一种微观路表形貌的数字化生成方法技术

本发明专利技术公开了一种微观路表形貌的数字化生成方法，包括如下步骤：采用三维扫描仪扫描路面表面，获取路表形貌的三维点云坐标（X0,Y0,Z0）；对三维点云平面坐标（X0,Y0）进行栅格化，获得栅格格式的三维点云平面坐标（X1,Y1）；采用散点插值方法，获得与点云Z0坐标对应的插值Z1坐标；创建自由格式的多边形网格，获得三维点云坐标（X1,Y1,Z1）对应的三维网格；转换三维网格为三维多重曲面；导入有限元软件，获得用于数值模拟的微观路表形貌。本发明专利技术为基于微观路表形貌的轮胎/路面抗滑性能分析和轮胎/路面噪声性能分析提供了有利条件，为路表形貌的微观调控提供了技术可能性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及道路路面，特别是微观路表形貌的数字化生成。
技术介绍
轮胎/路面抗滑性能与轮胎/路面噪声性能均是路面所应提供的两项重要功能。为进行这两项性能的深入研究，一方面依赖于对轮胎的精确建模(如轮胎组成、花纹等)，另一方面依赖于对微观路表形貌的精确表征。目前，对路表形貌，大多仍基于一维维度上的考虑，如路表纹理波长、平均纹理深度(MTD)、平均断面深度(MPD)等；也有基于二维维度上的考虑，如研究随机路表不平度对噪声、抗滑性能的影响。申请人研究后发现：这些参数不能完整地描述路表的微观形貌特征(导致形貌信息的丢失)，更为重要的是，这些参数无法满足抗滑和噪声研究对微观路表形貌的精度要求，也无法为路表形貌的微观调控(满足抗滑的条件下，降低路面噪声)创造良好的技术条件。因而，迫切需要微观路表形貌的数字化生成方法，以满足抗滑和噪声研究的精度要求。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种微观路表形貌的数字化生成方法，以满足抗滑和噪声研究对微观路表形貌的精度要求。技术方案：为实现上述目的，本专利技术利用路表形貌的三维扫描信息，通过插值和网格化，获得用于数值模拟的数字化微观路表形貌。本专利技术采用的具体的技术方案为：一种微观路表形貌的数字化生成方法，包括顺序执行的以下步骤：步骤1、扫描路面，获取表征路表形貌的三维点云坐标(X0,Y0,Z0)；步骤2、对三维点云平面坐标(X0,Y0)进行栅格化，获得栅格格式的三维点云平面坐标(X1,Y1)；步骤3、采用散点插值方法，获得与点云Z0坐标对应的插值Z1坐标；步骤4、创建自由格式的多边形网格，获得三维点云坐标(X1,Y1,Z1)对应的三维网格；步骤5、将三维网格转换为三维多重曲面；步骤6、将数据导入有限元软件，获得用于数值模拟的数字化微观路表形貌。进一步的，在本专利技术中，步骤2中，路表形貌格栅格式的三维点云平面坐标(X1,Y1)按照如下步骤获得：将路表形貌三维点云读入科学计算软件，根据每个点云平面坐标(X0,Y0)的上下限值和期望的间隔数(即所需的精度)，采用网格采样点生成函数，获得栅格格式的三维点云平面坐标(X1,Y1)。进一步的，在本专利技术中，步骤3中插值Z1坐标按照如下步骤获得：在科学计算软件中，采用散点插值函数和散点插值方法，获得基于栅格格式点云平面坐标(X1,Y1)的、与点云Z0坐标对应的插值Z1坐标。进一步的，在本专利技术中，步骤4中的三维点云坐标(X1,Y1,Z1)对应的三维网格按照如下步骤获得：在CAD软件中，采用三维网格命令，创建基于格栅格式的点云坐标(X1,Y1,Z1)的、自由格式的多边形三维网格。进一步的，在本专利技术中，步骤5中的三维多重曲面按照如下步骤获得：在三维建模软件中，采用网格转换方法，将三维网格转换为三维多重曲面，保存为有限元软件支持的多种文件格式。有益效果：微观路表形貌的数字化生成，为基于微观路表形貌的轮胎/路面抗滑性能分析和轮胎/路面噪声性能分析提供了有利条件，为路表形貌的微观调控提供了技术可能性。附图说明图1是本专利技术实施例的选定区域的路表形貌图；图2是本专利技术实施例的用于数值模拟的数字化二维微观路表形貌图；图3是本专利技术实施例的用于数值模拟的数字化三维微观路表形貌图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1所示，在已有的路面表面(混合料类型为SMA13)上，选定15cm×10cm的形貌测试区域，喷洒一层反光增强剂；采用三维扫描仪扫描该形貌测试区域，获取路表形貌的三维点云坐标(X0,Y0,Z0)，保存为*.asc文件。将上述路表形貌的三维点云坐标文件(*.asc)读入科学计算软件MATLAB中，根据每个点云平面坐标(X0,Y0)的上下限值和期望的间隔数(本实施例中X方向间隔数为219，Y方向间隔数为134)，采用网格采样点生成函数meshgrid，获得栅格格式的三维点云平面坐标(X1,Y1)。在科学计算软件MATLAB中，采用散点插值函数TriScatteredInterp和线性插值方法，获得基于栅格格式点云平面坐标(X1,Y1)的、与点云Z0坐标对应的插值Z1坐标，按照列向量形式，将全部三维点云坐标(X1,Y1,Z1)保存为*.txt文件。在CAD软件AutoCAD中，采用三维网格命令3dmesh，输入M方向上的网格数量219，输入N方向上的网格数量134，再依次输入*.txt文件中的网格点的三维坐标(X1,Y1,Z1)(共29346个)，创建基于格栅格式的点云坐标(X1,Y1,Z1)的、自由格式的多边形三维网格，保存为*.dwg文件。在三维建模软件Rhinoceros中，打开*.dwg文件，采用网格转换方法MeshToNurb，将三维网格转换为三维多重曲面，保存为*.sat文件。在有限元软件Abaqus中，导入*.sat文件，获得如图2、图3所示的数字化二维与三维微观路表形貌图。采用标准配置的计算机实施上述方案，所需的时间如下：在上述实施例中，第1步骤采用扫描仪扫描试件表面，获取三维点云坐标(X0,Y0,Z0)，这个过程耗时约为5min。第2和第3步骤，采用MATLAB软件进行点云坐标栅格化和散点插值，获得栅格点云坐标(X1,Y1,Z1)，耗时不超过1min。第4步骤中，采用AutoCAD创建三维点云的三维网格，只需要1个命令即可完成，完成时间不超过1min。第5步骤，采用Rhinoceros进行三维网格到三维多重曲面的转换，也只需要1个命令即可完成，该步骤约需1min。第6步骤中，将三维多重曲面导入有限元中，约需2min。所有上述6个步骤，需要的总时间约为：5+1+1+1+2＝10min。总体而言，本专利申请对计算机的要求不高(标准配置的计算机即可)，资源消耗不大，处理速度快。在研究过程中，申请人发现：路表的形貌具有独特的结构，如何快速地获得仿真度较高的数字化的三维模型是一个具有挑战性的问题。为此，申请人对各种三维模型构建方法进行了认真的研究，分析各算法或方法的优缺点，设计了上述实施方案。需要说明的是，上述实施例是采用各软件中的相关模块来实现的，也可以根据需要，自行设计专用的软件来实现上述过程。采用上述软件，免去了软件开发的时间和费用，使用方便、成本低。技术人员可以根据本专利技术公开的思路和原理对上述实施例进行改进，通过一个软件来实现实现上述过程。需要说明的是，本专利技术的设计构思不仅能够应用于微观道路的三维结构重建，也可以应用于其他三维景物场景，例如宏观道路三维重建，以解决现有三维景物重建中存在的耗时耗力、效率低下和仿真度不高的问题。在一些微观三维场景重建的方案中，需要针对三维扫描仪的特点设计专门的重建算法，开发成本高，而且通用性不好。同样，现有的三维扫描获取数据之后，通过MATLAB软件进行三维重建，其不能反映研究对象的真实状态，仿真度不高。而且，如何对MATLAB重建后的三维数据进行深度处理，当前并没有很好的方案。而采用本专利技术的技术方案可以解决上述问题，提高仿真度和处理速度，从而更高更好地模拟相关场景，以更准确地研究相关问题。本专利技术为基于微观路表形貌的轮胎/路面抗滑性能分析和轮胎/路面噪声性能分析提供了有利条件，为路表形貌的微观调控(通过调整混合料级配来实现)提供了技术可能性。以上详细描述了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微观路表形貌的数字化生成方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、扫描路面，获取表征路表形貌的三维点云坐标（X0,Y0,Z0）；步骤2、对三维点云平面坐标（X0,Y0）进行栅格化，获得栅格格式的三维点云平面坐标（X1,Y1）；步骤3、采用散点插值方法，获得与点云Z0坐标对应的插值Z1坐标；步骤4、创建自由格式的多边形网格，获得三维点云坐标（X1,Y1,Z1）对应的三维网格；步骤5、将三维网格转换为三维多重曲面；步骤6、将数据导入有限元软件，获得用于数值模拟的微观路表形貌。

【技术特征摘要】
1.一种微观路表形貌的数字化生成方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、扫描路面，获取表征路表形貌的三维点云坐标（X0,Y0,Z0）；步骤2、对三维点云平面坐标（X0,Y0）进行栅格化，获得栅格格式的三维点云平面坐标（X1,Y1）；步骤3、采用散点插值方法，获得与点云Z0坐标对应的插值Z1坐标；步骤4、创建自由格式的多边形网格，获得三维点云坐标（X1,Y1,Z1）对应的三维网格；步骤5、将三维网格转换为三维多重曲面；步骤6、将数据导入有限元软件，获得用于数值...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖公云，汤赞成，谢永，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32