路面平整度确定系统的制作方法

1.本实用新型实施例涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种路面平整度确定系统。


背景技术：

2.路面不平度是指路面相对于基准平面高度沿道路走向长度的变化，它是影响车辆振动的主要因素，对车辆的平顺性、操控稳定性、经济性、轮胎寿命以及货物运输的完整性都有重要影响。
3.目前，国内用于确定这一指标的设备主要有车载式颠簸累积仪、双目相机等。但是车载式颠簸累积仪时间稳定性差、转换性差。双目相机的数据计算量大，且对设备要求高，很难广泛使用。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供一种路面平整度确定系统，以实现对路面的平整度信息的确定，提高确定路面平整度信息的精准性。
5.本实用新型实施例提供了一种路面平整度确定系统，包括：惯性导航装置、卫星定位装置、激光高度测量装置、数据处理装置以及车辆；其中，
6.所述车辆包括车架；所述惯性导航装置设置于车架的中心位置。
7.在本实用新型实施例中，路面平整度确定系统包括惯性导航装置、卫星定位装置、激光高度测量装置、数据处理装置以及车辆，车辆包括车架，惯性导航装置设置与车架的中心位置，提高了惯性导航装置获取的数据的准确性，通过数据处理装置对惯性导航装置、卫星定位装置和激光高度测量装置的数据进行处理，得到路面平整度信息，提高了路面平整度信息确定的准确性。
附图说明
8.为了更加清楚地说明本实用新型示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本实用新型所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
9.图1为本实用新型实施例一所提供的一种路面平整度确定系统的结构示意图；
10.图2为本实用新型实施例二所提供的一种安装平台的结构示意图；
11.图3为本实用新型实施例二所提供的一种组合导航示意图。
具体实施方式
12.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
13.实施例一
14.图1为本实用新型实施例所提供的一种路面平整度确定系统的结构示意图，本实施例可适用于对路面的平整度进行检测的情况该系统可以通过软件和硬件的形式实现。
15.如图1所述，本实用新型实施例的路面平整度确定系统包括惯性导航装置110、卫星定位装置120、激光高度测量装置130、数据处理装置140以及车辆150；
16.其中，所述车辆150包括车架；所述惯性导航装置110设置于车架的中心位置。车辆150包括但不限于载货车辆、自卸车辆、越野车辆、轿车、客车等。车辆150的车架是指与车轮和车箱相连的架子，也可以称为车辆底座。卫星定位装置120包括全球定位系统(global positioning system，gps)。激光高度测量装置130包括激光高度计。
17.具体的，惯性导航装置110用于测量车辆150在行驶的过程中运动加速度和转动角速度，以对后续计算路面平整度做准备工作。惯性导航装置110安装于车架的中心位置可以更加准确的得到车辆150在运行过程中的运动加速度和转动角速度。卫星定位装置120可以获取车辆150的实时位置信息和速度信息，激光高度测量装置130获取车辆150与路面之间的实际高度值，数据处理装置140对惯性导航装置110、卫星定位装置120、激光高度测量装置130的数据进行处理，得到路面平整度信息。
18.在本实用新型实施例中，所述车辆150包括驾驶室；所述卫星定位装置120设置于驾驶室顶部。
19.其中，车辆150的驾驶室可以设置在车辆150前方。卫星定位装置120设置于驾驶室顶部的任一位置处，卫星定位装置120设置于驾驶室顶部，便于接收卫星信号，以对车辆150的实时位置信息以及行驶速度进行获取。
20.具体的，卫星定位装置120设置于驾驶室顶部的任一位置处，卫星定位装置120用于获取车辆150的行驶速度和实时位置信息。
21.在本实用新型实施例中，所述惯性导航装置110包括至少三个陀螺仪以及至少三个加速度计。
22.其中，陀螺仪用于测量运动角速度，加速度计用于测量运动加速度。
23.具体的，惯性导航装置110包括至少三个陀螺仪，可选的，三个陀螺仪测量车辆坐标系中的三个坐标轴方向的运动角速度，使得运动角速度的计算更加准确。同理，惯性导航装置110中设置的至少三个加速度计测量三个坐标轴方向的运动加速度，使得运动加速度的计算更加准确。
24.在本实用新型实施例中，所述系统还包括安装平台160；所述安装平台160设置于车架的中心位置，所述惯性导航装置110设置于所述安装平台160中；所述激光高度测量装置130通过支架与所述安装平台160相连。
25.其中，安装平台160是指用于放置惯性导航装置110的平台，并且安装平台160可以与激光高度测量装置130连接。参见图1中惯性导航装置110外围的虚线，即表示安装平台160，安装平台160可以为具有底座以及四周边框的平台，惯性导航装置110放置于安装平台160内，激光高度测量装置130通过支架与安装平台160相连。惯性导航装置110的三个陀螺仪测量安装平台160三个相互垂直的方向(车辆坐标系的三个坐标轴)的运动角速度、三个加速度计测量安装平台160车辆坐标系的三个坐标轴方向的运动加速度。需要说明的是，安装平台160上设置有车辆坐标系。
26.在本实用新型实施例中，安装平台160所处的车辆坐标系与导航坐标系通常情况下不是完全重合的，坐标系之间存在一定的夹角，所以，在惯性导航装置110开始测量前，需要确定车辆坐标系与导航坐标系之间的位置转换关系。惯性导航装置110进行初始校准，初始校准方程为：
[0027][0028]
其中，ω
ie
是地球自角速度(i为惯性系，e为地球系)，g为重力加速度，λ为当地的纬度，是初始位置的姿态矩阵，b系为载体坐标系，p系为导航坐标系，f为加速度计测量的比率。
[0029]
当惯性导航装置110完成初始校准后，可以进行路面平整度信息的测量。在测量过程中，惯性装置随着车辆150的振动而振动，姿态在一直变化，所以惯性导航装置110可以测量载体(比如安装平台160，惯性导航装置110设置于安装平台160上，安装平台160与车架相连)在重力方向上的加速度、速度和位置等信息。比如，使用惯性导航装置110测量载体的运动加速度、转动角速度，通过惯性导航装置110的解算算法，得到每个时刻载体与惯性导航装置110的姿态矩阵和惯性导航装置110的速度和位置。
[0030]
使用四元数对惯性导航装置110的姿态矩阵进行更新，姿态矩阵方程为：
[0031][0032]
其中，γ为载体的航向角，θ为载体的侧倾角，为载体的俯仰角。
[0033]
车辆150在行驶过程中，惯性导航装置110的速度和位置都是在不断更新，根据速度更新方程和位置更新方程可以确定惯性导航装置110的实时速度和实时位置信息，其中，惯性导航系统速度更新方程：
[0034][0035]
惯性导航系统位置更新方程：其中，rm为卯酉圈主曲率半径；rn为子午圈主曲率半径；l为惯性导航装置110所在地的纬度；h为惯性导航装置110所在地高度。
[0036]
在本实用新型实施例中，路面平整度确定系统包括惯性导航装置110、卫星定位装置120、激光高度测量装置130、数据处理装置140以及车辆150，车辆150包括车架，惯性导航装置110设置与车架的中心位置，提高了惯性导航装置110获取的数据的准确性，通过数据处理装置140对惯性导航装置110、卫星定位装置120和激光高度测量装置130的数据进行处理，得到路面平整度信息，提高了路面平整度信息确定的准确性。
[0037]
实施例二
[0038]
本实用新型实施例的路面平整度确定系统是在上述实施例的基础上增加了安装平台160包括底座和边框的技术特征，具体增加的内容将在本实用新型实施例中进行详细的阐述。本实用新型实施例的路面平整度确定系统还包括：
[0039]
所述安装平台160包括底座210和边框220；所述激光高度测量装置130与安装平台160的边框220通过支架连接。
[0040]
其中，安装平台160的材质可以是金属，比如铁、合金等，安装平台160的边框220通过支架与激光高度测量装置130相连。
[0041]
具体的，安装平台160中设置底座210，用于承托惯性导航装置110，并设置边框220，固定惯性导航装置110的同时，可以连接激光高度测量装置130，将激光高度测量装置130和惯性导航装置110连接起来，参见图2。在本发明实施例中，所述安装平台160与所述车辆150的车架通过螺丝相连。通过螺丝相连，方便拆卸，并且通过螺丝的方式连接，稳固性良好。
[0042]
在本实用新型实施例中，所述支架与所述边框220固定或者可拆卸连接。
[0043]
具体的，支架与边框220的连接方式可以包括固定连接，使得支架与边框220不易分开，避免激光高度测量装置130掉落损坏。可选的，支架与边框220的连接方式包括可拆卸连接，便于对激光高度测量装置130的位置进行更换，提高激光高度测量装置130的测量的灵活性。
[0044]
在本实用新型实施例中，所述支架与所述边框220通过焊接方式固定连接。
[0045]
具体的，支架与边框220通过焊接方式可以提高支架与边框220之间的稳定性，保证在车辆150行驶过程，支架不会随着车辆150的行驶而移动，进而保证了与支架连接的激光高度测量装置130测量车辆150与路面之间的距离的准确度。
[0046]
在本实用新型实施例中，所述支架与所述边框220通过螺丝或卡扣连接。
[0047]
具体的，通过螺丝或者卡扣的方式连接支架与边框220，可以提高支架的拆卸的灵活性，当结束测量路面与车辆150的高度时，通过螺丝或者卡扣可以方便将支架拆卸下来，进而将激光高度测量装置130拆卸下来。
[0048]
在本实用新型实施例中，所述安装平台160与所述车辆150的车架可拆卸连接。
[0049]
具体的，安装平台160和车辆150的车架通过螺丝相连，可以灵活的拆卸安装平台160，并且，也可以根据实际需要对安装平台160进行安装或者拆卸。
[0050]
在本实用新型实施例中，通过惯性导航装置110、激光高度测量装置130以及卫星定位装置120测量数据，数据处理装置140对这些数据进行处理，得到路面平整度信息。具体的，通过线性卡尔曼滤波器，对这些数据进行融合，得到整体数据的最优结果，其中，离散型卡尔曼滤波器基本方程为：
[0051]
设tk时刻的被估计状态xk受系统噪声序列w
k-1
的驱动，驱动机理由下述状态方程描述：
[0052]
xk＝φ
k,k-1
x
k-1
γ
k,k-1wk-1
[0053]
zk＝hkxk vk[0054]
其中，xk表示系统k时刻的状态估计，φk表示系统状态一步转移矩阵，γk为系统噪声分配矩阵，hk为观测矩阵，zk为观测值，w
k-1
为系统噪声向量，vk为观测噪声，两者都是零均
值的高斯白噪声序列，且他们之间互不相关。
[0055]
同时具有下述的约束条件：
[0056]
e[wkw
jt
]＝qkδ
kj
[0057][0058][0059]
其中，qk是系统噪声的方差阵，pk是观测噪声的方差阵。
[0060]
随机离散系统的卡尔曼滤波方程为：
[0061]
状态一步预测方程：
[0062][0063]
一步预测误差自相关矩阵：
[0064][0065]
增益矩阵：
[0066][0067]
系统状态估计方程：
[0068][0069]
状态估计误差自相关矩阵：
[0070]
pk＝(i-k
khk
)p
k,k-1
[0071]
根据观测值zk和状态估计值通过递推的方式确定k时刻的最优状态估计通过离散型卡尔曼滤波器为基础，建立状态空间模型，以得到整体数据的最优解，根据最优解确定路面平整度信息。
[0072]
在本实用新型实施例中，惯性导航装置110通常以惯性导航装置110的几何中心作为定位和测速的参考基准，卫星定位装置120通过接收天线的位置中心作为参考基准。在将惯性导航装置110获取的数据与卫星定位装置120获取的数据进行数据融合时，需要将获取数据对应的坐标系统一化处理，参见图3。图中r和r分别为惯性导航装置110和卫星定位装置120相对于地心的矢量，y为卫星定位装置120相对于惯性导航装置110的矢量，三者的关系可用下述公式表示：
[0073]
r＝r y
[0074]
惯性导航装置110和卫星定位装置120之间的速度和位置的关系可以表示为：
[0075][0076][0077]
其中，v
ins
为惯性导航装置110的地速，v
gnss
为卫星定位装置120的地速，p
ins
为惯性导航装置110的位置，p
gnss
为卫星定位装置120的位置，m
pv
将在下述的公式进行说明。
[0078]
在本实用新型实施例中，惯性导航装置110和卫星定位装置120获取的数据，在进
行计算时，存在时间不同步，在进行数据融合时，必须对时间不同步误差进行补偿，两者之间的速度和位置的误差方程：
[0079][0080][0081]
其中，δt为时间不同步误差，a
p
为载体在不同步时间内的平均加速度，v
p
为载体在不同步时间内的平均速度。
[0082]
惯性导航装置110姿态误差(φ)、速度误差(δv)、位置误差(δp)、陀螺仪零漂误差(ε)、加速度计测量零偏误差可得到以位置和速度作为观测量的惯性导航装置110与卫星定位装置120组合导航的状态空间模型，如下：
[0083][0084]
其中：
[0085][0086][0087][0088][0089][0090][0091][0092]
[0093][0094][0095][0096]mav
＝m2[0097]map
＝m1 m3[0098][0099][0100]mvp
＝(v
p
×
)(2m1 m3 m4)
[0101][0102][0103]
其中，和为陀螺仪和加速度计的测量噪声；vv和v
p
为卫星定位装置120的速度和位置的测量噪声；ve为惯性导航装置110东向速度；vn为惯性导航装置110北向速度；β，β1和β2为常数。
[0104]
通过上式计算，可得惯性导航装置110的和p
ins
的最优估计值，接着在激光高度计的位移中去除惯性导航装置110的位移量，即可得到路面不平度信息q(t),q(t)的计算公式如下：
[0105][0106]
在本实用新型实施例中，当得到了路面平整度信息之后，数据处理装置140还可以根据gb/t 7031-2005的规定(规定路面统计分析的空间频率范围是(0.011～2.83m-1
)，在常用车速段10-30m/s，时间频率范围是(0.33～28.3hz))，考虑车辆150实际行驶过程中有可能会出现与主观评价结果有出入情况。例如：在某e级路面上，空间频率0.011m-1
，车速为108km/h时，对应的时间频率为0.33hz，0.33hz不在人体和车辆150的振动敏感区间内，另外，在等级较差的e级路面上以108km/h的车速行驶显然是有困难的。所以，在计算路面平整度信息时，对于不同的路面设置不同的车速阈值，当计算得到车速大于车速阈值时，可以删除该车速以及对应的路面平整度信息。
[0107]
在本实用新型实施例中，在得到路面平整度信息之后，可以根据路面平整度信息确定路面等级。具体的，路面等级评价的频率范围设置与人体和车辆150的振动敏感范围一致。人体对z方向(垂直与水平面的方向)振动最敏感频率范围是(4～12.5hz)，在(4～8hz)范围内，内脏器官产生共振，(8～12.5hz)范围内，脊椎系统产生共振；人体对水平方向(平行于水平面但是相互平行的直线方向)振动最敏感频率范围是(0.5～3hz)。汽车悬挂质量部分的固有频率在(1～2hz)，非悬挂质量部分的固有频率在(10～15hz)。因此，路面等级评价的时间频率范围是(0.5～28.3hz)，对某一路面进行评价时，用该路面的预设车速来确认评价的空间频率范围(n
l
～nu)，最后根据下式拟合的结果与gb/t7031-2005中的分级线对比，确定路面等级。
[0108][0109]
其中，n为空间频率，n0为参考空间频率，gq(n0)为参考空间频率下的路面功率密度值，称为路面不平度系数。w为频率指数。q为上述的路面平整度信息。
[0110]
本实用新型实施例的路面平整度确定系统，包括惯性导航装置110、卫星定位装置120、激光高度测量装置130、数据处理装置140和车辆150，并且设置了安装平台160。车辆150上设置有车架，安装平台160设置在车架的中心位置，惯性导航装置110设置在安装平台160上，安装平台160包括底座210和边框220，可以更加稳固的固定惯性导航装置110，并且，通过支架将激光高度测量装置130与安装平台160相连。通过本实用新型实施例的技术方案实现对于路面与车辆150之间的高度的测量，对车辆150的实时位置信息和速度的获取，以及对于设置在车架上的安装平台160的转动角速度、运动加速度、位置信息的获取，数据处理装置140对这些数据进行处理，得到路面平整度信息，提高路面平整度信息确定的准确性。
[0111]
值得注意的是，上述系统所包括的各个装置和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能装置的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本实用新型实施例的保护范围。
[0112]
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。