一种基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法技术

本发明专利技术公开了一种基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法，包括以下步骤：1)通过手机采用车辆行驶时的加速度信息；2)对手机采集到的车辆行驶时的加速度信息进行预处理；3)识别车辆的振动物理参数；4)根据经步骤2)处理后的车辆行驶时的加速度信息及步骤3)识别得到的车辆的振动物理参数计算纵断面轮廓高程数据；5)根据步骤4)计算得到的纵断面轮廓高程数据求解国际平整度指数，该方法能够基于手机测量国际平整度指数，通用性较好。

A Theoretical Method for Determining International Flatness Index Based on Acceleration Measured by Mobile Phone

The invention discloses a theoretical method for determining the international smoothness index based on the acceleration measured by a mobile phone, which includes the following steps: 1) using the acceleration information when a vehicle is running through a mobile phone; 2) preprocessing the acceleration information collected by a mobile phone when a vehicle is running; 3) identifying the physical parameters of the vehicle's vibration; 4) identifying the acceleration signal when a vehicle is running according to step 2) after processing. Information and step 3) Recognition of vehicle vibration physical parameters to calculate profile elevation data; 5) According to step 4) calculation of profile elevation data to solve the international smoothness index, this method can measure the international smoothness index based on mobile phone, and has good versatility.

【技术实现步骤摘要】
一种基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法
本专利技术属于道路使用性能检测领域，涉及一种基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法。
技术介绍
良好的路面平整度不仅可以保证驾驶员与乘客的行驶质量，还能减少车辆轮胎的附加动荷载对车辆的冲击破坏以及对路面的损坏。因此，路面平整度的测试与评价在公路的施工过程和养护过程中非常重要。近几年，国际上很多专家和学者都在尝试将智能手机用于道路检测和路面状况的评估。目前，路面平整度的测试方法主要有三种：断面类、反应类和主观评估类测试方法。由常用的路面平整度测试方法可知，断面类测试方法往往准确性较好，但是其便捷性较差，比较耗时耗力；反应类测试方法的便捷性较好，但是也需要专门的测量设备，成本较高(TomiyamaK.,KawamuraA.,NakajimaS.,etal.AMobileProfilometerforRoadSurfaceMonitoringByUseofAccelerometers.2012；ButtlarW.G.,IslamS..IntegrationofSmart-Phone-BasedPavementRoughnessDataCollectionToolwithAssetManagementSystem.2014)；主观评估法的测试结果主观性较强，同一路段、不同评估者的估计结果差距很大，精度不高，且组织评分人员等较为繁琐。智能手机因其安装3轴加速度传感器和GPS定位装置，为获取汽车行驶时的振动响应提供了强大的支撑。测试时，只要将安装了加速度采集客户端的手机固定在汽车的相应位置，就可以方便、快捷地采集和存储车辆的加速度数据，从而确定路面平整度指标，这样可以节省大量人力、财力且易于普及。密歇根大学交通研究所的研究人员发现，智能手机的加速度和国际平整度指数IRI之间确实存在一些联系，但是它们之间的关系并不明确；北达科他州立大学推出了一种方法，使用智能手机的加速度推导了一种称作道路影响因子的路面平整度指标(DennisE.P.,SpulberA.,WallaceR..InnovativeApproachestoPavementConditionDataCollection[C]//TransportationResearchBoard96thAnnualMeeting.2017)，2015年，AleadelatW.和KsaibatiK.用智能手机在车辆上采集了加速度数据(AleadelatW.,KsaibatiK..EstimationofPavementServiceabilityIndexthroughAndroid-BasedSmartphoneApplicationforLocalRoads[J].TransportationResearchRecordJournaloftheTransportationResearchBoard,2017,2639(1):129-135)，并从智能手机中提取到电脑的MicrosoftExcel中。然后在MATLAB程序进行相应的滤波处理，分析得到加速度数据的方差值，通过建立的线性回归模型得到路面使用性能指数(PSI)。国内探讨智能手机在测试路面平整度方面的研究更少。王惠勇等以智能手机的加速度数据为基础，并且利用BP神经网络模型建立了IRI和加速度之间的回归关系(王惠勇,张鹏.基于智能手机的路面平整度评价方法研究[J].公路与汽运,2017(5):188-191)，田雨利用智能手机采集了车辆行驶时产生的振动信息和行驶状态信息，将测试路段的阻尼信息、累积位移指数以及环境信息进行统计回归，从而建立了关于IRI的预测模型(田雨.基于移动终端的路面平整度检测方法和智能路面信息实时监测系统[P].中国专利：104164829A,2014-11-26)。不同车辆对加速度测试结果有很大的影响，目前还没有从理论上研究该影响。国外开发的加速度采集程序中并不包含车辆的悬挂系统参数，只是将智能手机的加速度进行了两次积分，然后用智能手机的上下位移来代替路面的纵断面轮廓高程。但是对于同一路面的纵断面，由于车辆悬挂系统对竖向的振动具有一定的抵消和缓冲作用，车辆振动性能的改变必然会引起加速度测试结果的改变。因此目前的研究方法仅适用于研究者指定的车辆，这些车辆在不同的国家、工程上可能并不常用，因此该法的推广使用受到很大的限制。其次，目前多通过实验回归的方法建立智能手机测试得到的加速度与IRI之间的关系，这种经验公式与实验车辆的振动性能、智能手机约束的位置等试验条件密切相关，可推广价值低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法，该方法能够基于手机利用理论法确定国际平整度指数，通用性较好。为达到上述目的，本专利技术所述的基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法包括以下步骤：1)通过手机采用车辆行驶时的加速度信息；2)对手机采集到的车辆行驶时的加速度信息进行预处理；3)识别车辆的振动物理参数；4)根据经步骤2)处理后的车辆行驶时的加速度信息及步骤3)识别得到的车辆的振动物理参数计算纵断面轮廓高程数据；5)根据步骤4)计算得到的纵断面轮廓高程数据求解国际平整度指数。步骤1)的具体操作为：车辆启动并加速到80km/h，再稳定于70km/h-90km/h之间，当车辆达到测试起点时，通过手机上的加速度采集终端采集车辆的加速度信息，直至车辆达到测试终点为止。步骤2)的具体操作为：对手机采集到的行驶时车辆的加速度信息依次进行消除数据趋势项及降噪处理。步骤3)中车辆的振动物理参数包括车辆模型前悬架簧上质量ms、车辆模型前悬架刚度系数ks、车辆模型前悬架减震器阻尼系数cs、车辆模型前悬架簧下质量mu及车辆模型前轮胎刚度系数kt。步骤4)的具体操作为：41)根据传递矩阵法求解出车辆模型的变量传递矩阵ST及系数矩阵PR，再利用式(4)至式(7)计算试验车辆的1/4实际车辆模型在受到路面不平整激励后的4个状态变量的递推方程；Zs′＝s11zs′+s12zs″+s13zu′+s14zu″+p1y′(4)Zs″＝s21zs′+s22zs″+s23zu′+s24zu″+p2y′(5)Zu′＝s31zs′+s32zs″+s33zu′+s34zu″+p3y′(6)Zu″＝s41zs′+s42zs″+s43zu′+s44zu″+p4y′(7)其中，变量传递矩阵系数矩阵状态向量车辆与路面相互作用的向量1/4实际车辆模型的动力学性能矩阵zs为簧上质量的竖向绝对位移，zu为簧下质量的竖向绝对位移，过渡参数k1＝kt/ms，k2＝ks/ms，u＝mu/ms，c＝cs/ms，Zs′、Zs″、Zu′及Zu″为下一个加速度数据采样时刻的4个状态变量，zs′、zs″、zu′及zu″为当前加速度数据采样时刻的4个状态变量，y′为下一个加速度数据采样时刻路面的纵断面坡度，sij和pi为与采样间隔以及具体车辆模型有关的矩阵参数；42)利用式(8)-式(10)计算所有加速度数据采样时刻车轮底部对应的纵断面轮廓高程，其中，zs′(1)＝zu′(1)＝[s-y(1)]/11(8)zs″(1)＝zu″(1)＝0(9)y本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过手机采用车辆行驶时的加速度信息；2)对手机采集到的车辆行驶时的加速度信息进行预处理；3)识别车辆的振动物理参数；4)根据经步骤2)处理后的车辆行驶时的加速度信息及步骤3)识别得到的车辆的振动物理参数计算纵断面轮廓高程数据；5)根据步骤4)计算得到的纵断面轮廓高程数据求解国际平整度指数。

【技术特征摘要】
1.一种基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过手机采用车辆行驶时的加速度信息；2)对手机采集到的车辆行驶时的加速度信息进行预处理；3)识别车辆的振动物理参数；4)根据经步骤2)处理后的车辆行驶时的加速度信息及步骤3)识别得到的车辆的振动物理参数计算纵断面轮廓高程数据；5)根据步骤4)计算得到的纵断面轮廓高程数据求解国际平整度指数。2.根据权利要求1所述的基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：车辆启动并加速到80km/h，再稳定于70km/h-90km/h之间，当车辆达到测试起点时，通过手机上的加速度采集终端采集车辆的加速度信息，直至车辆达到测试终点为止。3.根据权利要求1所述的基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：对手机采集到的行驶时车辆的加速度信息依次进行消除数据趋势项及降噪处理。4.根据权利要求1所述的基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法，其特征在于，步骤3)中车辆的振动物理参数包括车辆模型前悬架簧上质量ms、车辆模型前悬架刚度系数ks、车辆模型前悬架减震器阻尼系数cs、车辆模型前悬架簧下质量mu及车辆模型前轮胎刚度系数kt。5.根据权利要求1所述的基于手机测得的加速度确定国际平整度指数的理论方法，其特征在于，步骤4)的具体操作为：41)根据传递矩阵法求解出车辆模型的变量传递矩阵ST及系数矩阵PR，再利用式(4)至式(7)计算试验车辆的1/4实际车辆模型在受到路面不平整激励后的4个状态变量的递推方程；Zs′＝s11zs′+s12zs″+s13zu′+s14zu″+p1y′(4)Zs″＝s2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪亮，吕文江，林峰，张震，徐松，李昊，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61