專利名稱：基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于儀器儀表領(lǐng)域，特別是公路工程儀器領(lǐng)域，該發(fā)明涉及一種激光平整 度測量系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種利用加速度計加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)和方 法。
背景技術(shù)：
路面平整度主要反映的是路面縱斷面剖面曲線的平整性，當(dāng)路面縱斷面剖面曲線 相對平滑時，則表示路面相對平整，或平整度相對好，反之則表示平整度相對差，好的路面 則要求路面平整度也要好。路面平整度是路面評價及路面施工驗收中的一個重要指標(biāo)。平整度直接反映了車 輛行駛的舒適度及路面的安全性和使用期限。路面平整度的檢測能為決策者提供重要的信 息，使決策者能為路面的維修，養(yǎng)護(hù)及翻修等做出優(yōu)化決策。另一方面，路面平整度的檢測 能準(zhǔn)確地提供路面施工質(zhì)量的信息，為路面施工提供一個質(zhì)量評定的客觀指標(biāo)。在20世紀(jì)70、80年代，平整度測量設(shè)備主要是水平儀、三米直尺等，測試精度低、 速度慢，一般只能抽樣調(diào)查；到90年代初，檢測手段有一定的提高，如連續(xù)式平整度儀，但 仍存在可重復(fù)性差、測試速度慢的缺點。在當(dāng)今的路面平整度測量中，主要的平整度指標(biāo)為國際平整度指標(biāo) IRI (International Roughness Index)。國際平整度指標(biāo)IRI是被廣泛采用的路面平整度 指標(biāo)。國際平整度指標(biāo)IRI的優(yōu)點是具有很強(qiáng)的時間穩(wěn)定性和空間穩(wěn)定性，這使得不同時 間和地點檢測的國際平整度指標(biāo)IRI值可進(jìn)行直接比較。國際平整度指標(biāo)IRI的計算是基于四分之一車輛仿真模型，如圖1所示。四分之 一車輛仿真模型用于模擬車輛機(jī)械系統(tǒng)在路面縱斷面曲線輸入的激勵下的動態(tài)響應(yīng)。通過 四分之一車輛仿真模型計算模型車車輛懸掛系統(tǒng)的單向位移量，將各次計算的單向位移值 累加(單位為m)并與路段長度相除(單位為km)，既可以得到國際平整度指標(biāo)IRI，其單位 為 m/km。


圖1所示的動力學(xué)方程為
國際平整度定義為
L為測量的距離，利用傳遞矩陣法對(1)，(2)，(3)進(jìn)行計算分析，可以得到
Za (r + ΔΟ = Zu (t) + MZu (0 + i (Δ )2 Zu (ο+\(Δ03 z (r + “)
36(5)JRI = ^tK-zJ
L '=> ( 6 )L為測量的距離，這樣根據(jù)實際路面平整度的情況，就可以由(4)，(5)，(6)求出國 際平整度指標(biāo)IRI。路面平整度的傳統(tǒng)測量方法主要分為兩大類第一類為縱斷面測定(直接式檢 測)，即測出路面縱斷面剖面曲線，然后對測出的縱斷面曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)分析得出平整度指 標(biāo)。第二類為車輛對路面的反應(yīng)測定(響應(yīng)式檢測)，即測出車輛對路面縱斷面變化的力學(xué) 響應(yīng)，然后對測出的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析得出平整度指標(biāo)。通常，第一類檢測方法可用于路面施工質(zhì)量驗收與評價，而第二類檢測方法主要 用于路面周期性評價。但第二類檢測儀器常要借助于第一類檢測儀器進(jìn)行指標(biāo)檢定。對直接式檢測類平整度檢測儀而言，主要的平整度指標(biāo)就是國際平整度指標(biāo)IRI。 幾乎所有的自動化路面斷面曲線檢測系統(tǒng)(直接式檢測類)都包含國際平整度指標(biāo)IRI的 計算軟件包。因此只要獲得路面縱斷面剖面曲線，就能較易獲得國際平整度指標(biāo)IRI。而響應(yīng)式檢測類的檢測對象主要包括檢測車輛的動態(tài)垂直加速度和垂直位移。當(dāng) 平整度檢測儀檢測的對象是車輛的動態(tài)垂直加速度時，此類平整度檢測儀可歸為電子響應(yīng) 式檢測類；當(dāng)平整度檢測儀檢測的對象是車輛的動態(tài)垂直向累積位移量時，此類平整度檢 測儀可歸為機(jī)械響應(yīng)式檢測類。對電子響應(yīng)式檢測類儀器而言，由于其檢測的對象是車輛的動態(tài)垂直加速度，檢 測原理相對簡單，其平整度指標(biāo)為各采樣點垂直加速度的根平方值均值，簡稱RMSVA(Root Mean Square of Vertical Acceleration)。一般 RMSVA 與國際平整度指標(biāo) IRI 具有很好 的相關(guān)性。而機(jī)械響應(yīng)式檢測類平整度儀的工作原理則是通過檢測車體與后軸的相對位移 單向累積數(shù)值來間接計算路面平整度。當(dāng)車輛行駛時，由于路面的不平整會使后橋與車廂 之間產(chǎn)生上下相對位移，此時檢測儀的鋼絲繩會帶動高精度位移傳感器轉(zhuǎn)動，使高精度位 移傳感器輸出一系列的脈沖信號，這些脈沖信號經(jīng)過一定的預(yù)處理，每一脈沖輸出成為一 定的單向位移量信號，此信號再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的預(yù)處理得到單向位移值，此單 向位移累積值在計數(shù)器上進(jìn)行累積，測量時單向位移累積值每增加一厘米計數(shù)器就記錄一 個數(shù)。計數(shù)器記錄的單向位移累積值，連同行車的距離信號一起，以一定的數(shù)據(jù)模式記錄在 數(shù)據(jù)文件中，供數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)一步分析得出路面平整度指標(biāo)-顛簸累積值VBI。無論在平整度驗收還是在平整度評價時，標(biāo)準(zhǔn)的平整度指標(biāo)均為國際平整度指標(biāo) IRK對于響應(yīng)類平整度檢測儀而言，需將其平整度指標(biāo)(RMSVA或VBI)轉(zhuǎn)換成國際平整度 指標(biāo)IRI，即IRI = A+BXRMSVA，或者，IRI = A+BXVBI (7)式中A和B為檢定后得到的轉(zhuǎn)換系數(shù)，A和B由檢測儀檢定過程中獲得。目前，直接檢測類設(shè)備有激光斷面儀，路面縱斷面剖面儀，連續(xù)式平整度儀等； 響應(yīng)式檢測類設(shè)備有機(jī)械式顛簸累計儀，電子式顛簸累積儀等。專利號為200620097180. 0的發(fā)明提供了一個路面平整度測量裝置，其原理圖如圖2所示。該發(fā)明提出了一種路面平整度測量裝置，其包括一個數(shù)據(jù)采集計算機(jī)和兩套由激 光測距儀與加速度計構(gòu)成的平整度測量單元，兩套平整度測量單元分別安裝在機(jī)動車左右 輪跡處，數(shù)據(jù)采集計算機(jī)通過加速度采集卡連接加速度計，通過激光數(shù)據(jù)采集卡連接激光 車測距儀，加速度計的敏感軸方向與激光線一致。解決了經(jīng)濟(jì)和高效的進(jìn)行路面平整度高 精度測量的問題，滿足高速測試(測試速度> 60公里/小時)、高精度，克服了原有系統(tǒng)測 量采樣頻率與測量速度不匹配的問題，降低了數(shù)據(jù)冗余，提高了測量的精度，并可以方便地 安裝到車載平臺中，與其它路面測試裝置集成。傳統(tǒng)的平整度測量設(shè)備主要是水平儀、三米直尺以及連續(xù)式平整度儀等，測試精 度低、速度慢、可重復(fù)性差，一般測量速度小于5公里，費(fèi)時費(fèi)力，使用危險性大，特別是在 運(yùn)用中的高速公路，基本無法使用?，F(xiàn)有的一些基于慣性補(bǔ)償?shù)钠秸葴y量設(shè)備，由于其慣性補(bǔ)償算法簡單，只能滿 足高速條件下(一般不小于25公里/小時的運(yùn)行速度)的平整度測量，而在較低速度下， 由于慣性補(bǔ)償?shù)钠?，不能輸出正確的測量結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)和方法，可以實現(xiàn) 寬變速、高精度、高可靠性的平整度測量。本發(fā)明提供了一種基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)，安裝于移動車輛上， 包括傳感裝置和數(shù)據(jù)處理裝置，所述傳感裝置與所述數(shù)據(jù)處理裝置連接，其中，所述傳感裝置包括加速度測量單元和激光測距單元，其中，所述激光測距單元每隔預(yù)定時間間隔測量出測試公路縱斷面上特定點與車體的 垂直距離；所述加速度測量單元同步測量車體在垂直方向上的加速度；所述數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)該激光測距單元測出的垂直距離的數(shù)量和大小，采用最小 二乘法擬合出車體與路面距離數(shù)列；并所述數(shù)據(jù)處理裝置對該加速度測量單元測出的加速度值對時間進(jìn)行二次積分， 得到顛簸值，并根據(jù)該顛簸量的數(shù)量和大小，采用最小二乘法擬合出車體垂直方向的顛簸 數(shù)列；所述數(shù)據(jù)處理裝置通過將車體與路面距離數(shù)列和車體垂直方向的顛簸數(shù)列相減， 得到路面起伏數(shù)列。所述數(shù)據(jù)處理裝置將路面起伏數(shù)列按照25cm間隔進(jìn)行重采樣，并根據(jù)“ 1/4車輛 模型”計算得到路面平整度。實施時，本發(fā)明所述的基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)，還包括數(shù)據(jù)同步 裝置，并所述傳感裝置為兩個，兩所述傳感裝置分別安裝于所述車輛的右輪跡和右輪跡；所述數(shù)據(jù)同步裝置分別與兩所述傳感裝置連接，控制兩所述傳感裝置同步工作。實施時，本發(fā)明所述的基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)，還包括數(shù)據(jù)傳輸 裝置，所述數(shù)據(jù)傳輸裝置分別與所述傳感裝置和所述數(shù)據(jù)處理裝置連接，用于傳輸數(shù)據(jù)。本發(fā)明還提供了一種基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量方法，包括以下步驟
步驟1 每隔預(yù)定時間間隔測量公路縱斷面上特定點與車體的垂直距離；步驟2 同步測量車體在垂直方向上的加速度；步驟3 根據(jù)該垂直距離的數(shù)量和大小，采用最小二乘法擬合出車體與路面距離 數(shù)列；步驟4:并對該加速度進(jìn)行二次積分，得到顛簸值，并根據(jù)該顛簸量的數(shù)量和大 小，采用最小二乘法擬合出車體垂直方向的顛簸數(shù)列；步驟5 通過將車體與路面距離數(shù)列和車體垂直方向的顛簸數(shù)列相減，得到路面 起伏數(shù)列步驟6 將路面起伏數(shù)列按照25cm間隔重新采樣，并根據(jù)四分之一車輛模型計算 得到路面平整度值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以實現(xiàn)寬變速(10公里/小時-120公里/小時)、高精 度、高可靠性的平整度測量，并且可以實現(xiàn)低速(10公里/小時)的正常測量。


圖1是四分之一車輛仿真模型的結(jié)構(gòu)圖；圖2是現(xiàn)有的路面平整度測量裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖3、圖4是本發(fā)明所述的基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)圖；圖5是激光的三角測量原理；圖6是本發(fā)明的加速度補(bǔ)償原理圖；圖7是本發(fā)明的平整度測量工作流程及數(shù)據(jù)傳輸處理過程；圖8是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集部分邏輯具體實施例方式基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)采用的是縱斷面測定方法，該系統(tǒng)選用高 精度的激光傳感器來檢測車體與路面的垂直距離，通過高精密的加速度計來檢測車體在行 駛時因車體顛簸、輪胎起落等而產(chǎn)生的垂直位移，并借助先進(jìn)的車輪編碼器同步系統(tǒng)適時 精確地檢測得到特定路段的位置，最后利用高速的計算機(jī)同步系統(tǒng)進(jìn)行合 合適的分析與 計算得出國際平整度指標(biāo)(IRI)。所以，此系統(tǒng)能夠適時全面地提供路面平整度的準(zhǔn)確信 息，包括路段的精確空間位置以及該路段上的平整度信息等，對公路的規(guī)范使用可提供有 力的參考。如圖3、圖4所示，基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)以汽車等移動平臺為載 體，主要由傳感器裝置、數(shù)據(jù)同步裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置和數(shù)據(jù)處理裝置構(gòu)成。整個傳感器裝置主要由左右兩套同樣結(jié)構(gòu)的傳感器裝置組成，以測量左右雙車道 上的平整度數(shù)據(jù)。每套傳感器裝置都由激光傳感器即激光測距機(jī)和加速度計構(gòu)成。激光測 距機(jī)和加速度計采取捆綁式安裝方式安裝于外掛懸掛盒內(nèi)。懸掛盒緊密固定于車體下距車 尾1/4車體長度處，與地面基準(zhǔn)高不能超出激光測距機(jī)的量程范圍。懸掛盒要選擇質(zhì)地堅 硬的材質(zhì)，采用預(yù)留窗口的封閉式構(gòu)造，必須擁有很好的散熱設(shè)施(一般從車內(nèi)引入空調(diào) 空氣)，這樣一來，激光測距機(jī)和加速度計在測量過程中受到的外在干擾(如氣溫)達(dá)到最
激光三角測量技術(shù)激光的三角測量技術(shù)是采用用一束激光以某一角度聚焦在被測物體表面，然后從 另一角度對物體表面上的激光光斑進(jìn)行成像，物體表面激光照射點的位置高度不同，所接 受散射或反射光線的角度也不同，用PSD如C⑶光電探測器測出光斑像的位置，就可以計算 出主光線的角度，從而計算出物體表面激光照射點的位置高度。當(dāng)物體沿激光線方向發(fā)生 移動時，測量結(jié)果就將發(fā)生改變，從而實現(xiàn)用激光測量物體的位移。如圖5所示，激光發(fā)射機(jī)垂直地面發(fā)射一束激光，隨著激光發(fā)射機(jī)鏡頭與地面的 距離的改變，由信號接收機(jī)(PSD)接收到的信號像點也將會按一定方向改變。當(dāng)激光打在 地面上的A點，像點為A點；以此類推，若激光點移至B，C等點時，相應(yīng)的像點移至B1，C1等。
如此，便可以得到實際點的陣列0(A，B，C，......)和像點的陣列P(Al，Bi，Cl，......)，而
且這些點的陣列的空間位置陣列也是唯一確定的。所以，便可以利用最小二乘法等數(shù)學(xué)方 法獲得陣列0與陣列P之間的映射關(guān)系。這樣，我們就可以測量到激光傳感器與地面的垂 直距離。數(shù)據(jù)傳輸裝置一般是由數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)據(jù)采集卡以及其他接口卡組成，因為系統(tǒng) 在檢測時難免會處于高速甚至高速顛簸的狀態(tài)，且需要在短時間傳輸超大量的數(shù)據(jù)，所以 數(shù)據(jù)傳輸線的拐彎處必須作必要的緩沖處理，數(shù)據(jù)采集卡要選擇帶寬大、傳輸速度快的類 型且與數(shù)據(jù)處理單元緊密連接。數(shù)據(jù)處理裝置一般是由速度高的CPU、容量大的存儲結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的I/O接口總 線構(gòu)成，并由相關(guān)的軟件系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和計算。數(shù)據(jù)同步裝置是保證測量數(shù)據(jù)的適時性和有效性的重要設(shè)備，主要由距離傳感器 和同步控制器組成。距離傳感器能夠同時向左右激光測距機(jī)等設(shè)備發(fā)出采集數(shù)據(jù)的脈沖指 令，再經(jīng)過同步控制器的適時校正和處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在采集、傳輸和處理中的同步，此外，距 離傳感器還能夠為激光傳感器提供在縱斷面上移動時精確的水平位移量?；诩铀俣妊a(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)主要依靠激光測距和加速度計補(bǔ)償?shù)燃?術(shù)來實現(xiàn)對平整度的精確測量?；诩铀俣妊a(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量是使用高精度高頻率的激光測距機(jī)測量出測 試公路縱斷面上任意一點車體與地面的垂直距離，由這些值構(gòu)成的曲線可以直觀粗略地反 映出公路縱斷面上的平整度信息。但該激光測量值是公路縱斷面自身的平整度信息和車體 因平整度信息的變化而產(chǎn)生的垂直偏移量(即車體的顛簸)的綜合。所以，測量還需要使 用高精確度的加速度計測量出車體在顛簸時自身的慣性而產(chǎn)生的加速度，此加速度反映的 是車體因路面不平整而產(chǎn)生的垂直偏移量。這樣，對測得的垂直距離和加速度值進(jìn)行有效 的數(shù)學(xué)計算就可以得到國際平整度指標(biāo)值(IRI)。單用激光測距機(jī)測量平整度容易受到載車顛簸的影響，因此需要采用一種合適的 方法消除載車顛簸，基于慣性測量原理的加速度補(bǔ)償技術(shù)可以實現(xiàn)這樣的功能。物體在受到外力擾動而導(dǎo)致本身動量發(fā)生瞬間改變時會產(chǎn)生一個沿動量改變方 向的速度偏差，此偏差表現(xiàn)為速度的導(dǎo)數(shù)，即加速度。加速度計是能夠靈敏測量到物體瞬時 的加速度，在此測量系統(tǒng)中，加速度計測量的是激光測距機(jī)隨車體移動過程中垂直方向瞬 時的加速度值，此值能夠準(zhǔn)確地反映出車體的顛簸情況。加速度補(bǔ)償技術(shù)的做法是對加速度計測量得到的加速度值進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理和定量計算，得到此加速度值下準(zhǔn)確的車體顛簸量，在用激光測距機(jī)得到激光測量值減掉 此車體顛簸值，便可以得到路面縱向斷面數(shù)列。假設(shè)t時刻加速度計測量的加速度值為a (t)，單位g或者m/s2 ；t時刻的車體顛 簸值Blt，單位m。車體顛簸值Blt就可以用a(t)對時間的二次積分表示。如圖6所示，載車在路面上以速度Vm/s行駛，在t時刻時，載車運(yùn)動到A點，由于 車體的顛簸產(chǎn)生一個垂直方向的瞬間速度分量Vy，在下一時刻，即在t+dt時刻時，同樣存在 垂直方向的瞬間速度分量Vytl，則有a(t) = ^Vy°~Vy\dt^Q
V ； dt (8)
t+dtBit = J V{t)dt + ^a{t)dtdt, dt — Q
‘d'(9)其中V(t)是t時刻，車體速度的垂直分量。這樣，在使用激光測距機(jī)得到的瞬時的垂直距離Dt，再由加速度計得到此時刻加 速度a(t)并計算出瞬時車體顛簸值Blt，便可以得出此時刻下的路面縱向起伏，單位mm:Rt = Dt-Blt(10)對一段路面，連續(xù)采集同一路面縱斷面不同地點上的Rt值，便可以累計計算得到 此路面的平整度值。在加速度補(bǔ)償計算過程中，由于平整度測量具有分段、動態(tài)和連續(xù)等特點，在計算 平整度過程中，所以必須確定初始的縱向速度Vytl測量區(qū)間重力加速度g。由于平整度測量 是一個相對的測量，所以初始位移SyO可以認(rèn)為等于0。設(shè)B為在一個平整度測量區(qū)間的顛 簸累積值，則有(11)式。
N-IS = ZlHl
'=O(11)由于載車始終在路面上運(yùn)行，在一個平整度測量區(qū)間內(nèi)，B的計算值將與實際顛簸 值、初始縱向速度VyO和本地重力加速度g相關(guān)，而且初始縱向速度VyO和本地重力加速度 g的取值錯誤將直接導(dǎo)致B增大，因此可將VyO和g作為B的應(yīng)變量，有設(shè)B = f(VyC1，g)，則有 min(B) =min(f(VyC1，g))(12)對(12)可以通過數(shù)學(xué)優(yōu)化算法來計算得到VyO和g。加速度補(bǔ)償與激光測距的數(shù)據(jù)融合處理采用加速度加速度補(bǔ)償?shù)募す鉁y距技術(shù)得到的瞬間的Rt只能夠表明當(dāng)前時刻的 路面縱斷面的起伏。借助車輪編碼器的精確位移量的測量，基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸?測量系統(tǒng)就能采集并計算得到某一段精準(zhǔn)長度的路面上不同位置的路面縱斷面高程，將這 些路面高程值進(jìn)行差量累加分析，便可以得到國際平整度指標(biāo)IRI。IRI通常以IOOm為一次采樣段，每0. 25m為一個采樣點。假設(shè)車速為V，單位m/ s，激光采樣頻率為F。對每一個采樣點的路面縱向高程Rn，其中，η = 0,1,2...... 399，最大為(采樣小
段總數(shù)-1)，則有
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凡=丄Σ代
^(13)其中m為此采樣小段中的采集的信號數(shù)，m = 0. 25F/V。在對得到的路面不平度陣列(R0, Rl，R2，R3，......，R399)進(jìn)行差量累加分析，即
可得到國際平整度指標(biāo)IRI值IRI = AXg(Ri, Ri+1)/100+B(14)單位m/km。其中A，B是常數(shù)，g (χ)是差量累加分析函數(shù)，i取值在0到398之間。整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)主要由兩個互相協(xié)調(diào)的線程組成，一個為采集線程，一個為 數(shù)據(jù)處理線程。系統(tǒng)啟動后采集線程連續(xù)訪問采集卡，讀取左右輪跡的激光測距值和加速度值， 并存儲到緩沖區(qū)內(nèi)。主進(jìn)程接收車輪編碼器的信息，在車輛每走一百米的時候，從緩沖區(qū)中 取出數(shù)據(jù)調(diào)用計算程序算出IRI值，并結(jié)合當(dāng)前的樁號將IRI信息寫入文件。其工作主要 過程如圖7。數(shù)據(jù)采集線程數(shù)據(jù)采集線程在接受到主控程序傳來的IRI測量任務(wù)時，就立刻在內(nèi)存開辟一塊 足夠大的采集緩沖區(qū)，并設(shè)定水平采樣頻率f，開始啟動激光測距機(jī)和加速度數(shù)據(jù)采集并將 數(shù)據(jù)暫存在緩沖區(qū)內(nèi)。當(dāng)車輛每前進(jìn)100m，數(shù)據(jù)采集線程將前IOOm采樣數(shù)據(jù)拷貝到處理緩沖區(qū)，，獲得 左輪跡和右輪跡的采樣值，即激光測量值和加速度值。數(shù)據(jù)采集過程如下如圖8所示。數(shù)據(jù)處理線程采集得到的數(shù)據(jù)只是原始數(shù)據(jù)(即采樣值)，當(dāng)載車行進(jìn)到Di的整數(shù)倍時，數(shù)據(jù)處 理線程開始從處理緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)分析和計算，最后得到國際平整度指標(biāo)IRI。這個過程，數(shù)據(jù)處理中心通過五個步驟實現(xiàn)1)取出數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)激光測量值的數(shù)量和大小擬合出車體路面距離 數(shù)列D ；2)根據(jù)獲得的加速度值計算出車體顛簸數(shù)列B ；3)由曲線D和B得到路面起伏數(shù)列H ；4)根據(jù)路面起伏曲線H算出四分之一車輪的差分?jǐn)?shù)列T ；5)根據(jù)T算出國際平整度指數(shù)IRI。在處理過程中，如果不做任何處理，車體路面距離數(shù)列D就是由激光測量值連成 的折線。但由于測量中會產(chǎn)生誤差，這樣得到的曲線并不精確。從理論上來講，曲線D應(yīng)該 是連續(xù)并且光滑的，表達(dá)這種曲線的最好模型是分段光滑的三次貝賽爾曲線。所以程序?qū)?激光測量值采用最小二乘法擬合出一條與之方差最小分段光滑的三次貝賽爾曲線，此曲線 就是需要的D。對于車體顛簸數(shù)列B，根據(jù)定義應(yīng)該是加速度值對時間的二次積分。但是如果使用 這種方法來計算B，那么測量中的誤差會不斷的累計使得得到的結(jié)果完全沒有意義。理論上 來講，曲線B也應(yīng)該是連續(xù)并且光滑的，同車體路面距離曲線D —樣，也采用分段光滑的三 次貝賽爾曲線來表達(dá)它。假如已知曲線B，那么通過二次微分可以得到B上的加速度Ba，這個加速度Ba應(yīng)該和pAcc吻合的非常好。根據(jù)這個思路，B也是這樣的一條分段光滑的三 次貝賽爾曲線它的二次微分函數(shù)Ba和pAcc的差分最小。根據(jù)最小二乘法，我們可以建立 B和pAcc的方程，求解這個方程就得到了我們需要的B。同車體路面距離曲線D —樣，B的 分段長度也是0. 25m。pAcc指各個測量點的重力加速度值和標(biāo)準(zhǔn)重力加速度的比值。路面起伏曲線H在有了和D、B之后非常容易得到，它們的計算關(guān)系是H = D-B。四分之一車輪的差分曲線T和H的計算公式是T = |Η(χ+0. 25)-H (χ)(15)國際平整度指數(shù)IRI的計算公式是
1 丄+100IRI = - f Tdx
25 I(16)采用加速度計測量車體的顛簸，用以補(bǔ)償激光測距傳感器的測量值，以計算路面 的相對高程，并帶入四分之一車輛模型來計算路面平整度；直接采用了 A/D轉(zhuǎn)換卡對加速度和激光測距傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速高精度的A/D 轉(zhuǎn)換，采樣頻率不小于16kHz，采樣精度不小于16位；通過同步控制器，將距離傳感器的里程距離引入到數(shù)據(jù)采集過程中，平整度的計 算可以根據(jù)用戶的需要，在5-100米的區(qū)間內(nèi)任意設(shè)置平整度輸出長度區(qū)間；由于采用了以車輛初始垂直速度、位置、重力加速度等變量，以區(qū)間車輛顛簸累計 值為最小目標(biāo)的平整度計算模型，然后通過數(shù)值優(yōu)化算法來求解相應(yīng)變量，最低測速不大 于10公里/小時。本發(fā)明的路面平整度測量方法，可以在10-120公里/小時的速度范圍內(nèi)測量路面 的平整度，其速度變異性小于5%，與水準(zhǔn)測量法的相關(guān)系數(shù)大于0. 99，兼顧了高速測量和 低速測量以及測量時的速度變化；(傳統(tǒng)的方法速度太慢，一般小于5公里/小時，或者只 能高速運(yùn)行(大于25公里/小時))通過專用的同步控制器，將距離傳感器的里程距離引入到數(shù)據(jù)采集過程中，用戶 可以根據(jù)自己的需要，在5-100米的區(qū)間內(nèi)任意設(shè)置平整度輸出長度區(qū)間。(現(xiàn)有的設(shè)備一 般都是100米為區(qū)間分段)以上說明對發(fā)明而言只是說明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在 不脫離所附權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可做出許多修改、變化或等效，但都將 落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
10
權(quán)利要求
一種基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)，安裝于移動車輛上，其特征在于，包括傳感裝置和數(shù)據(jù)處理裝置，所述傳感裝置與所述數(shù)據(jù)處理裝置連接，其中，所述傳感裝置包括加速度測量單元和激光測距單元，其中，所述激光測距單元每隔一預(yù)定時間間隔測量出測試公路縱斷面上特定與車體的垂直距離；所述加速度測量單元與激光測距單元同步測量所述車輛在垂直方向上的加速度；所述數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)該激光測距單元測出的車體與路面之間垂直距離的數(shù)量和大小，采用最小二乘法擬合出車體與路面距離數(shù)列；并所述數(shù)據(jù)處理裝置對該加速度測量單元測出的加速度進(jìn)行二次積分，得到車體顛簸值，并根據(jù)該顛簸量的數(shù)量和大小，采用最小二乘法擬合出車體垂直方向的顛簸數(shù)列；所述數(shù)據(jù)處理裝置通過將車體與路面距離數(shù)列和車體垂直方向的顛簸數(shù)列相減，得到路面起伏數(shù)列。
2.如權(quán)利要求1所述的基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)，其特征在于，還包括 數(shù)據(jù)同步裝置，并所述傳感裝置為兩個，兩所述傳感裝置分別安裝于所述車輛的右輪跡和 右輪跡；所述數(shù)據(jù)同步裝置分別與兩所述傳感裝置連接，控制兩所述傳感裝置同步測量，并測 量車輛的行駛距離。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)，其特征在于，還包 括數(shù)據(jù)傳輸裝置，所述數(shù)據(jù)傳輸裝置分別與所述傳感裝置和所述數(shù)據(jù)處理裝置連接，用于 傳輸數(shù)據(jù)。
4.一種基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 每隔一預(yù)定時間間隔測量出測試公路縱斷面上任意一點與車體的垂直距離； 步驟2 同步測量所述車體在垂直方向上的加速度；步驟3 根據(jù)該垂直距離的數(shù)量和大小，采用最小二乘法擬合出移動工具路面距離數(shù)列；步驟4:并對該加速度進(jìn)行二次積分，得到車體顛簸值，并根據(jù)該顛簸量的數(shù)量和大 小，采用最小二乘法擬合出移動工具垂直方向的顛簸數(shù)列；步驟5 通過將車體與路面距離數(shù)列和車體垂直方向的顛簸曲線相減，得到路面起伏 數(shù)列。步驟6 對路面起伏數(shù)列按照25cm間隔重采樣，按照四分之一車輛模型計算得到路面平整度值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于加速度補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)和方法，本發(fā)明所述的方法，包括以下步驟每隔一定時間間隔測量公路縱斷面上特定一點與車體的垂直距離；在距離測量時刻同步測量車體在垂直方向上的加速度；根據(jù)該記錄的垂直距離的數(shù)列，采用最小二乘法擬合出路面縱斷面與車體的距離數(shù)列；并對記錄的加速度值數(shù)列進(jìn)行二次積分，得到車體顛簸值，并根據(jù)該顛簸值，采用最小二乘法擬合出車體垂直方向的顛簸數(shù)列；通過將車體與路面距離數(shù)列和車體垂直方向的顛簸數(shù)列相減，得到路面起伏數(shù)列；對路面起伏數(shù)列按照25cm間隔重采樣，按照四分之一車輛模型計算得到路面平整度值。本發(fā)明可以實現(xiàn)寬變速、高精度、高可靠性的平整度測量。
文檔編號E01C23/01GK101914889SQ20101025278
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者付智能, 張德津, 曹民, 李必軍, 李清泉, 毛慶洲, 章麗萍 申請人:武漢武大卓越科技有限責(zé)任公司