《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》是同濟大學於2013年4月26日申請的發明專利，該專利申請號為2013101505174，公布號為CN104120644A，公布日為2014年10月29日，發明人是杜豫川、蔣盛川、孫立軍、劉成龍、吳荻非。
《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》包括以下步驟：確定檢測車速、重力加速度感測器及其採樣頻率；採用不同車型的測試車輛在不同路面平整度道路行駛，獲取重力加速度感測器的重力加速度值；對採集到的重力加速度值進行傅立葉變換，得到功率譜密度；建立同種車型的功率譜密度與IRI的擬合模型；對同種車型的擬合模型進行普通適用性檢驗，得到不同車型的功率譜密度與IRI的擬合模型；對不同車型的功率譜密度與IRI的擬合模型進行普通適用性檢驗；根據通用擬合模型以及採集到的重力加速度值，進行路面平整度檢測。與相關技術相比，該發明的檢測基於重力加速度數據，可以解決2013年前雷射平整度檢測車價格昂貴且檢測工序繁瑣的問題。
2021年6月24日，《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法
- 申請人：同濟大學
- 發明人：杜豫川、蔣盛川、孫立軍、劉成龍、吳荻非
- 申請號：2013101505174
- 申請日：2013年4月26日
- 公布號：CN104120644A
- 公布日：2014年10月29日
- 地址：上海市楊浦區四平路1239號
- 代理機構：上海科盛智慧財產權代理有限公司
- 代理人：宣慧蘭
- Int. Cl.：E01C23/01
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
在公路建設巨大增長的同時，公路養護和管理也日趨重要。2010年，中國高速公路的大中修養護速度已超過建設速度，中國國內大批等級公路也將進入大中修養護期，公路道路養護和管理工作面臨前所未有的挑戰。此時，提供科學合理的路面性能檢測手段至關重要。
截至2013年4月，在評價路面性能指標方面，國際平整度指數IRI（international roughness index）是套用最廣泛的指標之一。世界銀行以1/4車模型來計算IRI，該車以規定的速度行駛在路面上，計算一定行駛距離內懸掛系統的累積位移作為IRI。
IRI可以通過廣泛使用的儀器測量得到（如水準儀或RTRRMS儀），結果具有有效性以及可轉移性，但水準儀等需要人工完成測量其效率很低。2013年前，中國國內外普遍採用道路雷射平整度測試車進行國際平整度指數檢測，但其價格昂貴且檢測工序繁瑣，不利於定時性的檢測路面平整度情況，從而不能及時的給路面養護和管理部門提供參考性意見。
發明內容
專利目的
《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》的目的就是為了克服專利背景中相關技術存在的缺陷而提供一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法，用於解決2013年前雷射平整度檢測車價格昂貴且檢測工序繁瑣的問題。
技術方案
《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》包括以下步驟：
（1）確定檢測車速、重力加速度感測器及其採樣頻率；
（2）採用不同車型的測試車輛在不同路面平整度道路行駛，獲取重力加速度感測器的重力加速度值；
（3）對採集到的重力加速度值進行傅立葉變換，得到功率譜密度；
（4）建立同種車型的功率譜密度與IRI的擬合模型；
（5）對不同車型的功率譜密度與IRI的擬合模型進行普通適用性檢驗；
（6）消除不同車型對於擬合模型的影響，得到功率譜密度與IRI的通用擬合模型；
（7）根據通用擬合模型以及採集到的重力加速度值，進行路面平整度檢測。
所述的重力加速度感測器為三軸加速度感測器。
步驟（6）消除不同車型對於擬合模型的影響的具體方法為：首先計算車輛靜止時的平均功率譜密度的值，然後利用車輛行駛時平均功率譜密度的值減去其靜止時的平均功率譜密度的值，得到通用擬合模型中的功率譜密度。
改善效果
《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》通過重力加速度感測器採集的不同車型的數據進行建模分析，消除測試車型對模型的影響，建立通用性檢測方法和檢測模型，可以解決2013年前雷射平整度檢測車價格昂貴且檢測工序繁瑣的問題。
附圖說明
圖1為《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》的流程圖；
圖2為同種車型重力加速度功率譜密度與IRI的擬合模型
圖3為不同車型重力加速度功率譜密度與IRI的擬合模型；
圖4為重力加速度功率譜密度與IRI的通用擬合模型。
技術領域
《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》涉及一種檢測方法，尤其是涉及一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法。
權利要求
1.《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》特徵在於包括以下步驟：（1）確定檢測車速、重力加速度感測器及其採樣頻率；（2）採用不同車型的測試車輛在不同路面平整度道路行駛，獲取重力加速度感測器的重力加速度值；（3）對採集到的重力加速度值進行傅立葉變換，得到功率譜密度；（4）建立同種車型的功率譜密度與路面平整度指數IRI的擬合模型；（5）對不同車型的功率譜密度與IRI的擬合模型進行普通適用性檢驗；（6）消除不同車型對於擬合模型的影響，得到功率譜密度與IRI的通用擬合模型；（7）根據通用擬合模型以及採集到的重力加速度值，進行路面平整度檢測。
2.根據權利要求1所述的一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法，其特徵在於，所述的重力加速度感測器為三軸加速度感測器。
3.根據權利要求1所述的一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法，其特徵在於，步驟（6）消除不同車型對於擬合模型的影響的具體方法為：首先計算車輛靜止時的平均功率譜密度的值，然後利用車輛行駛時平均功率譜密度的值減去其靜止時的平均功率譜密度的值，得到通用擬合模型中的功率譜密度。
實施方式
- 實施例
如圖1所示，《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》包括以下步驟：
（1）確定檢測車速，並且選定重力加速度感測器及其採樣頻率；
（2）採用不同車型的測試車輛在不同路面平整度道路行駛，在行駛過程中獲取重力加速度感測器的重力加速度值。在行車的過程中，路面的這種不平度會激起汽車的振動，汽車的振動必然將會產生上下顛簸的垂直加速度，即Z軸的重力加速度，其Z軸重力加速度的大小反應的汽車顛簸的大小，從而間接的反應出路面不平整的情況。重力加速度感測器的選取以及所需的採樣頻率的確定在路面平整度檢測中十分重要，根據實際需要，選取重力加速度感測器量程為±10克，精度為0.001克，所選採樣頻率為10赫茲。
一般道路縱向的不平整要遠大於其橫向的不平整，車輛縱向的傾覆和轉動不能忽略，但可以近似認為道路沿橫向是平整的，並可假設車輛左右對稱。另外，雙軸車輛占公路上行駛車輛的大多數，因此，宜以雙軸車輛作為代表車型，由於左右對稱可取其一半作為研究對象，借鑑1/4車輛模型原理，將重力加速度感測器置於後軸上方。
根據對振動方程的分析，隨著車速的增大，加權加速度均方根值在增大，但增速在降低，因此，選用各等級公路或城市道路的設計速度，作為測試車速。
選取具有代表性的不同路面平整度的道路，精密水準儀或雷射平整度車實測路面平整度指數IRI。在代表性道路上，利用不同車型的雙軸車輛以設計車速行駛，採集Z軸重力加速度值。
（3）對採集到的重力加速度值進行傅立葉變換，得到功率譜密度。
功率譜密度是結構在隨機動態載荷激勵下回響的統計結果，是一條功率譜密度值—頻率值的關係曲線，其中功率譜密度可以是加速度功率譜密度、位移功率譜密度、速度功率譜密度、力功率譜密度等形式。
在汽車駕駛過程中，道路不平整會造成車輛的振動，在每一次上下振動當中，重力一直沿著豎直方向做功，產生能量的變化，且功率譜密度只與信號的幅度譜有關，與相位譜無關，能夠獲得信號的幅度信息，因此通過功率譜密度函式能夠表示出路面平整度能量在空間頻域上的分布，它刻畫出路面平整度的結構。
從功率譜密度函式不僅可以了解路面波的結構，還能反映出路面的總體特徵，功率譜密度變化幅度大的地方代表此位置的道路不平整越加明顯，道路的質量低。但是，信號隨機過程的每一個實現是不可預測的，某一實現的功率譜密度不能作為過程的功率譜密度，隨機過程功率譜密度看做每一實現的功率譜密度的統計平均，得到一段道路的平均功率譜密度，作為該道路的行駛過程中道路不平整的間接表現，從而反映道路的具體特徵。
依靠matlab軟體，對每一代表性道路所測得到行駛車輛在數值方向上的加速度的數值進行上述傅立葉變換之後得到平均功率譜密度。
（4）選取同種車型的功率譜密度與IRI進行擬合分析，建立同種車型的功率譜密度與IRI的擬合模型；
（5）對不同車型的功率譜密度與IRI的擬合模型進行普通適用性檢驗；
（6）由於選用車型差距較大的兩種車型的模型進行比較，對於不同的車型，雖然其函式的形式很相近，但是在使用時需要對函式的參數進行標定，因此不具有很好的通用性，所以消除不同車型對於擬合模型的影響，得到功率譜密度與IRI的通用擬合模型。
由於三軸重力加速度感測器測量得到的是車輛自身振動和路面不平整引起車輛振動的疊加，因此，首先計算車輛靜止時的平均功率譜密度的值，然後利用車輛行駛時平均功率譜密度的值減去其靜止時功率譜密度的值，通用擬合模型中的功率譜密度，即表示路面不平整引起的車輛振動。
（7）根據通用擬合模型以及採集到的重力加速度值，進行路面平整度檢測。
採用《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》對上海市域範圍內的實際路段進行了平整度檢測，選取有代表性的路段38條，其平整度指標分布在1-10之間，市內道路行駛車速選擇為40千米/小時，公路行駛車速按照其設計車速為60千米/小時或80千米/小時，選取重力加速度感測器量程為±10克，精度為0.001克，所選採樣頻率為10赫茲，同時選用兩個感測器消除儀器誤差後，固定於車內後軸上方，往返測量三次，取其重力加速度的平均值。測試車型選用別克凱越三廂車，以及福特江鈴測試車。
以福特江鈴測試車為例，採用matlab軟體，對每一代表性道路所測得到行駛車輛在數值方向上的加速度的數值進行上述傅立葉變換之後得到平均功率譜密度，見表1，將其功率譜密度與IRI進行擬合分析，擬合曲線見圖2。
分別擬合兩種車型的重力加速度功率譜密度以及國際平整度指數IRI模型，見圖3，從兩個擬合模型中可以發現其函式的形式也有很大的近似性，但由於車型的影響，兩條曲線沒能很好的重合到一起，因此首先計算車輛靜止時的平均功率譜密度的值，然後利用車輛行駛時平均功率譜密度的值減去其靜止時功率譜密度的值，建立其與IRI之間的通用擬合模型如圖4所示。
表1
然後採用兩種車型，測量不同代表性路段行駛時的重力加速度值，用圖4的通用擬合模型，計算其IRI值。利用該種方法測得IRI值與IRI實際值的相關係數為0.9642，可以很好的滿足實際測量的需求。
專利榮譽
2021年6月24日，《一種基於重力加速度感測器的路面平整度檢測方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
