路面构造特征参数与附着系数的关系研究

彭鹏峰

广东工贸职业技术学院 广东省广州市 510510

1 前言

附着系数信息对于汽车前向防碰撞系统是重要的控制因素之一。如果车辆行驶过程中能够实时识别出当前路面的附着系数，系统就可以根据当前路况调节控制策略，提高车辆安全性。随着汽车智能化程度的提高，越来越多的车辆上安装有摄像头、雷达等传感器，通过传感器获取车辆前方路面的纹理构造，再借助于人工神经网络建立的构造特征参数与附着系数的关系模型去识别附着系数成为可能。

因表征路面构造的参数较多，各参数对附着系数的影响程度不同，为了避免神经网络模型太过复杂和多重共性的问题，需要对特征参数和附着系数的关系进行分析，从中选取能够作为评价附着系数的代表性参数。本文的研究工作为下一步通过人工神经网络实现附着系数的识别奠定基础。

2 附着系数影响因素

对于行驶在道路上的特定车辆而言，影响附着系数的主要因素有滑移率、路面构造、路面干湿状况等。

2.1 滑移率

滑移率变化会影响到轮胎与路面间的接触状态，从而改变轮胎在路面上的附着情况。图1 为实验得出的滑移率与附着系数的关系曲线。可见，随着滑移率的增加，附着系数先呈快速增长的趋势，而后缓慢减小。在滑移率为20% 左右，附着系数达到最大值。目前车辆都安装ABS 系统，汽车制动时ABS 系统将滑移率控制在15%～25%这个区间。由图1 可见，在此区间，附着系数的变化量很小，基本在10%以内。

图1 附着系数与滑移率的关系曲线

2.2 路面构造

路面由砂石及结合料组成，存在凹凸不平，这些凹凸不平的路面构造影响着轮胎与路面的接触情况。即使是同一类型的路面，不同的路面构造也会使附着系数呈现出较大的差异。表1 为两种典型路面在干燥和潮湿情况下的附着系数。以干燥沥青路面为例，其附着系数从0.6 到0.8 不等。可见，路面构造对附着系数影响显著。

表1 两种典型路面的附着系数

为分析路面构造差异对汽车前向碰撞预警系统的影响，以附着系数为0.6 和0.8的两种干沥青路面为例，假定前车静止不动、后车以最大的制动减速度刹车，基于Berkeley 模型安全车距公式计算两种路面下前后车应保持的安全车距。图2 为安全车距随车速的变化曲线。可见，随着车速的增加，两种路面安全车距差值呈不断增长的趋势。在车速为120km/h 时，安全车距差值超过20m。因此，要提高汽车前向碰撞预警系统的预警精度，必须考虑到路面构造差异的影响，应根据路面构造特征实时预测附着系数。当前，用以表征路面构造的特征参数较多，本文通过对其进行相关性分析来选取代表性参数，为下一步通过人工神经网络实现附着系数的识别研究建立基础。

图2 不同附着系数对安全车距的影响分析

3 路面构造特征参数采集

3.1 路面构造表征参数

大量研究表明，路面使用性能与其表面构造特性有关，其中与附着系数直接相关的路面抗滑性能主要受路面微观形貌的影响。用于表征微观形貌的参数主要有：轮廓算术平均偏差、轮廓均方根偏差、平均构造深度、平均断面深度、轮廓均方根斜率、轮廓偏斜度和陡峭度。各参数的代号及计算表达式如表2 所示。

表2 路面构造特征参数

3.2 数据采集

为了研究路面构造特征参数与附着系数的关系，在广东乐广高速公路上进行数据采集。采用道路附着系数测定仪进行附着系数测试（见图3），该仪器模拟汽车轮胎对路面的摩擦力，通过软件分析轮胎对地面的附着系数。采用激光纹理扫描仪（见图4）采集路面纹理形貌信息，提取路表形貌特征。该设备扫描路面后提取出路表形貌各点的三维坐标值，扫描区域为200mm x 200mm，扫描间距0.05mm，测量数据以CSV 格式的文件保存。

图3 附着系数测试

图4 激光扫描仪

根据这些数据可以重构路面表面构造，图5 为测试道路及其扫描重构结果。基于激光扫描仪的测量数据，根据表2 中各参数的计算方法，在Matlab 中编制计算程序，从而获取测试道路的路面构造特征参数。共得到66 组数据，节选部分数据如表3 所示。表中u 为附着系数。

图5 测试道路表面构造扫描结果

表3 部分测试道路构造特征参数与附着系数值

4 相关性分析

以66 组路面构造特征参数数据和附着系数数据为基础，对其进行线性相关性分析，从中挑选出具有代表性的特征参数以用于表征路面附着特性。首先，分析各特征参数与附着系数之间的对应关系，相关性分析结果如图6 所示。由图可见，MTD、Δq、MPD、Ra、Rq 这5 个参数与附着系数的相关系数较高，而Rsk、Rku 与附着系数之间相关系数值很小，为极弱相关。其中，Δq 与附着系数的相关性最强，但相关系数仅0.5012，说明附着系数受多个特征参数综合影响，单个特征参数不足以表达附着系数。

图6 各构造特征参数与附着系数的相关性

为了避免多重共线性问题，对与附着系数关联性较强的MTD、Δq、MPD、Ra、Rq 这5 个特征参数之间进行相关性分析，以从中选出与其他参数相关性不强的特征参数作为附着系数的代表性表征指标。表4 为特征参数间的线性相关系数。可见，Ra与 Rq 的相关性极强，相关系数为0.97。因此，在Ra 和Rq 两者间只需选一个参数作为代表性表征指标，考虑到Rq 与附着系数的相关性更强，选取Rq 作为代表性特征指标。综上分析，最终选取MTD、MPD、Rq、Δq 这四个参数作为评价附着系数的代表性表征指标。

表4 构造特征参数间的相关系数

5 结论

本文以沥青路面为研究对象，通过道路附着系数测定仪和激光纹理扫描仪采集数据，然后在Matlab 中编制程序计算出MTD、MPD 等7 个路面构造特征参数数值；最后对特征参数和附着系数的关系进行分析。结果表明：MTD、MPD、Rq 和Δq 和附着系数的关联性强，可作为评价路面附着系数的代表性表征指标。