[發明專利]一種三維路面信息譜的自動獲取方法

有效

• 申請號: 202010461086.3
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111597642B
• 公開（公告）日: 2023-09-12
• 發明（設計）人: 白先旭;李成蹊;段順昌;石琴
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G01B21/30;G01N19/04;G01S19/42;G01D21/02
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉;何梅生

1.一種三維路面信息譜的自動獲取方法，是應用于包含有懸架機構和信息收集機構的車輛中；所述懸架機構包括：車架(3)、擺臂(4)和羊角(5)；所述信息收集機構包括：車輛原生ABS系統、加速度傳感器(2)、輪速傳感器、車輛原生GPS傳感器和相應支撐座(7)；所述加速度傳感器(2)分別安裝在所述擺臂(4)和車架(3)處，并分別用于收集非簧載質量加速度和簧載質量加速度；其特征是：在所述信息收集機構中還設置有輪跳傳感器(1)、所述輪跳傳感器(1)包括：角度計(6)和桿件(8)；所述輪跳傳感器(1)的角度計(6)安裝于所述車架(3)處，且所述桿件(8)的一端安裝于所述擺臂(4)處；所述自動獲取方法是按如下步驟進行：

步驟1、收集垂向路面信息數據：

設定循環次數為k，且初始化k＝0；

利用所述輪跳傳感器(1)采集第k次循環的輪跳位移y_j^(k)，利用所述加速度傳感器(2)分別采集第k次循環的非簧載質量加速度和簧載質量加速度利用所述車輛原生ABS系統與輪速傳感器采集第k次循環的路面滑移率u^(k)，利用所述車輛原生GPS傳感器采集第k次循環的帶有時間戳的車輛GPS坐標；

步驟2、根據四分之一車輛懸架二自由度動力學模型，對所述第k次循環的輪跳位移y_j^(k)、非簧載質量加速度和簧載質量加速度進行預處理，得到第k次循環的輸出變量y_k，且y₁為第一輸出變量，且為第二輸出變量，且為第三輸出變量，且y₃^(k)＝y_f^(k)-y_h^(k)，y_h^(k)為路面位移量；

步驟3、對所述第k次循環的簧載質量加速度進行高通濾波與積分運算后，得到第k次循環的簧載質量積分位移y_c′^(k)和簧載質量速度

步驟4、利用式(1)計算第k次循環的路面相對粗糙度I_IRI^(k)：

式(1)中，L為全程測量距離，d為微分符號；

步驟5、根據所述第k次循環的路面相對粗糙度I_IRI^(k)，利用式(2)得到第k次循環的相應路面空間的功率譜密度

式(2)中，n為空間頻率；ω_t為時間角頻率；v₀為車速；H_s(ω_t)為簧載質量位移對地面激勵的傳遞函數，d為微分符號；

步驟6、對所述第k次循環的路面相對粗糙度I_IRI^(k)和功率譜密度分別進行小波變換后，再與自身的時域信號進行對比，從而得到第k次循環的一個估計的路面粗糙度結果；

步驟7、以所述第k次循環的簧載質量速度簧載質量加速度簧載質量積分位移y_c′^(k)以及四分之一車輛半主動懸架模型的變量送入卡爾曼濾波進行計算，得出第k+1次循環的路面相對粗糙度I_IRI^(k+1)；

步驟7.1、初始化k＝0；

定義第k次循環的狀態變量集合其中，為第k次循環的非簧載質量速度；

定義第k次循環的路面位移量y_h^(k)為第k次循環的第二輸入向量u_k；

定義第k次循環的第二輸入向量u_k的狀態估計向量為第k次循環的第一輸入變量

步驟7.2、判斷k＝0是否成立，若成立，則執行步驟7.3-步驟7.6進入初始估計階段后再進行預測階段；否則，執行步驟7.7-步驟7.8，直接進入預測階段；

步驟7.3、利用式(3)得到第k次循環的狀態變量集合x_k的初始先驗狀態估計

式(3)中，E[·]表示隨機變量的總體均值函數；

步驟7.4、利用式(4)得到第k次循環的第一輸入變量u^*_k的初始先驗狀態估計

步驟7.5、利用式(5)得到第k次循環的狀態變量集合x_k及其初始先驗狀態估計的先驗協方差矩陣P_0|0：

步驟7.6、利用式(6)得到第k次循環的第一輸入變量u^*_k及其初始先驗狀態估計的先驗協方差矩陣S₀：

式(5)和式(6)中，T為轉置符號；

步驟7.7、利用式(7)得到第k次循環的狀態變量集合x_k的先驗狀態估計

式(7)中，A表示第一系數矩陣，B表示第二系數矩陣，B^*表示未知輸入第二狀態系數矩陣；

步驟7.8、利用式(8)得到先驗狀態估計的先驗協方差矩陣P_k+1|k：

P_k+1|k＝AP_k|kA^T+Q???????(8)

式(8)中，Q表示系統噪聲協方差矩陣，A^T表示第一系數矩陣A的轉置矩陣；

步驟7.9、利用式(9)得到第k+1次循環的卡爾曼增益K_k+1：

K_k+1＝C^TP_k+1|k(C^TP_k+1|k+R)^-1????????(9)

式(9)中，R為噪聲協方差矩陣；C表示第三系數矩陣，C^T表示第三系數矩陣C的轉置矩陣；

步驟7.10、利用式(10)得到第k+1次循環的協方差矩陣S_k+1：

S_k+1＝[D^*TR^-1(I-CK_k+1)D^*]^-1???????(10)

式(10)中，D^*表示未知輸入第四狀態系數矩陣，D^*T表示未知輸入第四狀態系數矩陣D^*的轉置矩陣；I表示單位矩陣；

步驟7.11、利用式(11)得到第一輸入變量u^*_k在第k+1次循環的狀態估計

式(11)中，y_k+1表示第k+1次循環的輸出變量；u_k+1表示第k+1次循環的第二輸入向量；

步驟7.12、利用式(12)得到第k+1次循環的狀態變量集合x_k+1的后驗狀態估計

步驟7.13、利用式(13)得到的后驗狀態估計的協方差矩陣P_k+1|k+1：

P_k+1|k+1＝(I+K_k+1D^*S_k+1D^*TR^-1C)(I-K_k+1C)P_k+1|k?????(13)

步驟7.14、利用式(14)得到第k+1次循環的狀態變量集合x_k+1：

x_k+1＝Ax_k+Bu_k+B^*u^*_k+w_k???????(14)

式(14)中，w_k表示第k次循環的系統噪聲向量；

步驟7.15、利用式(15)得到第k次循環的輸出變量y_k：

y_k＝Cx_k+Du_k+D^*u^*_k+v_k?????(15)

式(15)中，v_k表示第k次循環的測量噪聲向量；

步驟7.16、得出k+1步狀態量，帶入式(1)得出第k+1次循環的路面相對粗糙度估計量I_IRI^(k+1)；

步驟8、路面附著系數的計算；

步驟8.1、根據橡膠滯后摩擦模型，利用第k次循環的路面相對粗糙度I_IRI^(k)得到第k次循環的路面第一附著系數

步驟8.2、利用所述車輛原生ABS系統和輪速傳感器得出第k次循環的輪胎滑移率S^(k)；

步驟8.3、根據第k次循環的滑移率S^(k)與路面附著系數的關系曲線，得到第k次循環的路面第二附著系數

步驟8.4、根據所述路面第一附著系數和路面第二附著系數整合得到第k次循環的路面附著系數Φ^(k)；

步驟9、利用所述車輛原生GPS傳感器輸出的定位坐標的時間戳將所述第k次循環的路面相對粗糙度I_IRI^(k)以及路面附著系數Φ^(k)的時域信息相耦合，從而得到第k次循環的路面信息譜。

2.根據權利要求1所述的三維路面信息譜的自動獲取方法，其特征是，所述步驟8.3中的關系曲線分為線性區域和飽和區域；

在所述線性區域中，第k次循環的滑移率S^(k)與路面附著系數為線性關系，從而直接得到第二路面附著系數

在所述飽和區域中，是通過牽引力的動力學方程中的系數辨識得到第二路面附著系數