ES2921304T3

ES2921304T3 - Dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera, sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera, procedimiento de estimación del perfil de la superficie de la carretera y programa de estimación del perfil de la superficie de la carretera

Info

Publication number: ES2921304T3
Application number: ES18791073T
Authority: ES
Inventors: Tomonori Nagayama; Boyu Zhao; Haoqi Wang
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2038-04-27
Also published as: JP2018185276A; US20200270824A1; JP6842112B2; EP3617647A1; EP3617647B1; EP3617647A4; WO2018199286A1; CN110832273A

Abstract

La presente invención proporciona un dispositivo de estimación de perfil de superficie de la carretera, etc., con el que cualquier perfil de la superficie de la carretera, incluido el de una carretera general, puede estimarse con un alto grado de precisión utilizando un vehículo de uso general. El dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera incluye una unidad de adquisición que adquiere una aceleración vertical y velocidad angular sobre un eje de tono, una primera unidad de cálculo que calcula un desplazamiento vertical y un desplazamiento angular sobre el eje de tono, una unidad de predicción que predice la evolución del tiempo de la evolución del tiempo Variables de estado del vehículo sobre la base de un modelo de simulación, una segunda unidad de cálculo que calcula la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular de las variables de estado sobre la base de un modelo de observación, una unidad de actualización que actualiza Las variables de estado mediante la asociación de datos de la aceleración y la velocidad angular adquiridas por la unidad de adquisición y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculado por la primera unidad de cálculo con la aceleración, velocidad angular, desplazamiento y desplazamiento angular calculado por la segunda unidad de cálculo, y una unidad de cálculo, y una Unidad de estimación que estima el perfil de la superficie de la carretera en el base de las variables estatales. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera, sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera, procedimiento de estimación del perfil de la superficie de la carretera y programa de estimación del perfil de la superficie de la carretera

Campo técnico

La presente invención se refiere a un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera, un sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera, un procedimiento de estimación del perfil de la superficie de la carretera y un programa de estimación del perfil de la superficie de la carretera.

Técnica antecedente

Convencionalmente, para evaluar la forma longitudinal (referida en adelante como el perfil de la superficie de la carretera) de una superficie de la carretera, se pueden medir las irregularidades de la superficie de la carretera, y se puede calcular un índice como el IRI (Índice Internacional de Rugosidad), por ejemplo. La información relativa al perfil de la superficie de la carretera puede utilizarse para determinar si la superficie de la carretera requiere mantenimiento y evaluar el nivel de comodidad al viajar en vehículo.

La publicación de patente JP-A-2017-040486 describe un dispositivo de medición que determina una distancia de recorrido y un desplazamiento en dirección vertical de una bicicleta sobre la base de los datos medidos por un sensor de velocidad, un sensor de aceleración y un sensor de velocidad angular montados en la bicicleta, y determina el perfil de la superficie de la carretera de un camino para bicicletas asociando la distancia de recorrido y un desplazamiento en dirección vertical basado en la aceleración entre sí o combinando el desplazamiento en dirección vertical basado en la aceleración con un desplazamiento en dirección vertical basado en la velocidad angular y asociando la combinación resultante con la distancia de recorrido.

La solicitud de patente WO 98/24977 A1 tiene por objeto divulgar un sensor de movimiento vertical de situación, un sensor de distancia entre la carretera y el coche, y una unidad aritmética montada en un vehículo. Se obtiene un perfil de sección vertical a partir de la distancia a la cara de la carretera medida con el sensor de distancia y el ángulo de cabeceo, el ángulo de balanceo y el desplazamiento en dirección vertical del vehículo medido con el sensor de movimiento vertical de situación.

El artículo de la revista "IRI Estimation by the Frequency Domain Analysis of Vehicle Dynamic Responses and Its Large-scale Application", Mobiquitous '16 Adjunct Proceedings de noviembre de 2016 tiene como objetivo divulgar un sistema mejorado de monitorización inteligente de la respuesta dinámica basado en el teléfono inteligente (iDRIMS) mediante el empleo del análisis del dominio de la frecuencia. El algoritmo mejorado para la estimación del Índice de Rugosidad Internacional (IRI) consta de dos etapas. En primer lugar, se selecciona e identifica como modelo numérico del vehículo un modelo de medio coche (HC), que puede reproducir los movimientos de rebote y cabeceo del vehículo y representar la ubicación de la instalación del sensor en la dirección longitudinal. Los parámetros del vehículo se identifican mediante pruebas de conducción sobre una joroba portátil de tamaño conocido. A diferencia del enfoque anterior de identificación de parámetros en el dominio del tiempo utilizando el filtro de Kalman, los parámetros se optimizan para minimizar la diferencia entre la simulación y las respuestas de joroba medidas en el dominio de la frecuencia utilizando el algoritmo genético (GA). A continuación, el IRI se estima midiendo las respuestas de aceleración vertical de los vehículos ordinarios. La aceleración medida se convierte en la aceleración RMS de la masa amortiguada del cuarto de litro estándar multiplicando una función de transferencia. La función de transferencia, estimada a través de la simulación del modelo HC identificado en contraposición al modelo QC de los enfoques anteriores, refleja los movimientos de cabeceo del vehículo y la ubicación de la instalación del sensor. El RMS se convierte aún más en IRI basándose en la correlación entre estos valores.

Sumario

Problema técnico

El perfil de la superficie de la carretera puede estimarse utilizando un vehículo especializado equipado con un distanciómetro láser de alta precisión. Sin embargo, un vehículo especializado para estimar el perfil de la superficie de la carretera es caro, y los operadores capaces de utilizarlo son limitados. Además, un vehículo especializado para estimar el perfil de la superficie de la carretera puede estar diseñado para estimar el perfil de la superficie de la carretera de una autopista y no siempre puede ser adecuado para estimar el perfil de la superficie de una carretera general.

Mientras tanto, se puede estimar el perfil de la superficie de la carretera montando un simple sensor en un vehículo de uso general, pero en este caso, puede no ser posible adquirir una precisión suficiente.

Por lo tanto, la presente invención proporciona un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera, un sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera, un procedimiento de estimación del perfil de la superficie de la carretera y un programa de estimación del perfil de la superficie de la carretera con los que se puede estimar con un alto grado de precisión cualquier perfil de la superficie de la carretera, incluido el de una carretera general, utilizando un vehículo de uso general.

Solución del problema

Un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según un aspecto de la presente invención incluye una unidad de adquisición que adquiere una aceleración vertical relativa a una superficie de la carretera con la que un vehículo está en contacto y una velocidad angular sobre un eje de cabeceo del vehículo, una primera unidad de cálculo que calcula un desplazamiento vertical integrando la aceleración y calcula un desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo integrando la velocidad angular, una unidad de predicción que predice, sobre la base de un modelo de simulación, una evolución temporal de las variables de estado, incluidas las variables que expresan las irregularidades de la superficie de la carretera por la que se desplaza el vehículo, las variables que expresan el movimiento ascendente y descendente del vehículo y las variables que expresan el movimiento de rotación en torno al eje de cabeceo del vehículo, una segunda unidad de cálculo que calcula, sobre la base de un modelo de observación, la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular a partir de las variables de estado previstas por la unidad de predicción, una unidad de actualización que actualiza las variables de estado asimilando los datos de la aceleración y la velocidad angular adquiridos por la unidad de adquisición y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo con la aceleración la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la segunda unidad de cálculo, y una unidad de estimación que estima el perfil de la superficie de la carretera sobre la base de las variables que expresan la irregularidad de la superficie de la carretera, incluidas en las variables de estado.

Según este aspecto, al emplear en la asimilación de datos no sólo la aceleración vertical relativa a la superficie de la carretera con la que el vehículo está en contacto y la velocidad angular sobre el eje de cabeceo del vehículo, sino también el desplazamiento vertical y el desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo, se puede realizar un análisis altamente estable y, como resultado, el perfil de cualquier superficie de la carretera, incluida la de una carretera general, puede estimarse con un alto grado de precisión utilizando un vehículo de uso general.

El aspecto descrito anteriormente puede incluir además una unidad de suavizado que suaviza las variables de estado sobre la base de la aceleración y la velocidad angular adquiridas por la unidad de adquisición y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo tras un punto en el que la unidad de predicción ejecuta la predicción.

Según este aspecto, empleando en el suavizado de datos no sólo la aceleración vertical del vehículo y la velocidad angular sobre el eje de cabeceo del vehículo, sino también el desplazamiento vertical y el desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo, el perfil de la superficie de la carretera puede estimarse con un grado de precisión aún mayor.

En el aspecto descrito anteriormente, el modelo de simulación puede ser un modelo de medio coche del vehículo, y las variables de estado pueden ser variables que expresan estados del modelo de medio coche.

Según este aspecto, el estado de funcionamiento del vehículo puede expresarse con mayor precisión que cuando se utiliza un modelo de un cuarto de coche como modelo de simulación, y como resultado, la evolución temporal de las variables de estado puede predecirse con un mayor grado de precisión.

En el aspecto descrito anteriormente, las variables que expresan la irregularidad de la superficie de la carretera pueden incluir un desplazamiento vertical y una velocidad vertical de un neumático delantero del modelo de medio coche, y un desplazamiento vertical y una velocidad vertical de un neumático trasero del modelo de medio coche, las variables que expresan el movimiento ascendente-descendente del vehículo pueden incluir un desplazamiento vertical y una velocidad vertical de un centro de gravedad del modelo de medio coche, un desplazamiento vertical y una velocidad vertical de una suspensión delantera del modelo de medio coche, y un desplazamiento vertical y una velocidad vertical de una suspensión trasera del modelo de medio coche, y las variables que expresan el movimiento de rotación en torno al eje de inclinación del vehículo pueden incluir un ángulo de rotación y una velocidad angular en torno a un eje de inclinación que pasa por el centro de gravedad del modelo de medio coche.

En el aspecto descrito anteriormente, el modelo de simulación puede ser un modelo que exprese la evolución temporal de las variables de estado mediante una transformación lineal o una transformación no lineal de las variables de estado y ruido Gaussiano o no Gaussiano, y el modelo de observación puede ser un modelo para calcular la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular utilizando una transformación lineal o una transformación no lineal de las variables de estado y ruido Gaussiano o no Gaussiano. Según este aspecto, expresando la evolución temporal de las variables de estado mediante un modelo de simulación que incluye una transformación no lineal y ruido no Gaussiano y expresando la observación mediante un modelo de observación que incluye una transformación no lineal y ruido no Gaussiano, el comportamiento no lineal y la vibración no Gaussiana pueden describirse con precisión y, como resultado, el perfil de la superficie de la carretera puede estimarse con un grado de precisión aún mayor.

En el aspecto descrito anteriormente, el modelo de simulación puede ser un modelo que exprese la evolución temporal de las variables de estado mediante una transformación lineal de las variables de estado y el ruido Gaussiano, el modelo de observación puede ser un modelo para calcular la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular utilizando una transformación lineal de las variables de estado y el ruido Gaussiano, y la unidad de actualización puede actualizar las variables de estado para minimizar un error cuadrático de las variables de estado.

Según este aspecto, expresando la evolución temporal de las variables de estado mediante un modelo de simulación que incluye una transformación lineal y ruido Gaussiano y expresando la observación mediante un modelo de observación que incluye una transformación lineal y ruido Gaussiano, se puede estimar el perfil de la superficie de la carretera mediante un cálculo comparativo de baja carga.

Un sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera según otro aspecto de la presente invención incluye un acelerómetro dispuesto en un vehículo para medir una aceleración vertical relativa a una superficie de la carretera con la que el vehículo está en contacto, un medidor de velocidad angular dispuesto en el vehículo para medir una velocidad angular sobre un eje de cabeceo del vehículo, y un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera para estimar un perfil de una superficie de la carretera a lo largo de la cual el vehículo está viajando, el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera incluye una unidad de adquisición que adquiere la aceleración del acelerómetro y la velocidad angular del medidor de velocidad angular, una primera unidad de cálculo que calcula un desplazamiento vertical integrando la aceleración y calcula un desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo integrando la velocidad angular, una unidad de predicción que predice, sobre la base de un modelo de simulación una evolución temporal de las variables de estado que incluye variables que expresan las irregularidades de la superficie de la carretera por la que circula el vehículo, variables que expresan el movimiento ascendente y descendente del vehículo y variables que expresan el movimiento de rotación en torno al eje de cabeceo del vehículo, una segunda unidad de cálculo que calcula, sobre la base de un modelo de observación, la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular a partir de las variables de estado previstas por la unidad de predicción una unidad de actualización que actualiza las variables de estado asimilando la aceleración y la velocidad angular adquiridas por la unidad de adquisición y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo con la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la segunda unidad de cálculo, y una unidad de estimación que estima el perfil de la superficie de la carretera sobre la base de las variables que expresan la irregularidad de la superficie de la carretera, incluidas en las variables de estado.

Un procedimiento de estimación de un perfil de superficie de carretera según otro aspecto de la presente invención incluye una primera etapa de adquisición de una aceleración vertical relativa a una superficie de carretera con la que un vehículo está en contacto y una velocidad angular sobre un eje de cabeceo del vehículo, una segunda etapa que consiste en calcular un desplazamiento vertical integrando la aceleración y en calcular un desplazamiento angular en torno al eje de cabeceo integrando la velocidad angular, una tercera etapa que consiste en predecir, a partir de un modelo de simulación, una evolución temporal de variables de estado que incluyen variables que expresan irregularidades en una superficie de carretera por la que se desplaza el vehículo, variables que expresan el movimiento ascendente y descendente del vehículo una cuarta etapa para calcular, sobre la base de un modelo de observación, la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular a partir de las variables de estado previstas en la tercera etapa, una quinta etapa de actualización de las variables de estado mediante la asimilación de datos de la aceleración y la velocidad angular adquiridos en la primera etapa y del desplazamiento y el desplazamiento angular calculados en la segunda etapa con la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados en la cuarta etapa, y una sexta etapa de estimación del perfil de la superficie de la carretera sobre la base de las variables que expresan la irregularidad de la superficie de la carretera, incluidas en las variables de estado.

Un programa de estimación del perfil de la superficie de la carretera según otro aspecto de la presente invención hace que un ordenador proporcionado en un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera funcione como una unidad de adquisición que adquiere una aceleración vertical relativa a una superficie de la carretera con la que un vehículo está en contacto y una velocidad angular sobre un eje de cabeceo del vehículo, una primera unidad de cálculo que calcula un desplazamiento vertical integrando la aceleración y calcula un desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo integrando la velocidad angular, una unidad de predicción que predice, sobre la base de un modelo de simulación, una evolución temporal de las variables de estado que incluyen variables que expresan irregularidades en una superficie de carretera por la que se desplaza el vehículo, variables que expresan el movimiento ascendente-descendente del vehículo una segunda unidad de cálculo que calcula, sobre la base de un modelo de observación, la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular a partir de las variables de estado previstas por la unidad de predicción, una unidad de actualización que actualiza las variables de estado asimilando la aceleración y la velocidad angular adquiridas por la unidad de adquisición y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo con la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la segunda unidad de cálculo, y una unidad de estimación que estima el perfil de la superficie de la carretera sobre la base de las variables que expresan la irregularidad de la superficie de la carretera, incluidas en las variables de estado. Según este aspecto, al emplear en la asimilación de datos no sólo la aceleración vertical relativa a la superficie de la carretera con la que el vehículo está en contacto y la velocidad angular sobre el eje de cabeceo del vehículo, sino también el desplazamiento vertical y el desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo, se puede realizar un análisis altamente estable y, como resultado, el perfil de cualquier superficie de la carretera, incluida la de una carretera general, puede estimarse con un alto grado de precisión utilizando un vehículo de uso general.

Efectos ventajosos de la invención

Según la presente invención, es posible proporcionar un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera, un sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera, un procedimiento de estimación del perfil de la superficie de la carretera y un programa de estimación del perfil de la superficie de la carretera con los que se puede estimar cualquier perfil de la superficie de la carretera, incluido el de una carretera general, con un alto grado de precisión utilizando un vehículo de uso general.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es una vista esquemática de un sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera según una primera realización de la presente invención.

La Fig. 2 es un diagrama de bloques de funciones de un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización de la presente invención.

La Fig. 3 es un diagrama conceptual de un modelo de simulación utilizado por el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización de la presente invención.

La Fig. 4 es un diagrama de flujo del primer procesamiento ejecutado por el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización de la presente invención.

La Fig. 5 es un diagrama de flujo del segundo procesamiento ejecutado por el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización de la presente invención.

La Fig. 6 es un primer gráfico que muestra una relación entre una distancia recorrida y un perfil de la superficie de la carretera, estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización de la presente invención.

La Fig. 7 es un segundo gráfico que muestra la relación entre la distancia recorrida y el perfil de la superficie de la carretera, estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización de la presente invención.

La Fig. 8 es un tercer gráfico que muestra la relación entre la distancia recorrida y el perfil de la superficie de la carretera, estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización de la presente invención.

La Fig. 9 es un cuarto gráfico que muestra un espectro de potencia del perfil de la superficie de la carretera estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización de la presente invención.

La Fig. 10 es un quinto gráfico que muestra la distancia recorrida y la velocidad de un vehículo durante la estimación del perfil de la superficie de la carretera por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización de la presente invención.

La Fig. 11 es un sexto gráfico que muestra la distancia recorrida y la velocidad del vehículo durante la estimación del perfil de la superficie de la carretera por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización de la presente invención.

La Fig. 12 es un diagrama de flujo del tercer procesamiento ejecutado por un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según una segunda realización de la presente invención.

Descripción de las realizaciones

Las realizaciones de la presente invención se describirán a continuación con referencia a las figuras adjuntas. Obsérvese que en las figuras, los componentes con números de referencia idénticos tienen configuraciones idénticas o similares.

[Primera realización]

La Fig. 1 es una vista esquemática de un sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según una primera realización de la presente invención. El sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 incluye un vehículo 30, un acelerómetro 21 que mide la aceleración vertical en relación con una superficie de la carretera con la que el vehículo 30 está en contacto, un medidor de velocidad angular 22 que mide la velocidad angular en torno a un eje de cabeceo del vehículo 30, y un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 que estima el perfil de la superficie de la carretera por la que viaja el vehículo 30. En el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización, el acelerómetro 21 y el medidor de velocidad angular 22 están integrados en un teléfono inteligente 20. El teléfono inteligente 20 puede colocarse en cualquier lugar que se desee, como en el salpicadero o en el maletero del vehículo 30. No hace falta mencionar que el acelerómetro 21 y el medidor de velocidad angular 22 también pueden estar dispuestos en el vehículo 30 de forma independiente. El acelerómetro 21 mide la aceleración vertical con respecto a la superficie de la carretera con la que el vehículo 30 está en contacto, pero no necesariamente tiene que medir sólo la aceleración vertical y también puede medir la aceleración horizontal con respecto a la superficie de la carretera. De la pluralidad de componentes de la aceleración del vehículo 30, el acelerómetro 21 debe medir al menos la componente vertical relativa a la superficie de la carretera. El medidor de velocidad angular 22 mide la velocidad angular sobre el eje de cabeceo del vehículo 30, pero no necesariamente tiene que medir sólo la velocidad angular sobre el eje de cabeceo y puede medir también la velocidad angular sobre un eje de balanceo y la velocidad angular sobre un eje de guiñada del vehículo 30. De las velocidades angulares relativas a la pluralidad de ejes del vehículo 30, el medidor de velocidad angular 22 debe medir al menos la velocidad angular sobre el eje de cabeceo.

El dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 estima el perfil de la superficie de la carretera por la que se desplaza el vehículo 30 basándose en la aceleración y la velocidad angular medidas por el acelerómetro 21 y el medidor de velocidad angular 22, etc. En el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización, el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 está conectado al teléfono inteligente 20 a través de una red de comunicación N. Aquí, la red de comunicación N puede ser una red de comunicación por cable o inalámbrica. Obsérvese que el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 no tiene que ser necesariamente independiente del teléfono inteligente 20 y puede estar formado integralmente con el teléfono inteligente 20. En este caso, se puede hacer que el teléfono inteligente 20 funcione como el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 ejecutando un programa de estimación del perfil de la superficie de la carretera instalado en el teléfono inteligente 20.

El vehículo 30 puede ser un automóvil que se desplaza por una superficie de carretera sobre los neumáticos de cuatro ruedas. No hace falta mencionar que el vehículo 30 también puede ser de tres o dos ruedas y también puede tener cinco o más ruedas. Se puede utilizar un automóvil de cualquier tamaño como vehículo 30, y en esta especificación se describirán casos en los que se utiliza un vehículo ligero (Light), un vehículo pequeño (Small) y un vehículo de tamaño medio (Middle) como vehículo 30.

La Fig. 2 es un diagrama de bloques de funciones del dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según la primera realización de la presente invención. El dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 incluye una unidad de adquisición 11, una primera unidad de cálculo 12, una unidad de predicción 13, una segunda unidad de cálculo 14, una unidad de actualización 15, una unidad de suavizado 16, una unidad de estimación 17 y una unidad de almacenamiento 18.

La unidad de adquisición 11 adquiere la aceleración vertical relativa a la superficie de la carretera con la que el vehículo 30 está en contacto y la velocidad angular en torno al eje de cabeceo del vehículo 30. La unidad de adquisición 11 puede adquirir la aceleración y la velocidad angular desde el acelerómetro 21 y el medidor de velocidad angular 22 incorporados en el teléfono inteligente 20 mediante la comunicación con el teléfono inteligente 20.

La primera unidad de cálculo 12 calcula un desplazamiento vertical integrando la aceleración y calcula un desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo integrando la velocidad angular. La primera unidad de cálculo 12 calcula el desplazamiento vertical ejecutando una integración de segundo orden respecto al tiempo sobre la aceleración adquirida por la unidad de adquisición 11. Además, la primera unidad de cálculo 12 calcula el desplazamiento angular en torno al eje de cabeceo ejecutando una integración de primer orden en relación con el tiempo sobre la velocidad angular adquirida por la unidad de adquisición 11.

La unidad de predicción 13 predice la evolución temporal de las variables de estado, incluidas las variables que expresan las irregularidades de la superficie de la carretera por la que se desplaza el vehículo 30, las variables que expresan el movimiento ascendente y descendente del vehículo 30 y las variables que expresan el movimiento de rotación del vehículo 30 en torno al eje de cabeceo, basándose en un modelo de simulación M1. Aquí, el modelo de simulación M1 se almacena en la unidad de almacenamiento 18. En esta realización, el modelo de simulación M1 es un modelo de medio coche del vehículo 30, y las variables de estado son variables que expresan estados del modelo de medio coche. Más concretamente, las variables que expresan las irregularidades de la superficie de la carretera incluyen el desplazamiento vertical y la velocidad de un neumático delantero del modelo de medio coche, y el desplazamiento vertical y la velocidad de un neumático trasero del modelo de medio coche. Además, las variables que expresan el movimiento ascendente-descendente del vehículo 30 incluyen el desplazamiento vertical y la velocidad del centro de gravedad del modelo de medio coche, el desplazamiento vertical y la velocidad de una suspensión delantera del modelo de medio coche, y el desplazamiento vertical y la velocidad de una suspensión trasera del modelo de medio coche. Además, las variables que expresan el movimiento de rotación del vehículo 30 en torno al eje de cabeceo incluyen un ángulo de rotación y una velocidad angular en torno a un eje de cabeceo que pasa por el centro de gravedad del modelo de medio coche.

La segunda unidad de cálculo 14 calcula la aceleración vertical relativa a la superficie de la carretera con la que el vehículo 30 está en contacto, la velocidad angular sobre el eje de cabeceo, el desplazamiento vertical y el desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo a partir de las variables de estado previstas por la unidad de predicción 13 sobre la base de un modelo de observación M2. El modelo de observación M2 se almacena en la unidad de almacenamiento 18.

La unidad de actualización 15 actualiza las variables de estado mediante la asimilación de datos de la aceleración y la velocidad angular adquiridas por la unidad de adquisición 11 y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo 12 con la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la segunda unidad de cálculo 14. Aquí, la asimilación de datos denota el procesamiento para mejorar la precisión de la predicción mediante la actualización de las variables de estado previstas utilizando el modelo de simulación M1 sobre la base de los valores medidos reales. A continuación se describirá con detalle un ejemplo concreto de asimilación de datos.

La unidad de suavizado 16 suaviza las variables de estado sobre la base de la aceleración y la velocidad angular adquiridas por la unidad de adquisición 11 y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo 12 tras la predicción de la unidad de predicción 13.

La unidad de estimación 17 estima el perfil de la superficie de la carretera sobre la base de las variables que expresan la irregularidad en la superficie de la carretera, incluidas en las variables de estado. Aquí, el perfil de la superficie de la carretera denota la forma longitudinal de la superficie de la carretera.

La unidad de almacenamiento 18 almacena el modelo de simulación M1 y el modelo de observación M2. En el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según esta realización, el modelo de simulación M1 es un modelo que expresa la evolución temporal de las variables de estado mediante una transformación lineal de las variables de estado y el ruido Gaussiano, mientras que el modelo de observación M2 es un modelo para calcular la aceleración vertical relativa a la superficie de la carretera con la que el vehículo 30 está en contacto, la velocidad angular sobre el eje de cabeceo del vehículo 30, el desplazamiento vertical y el desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo a partir de una transformación lineal de las variables de estado y el ruido Gaussiano. Además, la unidad de actualización 15 actualiza las variables de estado para minimizar un error cuadrático de las variables de estado. Como se describirá en detalle más adelante, la unidad de predicción 13, la segunda unidad de cálculo 14 y la unidad de actualización 15 del dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según esta realización funcionan conjuntamente como un filtro de Kalman.

La Fig. 3 es un diagrama conceptual del modelo de simulación M1 utilizado por el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según la primera realización de la presente invención. El modelo de simulación M1 es un modelo de medio coche que incluye 12 variables de estado y 13 parámetros.

Las variables de estado incluyen un desplazamiento vertical hf y una velocidad vertical dhf/dt del neumático delantero del modelo de medio coche, un desplazamiento vertical hr y una velocidad vertical dhr/dt del neumático trasero del modelo de medio coche, un desplazamiento vertical ub y una velocidad vertical dub/dt del centro de gravedad del modelo de medio coche, un desplazamiento vertical uf y una velocidad vertical duf/dt de la suspensión delantera del modelo de medio coche, un desplazamiento vertical ur y una velocidad vertical dur/dt de la suspensión trasera del modelo de medio coche, y un ángulo de rotación 0 y una velocidad angular d0/dt en torno a un eje de cabeceo que pasa por el centro de gravedad del modelo de medio coche.

Los parámetros incluyen una constante de muelle ktf del neumático delantero del modelo de medio coche, una masa mf del neumático delantero, una constante de muelle kf y un coeficiente de amortiguación cfde la suspensión delantera, una constante de muelle ktr del neumático trasero del modelo de medio coche, una masa mr del neumático trasero, una constante de muelle kr y un coeficiente de amortiguación cr de la suspensión trasera, una masa mb y un momento de inercia Iy alrededor del eje de inclinación de la carrocería del modelo de medio coche, una distancia horizontal Lf desde el centro de gravedad del modelo de medio coche hasta un punto de contacto con el suelo del neumático delantero, una distancia horizontal Lr desde el centro de gravedad del modelo de medio coche hasta un punto de contacto con el suelo del neumático trasero, y una distancia horizontal d desde el punto de contacto con el suelo del neumático delantero hasta un punto de disposición del acelerómetro 21 y del medidor de velocidad angular 22.

Al emplear un modelo de medio coche como modelo de simulación M1, el estado de funcionamiento del vehículo 30 puede expresarse con mayor precisión que cuando se utiliza un modelo de un cuarto de coche, y como resultado, la evolución temporal de las variables de estado puede predecirse con un mayor grado de precisión.

La Fig. 4 es un diagrama de flujo del primer procesamiento ejecutado por el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según la primera realización de la presente invención. El primer procesamiento es el ejecutado por el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 para asimilar los datos de las variables de estado con los valores medidos utilizando un filtro de Kalman.

El dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 utiliza la unidad de adquisición 11 para adquirir la aceleración vertical relativa a la superficie de la carretera con la que el vehículo 30 está en contacto y la velocidad angular en torno al eje de cabeceo del vehículo 30 (S10). La medición de la aceleración por el acelerómetro 21 y la medición de la velocidad angular por el medidor de velocidad angular 22 pueden realizarse a intervalos de tiempo predeterminados. La unidad de adquisición 11 puede adquirir la aceleración y la velocidad angular cada vez que el acelerómetro 21 y el medidor de velocidad angular 22 realicen una medición o adquirir la aceleración y la velocidad angular juntas una vez que la medición haya finalizado.

La primera unidad de cálculo 12 calcula un desplazamiento vertical integrando la aceleración adquirida por la unidad de adquisición 11, y calcula un desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo integrando la velocidad angular (S11). La aceleración y la velocidad angular adquiridas por la unidad de adquisición 11 y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo 12 se expresan conjuntamente mediante un vector y.

La unidad de predicción 13 predice la evolución temporal de las variables de estado sobre la base del modelo de medio coche (S12). La evolución temporal de las variables de estado se determina sobre la base de una ecuación de movimiento expresada por la fórmula (1) que figura a continuación.

[Ecuación 1]

M Ü(r) C Ú(¿) K l T(0 = P (Y)

Aquí, un vector U se expresa mediante la fórmula (2) siguiente. El vector U incluye, como componentes vectoriales, el desplazamiento vertical ub del centro de gravedad del modelo de medio coche, el desplazamiento angular 0 en torno al eje de inclinación que pasa por el centro de gravedad, el desplazamiento vertical uf de la suspensión delantera del modelo de medio coche y el desplazamiento vertical ur de la suspensión trasera del modelo de medio coche.

[Ecuación 2]

T

U = [ i th 6 Uf u r ]

Además, las matrices M, C y K, que vienen dadas respectivamente por las siguientes fórmulas (3) a (5), son cantidades que dependen de los parámetros.

[Ecuación 3]

[Ecuación 4]

Además, el lado derecho de la fórmula (1) viene dado por un vector P que depende de las variables que expresan la irregularidad de la superficie de la carretera. El vector P viene dado por la fórmula (6) siguiente:

En la siguiente descripción, como se indica en la fórmula (7), las 12 variables de estado se expresan mediante un vector xa.

[Ecuación 7]

* * , y

x a = [ub 6 Uf ur úb Ó iXf itr hf hr hf ^{Ar ]}

La unidad de predicción 13 expresa un error que puede ocurrir cuando el comportamiento del vehículo 30 se modela utilizando un modelo de medio coche en forma de un término de ruido. La unidad de predicción 13 determina la evolución temporal de las variables de estado xa mediante la siguiente fórmula (8).

Aquí, los subíndices "k" y "k+1" adjuntos a las variables de estado xa expresan pasos de tiempo. Una matriz Aa en el lado derecho expresa la evolución temporal de las variables de estado, expresada por la fórmula (1), como una transformación lineal en unidades de paso de tiempo. Cuando Aa se expresa como Aa = exp(AAt), A se expresa mediante la fórmula (9) siguiente. Nótese que At expresa un paso de tiempo unitario.

Aquí, las matrices M, C y K son las mostradas en las fórmulas (3) a (5). I4* 4 es una matriz unitaria de 4 * 4, y las matrices O4* 4, O4* 2 y O2* 2 son matrices nulas de 4 * 4, 4 * 2 y 2 * 2, respectivamente. Además, una matriz Z es una cantidad expresada por la fórmula (10) a continuación, mientras que una matriz T es una cantidad expresada por la fórmula (11) a continuación.

Además, Zk en el lado derecho de la fórmula (8) es el término de ruido en el paso de tiempo k. El término de ruido Zk, tal como se expresa en la fórmula (12) a continuación, incluye un vector de ocho dimensiones Wk y un vector de cuatro dimensiones r|k.

[Ecuación 12]

En el término de ruido Zk, el término de ruido Wk con respecto al desplazamiento vertical ub y la velocidad vertical dub/dt del centro de gravedad del modelo de medio coche, el desplazamiento vertical uf y la velocidad vertical duf/dt de la suspensión delantera del modelo de medio coche, el desplazamiento vertical ur y la velocidad vertical dur/dt de la suspensión trasera del modelo de medio coche, y el ángulo de rotación 0 y la velocidad angular d0/dt sobre el eje de cabeceo que pasa por el centro de gravedad del modelo de medio coche es un ruido Gaussiano con una media de 0 y una matriz de varianza-covarianza de Q. Nótese que 6k, ⁱrepresenta el delta de Kronecker.

Además, en el término de ruido Zk, el término de ruido r|k con respecto al desplazamiento vertical hf y la velocidad vertical dhf/dt del neumático delantero del modelo de medio coche, y el desplazamiento vertical hr y la velocidad vertical dhr/dt del neumático trasero del modelo de medio coche es un ruido Gaussiano con una media de 0 y una matriz de varianza-covarianza de S.

[Ecuación 14]

Como se desprende de la fórmula (8), que expresa la evolución temporal de las variables de estado, la evolución temporal del vector cuatridimensional u que reúne el desplazamiento vertical hf y la velocidad vertical dhf/dt del neumático delantero del modelo de medio coche y el desplazamiento vertical hr y la velocidad vertical dhr/dt del neumático trasero del modelo de medio coche viene dada por la fórmula (15) siguiente.

La segunda unidad de cálculo 14 calcula la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular a partir de las variables de estado previstas por la unidad de predicción 13 sobre la base del modelo de observación M2 (S13). La segunda unidad de cálculo 14 calcula un vector y que reúne la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular a partir de las variables de estado xa previstas por la unidad de predicción 13 sobre la base del modelo de observación M2, que se expresa mediante la fórmula (16) siguiente. La segunda unidad de cálculo 14 modela la observación mediante una transformación lineal Cade las variables de estado y modela un error de observación mediante un término de ruido vk.

[Ecuación 16]

En este caso, la transformación lineal Ca viene dada por la fórmula (17) siguiente. Aquí, O4 es una matriz cero de 4 * 4.

[Ecuación 17]

La matriz C1 viene dada por la fórmula (18) siguiente.

Además, el término de ruido Vk en el lado derecho de la fórmula (14) es ruido Gaussiano con una media de 0 y una matriz de varianza-covarianza de R.

[Ecuación 19]

La unidad de actualización 15 actualiza las variables de estado utilizando una ganancia de Kalman óptima (S14). Aquí, la ganancia óptima de Kalman es un coeficiente de actualización determinado para minimizar el error cuadrático de las variables de estado, y viene dada por la fórmula (20) siguiente.

[Ecuación 20]

Pk+1- en el lado derecho de la fórmula (20) es la varianza de las variables de estado previas a la actualización en el paso de tiempo k+1. Un valor inicial de un valor esperado de las variables de estado viene dado por la fórmula (21) a continuación, y un valor inicial de la varianza viene dado por la fórmula (22) a continuación. Obsérvese que las variables de estado xa con un símbolo de sombrero adjunto expresan valores estimados.

Como se ha descrito anteriormente, la evolución temporal del valor esperado de las variables de estado xa viene dada por la fórmula (23) siguiente.

En este caso, el símbolo de superíndice "-" indica una cantidad anterior a la actualización. Además, la evolución temporal de la varianza de las variables de estado xa viene dada por la fórmula (24) siguiente.

La unidad de actualización 15 determina el valor esperado de las variables de estado actualizadas xa mediante la fórmula (25) siguiente.

[Ecuación 25]

Aquí, "yk+1" en el lado derecho expresa la aceleración y la velocidad angular adquiridas por la unidad de adquisición 11 y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo 12 en el paso de tiempo k+1, y es un valor medido real adquirido en relación con el vehículo 30. El segundo término del lado derecho es un término para corregir las variables de estado utilizando un valor obtenido multiplicando una ganancia de Kalman óptima Gk+1 por una diferencia entre los valores medidos yk+1 y los valores observados calculados a partir de los valores de estado xk+1a-.

La unidad de actualización 15 determina la varianza de las variables de estado actualizadas xa mediante la fórmula (26) siguiente.

[Ecuación 26]

pi+1 = (I - G i+!c J P W-

Prediciendo las variables de estado y actualizando las variables de estado de acuerdo con la diferencia con los valores medidos en cada paso de tiempo, como se ha descrito anteriormente, las variables de estado pueden ser estimadas con un alto grado de precisión. Expresando la evolución temporal de las variables de estado mediante el modelo de simulación M1, que incluye una transformación lineal y ruido Gaussiano, y expresando la observación mediante el modelo de observación M2, que incluye una transformación lineal y ruido Gaussiano, se puede estimar el perfil de la superficie de la carretera mediante un cálculo comparativo de baja carga.

La Fig. 5 es un diagrama de flujo del segundo procesamiento ejecutado por el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según la primera realización de la presente invención. El segundo procesamiento es un procesamiento ejecutado por el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 para estimar el perfil de la superficie de la carretera implementando un procesamiento de suavizado en las variables de estado.

En primer lugar, la unidad de alisado 16 recibe la especificación de una sección en la que se va a realizar el suavizado (S20). Cuando existen pasos de tiempo de k = 0 a k = T, para suavizar las variables de estado Xk de un paso de tiempo k, la unidad de suavizado 16 puede utilizar todas las variables de estado posteriores Xk+1, xk+2, ..., xj. Alternativamente, se puede especificar una sección L (donde L es un número natural arbitrario), y las variables de estado pueden ser suavizadas usando Xk+1, Xk+2, ..., Xk+L.

La unidad de suavizado 16 inicializa un valor esperado de las variables de estado suavizadas utilizando la fórmula (27) a continuación, e inicializa una varianza de las variables de estado suavizadas utilizando la fórmula (28) a continuación.

[Ecuación 27]

[Ecuación 28]

A continuación, la unidad de alisado 16 calcula una ganancia O de retropropagación durante el procesamiento de alisado utilizando la fórmula (29) siguiente (S21).

A continuación, sobre la base de la ganancia O, la unidad de suavizado 16 suaviza el valor esperado de las variables de estado hacia el pasado desde el paso de tiempo k = T utilizando la fórmula (30) siguiente. Además, la unidad de suavizado 16 suaviza la varianza de las variables de estado utilizando la fórmula (31) a continuación (S22).

Así, las variables de estado se suavizan. A continuación, la unidad de estimación 17 estima el perfil de la superficie de la carretera sobre la base de las variables que expresan la irregularidad de la superficie de la carretera, incluidas en las variables de estado (S23). Más específicamente, la unidad de estimación 17 estima el perfil de la superficie de la carretera sobre la base del desplazamiento vertical hf del neumático delantero del modelo de medio coche y el desplazamiento vertical hr del neumático trasero del modelo de medio coche.

Con el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según esta realización, al emplear en la asimilación de datos no sólo la aceleración vertical relativa a la superficie de la carretera con la que el vehículo 30 está en contacto y la velocidad angular sobre el eje de cabeceo del vehículo 30, sino también el desplazamiento vertical y el desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo, se puede realizar un análisis altamente estable y, como resultado, el perfil de cualquier superficie de la carretera, incluida la de una carretera general, puede estimarse con un alto grado de precisión utilizando un vehículo de uso general. Además, al emplear en el suavizado de datos no sólo la aceleración vertical y la velocidad angular en torno al eje de cabeceo, sino también el desplazamiento vertical y el desplazamiento angular en torno al eje de cabeceo, se puede estimar el perfil de la superficie de la carretera con un grado de precisión aún mayor.

La Fig. 6 es un primer gráfico que muestra una relación entre una distancia recorrida y el perfil de la superficie de la carretera, estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según la primera realización de la presente invención. En la figura, la distancia recorrida (Distancia) se muestra en el eje horizontal en unidades de metros (m), y el perfil de la superficie de la carretera se muestra en el eje vertical en unidades de metros (m). En el primer gráfico, un perfil de la superficie de la carretera estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización utilizando un vehículo ligero (Light) se indica con una línea sólida, y un perfil de la superficie de la carretera estimado utilizando un vehículo especializado (Profiler) se indica con una línea de puntos. En el primer gráfico es evidente que el perfil de la superficie de la carretera estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización utilizando un vehículo ligero y el perfil de la superficie de la carretera estimado utilizando un vehículo especializado coinciden sustancialmente. Por lo tanto, con el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización, se puede estimar un perfil de la superficie de la carretera con un grado de precisión aproximadamente idéntico al que se consigue con un vehículo especializado utilizando un vehículo ligero y el teléfono inteligente 20.

La Fig. 7 es un segundo gráfico que muestra la relación entre la distancia recorrida y el perfil de la superficie de la carretera, estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según la primera realización de la presente invención. En la figura, la distancia recorrida (Distancia) se muestra en el eje horizontal en unidades de metros (m), y el perfil de la superficie de la carretera se muestra en el eje vertical en unidades de metros (m). En el segundo gráfico, un perfil de la superficie de la carretera estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización utilizando un vehículo pequeño (Tamaño pequeño) se indica mediante una línea de puntos, y un perfil de la superficie de la carretera estimado utilizando un vehículo especializado (Profiler) se indica mediante una línea de puntos. En el segundo gráfico es evidente que el perfil de la superficie de la carretera estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización utilizando un vehículo pequeño y el perfil de la superficie de la carretera estimado utilizando un vehículo especializado coinciden sustancialmente. Por lo tanto, con el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización, se puede estimar un perfil de la superficie de la carretera con un grado de precisión aproximadamente idéntico al que se consigue con un vehículo especializado utilizando un vehículo pequeño y el teléfono inteligente 20.

La Fig. 8 es un tercer gráfico que muestra la relación entre la distancia recorrida y el perfil de la superficie de la carretera, estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según la primera realización de la presente invención. En la figura, la distancia recorrida (Distancia) se muestra en el eje horizontal en unidades de metros (m), y el perfil de la superficie de la carretera se muestra en el eje vertical en unidades de metros (m). En el tercer gráfico, un perfil de la superficie de la carretera estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización utilizando un vehículo de tamaño medio (Middle size) se indica mediante una línea de puntos y rayas, y un perfil de la superficie de la carretera estimado utilizando un vehículo especializado (Profiler) se indica mediante una línea de puntos. En el tercer gráfico se aprecia que el perfil de la superficie de la carretera estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización utilizando un vehículo de tamaño medio y el perfil de la superficie de la carretera estimado utilizando un vehículo especializado coinciden sustancialmente. Por lo tanto, con el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización, se puede estimar un perfil de la superficie de la carretera con un grado de precisión aproximadamente idéntico al conseguido por un vehículo especializado utilizando un vehículo de tamaño medio y el teléfono inteligente 20.

La Fig. 9 es un cuarto gráfico que muestra un espectro de potencia del perfil de la superficie de la carretera estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según la primera realización de la presente invención. En la figura, la frecuencia (Frequency) se muestra en el eje horizontal en unidades de ciclos/metro (cycle/m), y la densidad del espectro de potencia (PSD) del perfil de la superficie de la carretera se muestra en el eje vertical en unidades de m2/(cycle/m). En el cuarto gráfico, la densidad del espectro de potencia del perfil de la superficie de la carretera estimada por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización utilizando un vehículo ligero (Light) se indica mediante una línea continua, la densidad del espectro de potencia del perfil de la superficie de la carretera estimada por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización utilizando un vehículo pequeño (Small size) se indica mediante una línea de puntos, la densidad del espectro de potencia del perfil de la superficie de la carretera estimada por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización utilizando un vehículo de tamaño medio (Middle size) se indica mediante una línea de puntos y rayas, y la densidad del espectro de potencia del perfil de la superficie de la carretera estimada utilizando un vehículo especializado (Profiler) se indica mediante una línea de puntos. El cuarto gráfico muestra que cuando se utiliza un vehículo ligero, un vehículo pequeño y un vehículo de tamaño medio, la densidad del espectro de potencia del perfil de la superficie de la carretera estimada por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización coincide sustancialmente con la densidad del espectro de potencia del perfil de la superficie de la carretera estimada utilizando un vehículo especializado. Por lo tanto, con el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización, se puede estimar un perfil de la superficie de la carretera con un grado de precisión aproximadamente idéntico al conseguido por un vehículo especializado utilizando cualquier vehículo deseado y el teléfono inteligente 20.

La Fig. 10 es un quinto gráfico que muestra la distancia recorrida y la velocidad del vehículo 30 durante la estimación del perfil de la superficie de la carretera por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según la primera realización de la presente invención. En la figura, la distancia recorrida (Distancia) se muestra en el eje horizontal en unidades de metros (m), y la velocidad del vehículo 30 se muestra en el eje vertical en unidades de kilómetros por hora (km/h). En el quinto gráfico, la velocidad de un vehículo ligero (Light) se indica con una línea sólida, la velocidad de un vehículo pequeño (Small size) se indica con una línea de puntos y rayas, y la velocidad de un vehículo de tamaño medio (Middle size) se indica con una línea de puntos y rayas. Del quinto gráfico se desprende que las velocidades respectivas del vehículo ligero, el vehículo pequeño y el vehículo mediano no son constantes, y que las velocidades respectivas varían de forma diferente a lo largo del tiempo. Por lo tanto, con el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización, incluso cuando la velocidad del vehículo 30, que se utiliza para medir la aceleración y la velocidad angular, varía, el perfil de la superficie de la carretera se estima con estabilidad. Como resultado, con el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización, se puede estimar el perfil de la superficie de la carretera con un alto grado de precisión, independientemente del tamaño y la velocidad de desplazamiento del vehículo 30 en el que se encuentra el teléfono inteligente 20 con el acelerómetro incorporado 21 y el medidor de velocidad angular 22. Obsérvese que incluso cuando se modifica la ubicación del teléfono inteligente 20 que lleva incorporado el acelerómetro 21 y el medidor de velocidad angular 22, modificando la distancia horizontal d desde el punto de contacto con el suelo del neumático delantero hasta el punto de disposición del acelerómetro 21 y el medidor de velocidad angular 22, que es uno de los parámetros del modelo de simulación M1, se puede estimar el perfil de la superficie de la carretera con un alto grado de precisión.

La Fig. 11 es un sexto gráfico que muestra la distancia recorrida y la velocidad del vehículo 30 durante la estimación del perfil de la superficie de la carretera por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según la primera realización de la presente invención. En la figura, la distancia recorrida (Distancia) se muestra en el eje horizontal en unidades de metros (m), y el IRI, que es un índice del perfil de la superficie de la carretera, se muestra en el eje vertical en unidades de milímetros/metro (mm/m). En el sexto gráfico, un IRI estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización utilizando un vehículo ligero (Light) se indica con una línea sólida, y un IRI estimado utilizando un vehículo dedicado se indica con una línea de puntos. Además, en el sexto gráfico, "R" denota las ubicaciones en las que el vehículo especializado se detiene por las luces rojas, y "B" denota las ubicaciones en las que el vehículo especializado se pone en marcha con las luces verdes. Del sexto gráfico se desprende que en los lugares en los que el vehículo especializado arranca con los semáforos en verde, el IRI estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización coincide sustancialmente con el IRI estimado utilizando el vehículo especializado, pero en los lugares en los que el vehículo especializado se detiene por los semáforos en rojo, el IRI estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización diverge del IRI estimado utilizando el vehículo especializado. Teniendo en cuenta que la divergencia entre el IRI estimado por el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización y el IRI estimado utilizando el vehículo especializado se concentra en los lugares en los que el vehículo especializado se detiene y arranca, y que el vehículo especializado está diseñado previendo la medición durante el viaje a alta velocidad y, por lo tanto, puede ser incapaz de estimar el IRI de la superficie de la carretera con precisión inmediatamente antes y después de la parada y el arranque, el IRI estimado utilizando el vehículo especializado puede desviarse del valor real del mismo inmediatamente antes y después de la parada y el arranque. Con el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización, el IRI de la superficie de la carretera puede estimarse con un alto grado de precisión incluso cuando el vehículo 30 se detiene y arranca. Por lo tanto, con el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según esta realización, el perfil de una superficie de la carretera puede estimarse con un alto grado de precisión incluso en una carretera general donde las paradas y arranques frecuentes son inevitables.

[Segunda realización]

En el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según una segunda realización, el modelo de simulación M1 y el modelo de observación m2 almacenados en la unidad de almacenamiento 18 del dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 difieren de los de la primera realización. Con respecto a todas las demás configuraciones, el sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera 1 según la segunda realización está configurado de forma similar al sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la primera realización. En el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según esta realización, el modelo de simulación M1 es un modelo que expresa la evolución temporal de las variables de estado utilizando una transformación lineal o una transformación no lineal de las variables de estado y ruido Gaussiano o ruido no Gaussiano, y el modelo de observación M2 es un modelo utilizado para calcular la aceleración vertical con respecto a la superficie de la carretera con la que está en contacto el vehículo 30, la velocidad angular con respecto al eje de cabeceo del vehículo 30, el desplazamiento vertical y el desplazamiento angular con respecto al eje de cabeceo, utilizando una transformación lineal o una transformación no lineal de las variables de estado y ruido Gaussiano o ruido no Gaussiano. Como se describirá en detalle más adelante, la unidad de predicción 13, la segunda unidad de cálculo 14 y la unidad de actualización 15 del dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según esta realización funcionan conjuntamente como un filtro de partículas.

La Fig. 12 es un diagrama de flujo del tercer procesamiento ejecutado por el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según la segunda realización de la presente invención. El tercer procesamiento es el ejecutado por el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 para asimilar los datos de las variables de estado y los valores medidos utilizando un filtro de partículas.

El dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 utiliza la unidad de adquisición 11 para adquirir la aceleración vertical relativa a la superficie de la carretera con la que el vehículo 30 está en contacto y la velocidad angular en torno al eje de cabeceo del vehículo 30 (S30). La medición de la aceleración por el acelerómetro 21 y la medición de la velocidad angular por el medidor de velocidad angular 22 pueden realizarse a intervalos de tiempo predeterminados. La unidad de adquisición 11 puede adquirir la aceleración y la velocidad angular cada vez que el acelerómetro 21 y el medidor de velocidad angular 22 realicen una medición o adquirir la aceleración y la velocidad angular juntas una vez que la medición haya finalizado.

La primera unidad de cálculo 12 calcula el desplazamiento vertical integrando la aceleración adquirida por la unidad de adquisición 11, y calcula el desplazamiento angular sobre el eje de cabeceo integrando la velocidad angular (S31). La aceleración y la velocidad angular adquiridas por la unidad de adquisición 11 y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo 12 se expresan conjuntamente mediante el vector y.

La unidad de predicción 13 predice la evolución temporal de las variables de estado sobre la base del modelo de medio coche y genera una pluralidad de partículas sobre la base de una distribución de probabilidad de las variables de estado previstas (S32). La evolución temporal de las variables de estado se determina mediante el modelo de simulación M1, que se expresa mediante la fórmula (32) siguiente.

[Ecuación 32]

Aquí, fk es la transformación lineal o no lineal de las variables de estado xk en el paso de tiempo k. Además, w(k) es el término de ruido del paso de tiempo k y denota ruido Gaussiano o ruido no Gaussiano con una media de 0. La unidad de predicción 13 genera N partículas x m (¡) sobre la base de una distribución de probabilidad p(xk-1 |y1:k-1), determina xk(i) mediante la predicción de la evolución temporal utilizando la fórmula (32), y determina una distribución de probabilidad prevista p(xk|y1:k-1) de las variables de estado en el paso de tiempo k aproximadamente utilizando la fórmula (33) siguiente.

Aquí, y1:k-1 representa la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular medidos desde el paso de tiempo k = 1 hasta el paso de tiempo k-1. Además, ó representa una función delta. Además, i = 1, 2, ... N. Obsérvese que una condición inicial p(x1|yn) puede asumirse como una distribución uniforme, por ejemplo, o puede establecerse como p(x2|yn) = I¡=1N6 (x2 - x2 (i))/N. No hace falta mencionar que la condición inicial no tiene por qué ser una distribución uniforme, y se puede asumir cualquier distribución deseada.

La segunda unidad de cálculo 14 calcula la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular a partir de las variables de estado previstas por la unidad de predicción 13 sobre la base del modelo de observación M2, y calcula una ponderación que se utilizará durante la actualización (S33). La segunda unidad de cálculo 14 calcula la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular yk a partir de las variables de estado xk previstas por la unidad de predicción 13 sobre la base del modelo de observación M2, que se expresa mediante la fórmula (33) siguiente.

Aquí, hk es la transformación lineal o no lineal de las variables de estado xk en el paso de tiempo k. Además, v(k) es el término de ruido del paso de tiempo k y denota ruido Gaussiano o no Gaussiano con una media de 0. La segunda unidad de cálculo 14 determina la distribución de probabilidad p(yk|xk (i)) de los valores medidos en un caso en el que las partículas Xk(i) se adquieren en el paso de tiempo k sobre la base del modelo de observación M2 expresado por la fórmula (33), y calcula una ponderación qi utilizando la fórmula (34) siguiente.

[Ecuación 35]

La unidad de actualización 15 remuestrea las partículas utilizando la ponderación calculada qi, y actualiza la distribución de probabilidad de las variables de estado (S34). La unidad de actualización 15 determina una distribución de probabilidad p(xk|ytk) de las variables de estado en el paso de tiempo k tras la adquisición de los valores medidos yk utilizando aproximadamente

La unidad de estimación 17 estima el perfil de la superficie de la carretera sobre la base de la distribución de probabilidad p(xk | ytk) de las variables de estado (S35). La unidad de estimación 17 puede estimar el perfil de la superficie de la carretera determinando el valor esperado de las variables que representan la irregularidad de la superficie de la carretera, incluidas en las variables de estado.

Con el dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera 10 según esta realización, la evolución temporal de las variables de estado puede expresarse utilizando el modelo de simulación M1 que incluye una transformación no lineal y ruido no Gaussiano, y la observación puede expresarse utilizando el modelo de observación M2 que incluye una transformación no lineal y ruido no Gaussiano. Así, el comportamiento no lineal y la vibración no Gaussiana pueden describirse con precisión y, como resultado, el perfil de la superficie de la carretera puede estimarse con un grado de precisión aún mayor.

Las realizaciones descritas anteriormente se proporcionan para facilitar la comprensión de la presente invención y no deben interpretarse como una limitación de la misma. Los elementos respectivos incluidos en las realizaciones, así como las disposiciones, los materiales, las condiciones, las formas, los tamaños, etc., no se limitan a los citados en las realizaciones y pueden modificarse según convenga. Además, las configuraciones citadas en diferentes realizaciones pueden ser parcialmente sustituidas o combinadas, dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera que comprende:

una unidad de adquisición que adquiere una aceleración vertical relativa a una superficie de la carretera con la que el vehículo está en contacto y la velocidad angular en torno a un eje de cabeceo del vehículo; y una primera unidad de cálculo que calcula un desplazamiento vertical integrando la aceleración y calcula un desplazamiento angular en torno al eje de cabeceo integrando la velocidad angular;

caracterizado por una unidad de predicción que predice, sobre la base de un modelo de simulación, una evolución temporal de las variables de estado, incluidas las variables que expresan las irregularidades de la superficie de la carretera por la que circula el vehículo, las variables que expresan el movimiento ascendente y descendente del vehículo y las variables que expresan el movimiento de rotación en torno al eje de cabeceo del vehículo;

una segunda unidad de cálculo que calcula, sobre la base de un modelo de observación, la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular a partir de las variables de estado previstas por la unidad de predicción;

una unidad de actualización que actualiza las variables de estado asimilando datos de la aceleración y la velocidad angular adquiridos por la unidad de adquisición y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo con la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la segunda unidad de cálculo; y

una unidad de estimación que estima el perfil de la superficie de la carretera sobre la base de las variables que expresan la irregularidad de la superficie de la carretera, incluidas en las variables de estado.

2. El dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la reivindicación 1, que comprende además una unidad de suavizado que suaviza las variables de estado sobre la base de la aceleración y la velocidad angular adquiridas por la unidad de adquisición y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados por la primera unidad de cálculo tras un punto en el que la unidad de predicción ejecuta la predicción.

3. El dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la reivindicación 1, en el que el modelo de simulación es un modelo de medio coche del vehículo, y

las variables de estado son variables que expresan estados del modelo de medio coche.

4. El dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la reivindicación 3, en el que las variables que expresan la irregularidad de la superficie de la carretera incluyen un desplazamiento vertical y una velocidad vertical de un neumático delantero del modelo de medio coche, y un desplazamiento vertical y una velocidad vertical de un neumático trasero del modelo de medio coche,

las variables que expresan el movimiento ascendente-descendente del vehículo incluyen un desplazamiento vertical y una velocidad vertical de un centro de gravedad del modelo de medio coche, un desplazamiento vertical y una velocidad vertical de una suspensión delantera del modelo de medio coche, y un desplazamiento vertical y una velocidad vertical de una suspensión trasera del modelo de medio coche, y

las variables que expresan el movimiento de rotación en torno al eje de cabeceo del vehículo incluyen un ángulo de rotación y una velocidad angular en torno a un eje de cabeceo que pasa por el centro de gravedad del modelo de medio coche.

5. El dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la reivindicación 1, en el que el modelo de simulación es un modelo que expresa la evolución temporal de las variables de estado mediante una transformación lineal o una transformación no lineal de las variables de estado y ruido Gaussiano o ruido no Gaussiano, y

el modelo de observación es un modelo para calcular la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular utilizando una transformación lineal o una transformación no lineal de las variables de estado y ruido Gaussiano o ruido no Gaussiano.

6. El dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según la reivindicación 5, en el que el modelo de simulación es un modelo que expresa la evolución temporal de las variables de estado mediante una transformación lineal de las variables de estado y el ruido Gaussiano,

el modelo de observación es un modelo para calcular la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular utilizando una transformación lineal de las variables de estado y el ruido Gaussiano, y

la unidad de actualización actualiza las variables de estado para minimizar el error cuadrático de las variables de estado.

7. Un sistema de estimación del perfil de la superficie de la carretera que comprende:

un acelerómetro dispuesto en un vehículo para medir una aceleración vertical relativa a una superficie de la carretera con la que el vehículo está en contacto;

un medidor de velocidad angular dispuesto en el vehículo para medir una velocidad angular en torno a un eje de cabeceo del vehículo; y

un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para estimar el perfil de una superficie de la carretera por la que se desplaza el vehículo,

en el que la unidad de adquisición adquiere la aceleración a partir del acelerómetro y la velocidad angular a partir del medidor de velocidad angular.

8. Un procedimiento de estimación de un perfil de la superficie de la carretera que comprende:

una primera etapa de adquisición de una aceleración vertical con respecto a una superficie de la carretera con la que el vehículo está en contacto y una velocidad angular en torno a un eje de cabeceo del vehículo; y

una segunda etapa de cálculo de un desplazamiento vertical mediante la integración de la aceleración y el cálculo de un desplazamiento angular en torno al eje de cabeceo mediante la integración de la velocidad angular;

caracterizado por una tercera etapa que consiste en predecir, sobre la base de un modelo de simulación, una evolución temporal de las variables de estado, incluidas las variables que expresan las irregularidades de la superficie de la carretera por la que circula el vehículo, las variables que expresan el movimiento ascendente y descendente del vehículo y las variables que expresan el movimiento de rotación en torno al eje de cabeceo del vehículo;

una cuarta etapa para calcular, sobre la base de un modelo de observación, la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular a partir de las variables de estado previstas en la tercera etapa;

una quinta etapa de actualización de las variables de estado mediante la asimilación de datos de la aceleración y la velocidad angular adquiridos en la primera etapa y el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados en la segunda etapa con la aceleración, la velocidad angular, el desplazamiento y el desplazamiento angular calculados en la cuarta etapa; y

una sexta etapa de estimación del perfil de la superficie de la carretera sobre la base de las variables que expresan la irregularidad de la superficie de la carretera, incluidas en las variables de estado.

9. Un medio de grabación no transitorio que registra un programa legible por ordenador que, cuando es ejecutado por un ordenador provisto en un dispositivo de estimación del perfil de la superficie de la carretera, hace que el ordenador funcione como: