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摘要：随着传感器技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展，人们对路面不平度的采集、测量和各种试验方法也在不断的更新和改进。近年来，这一领域已经涌现出了多种测量和试验分析的新方法。本文分析了传统路面不平度的测试方法，为行内探讨提供参考或借鉴。
关键词：路面不平度；测量；仪器
引言：
路面不平度是指道路表面相对于理想参考平面的偏离。近年来，随着对公路服务质量要求的不断提高及路面管理系统的不断发展，随着传感器技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展，人们对路面不平度的采集、测量和试验的方法也在不断的更新和改进，这一领域陆续出现了多种测量和试验分析的新方法。
一、国内路面不平度测量历史与现状
国内于20 世纪60 年代开始路面不平度的测量与研究。1965 年，长春汽车研究所用标杆法测量了江苏、安徽等省的若干公路的路面不平度，并进行了谱估计。70 年代以来，一汽和吉林大学合作，在路面测量和统计分析方面作了较深入的工作，并完成了海南试验场可靠性跑道的设计与构筑。目前，较为完善的中国道路路谱数据相对匮乏，但其在汽车研发阶段的作用日益受到各大汽车公司的关注。早在1988 年，为了使富康轿车能够适应中国的道路条件和使用条件，中法双方专家就共同组织了在中国不同地区的行驶试验，包括多种地形、多种路况，记录了大量试验数据通过对试验过程记录数据的分析，中法专家对将要引进的产品提出了30 项改进意见，以适应中国的道路条件和使用条件。1996 年，美国通用公司派专家测量了中国的部分路谱，根据路谱统计结果对上海通用公司生产的轿车的悬挂系统做了改进。
近些年，一些企业、大学进行了越来越多的道路谱数据测量工作。从2008 年8 月起，国家“863”计划资助的项目开始在全国大范围内进行道路谱数据采集，旨在结合实际道路特点，测量道路谱信息、地理信息以及视频信息，建立道路谱数据库，实现室内道路模拟等。数据采集及应用流程如图1 所示。
图1 数据测量及应用流程图
二、路面不平度测量系统
路面不平度测量已经进行了长达50年的研究，其测量方法和仪器有很多种，按照测量基准分类有固定基准、随动基准、递推基准、惯性基准和角度基准等；按照测量原理不同分为直接接触式的测量仪和非接触式测量仪（响应式测量仪）等。对车辆的耐久性仿真研究来说，一般使用沿着车轮轨迹方向的两维剖面曲线，如图2所示。为此，开发了一套沿车轮轨迹纵向的路面测量系统。该系统能快速地测量沥青路、水泥路、沙石路和试验场道路，最大测量波长可达100 m，而这个波长正是平顺性分析所需要的。
路面不平度系统的激光横梁如图3所示，里面包含5个激光传感器、6个加速度传感器，以及陀螺仪。为了测量距离、速度等参数，系统加载一个轮速编码器，陀螺仪是为了配合GPS进行大路形的测量之用。轮速编码器、GPS系统、两个视频摄像机和高速数据采集系统用于路面不平度传感器以及其他车辆参数的同步记录，4路激光传感器、4路加速度计可实现道路谱的测量，另外在中间设置1路激光器，用于测量车辆中间的道路起伏，在每个轮迹处布置两个高精度激光传感器，其中一个传感器位于轮胎中性面上，另一个激光传感器位于轮胎边缘附近，用于协助测量分析道路斜坡。激光、加速度和陀螺仪布置方案如图4所示。加速度传感器布置在两个激光传感器的中间，加速度测量范围可以从0频开始，上限为3 kHz。
图2 纵向道路表面的测量曲线
图3 路面不平度系统的激光横梁
图4 激光、加速度和陀螺仪布置
相机在前后挡风玻璃处各放置一个，用于监测道路实时情况。
采集控制箱用于给车辆前面的激光横梁里面的传感器设备供电以及数据进入采集卡之前的调理和滤波，数据采集方案如图5所示。
图5 数据采集方案
磁盘阵列采用ESA12U-G2421型的，用于采集的海量路面高程数据和视频数据的存储。
UPS电源采用山特的3 kVA全在线式不间断电源，用于给系统提供标定时（车辆熄火）的电源和稳压。
三、路面不平度测量方法
1、硬路面不平度测量方法
路面不平度测量的最初发展是和公路路面质量评价相联系的，路面不平度测量仪的出现可以追溯到1 9 2 5年，把地面几何学引入车辆振动研究还是本世纪6。年代的事。
根据路面不平度测量原理，现有的路面不平度测量仪可分为响应型测量仪和路面波形仪。
（1）响应型测量仪
响应型测量仪的工作原理是：测量仪通过被测路面时，测量系统的某一响应量，通过动态标定反求地面有效激励.这是一种间接测量方法，其测量结果只有经过标定才能应用. 由于测量轮具有一定的直径，它测得的是“ 包络有效不平度” . 显然，测量仪的动力学特性和测量速度会对测量结果产生影响. 目前常见的响应类测量仪有B P R R o u -名h m e t e r、M a y M e t e r 等.
在目前的路面不平度测量中，响应类侧量仪应用较为广泛. 其原因在于其价格低廉，操作简便.由于它采用间接测量方法，适当的标定方法对于测量结果的应用以及不伺测量系统之间的比较就显得十分重要. 由于它测量的是包络有效不平度，因而比较适合用于车辆振动研究中的路面不平度测量。
（2）路面波形仪
路面波形仪是一种可以在一定精度范围内测量地面真实形状的仪器. 标杆测量系统就是一种最原始的路面波形测最仪.新近发展起来的路面波形仪有非接触测量仪（如雷达、红外、激光等测量仪）. 它通过接收地面反射的波信号而测量路面波形.
还有一种目前应用较为广泛并被归类为路面波形仪的测量仪— G M R 波形仪. 它用一个加速度计测量汽车车身振动加速度，同时测量车身和地面追随轮之间的相对位移. 把前一信号两次积分与后一信号相加即可得到路面波形.
国内七十年代末由赵济海等发展的斜率式真实路面仪采用角测法测量路面波形，并应用于实践.
路面波形仪一般需建立一个几何水平基准面. 目前常常采用的是陀螺仪.这就使得测量仪仪价格昂贵，使用不便. 路面波形仪测量的是真实路面形状，比较适合于路面质量评价.如果应用于车辆振动研究，则必须另外考虑车轮的包络特性影响. 这是一项复杂的工作。
2、软路面不平度测量
由于车轮一地面相互作用的复杂性及受理论水平的限制，软路面对车轮的有效激励尚不能准确描述. 目前的研究多沿用硬路面测量方法，即测量原始地面不平度或车辙不平度，而不考虑地面变形的影响。
早期的软路面不平度测量采用的是静态方法测量原始地面不平度（如W e n d e nb o r n，M i t s c h ke 等）.这种人工测量方法太费时，而且精度差.70 年代末，H u n f e r 和L a i b t 用加速度方法测得了某些农业地面的路面谱.他们强调指出，在保证测量轮不跳离地面条件下应尽量减轻测量轮及框架重量，以减小测量轮下地面变形量.80 年代uF i i m o t。在五轮仪轮轴上安置加速度传感器测量施工工地地面不平度.Ohmiya采用角测法测量农业地面不平度，其实质是测量地表波形。
我们认为，当车辆越过软路面时，车轮下的地面变形对地面给车轮的有效激励是有影响的.在测量软路面不平度时应考虑到这一点。
3、路面不平度测录仪标定方法
路而波形仪可直接测量路而真实形状.对干响应类测量仪，由于其间接测量，一个适当的标定方法就显得极为重要. 国外己在这方面作了大量的工作，目前常用的标定方法有：
（1）墓本标定方法：在标定路面上采用一路面波形仪测量其波形，再将测量结果输入特定的1 / 4汽车模型（Qu a r t e r 一aC：M o d e l），将其输出与实际待标定的响应类测量仪输出比较而标定. 它主姿用于公路路面质量评价的路面不平度测量.
（2）人造路面标定法：让待标定的响应类测量仪通过一路面形状己知的人造路面而标定.为了减小标定误差，人造路面应包括粗糙、一般和平滑三种类型.
（3）液压振动台标定：将响应类测量仪置于振动台上，输入岂知的激励而标定.这种方法不能考虑轮胎不圆滚动造成的振动以及轮胎动、静刚度间的差别，因而不宜用于平滑路面不平度测量标定。
对于软路面，其路面波形与有效不平度间是有差别的，而且这种差别与路面波形、车辆参数以及地面坚实度等有关.所以其标定不能采用上述第1、2 种标定方法. 对于第3 种方法，应用时应研究它本身存在的问题。
结束语
随着时代的发展和科技的进步，人们对车辆的行驶质量的要求也越来越高，路面不平度通常用来描述路面的起伏程度，是汽车行驶过程中的主要激励，影响车辆行驶的平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性、零部件疲劳寿命、运输效率、油耗等各个方面。所以对于汽车工程技术人员，研究分析路面不平度具有重要的意义。
参考文献：
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[2]赵继海，王哲人，关朝雳.路面不平度的测量分析与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2000.54-66.
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[4]荆强，郝宇龙，等.路面不平度的频谱分析及其AR模型[J].军械工程学院学报，2006，18（6）：11-13.
论文作者:张羽
论文发表刊物:《基层建设》2015年34期
论文发表时间:2016/9/29
标签：平度论文; 路面论文; 测量论文; 测量仪论文; 波形论文; 地面论文; 传感器论文; 《基层建设》2015年34期论文;