骤S6中所述的路面文件包括固定表头、三角形单位定义、网格节点坐标、 三角形单元；
建立路面文件时，采用步骤S5更新得到的所有网格节点、三角形单元及对 应的网格节点对应坐标和三角形单元三个顶点坐标进行替换。
进一步的，在步骤S2中，所述初步路面三维模型图是在Adams软件中建立；
在步骤S3中，网格划分在CAE软件内进行；
在步骤S4和步骤S5中，不平度路面高程数据生成和加载是在Matlab软件中 进行；
在步骤S6中的生成路面文件和加载仿真均在Adams软件中进行。
本发明的有益效果：实现多维公路路面多维建模突破，对多维公路路面实 现多维不平度加载，与实际路面更相近，有利于汽车模拟测试和仿真。
附图说明
图1是本发明构建多维路面仿真模型流程图；
图2是多种形状路面的初步路面三维模型图；
图3是网格划分示意图；
图4是计算和生成不平度路面高程数据流程图；
图5是路面形状为平面的不平度路面高程数据加载示意图；
图6是路面形状为起伏片面的不平度路面高程数据加载示意图；
图7是路面形状为起伏片面的网格节点法向矢量在全局坐标下的夹角图；
图8是Matlab程序和GUI界面示意图；
图9是固定表头、三角形单位定义、网格节点坐标、三角形单元的路面文 件示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
一种构建多维路面仿真模型的方法，结合图1，具体步骤为：
S1：确定路面信息，该路面信息至少包括路面形状、路面不平度等级、路 面辅助设备安装信息、路面尺寸；
在步骤S1中的路面信息或为根据仿真目的对路面形状、路面辅助设备安装 信息、路面尺寸数据进行设定；路面信息或为对实际路面进行扫描得到的路面 形状、路面辅助设备安装信息、路面尺寸数据。
其中，路面形状至少包括平面路面、起伏路面；其中平面路面至少包括平 面直行路面、平面曲线行驶路面；起伏路面包括起伏直行路面、起伏曲线行驶 路面；
路面不平度等级根据国际不平度路面等级进行划分，共设八个等级分别为： A、B、C、D、E、F、G、H。
同时,规定了各级路面不平度系数Gq(n0)的范围及几何平均值,分级路面谱 的频率指数为W＝2，n0为参考空间频率(n0＝0.1m-1)；Gq(n0)为路面不平度系 数(m3)；具体见表一。
路面辅助设备安装信息：可以是设置在路面上的减速带、井盖等影响常规 汽车行驶路面的设备或者建筑。路面尺寸至少包括路面宽度、弯曲度和长度。
S2：在Adams软件中，根据步骤S1的路面形状、路面辅助设备安装信息 和路面尺寸，建立初步路面三维模型图；具体见图2。
S3：结合图3，在CAE软件中，对步骤S2中的初步路面三维模型图的路面 进行网格划分，图3为对螺旋爬升路面进行的网格划分。其中网格划分单元为 三角形单元，得到N个网格节点和M个三角形单元，对N个网格节点和M个 三角形单元进行标号，并建立坐标系，得到所有网格节点标号以及网格节点对 应的坐标、所有三角形单元标号和三角形单元三个顶点坐标；具体为：
在本实施例中，其中，单元类型为三角形单元，三角形边长为0.3m。
S4：根据步骤S1中的路面不平度等级，计算和生成不平度路面高程数据；
结合图4可以看出，具体计算和生成不平度路面高程数据的步骤为：
S41：根据步骤S1中设定的路面不平度等级，得到该路面不平度等级对应 的路面不平度系数，并计算路面空间位移功率谱密度；
Gq(n)为路面空间位移功率谱密度；
n为空间频率(m-1)；
n0为参考空间频率(n0＝0.1m-1)；
Gq(n0)为路面不平度系数(m3)；
W为频率指数,决定路面谱的频率结构。
在本实施例中，设定路面不平度等级为B级别。结合表一可以得到对应的 路面不平度系数和几何平均值。
S42：根据车速将空间频率谱密度Gq(n)换算为时间频率谱密度Gq(f)；
由时间频率f＝un(u为车速),取频率指数W＝2,得到路面空间位移功率谱密 度为：
S43：根据时间频率谱密度Gq(f)，取空间上下频率，在时间域内用三角级 数进行叠加后扩展，生成时间频率谱密度Gq(f)数据文件夹；
S44：根据时间频率谱密度Gq(f)数据生成基准平面的高度q在时间域内的 变化q(t)数据；
S45：根据基准平面的高度q在时间域内的变化q(t)数据得到基准平面的高 度q沿道路走向长度I的变化q(I)，根据步骤S1的路面信息，定义路面设置， 编写Matlab程序，生成GUI界面，得到不平度路面高程数据。
其中，Matlab程序和GUI界面详见图8：
S5：根据步骤S1中的路面形状，在初步路面三维模型图中N个网格节点所 在平面的法向方向加载不平度路面高程数据，对N个网格节点的坐标、所有三 角形单元三个顶点坐标进行更新；
步骤S5中，若路面形状为平面路面，结合图5可以看出，加载不平度路面 高程数据的内容为：
设初步路面三维模型中网格节点坐标为x1(i)，y1(i),z1(i)；
加载加载不平度路面高程数据后相对应节点坐标为x2(i)，y2(i),z2(i)；
其中：x2(i)＝x1(i)；y2(i)＝y1(i)；z2(i)＝z1(i)+zm(i)；
i＝1，2,3…N，N为网格节点数；zm(i)为沿Z轴方向加载的不平度路面高程 数据。在本实施中，该zm(i)为Matlab生成的Z向坐标。
步骤S5中，结合图6和图7可以看出，若路面形状为起伏路面，是在初步 路面三维模型图中N个网格节点中任一网格节点A所在平面的法向方向加载不 平度路面高程数据，具体的内容为：
S51：计算网格节点A法向矢量在全局坐标系下法向的空间笛卡尔坐标角α， β，γ，空间笛卡尔坐标角α，β，γ分别为沿x，y，z轴向的夹角；
S52：根据网格节点A的法向的空间笛卡尔坐标角，计算该网格节点A的 不平度路面高程数据；
x(i)'＝zm(i)*cos(α)；
y(i)'＝zm(i)*cos(β)；
z(i)'＝zm(i)*cos(γ)；
i＝1，2,3…N，N为网格节点数；
zm(i)为沿Z轴方向加载的不平度路面高程数据；
S53：加载网格节点A所在平面的法向方向加载不平度路面高程数据；
设初步路面三维模型中网格节点坐标为x1(i)，y1(i),z1(i)；
加载加载不平度路面高程数据后相对应节点坐标为x2(i)，y2(i),z2(i)；
x2(i)＝x1(i)+x(i)'＝x1(i)+zm(i)*cos(α)；
y2(i)＝y1(i)+y(i)'＝y1(i)+zm(i)*cos(β)；
z2(i)＝z1(i)+z(i)'＝z1(i)+zm(i)*cos(γ)。
S6：根据步骤S5得到的更新后的N个网格节点的坐标、网格节点标号、所 有三角形单元标号和三角形单元三个顶点坐标，建立路面文件，并进行加载仿 真，得到路面仿真模型。在本实施例中，步骤S6中的生成路面文件和加载仿真 均在Adams软件中进行。
结合图9可以看出，步骤S6中所述的路面文件包括固定表头、三角形单位 定义、网格节点坐标、三角形单元。：
建立路面文件时，采用步骤S5更新得到的所有网格节点、三角形单元及对 应的网格节点对应坐标和三角形单元三个顶点坐标进行替换。
结合图7可以得到平整螺旋爬升路面仿真和不平度为B级的螺旋爬升路面 仿真示意图，并得到对应仿真汽车底盘重心垂向加速度曲线图，从图7可以看 出，平整螺旋爬升路面仿真时，得到的汽车底盘重心垂向加速度曲线图过于理 想化，和现实数据不符。而不平度为B级的螺旋爬升路面仿真得到的汽车底盘 重心垂向加速度曲线图则与现实更为接近，仿真效果好。
应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上 述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改 性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种构建多维路面仿真模型的方法，其特征在于具体步骤为：
S1：确定路面信息，该路面信息至少包括路面形状、路面不平度等级、路面辅助设备安装信息、路面尺寸；
S2：根据步骤S1的路面形状、路面辅助设备安装信息和路面尺寸，建立初步路面三维模型图；
S3：对步骤S2中的初步路面三维模型图的路面进行网格划分，其中网格划分单元为三角形单元，得到N个网格节点和M个三角形单元，对N个网格节点和M个三角形单元进行标号，并建立坐标系，得到所有网格节点标号以及网格节点对应的坐标、所有三角形单元标号和三角形单元三个顶点坐标；
S4：根据步骤S1中的路面不平度等级，计算和生成不平度路面高程数据；
计算和生成不平度路面高程数据的步骤为：
S41：根据步骤S1中设定的路面不平度等级，得到该路面不平度等级对应的路面不平度系数，并计算路面空间位移功率谱密度；
S42：将车速将空间频率谱密度Gq(n)换算为时间频率谱密度Gq(f)；
S43：根据时间频率谱密度Gq(f)，取空间上下频率，在时间域内用三角级数进行叠加后扩展，生成时间频率谱密度Gq(f)数据文件夹；
S44：根据时间频率谱密度Gq(f)数据生成基准平面的高度q在时间域内的变化q(t)数据；
S45：根据基准平面的高度q在时间域内的变化q(t)数据得到基准平面的高度q沿道路走向长度I的变化q(I)，根据步骤S1的路面信息，定义路面设置，生成GUI界面，得到不平度路面高程数据；
S5：根据步骤S1中的路面形状，在初步路面三维模型图中N个网格节点所在平面的法向方向加载不平度路面高程数据，对N个网格节点的坐标、所有三角形单元三个顶点坐标进行更新；
S6：根据步骤S5得到的更新后的N个网格节点的坐标、网格节点标号、所有三角形单元标号和三角形单元三个顶点坐标，建立路面文件，并进行加载仿真，得到路面仿真模型。
2.根据权利要求1所述的一种构建多维路面仿真模型的方法，其特征在于：在步骤S1中的路面信息或为根据仿真目的对路面形状、路面辅助设备安装信息、路面尺寸数据进行设定；路面信息或为对实际路面进行扫描得到的路面形状、路面辅助设备安装信息、路面尺寸数据。
3.根据权利要求2所述的一种构建多维路面仿真模型的方法，其特征在于：所述路面形状至少包括平面路面、起伏路面；其中平面路面至少包括平面直行路面、平面曲线行驶路面；起伏路面包括起伏直行路面、起伏曲线行驶路面。
4.根据权利要求1或3所述的一种构建多维路面仿真模型的方法，其特征在于：步骤S5中，若路面形状为平面路面，加载不平度路面高程数据的内容为：
设初步路面三维模型中网格节点坐标为x1(i)，y1(i),z1(i)；
加载加载不平度路面高程数据后相对应节点坐标为x2(i)，y2(i),z2(i)；
其中：x2(i)＝x1(i)；y2(i)＝y1(i)；z2(i)＝z1(i)+zm(i)；
i＝1，2,3…N，N为网格节点数；zm(i)为沿Z轴方向加载的不平度路面高程数据。
5.根据权利要求1或3所述的一种构建多维路面仿真模型的方法，其特征在于：步骤S5中，若路面形状为起伏路面，是在初步路面三维模型图中N个网格节点中任一网格节点A所在平面的法向方向加载不平度路面高程数据，具体的内容为：
S51：计算网格节点A法向矢量在全局坐标系下法向的空间笛卡尔坐标角α，β，γ，空间笛卡尔坐标角α，β，γ分别为沿x，y，z轴向的夹角；
S52：根据网格节点A的法向的空间笛卡尔坐标角，计算该网格节点A的不平度路面高程数据；
x(i)'＝zm(i)*cos(α)；
y(i)'＝zm(i)*cos(β)；
z(i)'＝zm(i)*cos(γ)；
i＝1，2,3…N，N为网格节点数；
zm(i)为沿Z轴方向加载的不平度路面高程数据；
S53：加载网格节点A所在平面的法向方向加载不平度路面高程数据；
设初步路面三维模型中网格节点坐标为x1(i)，y1(i),z1(i)；
加载加载不平度路面高程数据后相对应节点坐标为x2(i)，y2(i),z2(i)；
x2(i)＝x1(i)+x(i)'＝x1(i)+zm(i)*cos(α)；
y2(i)＝y1(i)+y(i)'＝y1(i)+zm(i)*cos(β)；
z2(i)＝z1(i)+z(i)'＝z1(i)+zm(i)*cos(γ)。
6.根据权利要求1所述的一种构建多维路面仿真模型的方法，其特征在于：步骤S6中所述的路面文件包括固定表头、三角形单位定义、网格节点坐标、三角形单元；
建立路面文件时，采用步骤S5更新得到的所有网格节点、三角形单元及对应的网格节点对应坐标和三角形单元三个顶点坐标进行替换。
7.根据权利要求1所述的一种构建多维路面仿真模型的方法，其特征在于：在步骤S2中，所述初步路面三维模型图是在Adams软件中建立；
在步骤S3中，网格划分在CAE软件内进行；
在步骤S4和步骤S5中，不平度路面高程数据生成和加载是在Matlab软件中进行；
在步骤S6中的生成路面文件和加载仿真均在Adams软件中进行。
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| CN101419724A (zh) * | 2008-12-09 | 2009-04-29 | 东南大学 | 一种应用于虚拟样机系统的三维路面生成方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 三维路面模型的构建及其在Adams中的验证;汤长清;《科技信息》;20110805(第22期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109446573A (zh) | 2019-03-08 |
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