路面構(gòu)造特征參數(shù)與附著系數(shù)的關(guān)系研究

彭鵬峰

廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東省廣州市 510510

1 前言

附著系數(shù)信息對于汽車前向防碰撞系統(tǒng)是重要的控制因素之一。如果車輛行駛過程中能夠?qū)崟r識別出當(dāng)前路面的附著系數(shù)，系統(tǒng)就可以根據(jù)當(dāng)前路況調(diào)節(jié)控制策略，提高車輛安全性。隨著汽車智能化程度的提高，越來越多的車輛上安裝有攝像頭、雷達(dá)等傳感器，通過傳感器獲取車輛前方路面的紋理構(gòu)造，再借助于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的構(gòu)造特征參數(shù)與附著系數(shù)的關(guān)系模型去識別附著系數(shù)成為可能。

因表征路面構(gòu)造的參數(shù)較多，各參數(shù)對附著系數(shù)的影響程度不同，為了避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型太過復(fù)雜和多重共性的問題，需要對特征參數(shù)和附著系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析，從中選取能夠作為評價附著系數(shù)的代表性參數(shù)。本文的研究工作為下一步通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)附著系數(shù)的識別奠定基礎(chǔ)。

2 附著系數(shù)影響因素

對于行駛在道路上的特定車輛而言，影響附著系數(shù)的主要因素有滑移率、路面構(gòu)造、路面干濕狀況等。

2.1 滑移率

滑移率變化會影響到輪胎與路面間的接觸狀態(tài)，從而改變輪胎在路面上的附著情況。圖1 為實(shí)驗得出的滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系曲線?？梢?，隨著滑移率的增加，附著系數(shù)先呈快速增長的趨勢，而后緩慢減小。在滑移率為20% 左右，附著系數(shù)達(dá)到最大值。目前車輛都安裝ABS 系統(tǒng)，汽車制動時ABS 系統(tǒng)將滑移率控制在15%～25%這個區(qū)間。由圖1 可見，在此區(qū)間，附著系數(shù)的變化量很小，基本在10%以內(nèi)。

圖1 附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系曲線

2.2 路面構(gòu)造

路面由砂石及結(jié)合料組成，存在凹凸不平，這些凹凸不平的路面構(gòu)造影響著輪胎與路面的接觸情況。即使是同一類型的路面，不同的路面構(gòu)造也會使附著系數(shù)呈現(xiàn)出較大的差異。表1 為兩種典型路面在干燥和潮濕情況下的附著系數(shù)。以干燥瀝青路面為例，其附著系數(shù)從0.6 到0.8 不等。可見，路面構(gòu)造對附著系數(shù)影響顯著。

表1 兩種典型路面的附著系數(shù)

為分析路面構(gòu)造差異對汽車前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的影響，以附著系數(shù)為0.6 和0.8的兩種干瀝青路面為例，假定前車靜止不動、后車以最大的制動減速度剎車，基于Berkeley 模型安全車距公式計算兩種路面下前后車應(yīng)保持的安全車距。圖2 為安全車距隨車速的變化曲線?？梢?，隨著車速的增加，兩種路面安全車距差值呈不斷增長的趨勢。在車速為120km/h 時，安全車距差值超過20m。因此，要提高汽車前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警精度，必須考慮到路面構(gòu)造差異的影響，應(yīng)根據(jù)路面構(gòu)造特征實(shí)時預(yù)測附著系數(shù)。當(dāng)前，用以表征路面構(gòu)造的特征參數(shù)較多，本文通過對其進(jìn)行相關(guān)性分析來選取代表性參數(shù)，為下一步通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)附著系數(shù)的識別研究建立基礎(chǔ)。

圖2 不同附著系數(shù)對安全車距的影響分析

3 路面構(gòu)造特征參數(shù)采集

3.1 路面構(gòu)造表征參數(shù)

大量研究表明，路面使用性能與其表面構(gòu)造特性有關(guān)，其中與附著系數(shù)直接相關(guān)的路面抗滑性能主要受路面微觀形貌的影響。用于表征微觀形貌的參數(shù)主要有：輪廓算術(shù)平均偏差、輪廓均方根偏差、平均構(gòu)造深度、平均斷面深度、輪廓均方根斜率、輪廓偏斜度和陡峭度。各參數(shù)的代號及計算表達(dá)式如表2 所示。

表2 路面構(gòu)造特征參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)采集

為了研究路面構(gòu)造特征參數(shù)與附著系數(shù)的關(guān)系，在廣東樂廣高速公路上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用道路附著系數(shù)測定儀進(jìn)行附著系數(shù)測試（見圖3），該儀器模擬汽車輪胎對路面的摩擦力，通過軟件分析輪胎對地面的附著系數(shù)。采用激光紋理掃描儀（見圖4）采集路面紋理形貌信息，提取路表形貌特征。該設(shè)備掃描路面后提取出路表形貌各點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，掃描區(qū)域為200mm x 200mm，掃描間距0.05mm，測量數(shù)據(jù)以CSV 格式的文件保存。

圖3 附著系數(shù)測試

圖4 激光掃描儀

根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以重構(gòu)路面表面構(gòu)造，圖5 為測試道路及其掃描重構(gòu)結(jié)果?；诩す鈷呙鑳x的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)表2 中各參數(shù)的計算方法，在Matlab 中編制計算程序，從而獲取測試道路的路面構(gòu)造特征參數(shù)。共得到66 組數(shù)據(jù)，節(jié)選部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3 所示。表中u 為附著系數(shù)。

圖5 測試道路表面構(gòu)造掃描結(jié)果

表3 部分測試道路構(gòu)造特征參數(shù)與附著系數(shù)值

4 相關(guān)性分析

以66 組路面構(gòu)造特征參數(shù)數(shù)據(jù)和附著系數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行線性相關(guān)性分析，從中挑選出具有代表性的特征參數(shù)以用于表征路面附著特性。首先，分析各特征參數(shù)與附著系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，相關(guān)性分析結(jié)果如圖6 所示。由圖可見，MTD、Δq、MPD、Ra、Rq 這5 個參數(shù)與附著系數(shù)的相關(guān)系數(shù)較高，而Rsk、Rku 與附著系數(shù)之間相關(guān)系數(shù)值很小，為極弱相關(guān)。其中，Δq 與附著系數(shù)的相關(guān)性最強(qiáng)，但相關(guān)系數(shù)僅0.5012，說明附著系數(shù)受多個特征參數(shù)綜合影響，單個特征參數(shù)不足以表達(dá)附著系數(shù)。

圖6 各構(gòu)造特征參數(shù)與附著系數(shù)的相關(guān)性

為了避免多重共線性問題，對與附著系數(shù)關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的MTD、Δq、MPD、Ra、Rq 這5 個特征參數(shù)之間進(jìn)行相關(guān)性分析，以從中選出與其他參數(shù)相關(guān)性不強(qiáng)的特征參數(shù)作為附著系數(shù)的代表性表征指標(biāo)。表4 為特征參數(shù)間的線性相關(guān)系數(shù)。可見，Ra與 Rq 的相關(guān)性極強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.97。因此，在Ra 和Rq 兩者間只需選一個參數(shù)作為代表性表征指標(biāo)，考慮到Rq 與附著系數(shù)的相關(guān)性更強(qiáng)，選取Rq 作為代表性特征指標(biāo)。綜上分析，最終選取MTD、MPD、Rq、Δq 這四個參數(shù)作為評價附著系數(shù)的代表性表征指標(biāo)。

表4 構(gòu)造特征參數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

5 結(jié)論

本文以瀝青路面為研究對象，通過道路附著系數(shù)測定儀和激光紋理掃描儀采集數(shù)據(jù)，然后在Matlab 中編制程序計算出MTD、MPD 等7 個路面構(gòu)造特征參數(shù)數(shù)值；最后對特征參數(shù)和附著系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析。結(jié)果表明：MTD、MPD、Rq 和Δq 和附著系數(shù)的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，可作為評價路面附著系數(shù)的代表性表征指標(biāo)。