基于Carsim仿真的路面平整度檢測數據系統的設計

舒蘭 潘冰 洛布頓珠

【摘 要】針對路面質量檢測中的路面平整度問題，本文設計了一套路面平整度采集系統。硬件部分，開發了以STM32 F103ZET6開發板為核心，結合MPU6050加速度模塊和LCD顯示屏的單片機作為的信號采集模塊;軟件部分，用Carsim進行路面和車輛的模型建立，得到了不同路面國際平整度指數（International Roughness Index，IRI）和55 km/h車速狀況下的車輛前進方向的加速度峰值，進行自回歸分析后得出IRI值關于加速度功率譜密度均方根的回歸方程。檢驗后根據回歸方程編寫程序，實現通過加速度傳感器測得的數據計算出對應的IRI值的功能。

【關鍵詞】路面檢測;Carsim仿真;加速度;國際平整度指數IRI值

1.研究背景

近年來，隨著我國交通運輸行業的迅速發展，與此相關的道路檢測與建設工程也變得尤為重要。在路面質量檢驗的諸多指標中，路面平整度是其中最重要的指標之一[1]。路面平整度關系到行車的安全、舒適以及路面所受沖擊力的大小和使用壽命，不平整的路表面會增大行車阻力，并使車輛產生附加的振動作用。這種振動作用會造成行車顛簸，影響行車的速度和安全，影響駕駛的平穩和乘客的舒適性。為了客觀定量分析路面平整度，世界銀行提出采用IRI作為評價標準的建議。IRI是以四分之一車在速度為80km/h時的累積豎向位移值為IRI值，單位用m/km。

我國過去使用較多的儀器有三米直尺、連續式平整度儀等，這些儀器受長度和速度的限制，難以反映較高車速下路面較長波長的顛簸和起伏，存在測試效率低、機械配置龐大而笨重、測定精度差等問題。之后，與國外發展趨勢相同，國內也逐漸重視起激光傳感器技術。但國內激光平整度檢測產品采用的激光位移傳感器基本上是引進的，價格較為昂貴。

2.設計思路

首先基于Carsim仿真軟件，建立了加速度與平整度的關聯模型，其次對系統設備安裝位置進行確認，然后對整個路面平整度檢測系統的軟硬件進行設計，最后通過實驗進行驗證。

2.1基于Carsim仿真的關聯模型的建立

應用Carsim軟件建立路面和車輛仿真模型，并進行了試驗驗證，通過所建立的仿真模型得到了不同等級路面的加速度數據，然后利用Matlab對仿真數據進行了回歸分析，得到了加速度功率譜密度均方根與IRI值的回歸方程。

2.1.1 Carsim標準三維路面模型的建立與驗證

國標GB/T7031-2005將道路劃分為8種等級[2]，本項目采用基于路面功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）函數的方法對8種標準等級路面進行仿真模擬;另外，獲取標準等級路面時域模型時，采用傅里葉逆變換法[3]（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）。本文采用基于PSD離散采樣的IFFT法對標準等級路面進行仿真模擬，獲得了GB/T7031-2005規定的8種標準等級路面的二維路面不平度數據。

Carsim三維仿真道路模型由道路水平線形文件、道路縱斷面線形文件和道路不平度文件組成。通過利用Matlab運行相應函數把處理過的二維路面不平度數據自動生成Carsim道路模型文件。為了驗證所建路面的準確性采用Welch法對模擬的路面信號進行了功率譜密度的估計[4]。部分驗證結果如圖1所示，其仿真得到的功率譜密度與標準功率譜密度曲線有較高的吻合度，因此驗證了所建Carsim三維虛擬路面的準確性。

2.1.2 Carsim車輛仿真模型的建立與驗證

在Carsim中，整車分為車體、轉向、輪胎、懸架、制動系、傳動等子系統，在對上述子系統設置參數后，利用Carsim軟件中的車輛模型求解器進行運算，便可完成車輛建模。

為驗證所建車輛模型的準確性，以55km/h的車速在某A級道路上進行了實車試驗。采用車載式激光路面平整度儀LIPRES-I型，車上帶有NI LabVIEW軟件的微機、NI USB-6000數據采集卡、MEMSIC CXL25GP3三軸加速度傳感器等，用于采集路面豎直方向上的加速度數據。Carsim仿真得到的加速度數據與實車試驗得到的加速度數據有較高的吻合度，驗證了所建車輛模型的可靠性，如圖2所示。

2.1.3關聯模型的建立與驗證

依據1986年世界銀行發45號文件中規定的路面IRI值的計算方法，通過編程計算出了標準等級路面分別對應的IRI值。之后在Carsim軟件中運行所建立的三維虛擬路面模型和車輛模型，得到了在車速為55 km/h狀況下不同路面的車輛豎直方向上的加速度數據。

將仿真得到的加速度數據及路面平整度數據導入Matlab中，計算得到加速度功率譜密度均方根值;經擬合得到IRI值與加速度功率譜密度的均方根值X的回歸方程，且該模型的擬合優度R2為0.8923。回歸方程如下：

式中，IRI值的單位為m/km，X為加速度功率譜密度均方根，單位為m/s2。

2.2系統安裝設計

將路面平整度檢測系統的加速度傳感器安裝在測試車內右前輪減振器缸體上[4]。檢測時，選取測試車輛的行駛速度為55km/h，當試驗車沿縱向行駛0.25米時，加速度傳感器向開發板傳送一個數據。

2.3系統硬件設計

路面平整度檢測系統硬件框圖如圖3所示，該系統包括光電轉碼運算系統、MPU6050六軸加速度模塊、電源系統等。

2.4系統軟件設計

此系統以Keil uVeil5為開發環境，采用面向對象 C++程序設計語言進行開發，數據采集模塊主要是對各個傳感器初始化、待測區域起止位置的標定以及記錄檢測時現場環境數據。數據處理模塊是軟件系統的核心，主要通過單片機ADC模塊將模擬信號轉化為數字信號，并通過C語言程序運行計算IRI值。存儲模塊包括文件存儲和數據庫存儲，其中各傳感器的原始數據使用文本文件形式保存，現場檢測信息、縱斷面信息和國際平整度指數等用數據庫來存儲其具體數據。

2.5實驗模擬

將組裝好的設備按照安裝設計方案固定在車輛上，選定鎮江市的學府路為待測路段，并做好起點標記。將裝有設備的車輛停至起點處，以55km/h的車速行駛。設備啟動后，加速度傳感器將測得的加速度數據傳送給開發板數據處理模塊，經算法程序處理得到IRI值。試驗實物圖如圖4所示。

由試驗可知，泓江西路段由本系統測出的IRI測量均值為2.328，該路段的IRI實際值[1]為2.726，平均相對誤差為14.60%，體現了設計模型較高的準確性。

3、結論

與傳統的人工測量或使用成本高的激光檢測相比，本系統設計的基于加速度傳感器的路面平整度檢測系統可以實現低成本、高效率的道路平整度測量。本文模型尚未考慮不同車輛模型對Caisim仿真得到的回歸方程結果的影響，今后需不斷改進。

【參考文獻】

[1]劉慶華，張文明，夏鵬飛.基于加速度傳感器的路面不平度采集系統[J].江蘇科技大學學報（自然科學版），2016，30（04）：362-369.

[2]余志生.汽車理論[M].5版.北京：機械工業出版社，2018.

[3]王文超.稀疏快速傅里葉變換的應用方法研究[D].中國測繪科學研究院，2018.

[4]劉爽，劉云峰，董景新.基于功率譜密度的靜電懸浮加速度計分辨率估計方法[J].儀表技術與傳感器，2015，（10）：30-34.

作者簡介：舒蘭（1998—），女，漢族，云南昆明人，江蘇大學本科在讀，交通運輸方向。潘冰（1998—），男，漢族，浙江嘉興人，江蘇大學本科在讀，車輛工程方向。洛布頓珠（1998—），男，藏族，西藏山南人，江蘇大學本科在讀，交通運輸方向。

基金項目：本文系江蘇大學第十八批大學生科研課題立項項目，項目編號：18A340