JP6132304B2 - Road surface evaluation apparatus and method - Google Patents

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Description

本発明は、路面評価装置及び方法に関するものである。 The present invention relates to a road surface evaluation apparatus and method.

現在の日本では高度経済成長期に大量に整備した道路インフラの維持管理の時代を迎えようとしている。経年劣化により損傷が生じた路面は振動・騒音・交通事故などの原因となるためこれらの予防として道路の維持管理は重要となる。しかし今後、大量の道路インフラを維持管理することを考慮すると厳しいコスト制約がかかることが予想される。そのため安価で効率よく路面状況を評価することが求められている。現在の路面点検では主に以下の二つの手法が用いられている。一つ目は調査員の目視による点検法であるが、これは定性的な判断であり客観的な点検ではない。二つ目は高性能検査車を用いた加速度計やレーザーなどにより路面の凹凸を測定する方法である。この方法だと高精度かつ定量的に計測できるが、高性能検査車は非常に高価であることとデータの解析に時間がかかるため高頻度の計測が行えない。これらの手法は、効率的な手法とは言い難い。 In Japan today, we are entering an era of maintenance and management of road infrastructure that has been developed in large quantities during the period of high economic growth. Road maintenance that is damaged due to aging causes vibration, noise, traffic accidents, etc., so road maintenance is important to prevent such damage. However, considering the maintenance of a large amount of road infrastructure in the future, severe cost constraints are expected. Therefore, it is required to evaluate the road surface condition cheaply and efficiently. The following two methods are mainly used in the current road surface inspection. The first is a visual inspection method by the investigator, but this is a qualitative judgment and not an objective inspection. The second method is to measure road surface irregularities with an accelerometer or laser using a high-performance inspection vehicle. With this method, high-precision and quantitative measurement can be performed, but high-performance inspection vehicles are very expensive and data analysis takes time, so high-frequency measurement cannot be performed. These techniques are not efficient techniques.

本発明者等の研究室ではVehicle Intelligent Monitoring System(VIMS)という簡易路面診断システム開発に取り組んでいる。VIMSは車両に加速度計とGPSを搭載して路面を走行し、その鉛直方向加速度応答から路面の平坦性を評価するシステムである。路面評価の指標には世界銀行が1986年に提案した国際ラフネス指標(International Roughness Index:IRI)を用いている(非特許文献1)。 Our laboratory is working on the development of a simple road surface diagnosis system called Vehicle Intelligent Monitoring System (VIMS). VIMS is a system that runs on the road with an accelerometer and GPS installed in the vehicle, and evaluates the flatness of the road from its vertical acceleration response. As an index for road surface evaluation, the International Roughness Index (IRI) proposed by the World Bank in 1986 is used (Non-Patent Document 1).

古川の研究により加速度計とGPSを組み合わせた車両応答計測システムが考案され、ランドクルーザーによる60km/hの定速走行という制約はあるもののVIMSの基本的なシステムを開発した(非特許文献2)。その後、朝川らは、路面のプロファイルデータが既知の路面を複数の計測車両や速度で走行し、実計測データを比較することで、異なる計測車両、速度でも同じIRI値を推定できる車両間キャリブレーション手法、速度キャリブレーション手法を提案し様々な車種、速度でのIRI推定を可能にした(非特許文献3、4)。 Furukawa's research has devised a vehicle response measurement system that combines an accelerometer and GPS, and has developed a basic VIMS system, albeit with the restriction of constant speed running at 60km / h by a land cruiser (Non-patent Document 2). After that, Asakawa et al. Inter-vehicle calibration that can estimate the same IRI value even with different measurement vehicles and speeds by running on the road surface with known road profile data with multiple measurement vehicles and speeds and comparing the actual measurement data A method and speed calibration method were proposed to enable IRI estimation for various vehicle types and speeds (Non-Patent Documents 3 and 4).

しかし、車種・速度キャリブレーションでは路面プロファイルが既知の路面で計測する、もしくは特定の複数車両で同一路面を走行する必要があるため、路面プロファイルを計測する手段がなく、なおかつ車両応答が既知の車両を持ち込むことが困難な途上国ではIRIを精度よく計測できないという課題が存在した。そこで矢野はどこでも実施できるハンプ試験により、ハンプを越えるときの車両の鉛直方向の挙動から同じ挙動を示す車両応答モデル(フルカーモデル)を構築し、モデルの各パラメータを遺伝的アルゴリズムで推定することで車両・速度キャリブレーションを行う新手法を提案した(非特許文献5)。この手法により実車の加速度応答の周波数スペクトルを再現可能なモデルが構築された。 However, in vehicle type / speed calibration, it is necessary to measure the road surface profile on a known road surface, or to travel on the same road surface with a plurality of specific vehicles, so there is no means for measuring the road surface profile and the vehicle response is known. In developing countries where it is difficult to bring in IRI, there was a problem that IRI could not be measured accurately. Therefore, Yano builds a vehicle response model (full car model) that shows the same behavior from the vertical behavior of the vehicle when crossing the hump by a hump test that can be performed anywhere, and estimates each parameter of the model with a genetic algorithm Proposed a new method for vehicle and speed calibration (Non-Patent Document 5). By this method, a model that can reproduce the frequency spectrum of the acceleration response of the actual vehicle was constructed.

高橋はハンプ試験時の実車の挙動を非線形性を考慮したQCモデルでモデル化し、これと朝川が提案した速度キャリブレーション法(非特許文献5)を組み合わせることで路面プロファイルを必要としないハイブリッドキャリブレーション法を提案した(非特許文献6)。この方法により、一部車種に例外はあるもののフルカーモデルの単純化に成功し80km/hの高速度域においてもIRIを精度よく推定できることを示した。 Takahashi modeled the behavior of an actual vehicle during a hump test with a QC model that takes nonlinearity into account, and combined this with the speed calibration method proposed by Asakawa (Non-Patent Document 5), hybrid calibration that does not require a road surface profile. A method was proposed (Non-Patent Document 6). With this method, although there are exceptions for some models, we succeeded in simplifying the full car model and showed that IRI can be accurately estimated even in the high speed range of 80 km / h.

嶋田の研究によりそれまでは定速走行が条件であったIRI推定を評価区間ごとに速度に応じた車両間応答比を用いることで速度変動幅が一定以下であれば定速走行でなくても精度の高いIRI推定が可能となった(非特許文献7)。嶋田の研究により70km/h〜110km/hの速度域では20km/hきざみに応答振幅比を用意し、それらを線形補間することで任意速度における応答振幅比が作成できることがわかっている。 Based on Shimada's research, IRI estimation, which had previously been a condition of constant speed driving, was not necessary for constant speed driving if the speed fluctuation range was below a certain level using the inter-vehicle response ratio corresponding to the speed for each evaluation section. Highly accurate IRI estimation has become possible (Non-Patent Document 7). According to Shimada's research, response amplitude ratios are prepared in increments of 20 km / h in the speed range of 70 km / h to 110 km / h, and response amplitude ratios at arbitrary speeds can be created by linear interpolation.

VIMSで推定するIRIは路面の平坦性の指標であり、ひび割れ・ポットホール・路面伸縮装置(ジョイント)といった可視性状の判別はできない。道路の維持管理はIRIだけでなくその他の指標も重要であるため、これらの可視性状を識別する必要がある。またGPSを用いて車両の走行速度を計測しているためトンネルなどGPSが使用できない箇所ではIRIを推定できないという問題もある。そこで三輪は画像解析を行うことにより、車両速度の同定、可視性状の判別を目指した(非特許文献8)。これにより定速走行・自由走行ともに実用可能レベルでの速度同定に成功し、路面伸縮装置の高精度な検出、晴天時に限られるものの路面のひび割れの検出に成功した。 The IRI estimated by VIMS is an index of road surface flatness, and it cannot discriminate visibility such as cracks, potholes, and road surface expansion / contraction devices (joints). Road maintenance is important not only for IRI but also for other indicators, so it is necessary to identify these visibility conditions. Another problem is that IRI cannot be estimated at locations where GPS cannot be used, such as tunnels, because the vehicle's running speed is measured using GPS. Therefore, Miwa aimed at identifying the vehicle speed and discriminating the visibility by performing image analysis (Non-patent Document 8). As a result, we succeeded in identifying the speed at a practical level for both constant speed and free running, and succeeded in detecting the road surface expansion device with high accuracy and detecting cracks on the road surface only in fine weather.

以上のようにVIMSは長年にわたって研究され、様々な車両や走行速度条件下でのIRI推定が可能となっており、また、画像解析による可視性状判別が可能になった。しかしVIMSは加速度計、GPS、記録用パソコンが必要となり一般に流通していない機器も含むため必ずしも容易に利用できるとは言えない。VIMSの汎用性を高めるために容易に入手でき、日常的に使用可能なシステムへの改良が求められる。また今後多数のVIMSが長年にわたり運用されることを考慮すると加速度の配線の接触不良等により正確な計測ができなくなる事例も生じると考えられる。 As described above, VIMS has been studied for many years, and IRI estimation under various vehicle and running speed conditions has become possible, and it has become possible to discriminate visibility by image analysis. However, VIMS requires an accelerometer, GPS, and a personal computer for recording, and includes devices that are not generally available. In order to increase the versatility of VIMS, improvements to a system that can be easily obtained and can be used on a daily basis are required. Considering that many VIMS will be operated for many years in the future, there may be cases where accurate measurement cannot be performed due to poor contact of acceleration wiring.

スマートフォンのように一般に流通しており配線不良等の少ないセンサ内蔵の装置を利用できれば上述のような課題を解決できると期待される。さらに従来のVIMSでは加速度計記録と画像撮影機器との同期が煩雑であったがスマートフォンを利用すれば容易に同期を実現し、加速度計測から得られるIRI情報と画像情報を組み合わせて分析できると考えられる。2011年末には3軸加速度や角速度・位置・速度情報を測定・記録できるiPhoneのアプリが開発され、これを利用できればVIMSの運用は格段に容易になると期待される。さらに、配線間違いや接触不良など機器に起因する不具合も大幅に減ると考えられる。しかし、従来の加速度計、GPSをスマートフォンで代替するにあたっては、測定精度や設置場所の検討が不可欠である。操作パネルとセンサの一体化したスマートフォンによる計測では運転者もしくは操作者の近くにスマートフォンを設置することが必要となろう。 It is expected that the above-described problems can be solved if a device with a built-in sensor that is generally distributed and has few wiring defects, such as smartphones, can be used. Furthermore, in conventional VIMS, the synchronization between accelerometer recording and imaging equipment was complicated, but using a smartphone, it is easy to achieve synchronization, and IRI information obtained from acceleration measurement and image information can be combined and analyzed. It is done. At the end of 2011, an iPhone application that can measure and record 3-axis acceleration and angular velocity / position / velocity information was developed, and if it can be used, VIMS operation is expected to be much easier. In addition, it is considered that problems caused by equipment such as wiring mistakes and poor contact are greatly reduced. However, when replacing conventional accelerometers and GPS with smartphones, it is essential to consider measurement accuracy and installation location. In the measurement using a smartphone with an integrated operation panel and sensor, it will be necessary to install a smartphone near the driver or operator.

加速度計を用いた測定では、車両内のセンサ設置場所により加速度応答が異なるため、設置場所を厳密に規定したり、設置場所を変更する度に場所の妥当性を検証したりする必要があった。例えば、設置場所を「後輪軸上の車内位置」と規定すると、車種によってはセンサ設置に適した場所が存在せず、車種ごとに設置位置を検討する必要があった。これは、IRI推定にスマートフォンを用いる場合の課題に限定される話ではなく、加速度計を用いた測定に共通する課題である。 In the measurement using an accelerometer, the acceleration response varies depending on the location of the sensor in the vehicle. Therefore, it was necessary to strictly define the location and verify the validity of the location every time the location was changed. . For example, when the installation location is defined as “in-vehicle position on the rear wheel axle”, there is no place suitable for sensor installation depending on the vehicle type, and it is necessary to examine the installation location for each vehicle type. This is not a topic limited to the problem of using a smartphone for IRI estimation, but is a problem common to measurements using an accelerometer.

路面平坦性測定装置に係る特許文献も幾つか存在するが、いずれも加速度検出器を用いるものである(特許文献1〜3)。
特開2005−315675号 特開2010−66040号 特開2013−79889号 池田拓哉、東嶋奈緒子:国際ラフネス指数の計測方法に関する研究、土木学会舗装工学論文集第3巻1998年12月 古川聖:巡回車の動的応答を利用した舗装・伸縮装置のリアルタイム簡易診断システムの開発, 東京大学大学院工学系研究科社会基盤学専攻修士論文,2006 朝川晧之:アジアの展開を目指した簡易路面診断システム(VIMS)の汎用化とシステム改良,東京大学工学部社会基盤学科学士論文,2007 朝川晧之:Vehicle IntelligentMonitoring Systemの実用化へ向けた汎用性向上と性能分析〜海外での適用事例を踏まえて〜, 東京大学大学院工学系研究科社会基盤学専攻修士論文,2009 矢野圭二郎:走行姿勢を考慮した車両応答モデルの同定とVIMSキャリブレーションへの応用,東京大学工学部社会基盤学科学士論文,2011 高橋興介:IRI推定の要求性能を考慮したVIMS簡易キャリブレーション精度の向上とキルギスでの適用,東京大学大学院工学系研究科社会基盤学専攻修士論文,2011 嶋田優樹:車両の自由走行応答を利用したVIMSによるIRI推定方法の提案,東京大学工学部社会基盤学科学士論文,2012 三輪陽彦:VIMSとの統合を視野に入れた路面診断のための多目的画像処理,東京大学工学部社会基盤学科学士論文,2011
Although there are some patent documents related to a road surface flatness measuring device, all use an acceleration detector (Patent Documents 1 to 3).
JP 2005-315675 A JP 2010-66040 A JP2013-79889A Takuya Ikeda, Naoko Higashijima: Research on the method of measuring the international roughness index, Pavement Engineering Papers Vol. 3 December 1998 Kiyoshi Furukawa: Development of a real-time simple diagnosis system for pavement and expansion / contraction devices using dynamic response of patrol cars, Master's thesis, Department of Social Infrastructure, University of Tokyo, 2006 Yasuyuki Asakawa: Generalization and improvement of the simple road surface diagnosis system (VIMS) aimed at the development in Asia, The University of Tokyo Faculty of Engineering, Bachelor of Science in Social Infrastructure, 2007 Tomoyuki Asakawa: Improving versatility and performance analysis for practical application of Vehicle Intelligent Monitoring System-Based on application examples overseas-Master's thesis, Department of Social Infrastructure, University of Tokyo, 2009 Shinjiro Yano: Identification of vehicle response model considering driving posture and application to VIMS calibration, Thesis, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo, 2011 Kosuke Takahashi: Improvement of VIMS simple calibration accuracy considering the required performance of IRI estimation and application in Kyrgyz, Master's thesis, Department of Social Infrastructure, University of Tokyo, 2011 Yuki Shimada: Proposal of IRI estimation method by VIMS using free running response of vehicle, Bachelor of Science in Social Infrastructure, University of Tokyo, 2012 Yoshihiko Miwa: Multipurpose image processing for road surface diagnosis with a view to integration with VIMS, The University of Tokyo, Faculty of Engineering

路面の乗り心地を簡易に定量的に評価する方法として、車両に加速度計とGPSや距離計などを設置し、走行車両の加速度応答を記録し、評価路線区間毎の乗り心地指標を推定する方法(VIMS)が用いられているが、車両内のセンサ設置場所により加速度応答が異なり、そのことに起因して上記のような不具合が生じる。
本発明は、車両応答を利用した路面診断手法において、センサ設置場所依存性を解消することを目的とする。
本発明のより具体的な目的の1つは、VIMSをより簡略化し日常点検を容易にするためスマートフォンを用いたIRI推定法を検討するにあたり、操作パネルとセンサが一体化したスマートフォンでは設置場所が限られるため、角速度応答計測を利用した設置場所に依存しないIRI推定法を提供するものである。
As a method to easily and quantitatively evaluate the riding comfort on the road surface, install an accelerometer, GPS, distance meter, etc. on the vehicle, record the acceleration response of the traveling vehicle, and estimate the riding comfort index for each evaluation route section (VIMS) is used, but the acceleration response varies depending on the location of the sensor in the vehicle, which causes the above-mentioned problems.
An object of the present invention is to eliminate dependence on a sensor installation location in a road surface diagnosis method using a vehicle response.
One of the more specific purposes of the present invention is to consider the IRI estimation method using a smartphone to simplify VIMS and facilitate daily inspection. Because it is limited, it provides an IRI estimation method that does not depend on the installation location using angular velocity response measurement.

かかる課題を解決するべく本発明が採用した第1の技術手段は、
車両のピッチング角速度を取得するように計測車両に設置された角速度センサと、
少なくとも位置情報、時間情報、走行速度を含むGPS情報を取得するように計測車両に設置されたGPSと、
データ記録手段と、
データ解析手段と、
を備え、
前記データ記録手段は、前記角速度センサによって取得された車両のピッチング角速度を前記GPSによって取得されたGPS情報と同期させて記録し、
前記データ解析手段は、計測車両の角速度応答から基準となる仮想車両であるクォーターカー(以下、「QC」という)の加速度応答への伝達関数、及び、QCの加速度応答と国際ラフネス指数(IRI)との相関関数を備えており、
前記データ解析手段は、取得された車両のピッチング角速度と前記伝達関数とを用いてQCの加速度応答を推定し、推定されたQCの加速度応答と前記相関関数とを用いて国際ラフネス指数(IRI)を推定する、
路面評価装置、である。
1つの態様では、前記伝達関数及び相関関数は予め取得され、データ解析手段を構成するソフトウェアの一部として格納されている。
The first technical means adopted by the present invention to solve this problem is as follows:
An angular velocity sensor installed in the measurement vehicle to obtain the pitching angular velocity of the vehicle;
GPS installed in the measurement vehicle so as to acquire GPS information including at least position information, time information, travel speed, and
Data recording means;
Data analysis means;
With
The data recording means records the pitching angular velocity of the vehicle acquired by the angular velocity sensor in synchronization with the GPS information acquired by the GPS,
The data analysis means includes a transfer function from an angular velocity response of a measurement vehicle to an acceleration response of a quarter car (hereinafter referred to as “QC”) which is a reference virtual vehicle, and an acceleration response of the QC and an international roughness index (IRI). And a correlation function
The data analysis means estimates a QC acceleration response using the acquired vehicle pitching angular velocity and the transfer function, and uses the estimated QC acceleration response and the correlation function to obtain an international roughness index (IRI). Estimate
Road surface evaluation device.
In one aspect, the transfer function and the correlation function are acquired in advance and stored as part of software constituting the data analysis means.

1つの態様では、前記伝達関数は、計測車両の角速度応答とQCの加速度応答の比として定義された車両間応答振幅比である。
1つの態様では、前記車両間応答振幅比は、路面プロファイルが既知の路線を計測車両にて走行して取得した計測車両の角速度応答と、同一の路面をシミュレーションによって走行させて得たQCの加速度応答のパワースペクトル比である。
後述する実施形態では、車両間応答振幅比としてパワースペクトル比の平方根が用いられ、ピッチング応答角速度からQCの加速度RMS(Root Mean Square)値を推定し、推定された加速度RMS値から、QCの加速度RMSとIRIとの相関関係を用いて、IRIを算出する。
計測車両の角速度応答は、車両の種類や走行速度によっても影響を受けるため、事前に計測車両の角速度応答が得られていない場合には、路面プロファイルが既知の道路における計測車両の走行試験により計測車両の角速度応答を取得し、同一の路面をシミュレーションによって走行させて得たQCの加速度応答を用いて、車両間応答振幅比を算出する。
また、既存のキャリブレーション手法、例えば、非特許文献3〜7に記載された手法を本発明に適用し得ることが当業者に理解される。例えば、加速度の応答振幅比と同様に角速度においても線形補間により任意速度の応答振幅比が作成でき、従来のVIMSと同様、速度の変動が一定以下であれば定速走行でない場合もIRIが精度よく推定できる。また、路面プロファイルを計測することが困難な場合には、高橋が提案したハイブリットキャリブレーションと組み合わせることで汎用性はさらに高まると考えられる。
また、計測された角速度応答にローパスフィルタを適用して周波数帯域を限定することでIRI推定を行ってもよい。
In one aspect, the transfer function is an inter-vehicle response amplitude ratio defined as the ratio of the angular velocity response of the measurement vehicle to the acceleration response of the QC.
In one aspect, the inter-vehicle response amplitude ratio is the acceleration of the QC obtained by running the same road surface by simulation and the angular velocity response of the measured vehicle acquired by running a route with a known road surface profile by the measuring vehicle. It is the power spectrum ratio of the response.
In the embodiment described later, the square root of the power spectrum ratio is used as the vehicle-to-vehicle response amplitude ratio, the QC acceleration RMS (Root Mean Square) value is estimated from the pitching response angular velocity, and the QC acceleration is calculated from the estimated acceleration RMS value. IRI is calculated using the correlation between RMS and IRI.
The angular velocity response of the measurement vehicle is also affected by the type and travel speed of the vehicle. Therefore, if the angular velocity response of the measurement vehicle is not obtained in advance, it is measured by running the measurement vehicle on a road with a known road profile. The vehicle angular velocity response is acquired, and the inter-vehicle response amplitude ratio is calculated using the QC acceleration response obtained by running the same road surface by simulation.
Further, it will be understood by those skilled in the art that existing calibration methods such as those described in Non-Patent Documents 3 to 7 can be applied to the present invention. For example, the response amplitude ratio of an arbitrary speed can be created by linear interpolation at the angular velocity as well as the response amplitude ratio of the acceleration. Like the conventional VIMS, if the speed fluctuation is below a certain level, the IRI is accurate even when the vehicle is not running at a constant speed Can be estimated well. When it is difficult to measure the road surface profile, it is considered that the versatility is further enhanced by combining with the hybrid calibration proposed by Takahashi.
Further, IRI estimation may be performed by applying a low-pass filter to the measured angular velocity response to limit the frequency band.

前記データ記録手段及び前記データ解析手段は、コンピュータ(入力部、出力部、RAM、ROM等の記憶部、CPUを主体とする処理部等を備える)から構成することができる。
1つの態様では、前記角速度センサは、ジャイロスコープから構成されるが、角速度センサの種類は限定されない。
1つの態様では、前記路面評価装置は、前記角速度センサ、前記GPS、前記データ記録手段、前記データ解析手段を備えたスマートフォンから構成されている。実際、スマートフォンを利用して計測した角速度、GPS情報に対して、提案した手法を適用し、IRI推定が可能なこと、設置場所に依存しないこと、スマートフォンを用いたIRI推定法は従来のVIMSとほぼ同精度であること、を確認した。また、スマートフォンのカメラ機能を用いて路面の画像を取得することもできる。
The data recording means and the data analysis means can be configured from a computer (including an input unit, an output unit, a storage unit such as a RAM and a ROM, a processing unit mainly including a CPU, and the like).
In one aspect, the angular velocity sensor includes a gyroscope, but the type of the angular velocity sensor is not limited.
In one mode, the above-mentioned road surface evaluation device comprises a smart phone provided with the angular velocity sensor, the GPS, the data recording means, and the data analysis means. In fact, the proposed method can be applied to the angular velocity and GPS information measured using a smartphone, and IRI estimation is possible, it does not depend on the installation location, and the IRI estimation method using a smartphone is the same as the conventional VIMS. It was confirmed that the accuracy was almost the same. Moreover, the image of a road surface can also be acquired using the camera function of a smart phone.

本発明が採用した第2の技術手段は、
車両のピッチング角速度を取得するように計測車両に設置された角速度センサと、
少なくとも位置情報、時間情報、走行速度を含むGPS情報を取得するように計測車両に設置されたGPSと、
計測車両の角速度応答から基準となる仮想車両であるクォーターカー(以下、「QC」という)の加速度応答への伝達関数と、
QCの加速度応答と国際ラフネス指数(IRI)との相関関数と、
を用い、
前記角速度センサによって取得された車両のピッチング角速度を前記GPSによって取得されたGPS情報と同期させて記録するステップと、
取得された車両のピッチング角速度と前記伝達関数とを用いて、QCの加速度応答を推定するステップと、
推定されたQCの加速度応答と前記相関関数とを用いて、国際ラフネス指数(IRI)を推定するステップと、
からなる路面評価方法、である。
The second technical means adopted by the present invention is:
An angular velocity sensor installed in the measurement vehicle to obtain the pitching angular velocity of the vehicle;
GPS installed in the measurement vehicle so as to acquire GPS information including at least position information, time information, travel speed, and
A transfer function from the angular velocity response of the measurement vehicle to the acceleration response of the quarter car (hereinafter referred to as “QC”), which is the reference virtual vehicle,
Correlation function between acceleration response of QC and International Roughness Index (IRI),
Use
Recording the pitching angular velocity of the vehicle acquired by the angular velocity sensor in synchronization with the GPS information acquired by the GPS;
Using the acquired vehicle pitching angular velocity and the transfer function to estimate the acceleration response of the QC;
Estimating an International Roughness Index (IRI) using the estimated QC acceleration response and the correlation function;
The road surface evaluation method which consists of.

1つの態様では、前記伝達関数は、計測車両の角速度応答とQCの加速度応答の比として定義された車両間応答振幅比である。
1つの態様では、前記車両間応答振幅比は、路面プロファイルが既知の路線を計測車両にて走行して取得した計測車両の角速度応答と、同一の路面をシミュレーションによって走行させて得たQCの加速度応答のパワースペクトル比である。
In one aspect, the transfer function is an inter-vehicle response amplitude ratio defined as the ratio of the angular velocity response of the measurement vehicle to the acceleration response of the QC.
In one aspect, the inter-vehicle response amplitude ratio is the acceleration of the QC obtained by running the same road surface by simulation and the angular velocity response of the measured vehicle acquired by running a route with a known road surface profile by the measuring vehicle. It is the power spectrum ratio of the response.

1つの態様では、前記角速度センサ及び前記GPSはスマートフォンに搭載されており、前記各ステップはスマートフォンにより実行される。   In one aspect, the angular velocity sensor and the GPS are mounted on a smartphone, and the steps are executed by the smartphone.

本発明が採用した第3の技術手段は、上記路面評価方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム、である。
1つの態様では、前記コンピュータプログラムはコンピュータ可読媒体に記憶されている。
The third technical means adopted by the present invention is a computer program for causing a computer to execute the road surface evaluation method.
In one aspect, the computer program is stored on a computer readable medium.

本発明は、従来の加速度応答に代えて角速度応答を用いることで、加速度応答計測を利用した路面性状調査方法の設置場所に起因する問題点を解決するものである。
本発明によれば、車両内であればどの場所に計測デバイスを設置しても乗り心地指標、すなわちIRI、を推定することができる。
本発明によれば、スマートフォンなど簡易な計測デバイスを運転手の手元に設置し、走行することで、簡易かつ低コストな路面の乗り心地診断を行うことができる。
The present invention solves the problems caused by the installation location of the road surface property investigation method using acceleration response measurement by using the angular velocity response instead of the conventional acceleration response.
According to the present invention, the ride comfort index, that is, the IRI can be estimated regardless of where the measurement device is installed in the vehicle.
According to the present invention, a simple measurement device such as a smartphone is installed at the driver's hand and traveled, so that a simple and low-cost riding comfort diagnosis can be performed.

Quarter Carモデルの概念図である。It is a conceptual diagram of a Quarter Car model. 従来のVIMSの概念図である。It is a conceptual diagram of the conventional VIMS. QC加速度RMSとIRIの相関関係を示す図である。It is a figure which shows the correlation of QC acceleration RMS and IRI. 加速度と角速度の位置依存性を説明する図である。It is a figure explaining the position dependence of acceleration and angular velocity. 図4に示す2つの位置(位置A、位置B)で計測した加速度と周波数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the acceleration measured at two positions (position A, position B) shown in FIG. 4, and a frequency. 図4に示す2つの位置(位置A、位置B)で計測した角速度と周波数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the angular velocity measured at two positions (position A, position B) shown in FIG. 4, and a frequency. 本発明に係るVIMSの概念図である。It is a conceptual diagram of VIMS concerning the present invention. (A)は、東名高速路面プロファイル (B)は、東名高速路面プロファイルパワースペクトル、(C)は、東名高速IRItrueである。(A) is Tomei Expressway road surface profile (B) is Tomei Expressway road surface profile power spectrum, and (C) is Tomei Expressway IRI true . 上図は、計測データとQC加速度の応答振幅比(下り線)を示し、(a)角速度、(b)加速度、である。下図は、計測データとQC加速度の応答振幅比(上り線)を示し、(a)角速度、(b)加速度、である。The upper figure shows the response amplitude ratio (downline) between the measurement data and QC acceleration, where (a) angular velocity and (b) acceleration. The figure below shows the response amplitude ratio (upline) of measured data and QC acceleration, where (a) angular velocity and (b) acceleration. 上図は、IRI推定値(下り線)を示し、(a)角速度、(b)加速度、である。下図は、IRI推定値(上り線)を示し、(a)角速度、(b)加速度、である。The upper figure shows IRI estimated values (downline), (a) angular velocity and (b) acceleration. The figure below shows the IRI estimated value (upline): (a) angular velocity, (b) acceleration. 路面プロファイルを用いたIRI推定、鉛直加速度を用いたIRI推定、ピッチング角速度を用いたIRI推定を対比した図である。It is the figure which contrasted IRI estimation using a road surface profile, IRI estimation using vertical acceleration, and IRI estimation using pitching angular velocity. スマートフォンによる車両の異なる位置での角速度計測を説明する図である。It is a figure explaining angular velocity measurement in a different position of vehicles by a smart phone. 各計測位置におけるパワースペクトル比較を示す図である。It is a figure which shows the power spectrum comparison in each measurement position.

[A]本発明の背景技術
本発明の背景となる一般的な概念および手法について説明する。以下に述べる概念および手法は本発明についての従来技術であると同時に、本発明を理解する上で必要な技術である。また、以下に述べる手法の幾つかの技術は、本発明に係る実施形態を実施する上でも用いられ得る技術である。
[A] Background Art of the Present Invention A general concept and technique as the background of the present invention will be described. The concepts and techniques described below are not only conventional techniques for the present invention, but also necessary techniques for understanding the present invention. In addition, some techniques described below are techniques that can be used to implement the embodiments according to the present invention.

[A−1]国際ラフネス指標(IRI)
IRIは1986年に世界銀行によって提案された路面の平坦性を評価する指標である。IRIは2軸4輪の自動車の一輪だけを取り出した仮想車両モデルであるQuarter Car(以下QC)モデルの運動によって求められる(図2)。
QCモデルの運動方程式は式(2.1)で表される。
ここで、
zs:ばね上質量の絶対変位[mm]、
zu:ばね下質量の絶対変位[mm]、
ms:ばね上質量、
mu:ばね下質量、
cs:ショックアブソーバの減衰定数、
ks:サスペンションの弾性係数、
kt:タイヤの弾性係数 である。
また、各パラメータの値は次のように定義されている。
[A-1] International Roughness Index (IRI)
IRI is an index for evaluating road flatness proposed by the World Bank in 1986. IRI is obtained by the motion of a Quarter Car (QC) model, which is a virtual vehicle model that takes out only one wheel of a two-axle and four-wheel car (Fig. 2).
The equation of motion of the QC model is expressed by equation (2.1).
here,
z s : absolute displacement of sprung mass [mm],
z u : absolute displacement of unsprung mass [mm],
m s : sprung mass,
m u : unsprung mass,
c s : damping constant of shock absorber,
k s : elastic modulus of suspension,
k t is the elastic modulus of the tire.
In addition, the value of each parameter is defined as follows.

IRIはQCが路面を80km/hで走行した際のばね上質量とばね下質量との相対変位の総和を評価区間長Lで除して基準化することで得られ、式(2.3)で定義される。
ここでLは評価区間長、Vは走行速度(80km/h)である。
IRIの評価区間長Lは200mや0.1マイル(160m)とするのが一般的である。本実施形態のIRI算出においては原則として評価区間を200mとし、10mずつ区間をずらしながらIRIを算出する。
IRI is obtained by dividing the sum of the relative displacement of the sprung mass and unsprung mass when the QC travels on the road at 80 km / h by the evaluation section length L, and is defined by equation (2.3) Is done.
Here, L is the evaluation section length, and V is the traveling speed (80 km / h).
IRI's evaluation section length L is generally 200m or 0.1 miles (160m). In the IRI calculation of this embodiment, the evaluation interval is set to 200 m in principle, and the IRI is calculated while shifting the interval by 10 m.

[A−2]VIMSの基本構成
IRIの算出方法には幾つかの手法が知られており、VIMSはその中の1つである。VIMSは、レスポンス型の道路ラフネス測定装置で任意尺度のラフネス指数を測定し、相関式によりIRIに変換するものである(図1)。従来のVIMSは加速度計、GPS、ノートパソコン及びデータ集計ソフトウェアによって構成されている。
[A-2] Basic configuration of VIMS
Several methods are known for calculating IRI, and VIMS is one of them. VIMS measures the roughness index of an arbitrary scale with a response type road roughness measuring device and converts it to IRI using a correlation equation (Fig. 1). The conventional VIMS is composed of an accelerometer, GPS, notebook computer and data aggregation software.

加速度計は、車両の鉛直方向加速度を取得するために用いられる。加速度計として、例えば、Silicon Design社製の+5V電源アナログ加速度センサ、SD2422-002を使用することができる。1つの例では、記録サンプリング周波数は1000Hzであるが、これに限定されず、例えば200Hzでサンプリングしてもよい。この加速度計は3軸加速度計であるが、1軸加速度センサを用いてもよい。加速度計は、車内内部に搭載するものとし、車内により車内構造が異なるため、車種ごとに適切な場所を選んで設置する。 The accelerometer is used to acquire the vertical acceleration of the vehicle. As the accelerometer, for example, a + 5V power supply analog acceleration sensor SD2422-002 manufactured by Silicon Design can be used. In one example, the recording sampling frequency is 1000 Hz. However, the recording sampling frequency is not limited to this. For example, sampling may be performed at 200 Hz. Although this accelerometer is a three-axis accelerometer, a one-axis acceleration sensor may be used. The accelerometer shall be installed in the interior of the vehicle, and since the interior structure differs depending on the interior of the vehicle, select an appropriate location for each vehicle type.

GPSを用いることで計測箇所の緯度、経度、および走行速度を推定することが可能である。後述するように本発明に係る伝達関数は速度依存であり、走行速度を推定することが重要である。GPS情報はまたIRI推定後にIRIのマッピングに用いられる。GPSとして、例えば、株式会社Transystem社製の747proを用いることができる。集計ソフトウェアとしては、例えば、National Instrument社のLabVIEW2012を用いることができる。LabVIEWはグラフィカルプログラミング言語によってデータ収録が可能なソフトである。VIMS計測用プログラムはこのソフトによって記述される。最終的に出力される情報は、加速度波形(電圧)とGPS情報(緯度、経度、速度、日時)である。発明者等の研究室ではVIMSの計測車両として、ランドクルーザー(TOYOTA)を用いている。 By using GPS, it is possible to estimate the latitude, longitude, and travel speed of the measurement location. As will be described later, the transfer function according to the present invention is speed-dependent, and it is important to estimate the traveling speed. GPS information is also used for IRI mapping after IRI estimation. As the GPS, for example, 747pro manufactured by Transystem Co., Ltd. can be used. As the aggregation software, for example, LabVIEW2012 of National Instrument can be used. LabVIEW is software that can record data using a graphical programming language. The VIMS measurement program is described by this software. The information finally output is an acceleration waveform (voltage) and GPS information (latitude, longitude, speed, date and time). The inventor's laboratory uses the Land Cruiser (TOYOTA) as a measurement vehicle for VIMS.

[A−3]IRI推定プロセス
VIMSは鉛直方向の加速度を、伝達関数(車両間応答振幅比)を用いてQCの加速度RMSに変換し、RMSとIRIの間に成り立つ回帰式を用いてIRIを算出する。ここでは、古川・朝川により提案・検証されたランドクルーザーによる60km/h定速走行を基準としたVIMSの最も基本的なプロセスを記述する。
[A-3] IRI estimation process
VIMS converts vertical acceleration into QC acceleration RMS using a transfer function (inter-vehicle response amplitude ratio), and calculates IRI using a regression equation between RMS and IRI. Here, the most basic process of VIMS based on the 60km / h constant speed driving by Land Cruiser proposed and verified by Furukawa and Asakawa is described.

[A−3−1]車両間応答振幅比
路面プロファイルが既知の路線を計測車にて走行して取得した加速度応答と、同一の路面をシミュレーションによって走行させて取得したQCの加速度応答と、のパワースペクトル比の平方根を計測車両とQCの車両間応答振幅比と定義し、式(2.4)で表す。
ここで、ω:空間角周波数[cycle/m]、|TF(ω)|:計測車両からQCへの車両間応答振幅比、PSDQC(ω):QCの鉛直方向の加速度パワースペクトル、PSDcar(ω):計測車両の鉛直方向の加速度パワースペクトル、である。
[A-3-1] An acceleration response obtained by running a vehicle with a known vehicle-to-vehicle response amplitude ratio road profile with a measurement vehicle, and an acceleration response of a QC obtained by running the same road surface by simulation. The square root of the power spectrum ratio is defined as the response amplitude ratio between the measurement vehicle and the QC vehicle, and is expressed by equation (2.4).
Where ω: spatial angular frequency [cycle / m], | TF (ω) |: vehicle-to-vehicle response amplitude ratio from measurement vehicle to QC, PSD QC (ω): vertical acceleration power spectrum of QC, PSD car (ω): acceleration power spectrum in the vertical direction of the measurement vehicle.

[A−3−2]QCの加速度RMSへの変換
計測車両の加速度応答をQCの加速度RMSへ変換する手法としてParsevalの公式を用いる。これは時間関数であるQCのばね上質量の加速度の積分が、QCのばね上質量の加速度のフーリエ変換の積分に等しいことを利用するものである。計測車両の鉛直方向の加速度応答からQCのばね上質量の加速度RMSを推定する式を式(2.5)に示す。
ここで、
RMS:QCのバネ上質量の鉛直加速度RMS、
|TF(ω)|:計測車両からQCへの車両間応答振幅比、である。
[A-3-2] Conversion of QC to acceleration RMS Parseval's formula is used as a method for converting the acceleration response of a measurement vehicle to QC acceleration RMS. This makes use of the fact that the integral of the QC sprung mass acceleration, which is a time function, is equal to the integral of the Fourier transform of the QC sprung mass acceleration. Equation (2.5) shows the equation for estimating the RMS RMS of the sprung mass of the QC from the vertical acceleration response of the measurement vehicle.
here,
RMS: QC sprung mass vertical acceleration RMS,
| TF (ω) |: Inter-vehicle response amplitude ratio from the measurement vehicle to the QC.

[A−3−3]QCの加速度RMSとIRIの相関関係の利用
図3のようにQCのばね上質量の鉛直加速度RMSとIRIの間には強い相関関係があることが示されている。この関係を利用して実際の路面から作った仮想テストコースにおけるシミュレーションを基に関係式を推定している。IRI評価区間長は一般的に200mとされているが、実際の道路点検においては評価区間長を短くする場合もあるため相関式は評価区間長別に3種類求められており、いずれも非常に高い相関係数を示す。相関式は表1に示してある。本実施形態では評価区間長は200mとしている。
またVIMSの計測において加速度にローパスフィルタをかけたものを用いる場合もある。その場合も相関式が表2に示すように求められており、これらも高い相関係数をもつ。ただしカットオフ周波数が低い場合は局所的な路面の特性もカットしてしまうという欠点がある。なお、60km/h走行時は1cycle/m=約16.7Hzである。
[A-3-3] Use of correlation between acceleration RMS and IRI of QC As shown in FIG. 3, it is shown that there is a strong correlation between the vertical acceleration RMS and IRI of the sprung mass of QC. Using this relationship, a relational expression is estimated based on a simulation in a virtual test course made from an actual road surface. The IRI evaluation section length is generally 200m, but in actual road inspections, there are cases where the evaluation section length is shortened, so three types of correlation equations are required for each evaluation section length, both of which are very high. Indicates the correlation coefficient. The correlation equation is shown in Table 1. In this embodiment, the evaluation section length is 200 m.
In some cases, the VIMS measurement uses a low-pass filter applied to the acceleration. Even in this case, the correlation equation is obtained as shown in Table 2, and these also have a high correlation coefficient. However, when the cut-off frequency is low, local road surface characteristics are also cut. When traveling at 60km / h, 1cycle / m = about 16.7Hz.

[A−4]速度キャリブレーションの原理
基本的なVIMSの測定条件は60km/hの定速走行が条件であったが、速度キャリブレーションにより様々な速度での計測が可能となる。以下に述べる速度キャリブレーションは、角速度データを用いる本実施形態にも適用され得る技術である。
[A-4] Principle of speed calibration The basic VIMS measurement conditions were constant speed travel of 60 km / h, but speed calibration allows measurement at various speeds. The velocity calibration described below is a technique that can be applied to this embodiment using angular velocity data.

[A−4−1]応答振幅比計測に基づく速度キャリブレーション
朝川により提案された応答振幅比計測による速度キャリブレーション法について説明する。同じ路面を様々な速度で定速走行し、その加速度応答のパワースペクトルの比を取ることで速度間応答振幅比を求める。そして60km/hで走行した計測車と80km/hで走行したQCとの加速度応答のパワースペクトルの比である車両間応答振幅比にこの速度間応答振幅比を掛け合わせ、異なる速度用の車両間応答振幅比を求める。
この過程を式で表すと以下のようになる。
ここで、TFdif_speed:異なる速度用の車両間応答振幅比、TF60km/h:60km/h用の車両間応答振幅比、TFbet_speed:速度間応答振幅比、
である。
[A-4-1] Speed calibration based on response amplitude ratio measurement A speed calibration method based on response amplitude ratio measurement proposed by Asakawa will be described. The speed response amplitude ratio is obtained by traveling at the constant speed at various speeds on the same road surface and taking the ratio of the power spectrum of the acceleration response. Then, the inter-vehicle response amplitude ratio, which is the ratio of the power spectrum of the acceleration response between the measurement vehicle that traveled at 60 km / h and the QC that traveled at 80 km / h, is multiplied by this inter-speed response amplitude ratio. Obtain the response amplitude ratio.
This process is expressed as follows.
Where TF dif_speed : Inter-vehicle response amplitude ratio for different speeds, TF 60 km / h : Inter-vehicle response amplitude ratio for 60 km / h, TF bet_speed : Inter-speed response amplitude ratio,
It is.

[A−4−2]車両モデル同定に基づくキャリブレーション手法
本手法は矢野により提案されている。ハンプを乗り越える際の車両応答と同等の鉛直加速度応答を示す車両モデルを作成する。この手法で用いる車両モデルは車体の回転運動も考慮した2軸4輪の車両モデル(フルカーモデル)である。このモデルのシミュレーション速度を変化させることで、速度が異なる場合の周波数応答関数を算出し、それを基にして速度が異なる場合の車両間応答振幅比を求め速度キャリブレーションを行う。
[A-4-2] Calibration method based on vehicle model identification This method is proposed by Yano. Create a vehicle model that exhibits a vertical acceleration response equivalent to the vehicle response when getting over a hump. The vehicle model used in this method is a two-shaft, four-wheel vehicle model (full car model) that also takes into account the rotational movement of the vehicle body. By changing the simulation speed of this model, a frequency response function when the speed is different is calculated, and based on this, an inter-vehicle response amplitude ratio when the speed is different is obtained, and speed calibration is performed.

[A−4−3]ハイブリッドキャリブレーション法
この手法は高橋によって提案され、上記2つのキャリブレーション法を組み合わせたものである。ハンプ試験によって得られた実車の加速度応答を基に数値モデルを作成し、そのモデルとQC間の車両間応答振幅比を求める。さらに同一路面で速度を変えて走行することで速度間応答比を求め、速度キャリブレーションを行う。ハイブリッドキャリブレーション法ではフルカーモデルではなくQCモデルにてモデル化を行い、パラメータ同定に要する時間を短縮させた。
[A-4-3] Hybrid Calibration Method This method was proposed by Takahashi and is a combination of the above two calibration methods. A numerical model is created based on the acceleration response of the actual vehicle obtained by the hump test, and the inter-vehicle response amplitude ratio between the model and QC is obtained. Furthermore, by changing the speed on the same road surface, the response ratio between speeds is obtained, and speed calibration is performed. In the hybrid calibration method, the QC model was used instead of the full car model to reduce the time required for parameter identification.

[A−4−4]速度変化があるときの速度キャリブレーション
VIMSはこれまで述べてきたように様々なキャリブレーション法が研究され、汎用性の高いシステムへと発展してきたが、いずれの研究も定速走行を条件としていた。嶋田は代表的な速度の車両間応答比を求め、それらの線形補間により任意速度の車両間応答比が得られることを示した40〜70km/hの速度域では10km/hきざみ、70〜110km/hの速度域では20km/hきざみで車両間応答比が必要である。この線形補間を式で示すと以下のようになる。
速度vkm/hがv1<v<v2を満たすときTFV1,TFV2を用いて線形補間して求めた車両間応答比をTFin,vと定義する。
ここでTFin,v:速度vkm/hのときの車両間応答比、である。
[A-4-4] Speed calibration when speed changes
As mentioned above, VIMS has been developed into a highly versatile system, as various calibration methods have been studied, but all of these studies were subject to constant speed driving. Shimada calculated the inter-vehicle response ratio for typical speeds, and showed that inter-vehicle response ratios of arbitrary speeds can be obtained by linear interpolation. In the 40-70 km / h speed range, 10 km / h increments, 70-110 km In the speed range of / h, the vehicle-to-vehicle response ratio is required in increments of 20km / h. This linear interpolation is expressed as follows.
The inter-vehicle response ratio obtained by linear interpolation using TF V1 and TF V2 when the speed vkm / h satisfies v 1 <v <v 2 is defined as TF in, v .
Here, TF in, v is the vehicle-to-vehicle response ratio when the speed is vkm / h.

[A−5]自由走行時のIRI推定法
嶋田は上記任意速度の車両間応答比を用いることで、IRI評価区間の速度変動幅が一定以下ならば、評価区間ごとに速度に応じた車両間応答比を用いて、定速走行でない自由走行でもIRIが推定できることを示した。IRI評価区間の区間平均速度をVmとしたとき、評価区間内の速度vがVm−0.1 Vm<v<Vm+0.1Vmを満たせば自由走行型推定法が使用可能である。IRI評価区間の区間平均速度を求め、その速度の車両間応答比を用いてIRIを推定する。
[A-5] IRI estimation method during free running Shimada uses the inter-vehicle response ratio of the above arbitrary speed, so that if the speed fluctuation range of the IRI evaluation section is below a certain level, the inter-vehicle according to the speed for each evaluation section It was shown that IRI can be estimated even in free running that is not constant speed using response ratio. When the section average velocity of IRI evaluation interval was V m, is available free running type estimation method satisfies the speed v V m -0.1 V m <v < V m + 0.1V m in evaluation interval. The average speed of the IRI evaluation section is obtained, and the IRI is estimated using the inter-vehicle response ratio of that speed.

[B]角速度を用いたIRI推定
[B−1]角速度応答と加速度応答
車両の加速度応答は測定位置に依存する一方、車両が剛体であると仮定すると、角速度応答は測定位置とは独立していると考えられる。角速度応答がセンサ位置と独立していることを確認するため、加速度及び角速度の計測デバイスとして高精度のジャイロスコープ(クロスボー社の慣性計測ユニットVG400CA-200-1)を車体の位置A(車両左後輪真上)、位置B(車両前方中央部)にそれぞれ設置し、加速度、角速度の計測値を比較した(図4)。計測値の差異を検証する値として鉛直方向加速度とピッチング方向の角速度を用いる。測定は高速道路を80km/hで定速走行しながら行った。図5Aに示すように、加速度応答においては、位置Aと位置Bでは2Hz付近において明確に異なる値となった。これに対して、図5Bに示すように、角速度信号においては、8Hz以下において位置Aと位置Bで取得された値が共通している。車両の角速度応答は加速度応答に比べて計測値の一致する周波数帯域が広く、計測位置変更の影響が少ない。また、80km/h以外の他の走行速度においても同様の傾向が見られた。
[B] IRI estimation using angular velocity [B-1] Angular velocity response and acceleration response While the acceleration response of the vehicle depends on the measurement position, assuming that the vehicle is a rigid body, the angular velocity response is independent of the measurement position. It is thought that there is. In order to confirm that the angular velocity response is independent of the sensor position, a highly accurate gyroscope (Crossbow's inertial measurement unit VG400CA-200-1) is used as the acceleration and angular velocity measurement device. It was installed at a position directly above the wheel) and at position B (vehicle front center), and the measured values of acceleration and angular velocity were compared (FIG. 4). Vertical acceleration and angular velocity in the pitching direction are used as values for verifying the difference between the measurement values. The measurement was performed while driving at a constant speed of 80 km / h on the expressway. As shown in FIG. 5A, in the acceleration response, the position A and the position B were clearly different values in the vicinity of 2 Hz. On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the angular velocity signal, the values acquired at the position A and the position B at 8 Hz or less are common. The angular velocity response of the vehicle has a wider frequency band in which the measurement values coincide with each other than the acceleration response, and is less affected by the change of the measurement position. The same tendency was observed at other travel speeds other than 80 km / h.

このように、計測位置を変更させた場合、加速度に比べ角速度はより広い周波数帯で計測値が同一とみなせることが確認された。従来のVIMSでは加速度を計測していたが、本実施形態では角速度を用いたIRI推定法を採用することで、異なる計測位置においても有効なIRIを推定することを可能とする。以下、角速度によるIRI推定法を提案し、その精度を加速度によるIRI推定精度と比較する。 As described above, it was confirmed that when the measurement position is changed, the angular velocity can be regarded as the same in a wider frequency band than the acceleration. Conventional VIMS measures acceleration, but in this embodiment, it is possible to estimate effective IRI even at different measurement positions by adopting an IRI estimation method using angular velocity. In the following, IRI estimation method based on angular velocity is proposed, and its accuracy is compared with IRI estimation accuracy based on acceleration.

[B−1]角速度を利用したIRI推定法の提案
とすると実車の角速度応答のパワースペクトルPSDangは以下の式(4.1)で表される。
[B-1] Proposal of IRI estimation method using angular velocity
Then, the power spectrum PSD ang of the angular velocity response of the actual vehicle is expressed by the following equation (4.1).

また路面PからQCの加速度応答への伝達関数をTFQCとするとQCの加速度応答のパワースペクトルPSDQCは以下の式(4.2)で表される。
If the transfer function from the road surface P to the acceleration response of QC is TF QC , the power spectrum PSD QC of the acceleration response of QC is expressed by the following equation (4.2).

は以下の式(4.3)で表される。
Is represented by the following equation (4.3).

よって式(2.5)と同様に以下の式(4.4)のようにQCのばね上質量の加速度RMSをピッチング角速度から推定できる。
これより、ピッチング角速度を計測すればQCのRMS値を推定でき、既述のQCの加速度RMSとIRIの相関関係からIRIを求めることができる。
Therefore, the acceleration RMS of the QC sprung mass can be estimated from the pitching angular velocity as in the following equation (4.4) as in the equation (2.5).
Thus, if the pitching angular velocity is measured, the RMS value of the QC can be estimated, and the IRI can be obtained from the correlation between the QC acceleration RMS and the IRI described above.

[B−2]基準IRIの設定
IRI推定精度の検証のため基準となるIRIを設定する。基準となるIRIとして以下の2つが考えられる。
DAMや高性能検査者で計測した路面プロファイルを用いてQCシミュレーションを行うことで定義にしたがって算出したIRI(式2.3)→IRItrue
プロファイルが既知の路面をQCが80km/hで走行した際の加速度パワースペクトルと計測車両がXkm/hで定速走行した際の加速度パワースペクトルの比である車両間応答振幅比TFXを用いて算出したIRI([A−3]参照)→IRIVIMS
本実施形態では新たなIRI推定法を提案するため基本的にIRItrueを基準IRIとし比較・検討を行う。
またIRI推定精度の検証の指標として以下の式(4.5)により定義されるC値を用いる。
ここで、IRI(バー):検証用IRI、IRIst:基準IRI、N:データ数、である。
[B-2] Setting of reference IRI
Set IRI as a reference for verification of IRI estimation accuracy. The following two IRIs are considered as standards.
IRI (Formula 2.3) → IRI true calculated according to the definition by performing QC simulation using road surface profile measured by DAM or high-performance inspector
Profile with the inter-vehicle response amplitude ratio TF X is an acceleration ratio of the power in the spectrum when the acceleration power spectrum and the measurement vehicle when the known road QC is traveling at 80 km / h was constant speed running in X km / h Calculated IRI (see [A-3]) → IRI VIMS
In this embodiment, in order to propose a new IRI estimation method, basically, IRI true is used as a reference IRI for comparison and examination.
The C value defined by the following equation (4.5) is used as an index for verifying IRI estimation accuracy.
Here, IRI (bar): IRI for verification, IRI st : reference IRI, N: number of data.

[B−3]車両間応答振幅比の特性
路面プロファイルが既知である東名高速道路上下線の所定区間において計測を行った。この区間の計測車線の路面プロファイル、プロファイル上でQCシミュレーションを行いIRIを計算した。図7(A)は、東名高速路面プロファイル 図7(B)は、東名高速路面プロファイルパワースペクトル、図7(C)は、東名高速IRItrueである。
[B-3] Inter-vehicle response amplitude ratio characteristics
Measurements were taken in a predetermined section of the Tomei Expressway up and down line with a known road profile. IRI was calculated by performing QC simulation on the road surface profile of the measurement lane in this section. FIG. 7A shows the Tomei Expressway road surface profile, FIG. 7B shows the Tomei Expressway road surface profile power spectrum, and FIG. 7C shows the Tomei Expressway IRI true .

各速度における車両間応答振幅比を求めるために70km/hから110km/hまでの速度で定速走行試験を行う。
慣性計測ユニットは2台設置し、設置位置による計測値の違いを検討可能となっている。また、VIMSの加速度計を利用したIRI推定と比較するため車両後輪真上に加速度計を併せて設置し計測する。
In order to obtain the vehicle-to-vehicle response amplitude ratio at each speed, a constant speed running test is performed at a speed from 70 km / h to 110 km / h.
Two inertial measurement units are installed, and the difference in measured values depending on the installation position can be examined. In addition, in order to compare with IRI estimation using VIMS accelerometer, an accelerometer is also installed and measured directly above the rear wheel of the vehicle.

70km/h〜90km/h、90km/h〜110km/hについて本計測から求めた
を求めると図8上図(a)、図8下図(a)のようになる。なお本研究では車両間応答比を定速走行している800m区間において式(4.3)により求めている。また計算時に1.0cycle/mをカットオフ周波数としたローパスフィルタをかけている。比較のためVIMSにより求めた車両間応答振幅比TF(ω)も併せて図8上図(b)、図8下図(b)に示す。
70km / h to 90km / h, 90km / h to 110km / h were obtained from this measurement.
Is obtained as shown in the upper diagram (a) of FIG. 8 and the lower diagram (a) of FIG. In this study, the inter-vehicle response ratio is calculated by equation (4.3) in the 800m section running at a constant speed. In addition, a low-pass filter with a cut-off frequency of 1.0 cycle / m is applied during calculation. For comparison, the inter-vehicle response amplitude ratio TF (ω) obtained by VIMS is also shown in FIG. 8 (b) and FIG. 8 (b).

[B−4]IRI推定
得られたQC加速度と実車角速度応答の応答振幅比を用いて、IRIを推定する。従来のVIMSと同様に200m区間の計測角速度に車両間応答振幅比を用いてQCの加速度RMSに変換し、RMSとIRIの間に成り立つ回帰式を用いてIRIを推定する。Vkm/h定速走行時のIRI推定値をIRIVと定義する。図9上図は IRI推定値(下り線)、図9下図は IRI推定値(上り線)をそれぞれ示す。図9に示すように、角速度からIRIを推定しても加速度とほぼ同精度でIRIを推定できることが確認できた。角速度・加速度から推定した各速度のIRItrueとの推定誤差(C)を以下の表3にまとめる。
また、図10に示すように、路面プロファイルを用いたIRI推定、鉛直加速度を用いたIRI推定、ピッチング角速度を用いたIRI推定、の値は互いに略一致している。
[B-4] IRI Estimation IRI is estimated using the obtained QC acceleration and the response amplitude ratio of the actual vehicle angular velocity response. Like the conventional VIMS, the measured angular velocity of the 200m section is converted to the acceleration RMS of the QC using the inter-vehicle response amplitude ratio, and the IRI is estimated using the regression equation established between the RMS and the IRI. The IRI estimated value at Vkm / h constant speed is defined as IRI V. The upper diagram in FIG. 9 shows the IRI estimated value (downlink), and the lower diagram in FIG. 9 shows the IRI estimated value (uplink). As shown in FIG. 9, it was confirmed that even if the IRI was estimated from the angular velocity, the IRI could be estimated with almost the same accuracy as the acceleration. Table 3 below summarizes the estimation error (C) from IRI true for each velocity estimated from the angular velocity and acceleration.
Further, as shown in FIG. 10, the values of IRI estimation using a road surface profile, IRI estimation using vertical acceleration, and IRI estimation using pitching angular velocity are substantially the same.

計測位置を変更した計測値を用いて推定したIRIの精度を検証した。計測位置を変更しても応答振幅比算出時とIRI推定時の計測位置が同じであれば推定精度は従来の加速度の計測位置である左後輪真上と同等であることが判った。なお、応答振幅比算出時とIRI推定時の計測位置が異なる場合でも、計測位置の異なる計測値で作成した応答比が0.3cycle/m付近まで一致することから、特定の箇所で作成した応答振幅比、すなわち、IRI推定時の角速度応答の0.3cycle/mまでの成分を用いることで精度よくIRIが推定可能であることが判った。0.3cycle/mという数値は、1次モードの振動数(0.06-0.09cycle/m)と2次モードの振動数(0.5-0.8cycle/m)の間にある。 The accuracy of the IRI estimated using the measured values with different measurement positions was verified. Even if the measurement position was changed, if the measurement position at the time of response amplitude ratio calculation and IRI estimation was the same, the estimation accuracy was found to be equivalent to that directly above the left rear wheel, which is the conventional acceleration measurement position. In addition, even when the measurement position at the time of response amplitude ratio calculation and IRI estimation is different, the response ratio created at the measurement value with different measurement position matches up to around 0.3 cycle / m, so the response amplitude created at a specific location It was found that IRI can be accurately estimated by using the ratio, that is, the component of angular velocity response up to 0.3 cycle / m at the time of IRI estimation. The numerical value of 0.3 cycle / m is between the frequency of the primary mode (0.06-0.09 cycle / m) and the frequency of the secondary mode (0.5-0.8 cycle / m).

[C]スマートフォンを用いたIRI推定
加速度の代わりに角速度を用いても同様の精度でIRIが推定できること、計測位置の変更に関わらず、IRI推定を可能にするためには角速度の0.3cycle/mまでの成分を用いればよいことが確認された。VIMSをより簡易で安価なシステムに改良するため、スマートフォンを用いたIRI推定法を提案する。センサ部と操作部が一体となったスマートフォンは、運転手や計測車の近くに設置するニーズが高く、車両により設置箇所が異なることが予想されるため、従来の計測物理量である鉛直加速度応答に変わり、設置場所に依存しない応答としてピッチング角速度に着目する。
[C] IRI can be estimated with the same accuracy even if angular velocity is used instead of IRI estimated acceleration using a smartphone, and in order to enable IRI estimation regardless of the change of measurement position, angular velocity of 0.3cycle / m It was confirmed that the above components may be used. In order to improve VIMS into a simpler and cheaper system, an IRI estimation method using a smartphone is proposed. Smartphones with integrated sensor and operation units have a high need for installation near the driver and measurement vehicle, and the installation location is expected to vary depending on the vehicle. Instead, focus on the pitching angular velocity as a response independent of the installation location.

[C−1]計測機器
角速度を用いたIRI推定に必要な機器はGPS、角速度計、データ収録ソフトであるがこれらはApple社のスマートフォンiPhone4Sにすべて同梱、もしくはインストールすることが可能であり、追加で計測機器を用意する必要はない。3軸加速度や角速度・位置・速度情報を測定・記録できるiPhoneのアプリが開発され、このアプリはGPS位置時刻情報・加速度・角速度・動画を同期して収録するシステムで計測時間は最大60分である。計測時、スマートフォンは車両前方中央部に両面テープを用いて固定する。以下に角速度計の性能緒元を示す。
[C-1] Measuring equipment The equipment required for IRI estimation using angular velocity is GPS, angular velocity meter, and data recording software, but these can all be bundled or installed in Apple's smartphone iPhone4S. There is no need to prepare additional measuring equipment. An iPhone app that can measure and record 3-axis acceleration and angular velocity / position / velocity information has been developed, and this app is a system that records GPS position time information, acceleration, angular velocity, and video in synchronization, with a measurement time of up to 60 minutes is there. At the time of measurement, the smartphone is fixed to the front center of the vehicle using a double-sided tape. The performance specifications of the angular velocity meter are shown below.

[C−2]IRI推定精度検証
スマートフォンを用いたIRI推定法の精度を検証したところ、スマートフォンによるIRI推定により従来のVIMSと同精度でIRIが推定することが確認できた。また、嶋田により提案された線形補間による任意速度における車両間応答振幅比の作成と、それらを用いた自由走行時のIRI推定法によりスマートフォンを用いても自由走行型推定法を使用できるかを検討したところ、スマートフォンによるIRI推定は自由走行も含めて従来のVIMSと同精度であることが確認された。
[C-2] IRI estimation accuracy verification When the accuracy of the IRI estimation method using the smartphone was verified, it was confirmed that the IRI was estimated with the same accuracy as the conventional VIMS by the IRI estimation using the smartphone. In addition, the creation of inter-vehicle response amplitude ratios at arbitrary speeds by linear interpolation proposed by Shimada, and whether the free-running estimation method can be used even with a smartphone by using the IRI estimation method during free-running using them As a result, it was confirmed that IRI estimation using smartphones has the same accuracy as conventional VIMS, including free running.

[C−3]計測位置の検証
スマートフォンを用いたIRI推定法では計測機器の設置がスマートフォンを設置するだけとなる。このため、操作者の手が届く範囲で水平な場所であればどこに設置してもIRIが推定できると考えられる。スマートフォンを複数箇所に設置し左後輪真上に設置した慣性計測ユニット(ジャイロスコープ)と計測値を比較する。計測位置(固定位置)は、車両前方中央部(A)、シフトレバー付近(B)、助手席ドアノブ付近(C)、ダッシュボード上(D)、動画撮影用ホルダー(E)、慣性計測ユニット真上(F)、である。動画撮影用ホルダーは動画計測時にスマートフォンを固定するものである。それぞれのパワースペクトルを比較し、各計測位置におけるパワースペクトルを図12に示す。
[C-3] Verification of measurement position In the IRI estimation method using a smartphone, the installation of the measurement device only installs the smartphone. For this reason, it is considered that the IRI can be estimated wherever it is installed in a level place within the reach of the operator. The measured values are compared with the inertial measurement unit (gyroscope) installed at multiple locations on the left rear wheel. The measurement position (fixed position) is the front center of the vehicle (A), near the shift lever (B), near the passenger door knob (C), on the dashboard (D), the video shooting holder (E), and the inertial measurement unit true Above (F). The video shooting holder is used to fix the smartphone during video measurement. Each power spectrum is compared and the power spectrum in each measurement position is shown in FIG.

図12に示すように、3Hz付近までの計測値はほぼ一致し、位置(E)を除いて、3Hz以降も近い値を示した。これよりスマートフォンによる計測はピッチング角速度の回転軸が車輪の軸と平行であるように設置すれば、計測位置を自由に変更できると考えられる。また、空間周波数によるパワースペクトル比較を行ったところ、0.3cycle/m付近までは計測値はほぼ一致した。これよりピッチング角速度の回転軸が車輪の軸と平行であるようにスマートフォンを設置すれば特定の箇所で作成した応答比とカットオフ周波数0.3cycle/mのローパスフィルタを用いることで計測位置を変更してもスマートフォンによるIRI推定が従来のVIMSと同精度で可能であると考えられる。 As shown in FIG. 12, the measured values up to around 3 Hz almost coincided with each other, and the values after 3 Hz were close except for the position (E). From this, it is considered that the measurement position can be freely changed if the measurement with the smartphone is installed so that the rotation axis of the pitching angular velocity is parallel to the wheel axis. Moreover, when the power spectrum was compared by the spatial frequency, the measured values were almost the same up to around 0.3cycle / m. If the smartphone is installed so that the rotational axis of the pitching angular velocity is parallel to the wheel axis, the measurement position can be changed by using a low-pass filter with a response ratio created at a specific location and a cutoff frequency of 0.3 cycle / m. However, IRI estimation using a smartphone is considered possible with the same accuracy as conventional VIMS.

本発明は、加速度応答計測を用いた路面性状調査方法の設置場所の問題点を解決し、また、普及が進むスマートフォンに簡単に実装できることから、急速に利用が進むと考えられる。


The present invention solves the problem of the installation location of the road surface property investigation method using acceleration response measurement, and can be easily mounted on a smartphone that is becoming widespread.


Claims (10)

車両のピッチング角速度を取得するように計測車両に設置された角速度センサと、
少なくとも位置情報、時間情報、走行速度を含むGPS情報を取得するように計測車両に設置されたGPSと、
データ記録手段と、
データ解析手段と、
を備え、
前記データ記録手段は、前記角速度センサによって取得された車両のピッチング角速度を前記GPSによって取得されたGPS情報と同期させて記録し、
前記データ解析手段は、計測車両の角速度応答から基準となる仮想車両であるクォーターカー(以下、「QC」という)の加速度応答への伝達関数、及び、QCの加速度応答と国際ラフネス指数(IRI)との相関関数を備えており、
前記データ解析手段は、取得された車両のピッチング角速度と前記伝達関数とを用いてQCの加速度応答を推定し、推定されたQCの加速度応答と前記相関関数とを用いて国際ラフネス指数(IRI)を推定する、
路面評価装置。
An angular velocity sensor installed in the measurement vehicle to obtain the pitching angular velocity of the vehicle;
GPS installed in the measurement vehicle so as to acquire GPS information including at least position information, time information, travel speed, and
Data recording means;
Data analysis means;
With
The data recording means records the pitching angular velocity of the vehicle acquired by the angular velocity sensor in synchronization with the GPS information acquired by the GPS,
The data analysis means includes a transfer function from an angular velocity response of a measurement vehicle to an acceleration response of a quarter car (hereinafter referred to as “QC”) which is a reference virtual vehicle, and an acceleration response of the QC and an international roughness index (IRI). And a correlation function
The data analysis means estimates a QC acceleration response using the acquired vehicle pitching angular velocity and the transfer function, and uses the estimated QC acceleration response and the correlation function to obtain an international roughness index (IRI). Estimate
Road surface evaluation device.
前記伝達関数は、計測車両の角速度応答とQCの加速度応答の比として定義された車両間応答振幅比である、請求項1に記載の路面評価装置。   The road surface evaluation device according to claim 1, wherein the transfer function is an inter-vehicle response amplitude ratio defined as a ratio between an angular velocity response of a measurement vehicle and an acceleration response of QC. 前記車両間応答振幅比は、路面プロファイルが既知の路線を計測車両にて走行して取得した計測車両の角速度応答と、同一の路面をシミュレーションによって走行させて得たQCの加速度応答のパワースペクトル比である、請求項2に記載の路面評価装置。   The vehicle-to-vehicle response amplitude ratio is the angular velocity response of the measurement vehicle obtained by running the route with a known road surface profile with the measurement vehicle, and the power spectrum ratio of the acceleration response of QC obtained by running the same road surface by simulation. The road surface evaluation apparatus according to claim 2, wherein 前記路面評価装置は、前記角速度センサ、前記GPS、前記データ記録手段、前記データ解析手段を備えたスマートフォンから構成されている、請求項1〜3いずれか1項に記載の路面評価装置。   The road surface evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the road surface evaluation apparatus includes a smartphone including the angular velocity sensor, the GPS, the data recording unit, and the data analysis unit. 車両のピッチング角速度を取得するように計測車両に設置された角速度センサと、
少なくとも位置情報、時間情報、走行速度を含むGPS情報を取得するように計測車両に設置されたGPSと、
計測車両の角速度応答から基準となる仮想車両であるクォーターカー(以下、「QC」という)の加速度応答への伝達関数と、
QCの加速度応答と国際ラフネス指数(IRI)との相関関数と、
を用い、
前記角速度センサによって取得された車両のピッチング角速度を前記GPSによって取得されたGPS情報と同期させて記録するステップと、
取得された車両のピッチング角速度と前記伝達関数とを用いて、QCの加速度応答を推定するステップと、
推定されたQCの加速度応答と前記相関関数とを用いて、国際ラフネス指数(IRI)を推定するステップと、
をからなる路面評価方法。
An angular velocity sensor installed in the measurement vehicle to obtain the pitching angular velocity of the vehicle;
GPS installed in the measurement vehicle so as to acquire GPS information including at least position information, time information, travel speed, and
A transfer function from the angular velocity response of the measurement vehicle to the acceleration response of the quarter car (hereinafter referred to as “QC”), which is the reference virtual vehicle,
Correlation function between acceleration response of QC and International Roughness Index (IRI),
Use
Recording the pitching angular velocity of the vehicle acquired by the angular velocity sensor in synchronization with the GPS information acquired by the GPS;
Using the acquired vehicle pitching angular velocity and the transfer function to estimate the acceleration response of the QC;
Estimating an International Roughness Index (IRI) using the estimated QC acceleration response and the correlation function;
Road surface evaluation method consisting of
前記伝達関数は、計測車両の角速度応答とQCの加速度応答の比として定義された車両間応答振幅比である、請求項5に記載の路面評価方法。   The road surface evaluation method according to claim 5, wherein the transfer function is an inter-vehicle response amplitude ratio defined as a ratio between an angular velocity response of a measurement vehicle and an acceleration response of QC. 前記車両間応答振幅比は、路面プロファイルが既知の路線を計測車両にて走行して取得した計測車両の角速度応答と、同一の路面をシミュレーションによって走行させて得たQCの加速度応答のパワースペクトル比である、請求項6に記載の路面評価方法。   The vehicle-to-vehicle response amplitude ratio is the angular velocity response of the measurement vehicle obtained by running the route with a known road surface profile with the measurement vehicle, and the power spectrum ratio of the acceleration response of QC obtained by running the same road surface by simulation. The road surface evaluation method according to claim 6, wherein 前記角速度センサ及び前記GPSはスマートフォンに搭載されており、前記各ステップはスマートフォンにより実行される、請求項5〜7いずれか1項に記載の路面評価方法。   The road surface evaluation method according to claim 5, wherein the angular velocity sensor and the GPS are mounted on a smartphone, and the steps are executed by the smartphone. 請求項5〜8いずれか1項に記載の路面評価方法をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム。   The computer program for making a computer perform the road surface evaluation method of any one of Claims 5-8. 請求項9に記載のコンピュータプログラムが記憶されたコンピュータ可読媒体。

A computer-readable medium in which the computer program according to claim 9 is stored.

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