某試驗場強化路三維虛擬路面重構與對比分析

榮 兵，肖 攀，周建文，劉依路

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

某試驗場強化路三維虛擬路面重構與對比分析

榮 兵，肖 攀，周建文，劉依路

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

對某試驗場強化路面中線軌跡的測試數據，進行樣條插值，還原路面軌跡，對測試的路面縱向5路高程數據，根據路面橫向幾何特征進行橫向插值：橫向幾何特征一致的路面，采用線性插值；橫向幾何特征隨機變化的路面，采用樣條插值；橫向幾何特征不一致，但存在一定規律的路面，按其規律插值。最終依據相應的插值方法編程實現三維虛擬路面重構。進一步對重構的RDF和CRG格式路面進行對比的結果表明：CRG格式更適用于三維虛擬路面重構和動態載荷預測的動力學分析。路面特征越復雜，CRG路面在計算效率上相對RDF路面的優勢更為突顯。

三維虛擬路面重構；橫向幾何特征；線性插值；樣條插值

前言

在車輛結構件的開發過程中，基于試驗場采集載荷譜分解的結構件接口點動態載荷，進行疲勞分析及優化的方法已得到了廣泛的應用[1-3]。然而該方法受到較多的限制，需具備開發車型的參考模型，獲取試驗場載荷譜數據，因而使疲勞開發的成本增加，同時延后疲勞分析和優化的時間節點，在結構件設計前期無法有效地支持結構的優化設計。隨著多體動力學仿真技術的發展和適用于疲勞載荷仿真輪胎模型精度的不斷提升[4-5]，從而使得基于試驗場虛擬路面的動態載荷提取技術的應用價值越來越顯著。該技術的前提要具備精確的疲勞仿真輪胎模型和與試驗場一致的三維虛擬路面模型，在車輛開發前期運用多體動力學仿真技術，獲得各結構件接口點的動態載荷，用于預測其疲勞壽命。

本文中針對國內某試驗場的強化路面，采用自主研發的慣性參照道路縱斷剖面檢測系統測得路面中線軌跡數據和縱向5路高程數據，并結合各強化路面的不同特征，對路面橫向高程進行相應地插值，從而完成三維虛擬路面的重構，真實地反映了路面表面的幾何特征，在此基礎上，對RDF和CRG格式虛擬路面的仿真效率進行了對比分析。

1 強化路面高程的采集與處理

1.1 路面高程的采集

慣性參照道路縱斷剖面檢測系統如圖1所示，主要利用集成在檢測梁的加速度傳感器和激光位移傳感器，獲得路面縱斷面上的局部幾何輪廓特征曲線。其中，激光傳感器(5個)采用三角測距原理感知路面特征的變化，其布置圖見圖2；采用加速度傳感器(6個)測得加速度，經積分、濾波得到車輛振動位移，以消除其影響[6]。另外，該檢測系統還集成了GPS系統，以記錄行駛軌跡。該系統的采樣頻率為22kHz，有效地保證了在100km/h的采集速度下，最小采樣間距能夠小于1mm。

圖1 慣性參照道路縱斷剖面檢測系統

圖2 激光傳感器布置圖

在路面高程采集試驗中，采集車沿路面中線勻速行駛，有效避免車速急劇變化對車身姿態的影響，且準確地測量路面左右側高程。

圖3為通過慣性參照道路縱斷剖面檢測系統獲得的國內某試驗場部分強化路面數據，共6個通道，第1～5通道為5個激光傳感器所測試的路面高程數據，第6通道為路面的縱向距離，結合5個高程曲線則反映出路面在縱向上的5個截面。由GPS系統采集的路面軌跡曲線如圖4所示。

圖3 部分強化路面測試數據

圖4 路面軌跡曲線

1.2 路面高程數據的處理

采集的路面高程數據涉及到試驗場中大量的過渡路段，且橫向特征不同的路面，其虛擬路面的橫向插值和重構方法也不同，故對各路面的高程數據進行分割，再用于其虛擬路面的重構。

路面高程數據依據路面輪廓特征，進行識別和分割，圖5為鵝卵石路與共振路面的高程數據分割示意圖。基于采集時間同步原則，得到的共振路軌跡曲線如圖6所示。

分割后的數據按照虛擬路面在縱向的分辨率要求，進行路面高程數據的等距離抽樣。以試驗場中路面特征最小的碎石路為例，碎石的平均直徑在10mm以上，故所有路面的高程數據以5mm等距進行重抽樣。其次，將路面軌跡數據與抽樣后的高程數據進行距離同步。

圖5 高程數據分割示意圖

圖6 共振路軌跡曲線

2 強化路面特征分類與重構思路

2.1 強化路面特征分類

對該試驗場需要三維虛擬重構的路面進行統計，按其橫向特征進行分類，其主要劃分為4大類型，見表1，其中：A類路面是雙側橫向幾何特征在縱向90°方向一致，如搓板路見圖7；B類路面是單側或雙側橫向幾何特征在縱向一定夾角方向一致，該夾角可通過采集路面高程數據的距離差進行計算，如共振路見圖8；C類路面是雙側橫向幾何特征隨機分布，例如：鵝卵石路、碎石路等；D類路面是雙側橫向幾何特征不一致，但存在一定規律的路面，例如：比利時路在橫向鋪筑時磚塊間存在一定斷開間隙，且磚塊高程也不一致，橫向幾何特征存在差異。

表1 路面統計及特征劃分

圖7 搓板路特征示意圖

圖8 共振路特征示意圖

2.2 虛擬路面格式與重構思路

三維虛擬路面比較常見的有RDF和CRG兩種格式。RDF格式是3D等效容積路面(3D equivalent-volume)，該模型是由一系列空間三角平面組成的三維路面，其三角平面需要3個節點組成，每個節點由其對應的X，Y，Z坐標值確定其實際位置[7]；而CRG格式路面是帶有路面中心線的規則柵格的路面文件，通過指定一條路徑中心線和各個規則柵格節點的高程定義路面，各節點在路面縱橫向的間距可隨意指定，從而可以靈活地對各種路面輪廓特征進行定義。

虛擬路面重構是建立在獲得路面中心軌跡和縱向5路高程數據的基礎上，重點包括：(1)路面中心軌跡的復原；(2)路面橫向高程數據的插值。基于對該試驗場強化路面的特征分類，不同特征的路面采用不同的橫向插值方法，結合各虛擬路面格式的要求，利用數據處理軟件編制實現三維虛擬路面重構，其詳細流程如圖9所示。

圖9 三維虛擬路面重構流程圖

由于路面的GPS軌跡數據精度較低，本文中利用三次樣條進行插值[8]，將采集的GPD數據擬合為真實的路面軌跡中線，圖10為GPS數據與擬合數據對比圖，實線為GPS測試路面軌跡，虛線為擬合后并按縱向間距Δx等距抽樣后的路面軌跡曲線。

圖10 GPS數據與擬合數據對比

在動力學仿真中，虛擬路面的起始點和路面方向需與整車動力學模型原點和前進方向一致，故對于擬合后的路面中線軌跡，需按照動力學模型的方向進行坐標轉換，坐標轉換原理如圖11所示，XOY為舊坐標系，X′OY′為新坐標系，α為新舊坐標系橫軸的夾角，新舊坐標系的變換關系由式(1)和式(2)確定，圖12為轉換前后的路面軌跡對比圖。

圖11 路面中線坐標轉化原理

圖12 轉換前后路面軌跡對比圖

式中：X′n和Y′n為新坐標系下第n點的坐標值；Xn和Yn為舊坐標系下第n點的坐標值。

對于RDF格式路面，需計算路面橫向插值高程點的X和Y值。對于中線為直線的路面，各橫斷面插值點的X坐標均與該斷面中線上的X坐標一致，插值點Y坐標為該斷面中線上的Y坐標與該插值點在橫斷面離中線距離的和或差值。對于中線為曲線的路面，插值點的坐標計算較為復雜。首先，假設插值平面(圖13中虛線平面)垂直于坐標系X軸，則內外插值點坐標(X′i，Y′i)和(X′o，Y′o)為

式中：Xn和Yn為已知中線坐標；T為插值距離。

其次，實際插值平面是過中線坐標點(Xn，Yn)，且與中線切線垂直的平面(圖13中實線平面)，實際的插值平面與假設的插值平面之間的夾角β和實際內外插值點坐標(Xi，Yi)和(Xo，Yo)分別為

式中Xn+1和Yn+1為路面中線第n+1點的坐標值。

圖13 曲線上插值點坐標計算原理

3 三維虛擬路面的重構與對比

3.1 各路面虛擬路面重構

路面橫向幾何特征的不同，橫向插值方法也不同，A和B類路面主要采用線性插值方法，從而獲得橫斷面上其它位置的高程。圖14為A類路面橫斷面線性插值圖解，由于橫向幾何特征在路面中線90°夾角方向一致，則依據左側激光頭1和2采集的數據H(1，n)和H(2，n)線性插值出橫斷面上任意位置的高程數據H(c，n)，其中H(1，n)中數字1表示第1個激光傳感器采集的數據，n表示第n個采集點，H(2，n)為第2個激光傳感器采集的第n個高程，H(c，n)中的c表示第c條插值曲線。圖15為B類路面橫斷面線性插值圖解，根據路面橫向幾何特征在X方向錯開距離計算出激光傳感器1與2的采集點差i，再由采集數據H(1，n)和H(2，n+i)線性插值出橫斷面上任意位置的高程數據H(c，n+j)。圖16為重構的A類型路面搓板路，圖17為重構的B類型路面共振路，圖18為重構的該試驗場某一環道路面。

圖14 A類路面插值圖解

圖15 B類路面插值圖解

圖16 搓板路虛擬路面

圖17 共振路虛擬路面

圖18 某一環道虛擬路面

C類型路面主要是鵝卵石、碎石路面，其橫向幾何特征隨機性較大。插值原理如圖19所示，將多次采集的高程數據H(1)，H(2)，…，H(n)按橫向距離S進行排布，其中S等于卵石或碎石的平均半徑，根據重新排布的高程數據，在橫斷面上進行三次樣條插值，得到橫斷面上任何位置的高程數據，圖20為重構的鵝卵石路面。

圖19 C類型路面插值圖解

圖20 鵝卵石虛擬路面

D類型路面主要是比利時路面，其鋪設的特征主要有：(1)每一個石塊的尺寸不一定完全一致，但石塊的橫向間距和縱向間距為固定值，石塊之間的間隙尺寸也為固定值；(2)石塊橫向縫隙對齊，縱向縫隙相互錯開，任意橫斷面鋪設的石塊總數相等[9]。比利時石塊在縱向錯開排列僅是為提高路面的使用壽命，對載荷影響不大，因此比利時虛擬路面重構中石塊縱向間隙全考慮為對齊鋪設。依據該試驗場比利時石塊的橫向寬度，利用采集的路面高程數據進行虛擬路面橫向平鋪，插值出橫斷面上任何位置的高程數據，圖21為重構的比利時路面。

圖21 比利時虛擬路面

3.2 兩種格式虛擬路面對比分析

對RDF和CRG格式的路障和比利時虛擬路面進行對比分析，其中路障是該試驗場中較短的強化路面，比利時是較長的強化路面。路障與比利時虛擬路面的基本信息詳見表2，對比可知，在相同節點下的RDF文件大小為CRG文件大小的20倍以上，且隨著節點數的增加，文件大小的倍數越大。

表2 路面模型基本信息

將兩種格式的路障和比利時虛擬路面分別載入到動力學軟件，對其加載時間和內存占用量進行對比，結果見表3。由表3可知：當路面文件較小時，RDF格式和CRG格式的加載時間、內存占用量均比較接近，兩種格式均能有效地進行動力學仿真分析；當路面文件較大時，RDF格式的路面利用效率遠低于CRG格式，比利時路面CRG格式加載時間僅為RDF格式的6.67%，CRG格式內存占用量僅為RDF格式的13.91%，CRG格式仍能高效地應用于虛擬路面疲勞載荷預測的動力學仿真分析。

表3 路面加載信息對比

4 結論

利用自主研發的慣性參照道路縱斷剖面檢測系統測試某試驗場強化路面高程，結合路面的幾何特征，分別采用不同的橫向高程插值方法，進行了三維虛擬路面重構，所重構的虛擬路面真實地反映了路面的幾何特征。其次，將RDF和CRG格式的虛擬路面加載到動力學軟件，對載入時間和計算機內存占用量進行對比，反映出CRG格式路面計算效率較高，適用于對復雜強化路面的虛擬建模和基于虛擬路面的動態載荷預測動力學分析。

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Reconstruction and Comparative Analysis on 3D Virtual Intensified Road in a Proving Ground

Rong Bing，Xiao Pan，Zhou Jianwen＆Liu Yilu
China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing401122

Spline interpolation is conducted on the measured data of the central line trajectory of the intensified road surface in a proving ground to restore original road surface.Based on 5 longitudinal elevation data of road measured，lateral interpolation is performed according to lateral geometric features：linear interpolation for the road with consistent lateral geometric features，spline interpolation for the road with random change in lateral geometric features，and interpolation by rule for the road with inconsistent lateral geometric features but still follows certain rule.Finally a program is developed for 3D virtual road reconstruction based on corresponding interpolation schemes. The results of further comparison between reconstructions of RDF and CRG format road show that CRG format is more suitable for 3D virtual road reconstruction and the dynamics analysis on load prediction.The more complex the road feature，the more prominent the superiority of CRG road over RDF counterpart in computation efficiency.

3D virtual road reconstruction；lateral geometric features；linear interpolation；spline interpolation

原稿收到日期為2016年1月29日，修改稿收到日期為2016年3月16日。

榮兵，碩士，E-mail：rebe0606＠163.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.015