ITTO20100720A1 - SYSTEM AND METHOD OF MEASURING THE ROUGHNESS OF A ROAD SURFACE - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:
"SISTEMA E METODO DI MISURA DELLA RUGOSITÀ' DI UNA SUPERFICIE STRADALE" "SYSTEM AND METHOD OF MEASURING THE ROUGHNESS OF A ROAD SURFACE"
SETTORE DELLA TECNICA TECHNIQUE SECTOR
La presente invenzione è relativa ad sistema e ad un metodo di misura della rugosità ( "roughness") o struttura ("texture") di una superficie stradale. The present invention relates to a system and a method for measuring the roughness or texture of a road surface.
ARTE ANTERIORE ANTERIOR ART
Le prestazioni fornite dai pneumatici di un veicolo dipendono in modo sensibile dalla rugosità della superficie stradale su cui rotolano, per cui per potere comparare correttamente tra loro i risultati di prove eseguite su pneumatici in tempi diversi e/o su piste di prova diverse è necessario individuare con precisione le eventuali differenze di rugosità delle superfici stradali per potere tenere conto delle influenze delle superfici stradali sui risultati . The performance provided by the tires of a vehicle depends significantly on the roughness of the road surface on which they roll, so in order to be able to correctly compare the results of tests carried out on tires at different times and / or on different test tracks, it is necessary to identify accurately any differences in roughness of road surfaces to be able to take into account the influences of road surfaces on the results.
Inoltre, nelle competizioni motoristiche è utile conoscere con precisione la rugosità della superficie stradale della pista in modo da potere orientare con criteri oggettivi la scelta del tipo di mescola da utilizzare nelle gare (particolarmente con i regolamenti degli ultimi anni che limitano considerevolmente il numero di mescole diverse che possono venire utilizzate ad ogni gara). Furthermore, in motor racing it is useful to know precisely the roughness of the road surface of the track in order to be able to orient the choice of the type of compound to be used in races with objective criteria (particularly with the regulations of recent years which considerably limit the number of compounds. different that can be used at each race).
In particolare, risulta particolarmente utile conoscere con precisione la macro-rugosità della superficie stradale che è costituita dalle asperità della superficie stradale aventi una lunghezza d'onda λ nel piano orizzontale compresa tra 0,5 mm e 50 mm (per una lunghezza d'onda λ inferiore a 0,5 mm le asperità della superficie stradale vengono definite micro-rugosità mentre per una lunghezza d'onda λ superiore a 50 mm le asperità della superficie stradale vengono definite mega-rugosità). In particular, it is particularly useful to know precisely the macro-roughness of the road surface which is constituted by the roughness of the road surface having a wavelength λ in the horizontal plane between 0.5 mm and 50 mm (for a wavelength λ less than 0.5 mm the roughness of the road surface is defined as micro-roughness while for a wavelength λ greater than 50 mm the roughness of the road surface is defined as mega-roughness).
Attualmente, per determinare la macro-rugosità di una superficie stradale vengono utilizzati diversi sistemi di misura; i sistemi di misura più precisi sono i profilometri laser stazionari che permettono di determinare la macrorugosità di una limitata area di superficie stradale. Per le misure in continuo, cioè per determinare la macrorugosità di una area estesa di superficie stradale, viene utilizzata una strumentazione denominata commercialmente ARAN (Automatic Road Analyzer) della ditta "Fugro Roadware" che comprende un veicolo a quattro ruote (tipicamente un piccolo furgone) che supporta uno o più distanziometri laser che sono disposti in posizione fissa sul veicolo e sono puntati verticalmente verso il basso in modo da "guardare" la superficie stradale. In uso, il veicolo viene fatto avanzare a velocità relativamente elevata (fino a 100 Km/h) lungo la superficie stradale da investigare mentre ciascun distanziometro laser rileva con una frequenza di acquisizione costante la distanza esistente tra lo strumento e la superficie stradale; l'insieme delle distanze rilevate da ciascun distanziometro laser costituisce il profilo bidimensionale della superficie stradale lungo la traiettoria percorsa dal veicolo. Da tale profilo bidimensionale della superficie stradale è possibile ricavare la rugosità della superficie stradale, cioè le variazioni verticali punto per punto della superficie stradale. Currently, various measurement systems are used to determine the macro-roughness of a road surface; the most accurate measurement systems are stationary laser profilometers which allow to determine the macro-roughness of a limited area of road surface. For continuous measurements, that is to determine the macro-roughness of an extended area of road surface, an instrumentation commercially called ARAN (Automatic Road Analyzer) of the company "Fugro Roadware" is used which includes a four-wheeled vehicle (typically a small van) which supports one or more laser distance meters which are arranged in a fixed position on the vehicle and are pointed vertically downwards so as to "look" at the road surface. In use, the vehicle is made to advance at a relatively high speed (up to 100 Km / h) along the road surface to be investigated while each laser distance meter detects the distance between the instrument and the road surface with a constant acquisition frequency; the set of distances detected by each laser distance meter constitutes the two-dimensional profile of the road surface along the trajectory traveled by the vehicle. From this two-dimensional profile of the road surface it is possible to derive the roughness of the road surface, ie the vertical variations point by point of the road surface.
Durante il moto, il veicolo non rimane fermo nel piano verticale, ma compie delle continue oscillazioni verticali che determinano una conseguente oscillazione verticale dei distanziometri laser che costituisce un evidente disturbo indesiderato nella misurazione della distanza esistente tra lo strumento e la superficie stradale. Per compensare le oscillazioni verticali del veicolo durante il moto, il veicolo stesso è provvisto di un sistema di accelerometri che determinano istante per istante l'accelerazione verticale; dalla accelerazione verticale istantanea ed attraverso un processo di doppia integrazione nel tempo è possibile ricavare la variazione istantanea della posizione verticale del veicolo e quindi è possibile compensare di conseguenza le distanze misurate dai distanziometri laser. During the motion, the vehicle does not remain stationary in the vertical plane, but performs continuous vertical oscillations which determine a consequent vertical oscillation of the laser distance meters which constitutes an evident undesired disturbance in the measurement of the distance existing between the instrument and the road surface. To compensate for the vertical oscillations of the vehicle during motion, the vehicle itself is equipped with a system of accelerometers which determine the vertical acceleration instant by instant; from the instantaneous vertical acceleration and through a process of double integration over time it is possible to obtain the instantaneous variation of the vertical position of the vehicle and therefore it is possible to compensate accordingly the distances measured by the laser distance meters.
Tuttavia, la sopra descritta strumentazione "ARAN" presenta due grossi difetti. In primo luogo, la misurazione del profilo bidimensionale della superficie stradale è meno precisa rispetto ai profilometri laser stazionari. Inoltre, la misurazione risulta possibile solo lungo traiettorie rettilinee o sostanzialmente rettilinee, in quanto durante la percorrenza di curve il veicolo si inclina lateralmente in modo evidente per effetto del rollio determinando una analoga inclinazione dei distanziometri laser che introduce un errore difficilmente compensabile e molto rilevante sulle misure fatte dai distanziometri laser stessi; quindi, la sopra descritta strumentazione "ARAN" è adatta a misurazioni su tratti autostradali, ma non è assolutamente utilizzabile nei circuiti per competizioni motoristiche che sono molto ricchi di curve anche di piccolissimo diametro. However, the above described "ARAN" instrumentation has two major flaws. First, the measurement of the two-dimensional profile of the road surface is less accurate than with stationary laser profilometers. Furthermore, the measurement is only possible along straight or substantially straight trajectories, since during curves the vehicle tilts sideways in an evident way due to the rolling effect causing a similar inclination of the laser distance meters which introduces an error that is difficult to compensate and very significant on the measurements made by the laser distance meters themselves; therefore, the above described "ARAN" instrumentation is suitable for measurements on motorway sections, but it is absolutely not usable in circuits for motor racing which are very rich in curves even of very small diameter.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION
Scopo della presente invenzione è di fornire un sistema ed un metodo di misura della rugosità di una superficie stradale che siano esenti dagli inconvenienti sopra descritti e siano, in particolare, di facile ed economica realizzazione. The object of the present invention is to provide a system and a method for measuring the roughness of a road surface which are free from the drawbacks described above and are, in particular, easy and inexpensive to produce.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un sistema ed un metodo di misura della rugosità di una superficie stradale secondo quanto stabilito nelle rivendicazioni allegate. According to the present invention, a system and a method for measuring the roughness of a road surface are provided according to what is established in the attached claims.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui: The present invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate a non-limiting example of embodiment, in which:
• la figura 1 è una vista schematica di un sistema di misura della rugosità di una superficie stradale realizzato in accordo con la presente invenzione; Figure 1 is a schematic view of a system for measuring the roughness of a road surface made in accordance with the present invention;
• la figura 2 è un grafico che mostra il risultato di una misura della rugosità di una superficie stradale; e • figure 2 is a graph showing the result of a measurement of the roughness of a road surface; And
• le figure 3 illustrano una ruota posteriore di un veicolo del sistema di misura della figura 1 in condizione di scarico ed in condizione di carico. FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL'INVENZIONE • figures 3 show a rear wheel of a vehicle of the measurement system of figure 1 in the unloaded condition and in the loaded condition. PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un sistema di misura della rugosità o struttura di una superficie 2 stradale. In particolare, il sistema 1 di misura è in grado di misurare la cosiddetta macrorugosità della superficie 2 stradale costituita dalle asperità della superficie 2 stradale aventi una lunghezza d'onda λ nel piano orizzontale compresa tra 0,5 mm e 50 mm; inoltre, il sistema 1 di misura potrebbe essere anche in grado di misurare la cosiddetta micro-rugosità della superficie 2 stradale costituita dalle asperità della superficie 2 stradale aventi una lunghezza d'onda λ nel piano orizzontale inferiore a 0,5 mm. Invece, il sistema 1 di misura non è normalmente adatto (se non opportunamente modificato) a misurare la cosiddetta mega-rugosità della superficie 2 stradale costituita dalle asperità della superficie 2 stradale aventi una lunghezza d'onda λ nel piano orizzontale superiore a 50 mm. In Figure 1, the number 1 indicates as a whole a system for measuring the roughness or structure of a road surface 2. In particular, the measuring system 1 is capable of measuring the so-called macro-roughness of the road surface 2 consisting of the asperities of the road surface 2 having a wavelength λ in the horizontal plane between 0.5 mm and 50 mm; moreover, the measuring system 1 could also be able to measure the so-called micro-roughness of the road surface 2 consisting of the asperities of the road surface 2 having a wavelength λ in the horizontal plane of less than 0.5 mm. On the other hand, the measuring system 1 is not normally suitable (unless suitably modified) for measuring the so-called mega-roughness of the road surface 2 consisting of the asperities of the road surface 2 having a wavelength λ in the horizontal plane greater than 50 mm.
Il sistema 1 di misura comprende un veicolo 3 che in uso viene fatto avanzare lungo la superficie 2 stradale da misurare lungo un percorso di misura. Il veicolo 3 è un motoveicolo conformato a triciclo ed avente un telaio 4 che supporta due ruote 5 anteriori (solo una delle quali è illustrata nella figura 1) ed una singola ruota 6 posteriore motrice. Le due ruote 5 anteriori limitano fortemente il rollio rispetto ad una configurazione con solo una ruota anteriore. La ruota 6 posteriore motrice riceve la coppia motrice generata da un motore 7 elettrico che è disposto in posizione centrale ed è controllato da una unità 8 di controllo. Inoltre, le ruote 5 anteriori sono anche sterzanti e l'angolo di sterzo viene controllato mediante un manubrio 9. Il telaio 4 supporta a sbalzo una sella 10 per il guidatore che è disposta in posizione posteriore sostanzialmente sopra alla ruota 6 posteriore; in questo modo il peso del guidatore grava in gran parte sulla ruota 6 posteriore. The measuring system 1 comprises a vehicle 3 which in use is made to move along the road surface 2 to be measured along a measuring path. The vehicle 3 is a motor vehicle shaped like a tricycle and having a frame 4 which supports two front wheels 5 (only one of which is illustrated in Figure 1) and a single rear driving wheel 6. The two front wheels 5 severely limit roll compared to a configuration with only one front wheel. The rear driving wheel 6 receives the driving torque generated by an electric motor 7 which is arranged in a central position and is controlled by a control unit 8. Furthermore, the front wheels 5 are also steering and the steering angle is controlled by means of a handlebar 9. The frame 4 supports a cantilevered saddle 10 for the driver which is arranged in a rear position substantially above the rear wheel 6; in this way the driver's weight rests largely on the rear wheel 6.
Il veicolo 3 supporta almeno un distanziometro 11 laser che comunica con l'unità 8 di controllo, è montato sul veicolo 3 in posizione verticale fissa ad una ridotta distanza D dalla superficie 2 stradale ed è puntato verticalmente verso il basso in modo da "guardare" la superficie 2 stradale stessa; in particolare, al telaio 4 è collegata a sbalzo una staffa 12 di supporto che scavalca la ruota 6 posteriore ed alla sua estremità supporta il distanziometro 11 laser che è disposto dietro alla ruota 6 posteriore. Infine, il veicolo 3 comprende un sensore 13 di posizione angolare (in particolare un encoder angolare ad alta risoluzione) che comunica con l'unità 8 di controllo e rileva la posizione angolare della ruota 6 posteriore per determinare l'avanzamento del veicolo 3; dalla posizione angolare della ruota 6 posteriore e conoscendo la circonferenza della ruota 6 posteriore stessa è semplice risalire alla posizione X del veicolo 3 lungo il percorso di misura seguito dal veicolo 3. The vehicle 3 supports at least one laser distance meter 11 which communicates with the control unit 8, is mounted on the vehicle 3 in a fixed vertical position at a reduced distance D from the road surface 2 and is pointed vertically downwards so as to "look" the road surface 2 itself; in particular, a support bracket 12 is cantilevered connected to the frame 4 which goes over the rear wheel 6 and at its end supports the laser distance meter 11 which is arranged behind the rear wheel 6. Finally, the vehicle 3 comprises an angular position sensor 13 (in particular a high resolution angular encoder) which communicates with the control unit 8 and detects the angular position of the rear wheel 6 to determine the advancement of the vehicle 3; from the angular position of the rear wheel 6 and knowing the circumference of the rear wheel 6 itself, it is easy to trace the position X of the vehicle 3 along the measurement path followed by the vehicle 3.
Il sistema 1 di misura comprende una unità 14 di elaborazione (tipicamente costituita da un computer portatile di piccola dimensione che è portato dal veicolo 3) che elabora le misure eseguite dal distanziometro il laser e dal sensore 13 di posizione angolare. The measurement system 1 comprises a processing unit 14 (typically consisting of a small-sized portable computer which is carried by the vehicle 3) which processes the measurements performed by the distance meter, the laser and the angular position sensor 13.
In uso, il veicolo 1 viene condotto da un guidatore per seguire il percorso di misura lungo la superficie 2 stradale mentre il distanziometro il laser ed il sensore 13 di posizione angolare eseguono una successione di misure i cui risultati vengono memorizzati in una memoria della unità 14 di elaborazione; al termine del percorso, le misure eseguite dal distanziometro il laser e dal sensore 13 di posizione angolare e memorizzate nella memoria della unità 14 di elaborazione vengono elaborate dalla unità 14 di elaborazione mediante un software dedicato. In use, the vehicle 1 is led by a driver to follow the measurement path along the road surface 2 while the distance meter, the laser and the angular position sensor 13 perform a succession of measurements whose results are stored in a memory of the unit 14 processing; at the end of the path, the measurements performed by the distance meter, the laser and the angular position sensor 13 and stored in the memory of the processing unit 14 are processed by the processing unit 14 by means of dedicated software.
Quando il veicolo 1 viene condotto lungo il percorso di misura, l'unità 8 di controllo pilota il distanziometro il laser in funzione dell'avanzamento del veicolo 3 lungo il percorso di misura in modo tale da misurare la distanza D rispetto alla superficie 2 stradale con un passo di misura rigidamente costante e predeterminato; tale passo di misura deve essere compatibile con la grandezza che si vuole misurare (micro-rugosità o macro-rugosità). In altre parole, le misurazioni della distanza D eseguite dal distanziometro il laser sono tra loro rigidamente equispaziate, in modo tale che il passo di misura tra due misurazioni della distanza D sia sempre lo stesso indipendentemente dalla velocità v di avanzamento del veicolo 3 lungo il percorso di misura. Inoltre, a ciascuna misura della distanza D rilevata dal distanziometro 11 laser viene associata la corrispondente posizione X della misura della distanza D lungo il percorso di misura utilizzando i rilievi eseguita dal sensore 13 di posizione angolare. When the vehicle 1 is led along the measurement path, the control unit 8 pilots the distance meter the laser according to the advancement of the vehicle 3 along the measurement path in such a way as to measure the distance D with respect to the road surface 2 with a rigidly constant and predetermined measurement step; this measurement step must be compatible with the quantity to be measured (micro-roughness or macro-roughness). In other words, the measurements of the distance D carried out by the distance meter and the laser are rigidly equidistant, so that the measurement step between two measurements of the distance D is always the same regardless of the speed v of the vehicle 3 along the path of measurement. Furthermore, to each measurement of the distance D detected by the laser distance meter 11 is associated the corresponding position X of the measurement of the distance D along the measurement path using the measurements performed by the angular position sensor 13.
Per garantire che le misurazioni della distanza D eseguite dal distanziometro 11 laser siano tra loro rigidamente equispaziate, l'unità 8 di controllo pilota il motore 7 elettrico del veicolo 3 in modo tale che la velocità v di avanzamento del veicolo 3 lungo il percorso di misura sia sempre inferiore ad una velocità massima pari al prodotto tra il passo di misura (cioè la distanza tra due misure successive della distanza D) e la massima frequenza di misura del distanziometro 11 laser; in questo modo viene garantito che l'effettiva frequenza di misura del distanziometro 11 laser sia sempre minore alla massima frequenza di misura del distanziometro 11 laser e quindi viene garantito che il distanziometro 11 laser sia sempre in grado di mantenere costante il passo di misura tra le misure delle distanza D. To ensure that the measurements of the distance D performed by the laser distance meter 11 are rigidly equidistant, the control unit 8 drives the electric motor 7 of the vehicle 3 in such a way that the forward speed v of the vehicle 3 along the measurement path is always lower than a maximum speed equal to the product of the measurement step (ie the distance between two successive measurements of the distance D) and the maximum measurement frequency of the laser distance meter 11; in this way it is ensured that the actual measurement frequency of the laser distance meter 11 is always lower than the maximum measurement frequency of the laser distance meter 11 and therefore it is ensured that the laser distance meter 11 is always able to keep the measurement step constant between the distance measurements D.
Al termine del percorso di misura, la sequenza di misure della distanza D in funzione della posizione X lungo il percorso di misura vengono elaborate dalla unità 14 di elaborazione che applica alla sequenza di misure della distanza D un filtro passa-alto nel dominio dello spazio che elimina i segnali aventi una lunghezza d'onda superiore ad una soglia di filtraggio predeterminata. In altre parole, nella sequenza di misure della distanza D vengono eliminati tutti i segnali che nel dominio dello spazio hanno una lunghezza d'onda superiore alla soglia di filtraggio e vengono mantenuti tutti i segnali che nel dominio dello spazio hanno una lunghezza d'onda inferiore alla soglia di filtraggio. La soglia di filtraggio predeterminata viene scelta in modo da essere (adeguatamente) superiore alla massima lunghezza d'onda della macro-rugosità (quindi maggiore di 50 mm) e da essere (adeguatamente) inferiore ad una lunghezza λ d'onda di oscillazione verticale del telaio 4 del veicolo 3 rispetto alla superficie 2 stradale. At the end of the measurement path, the sequence of measurements of the distance D as a function of the position X along the measurement path are processed by the processing unit 14 which applies to the sequence of measurements of the distance D a high-pass filter in the space domain which it eliminates the signals having a wavelength higher than a predetermined filtering threshold. In other words, in the sequence of measurements of the distance D all the signals that in the space domain have a wavelength higher than the filtering threshold are eliminated and all the signals that in the space domain have a lower wavelength are kept. at the filtering threshold. The predetermined filtering threshold is chosen in such a way as to be (adequately) higher than the maximum wavelength of the macro-roughness (therefore greater than 50 mm) and to be (adequately) lower than a wavelength λ of vertical oscillation of the frame 4 of the vehicle 3 with respect to the road surface 2.
Tale filtraggio è necessario, in quanto il telaio 4 del veicolo 3 che supporta il distanziometro 11 laser è un corpo che appoggia alla superficie 2 stradale mediante un sistema elastico costituito essenzialmente dai pneumatici delle ruote 5 e 6 e viene eccitato verticalmente durante l'avanzamento lungo il percorso di misura dalle irregolarità della superficie 2 stradale; di conseguenza, durante l'avanzamento lungo il percorso di misura il telaio 4 che supporta il distanziometro 11 laser oscilla verticalmente rispetto alla superficie 2 stradale introducendo quindi un errore non trascurabile nelle misure della distanza D. Tale situazione è bene evidenziata nel grafico della figura 2 che illustra l'evoluzione della distanza D in funzione della posizione X lungo il percorso di misura prima dell'operazione di filtraggio: al valore ricercato che oscilla nello spazio con una lunghezza d'onda corta si sovrappone un rumore N indesiderato che è determinato dalla oscillazione verticale del telaio 4 rispetto alla superficie 2 stradale ed oscilla nello spazio con una lunghezza d'onda lunga. Dal grafico della figura 2 appare evidente che il rumore N indesiderato presenta una ampiezza che può arrivare al 50% dell'ampiezza del valore ricercato e quindi sfalsa completamente la misura se non viene eliminato. This filtering is necessary, since the frame 4 of the vehicle 3 which supports the laser distance meter 11 is a body which rests on the road surface 2 by means of an elastic system consisting essentially of the tires of the wheels 5 and 6 and is vertically excited during the long forward movement. the measurement path from the irregularities of the road surface 2; consequently, during the advancement along the measurement path, the frame 4 which supports the laser distance meter 11 oscillates vertically with respect to the road surface 2, thus introducing a non-negligible error in the distance measurements D. This situation is well highlighted in the graph of figure 2 which illustrates the evolution of the distance D as a function of the position X along the measurement path before the filtering operation: an unwanted noise N is superimposed on the sought value that oscillates in space with a short wavelength, which is determined by the oscillation vertical of the frame 4 with respect to the road surface 2 and oscillates in space with a long wavelength. From the graph of figure 2 it is evident that the unwanted noise N has an amplitude that can reach 50% of the amplitude of the value sought and therefore completely staggers the measurement if it is not eliminated.
E' importante osservare che il filtraggio passa basso nel dominio dello spazio della sequenza di misure della distanza D in funzione della posizione X lungo il percorso di misura è possibile in quanto il passo di misura delle misurazioni della distanza D è rigidamente costante e predeterminato. Infatti, se il passo di misura delle misurazioni della distanza D fosse variabile in modo casuale non sarebbe possibile applicare alla sequenza di misure della distanza D in funzione della posizione X lungo il percorso di misura il filtraggio passa basso nel dominio dello spazio. Nei sistemi convenzionali le misure del distanziometro laser sono effettuate generalmente a frequenza fissa indipendentemente dalla velocità del mezzo; successivamente un algoritmo converte il tempo tra le varie distanze in distanza per distribuire le misure nello spazio. Tuttavia, questa operazione introduce un errore significativo rispetto a quanto proposto nella presente invenzione. It is important to note that low-pass filtering in the space domain of the distance measurement sequence D as a function of the position X along the measurement path is possible since the measurement step of the distance measurements D is rigidly constant and predetermined. In fact, if the measurement step of the distance measurements D were randomly variable, it would not be possible to apply the low-pass filtering in the space domain to the sequence of measurements of the distance D as a function of the position X along the measurement path. In conventional systems the measurements of the laser distance meter are generally carried out at a fixed frequency regardless of the speed of the vehicle; subsequently an algorithm converts the time between the various distances into distance to distribute the measurements in space. However, this operation introduces a significant error with respect to what is proposed in the present invention.
L'eliminazione del rumore N indesiderato provocato dalla oscillazione verticale del telaio 4 rispetto alla superficie 2 stradale dalla sequenza di misure della distanza D in funzione della posizione X lungo il percorso di misura mediante il filtraggio passa-alto nel dominio dello spazio è possibile in quanto il telaio 4 oscilla verticalmente rispetto alla superficie 2 stradale con una lunghezza λ d'onda di oscillazione verticale (abbondantemente) superiore alla massima lunghezza d'onda della macro-rugosità. Tale condizione non è casuale, ma viene appositamente ricercata (essendo indispensabile) registrando (cioè variando in modo opportuno) la frequenza f propria di oscillazione verticale del telaio 4 e la velocità v di avanzamento del veicolo 3 lungo il percorso di misura; in altre parole, la frequenza f propria di oscillazione verticale del telaio 4 e la velocità v di avanzamento del veicolo 3 lungo il percorso di misura vengono registrati (ottimizzati) variando se necessario le rigidezze/masse sospese del sistema in modo tale che la lunghezza λ d'onda di oscillazione verticale del telaio 4 sia adeguatamente superiore alla massima lunghezza d'onda della macro-rugosità. The elimination of the unwanted noise N caused by the vertical oscillation of the frame 4 with respect to the road surface 2 from the sequence of measurements of the distance D as a function of the position X along the measuring path by means of high-pass filtering in the space domain is possible since the frame 4 oscillates vertically with respect to the road surface 2 with a wavelength λ of vertical oscillation (abundantly) greater than the maximum wavelength of the macro-roughness. This condition is not accidental, but is purposely sought (since it is indispensable) by recording (ie by suitably varying) the natural frequency f of vertical oscillation of the frame 4 and the speed v of advancement of the vehicle 3 along the measurement path; in other words, the natural frequency f of vertical oscillation of the frame 4 and the forward speed v of the vehicle 3 along the measurement path are recorded (optimized) by varying, if necessary, the stiffness / suspended masses of the system so that the length λ waveform of the vertical oscillation of the frame 4 is adequately greater than the maximum wavelength of the macro-roughness.
Secondo quanto illustrato nelle figure 3, la frequenza f propria di oscillazione verticale del telaio 4 viene determinata in funzione di un abbassamento Δχ del telaio 4 conseguente al passaggio dalla condizione di scarico (cioè di veicolo 3 senza guidatore come illustrato nella figura 3a) alla condizione di carico (cioè di veicolo 3 con guidatore come illustrato nella figura 3b) che viene rilevato a veicolo 3 fermo mediante il distanziometro 11 laser. In altre parole, a veicolo 3 fermo la salita del guidatore sulla sella 10 del veicolo determina un abbassamento Δχ del telaio 4 rispetto alla superficie 2 stradale essenzialmente per effetto delle deformazione elastica del pneumatico della ruota 6 posteriore; per la conformazione del telaio 4 il peso del guidatore grava quasi completamente sulla ruota 6 posteriore e la staffa 12 di supporto del distanziometro 11 laser è collegata ala telaio 4 in prossimità della ruota 6 posteriore, quindi è possibile ipotizzare senza commettere un errore apprezzabile che l'abbassamento Δχ del telaio 4 sia dovuto solo alla deformazione elastica del pneumatico della ruota 6 posteriore (deformazione elastica che è regolabile variando la pressione di gonfiaggio del pneumatico della ruota 6 posteriore). According to what is illustrated in Figures 3, the natural frequency f of vertical oscillation of the frame 4 is determined as a function of a lowering Δχ of the frame 4 consequent to the passage from the unloaded condition (i.e. vehicle 3 without a driver as illustrated in Figure 3a) to the condition load (i.e. of vehicle 3 with driver as illustrated in Figure 3b) which is detected when vehicle 3 is stationary by means of the laser distance meter 11. In other words, with the vehicle 3 stationary, the ascent of the driver onto the saddle 10 of the vehicle causes a lowering Δχ of the frame 4 with respect to the road surface 2 essentially due to the elastic deformation of the tire of the rear wheel 6; due to the shape of the frame 4, the driver's weight bears almost completely on the rear wheel 6 and the bracket 12 supporting the laser distance meter 11 is connected to the frame 4 near the rear wheel 6, therefore it is possible to assume without committing an appreciable error that the the lowering Δχ of the frame 4 is due only to the elastic deformation of the tire of the rear wheel 6 (elastic deformation which is adjustable by varying the inflation pressure of the tire of the rear wheel 6).
L'abbassamento Δχ del telaio 4 rispetto alla superficie 2 stradale è determinato dalla forza Fggravitazione del guidatore (cioè il peso del guidatore) che viene aggiunta al telaio 4 ed è fornita dalla sotto riportata equazione [1]; quando il sistema è in equilibrio, la forza Fggravitazione del guidatore è controbilanciata dalla forza Feelastica che è generata dal pneumatico della ruota 6 posteriore per effetto della propria deformazione (pari all'abbassamento Δχ del telaio 4) ed è fornita dalla sotto riportata equazione [2]. The lowering Δχ of the chassis 4 with respect to the road surface 2 is determined by the driver's gravitational force (ie the driver's weight) which is added to the chassis 4 and is provided by the equation [1] below; when the system is in equilibrium, the driver's force Fggravitation is counterbalanced by the Feelastic force that is generated by the tire of the rear wheel 6 due to its deformation (equal to the lowering Δχ of the frame 4) and is provided by the equation below [2 ].
[1] Fg= m g [1] Fg = m g
[2] Fe-k■Ax [2] Fe-k ■ Ax
Fgforza gravitazionale del guidatore [N]; Fg gravitational force of the driver [N];
m massa complessiva [kg]; m total mass [kg];
g accelerazione di gravità [m/sec<2>]; g acceleration due to gravity [m / sec <2>];
Feforza elastica generata dal pneumatico della ruota 6 posteriore [N]; Feelastic force generated by the tire of the rear wheel 6 [N];
k costante elastica del pneumatico della ruota 6 posteriore [N/m]; k elastic constant of the tire of the rear wheel 6 [N / m];
Δχ abbassamento del telaio 4 per effetto della salita del guidatore. Δχ lowering of the frame 4 due to the driver's climb.
Imponendo che in condizioni di equilibrio la forza Fggravitazione del guidatore sia identica alla forza Feelastica si ottiene la sotto riportata equazione [3]. By imposing that in equilibrium conditions the driver's Fggravitation force is identical to the Feelastic force, the following equation [3] is obtained.
La frequenza angolare ω di oscillazione verticale e la frequenza f di oscillazione verticale del telaio 4 rispetto alla superficie 2 stradale sono forniti dalle sotto riportate equazioni [4] e [5]. The angular frequency ω of vertical oscillation and the frequency f of vertical oscillation of the frame 4 with respect to the road surface 2 are provided by the following equations [4] and [5].
ω frequenza angolare di oscillazione verticale del telaio 4 [rad/sec]; ω angular frequency of vertical oscillation of the frame 4 [rad / sec];
k costante elastica del pneumatico della ruota 6 posteriore [N/m] ; k elastic constant of the tire of the rear wheel 6 [N / m];
m massa complessiva [kg]; m total mass [kg];
f frequenza di oscillazione verticale del telaio 4 f frequency of vertical oscillation of the frame 4
[Hz] ; [Hz];
Sostituendo nell'equazione [5] l'espressione della costante elastica k fornita dalla equazione [3] si ottiene la sotto riportata equazione [6]. By substituting in equation [5] the expression of the elastic constant k given by equation [3] we obtain the following equation [6].
La lunqhezza d'onda di oscillazione del telaio 4 con il quidatore è fornita dalla sotto riportata equazione [7]; sostituendo nella equazione [7] l'espressione della frequenza f di oscillazione verticale fornita dall'equazione [6] si ottiene l'equazione [8]. The wavelength of oscillation of the frame 4 with the scaler is given by the following equation [7]; substituting in equation [7] the expression of the vertical oscillation frequency f given by equation [6] we obtain equation [8].
λ lunqhezza d'onda di oscillazione verticale del telaio 4 con il quidatore [m]; λ wavelength of vertical oscillation of the frame 4 with the scaler [m];
v velocità di avanzamento del veicolo 3 lunqo il percorso di misura [m/sec]. v vehicle speed 3 along the measurement path [m / sec].
Utilizzando l'equazione [8] è possibile calcolare con sufficiente precisione la lunqhezza λ d'onda di oscillazione verticale del telaio 4 per verificare che effettivamente la lunqhezza λ d'onda di oscillazione verticale del telaio 4 sia adequatamente superiore alla massima lunghezza d'onda della macro-rugosità. Generalmente, per aumentare la lunghezza λ d'onda di oscillazione verticale del telaio 4 viene aumentata la velocità v di avanzamento del veicolo 3 lungo il percorso di misura, viene aumentata la massa del guidatore (evitando guidatori troppo leggeri) oppure viene diminuita la pressione di gonfiaggio del pneumatico della ruota 6 posteriore. In casi particolari, per aumentare la lunghezza λ d'onda di oscillazione verticale del telaio 4 è anche possibile utilizzare un pneumatico della ruota 6 posteriore diverso che presenta una elasticità più elevata (eventualmente realizzato su misura per questa applicazione) . Using equation [8] it is possible to calculate with sufficient precision the vertical oscillation wavelength λ of frame 4 to verify that indeed the vertical oscillation wavelength λ of frame 4 is adequately greater than the maximum wavelength of macro-roughness. Generally, in order to increase the wavelength λ of vertical oscillation of the chassis 4, the speed v of the vehicle 3 along the measurement path is increased, the driver's mass is increased (avoiding too light drivers) or the pressure of inflation of the rear wheel 6 tire. In particular cases, to increase the wavelength λ of vertical oscillation of the frame 4 it is also possible to use a different rear wheel tire 6 which has a higher elasticity (possibly made to measure for this application).
Quando il passo di misura tra due misurazioni della distanza D successive è dell'ordine di 1 mm, il sistema 1 di misura è in grado di misurare la macro-rugosità della superficie 2 stradale costituita dalle asperità della superficie 2 stradale aventi una lunghezza d'onda λ nel piano orizzontale compresa tra 0,5 mm e 50 mm (con un passo di misura di 1 mm e con una massima frequenza di misura del distanziometro 11 laser di 3 kHz, la massima velocità v di avanzamento del veicolo 3 lungo il percorso di misura è pari a 3 m/s). Utilizzando un distanziometro 11 laser più performante (essenzialmente in grado di lavorare con una massima frequenza di misura più elevata), è possibile ridurre considerevolmente il passo di misura che può arrivare a circa 0,1-0,3 mm (solo se la dimensione dello spot del distanziometro 11 laser presenta un diametro inferiore a 0,1 mm); con un simile passo di misura, il sistema 1 di misura è in grado di misurare anche la microrugosità della superficie 2 stradale costituita dalle asperità della superficie 2 stradale aventi una lunghezza d'onda λ nel piano orizzontale inferiore a 0,5 mm. When the measurement step between two successive measurements of the distance D is of the order of 1 mm, the measurement system 1 is able to measure the macro-roughness of the road surface 2 consisting of the roughness of the road surface 2 having a length of λ wave in the horizontal plane between 0.5 mm and 50 mm (with a measurement step of 1 mm and with a maximum measurement frequency of the laser distance meter 11 of 3 kHz, the maximum speed v of the vehicle 3 travel along the path measurement is equal to 3 m / s). Using a better performing laser distance meter 11 (essentially able to work with a higher maximum measurement frequency), it is possible to considerably reduce the measurement step which can reach about 0.1-0.3 mm (only if the size of the spot of the laser distance meter 11 has a diameter of less than 0.1 mm); with such a measurement step, the measurement system 1 is also capable of measuring the micro-roughness of the road surface 2 consisting of the roughness of the road surface 2 having a wavelength λ in the horizontal plane of less than 0.5 mm.
Secondo una preferita forma di attuazione illustrata nella figura 1, l'unità 8 di controllo è collegata ad un localizzatore satellitare 15 (o GPS 15) ad alta risoluzione (inferiore a 0.5 metri) che fornisce la posizione istantanea del veicolo 3 in coordinate geografiche; durante la misura delle distanze D, ad alcune distanze D (ad esempio ogni 500 distanze D misurate, ovvero tipicamente ogni 0,5 metri) l'unità 8 di controllo associa oltre alle corrispondenti posizioni X lungo il percorso di misura anche le corrispondenti posizioni in coordinate geografiche. In questo modo, è possibile sovrapporre le distanze D ad una mappa georeferenziata per potere individuare con precisione la rugosità della superficie 2 stradale in punti salienti (ad esempio all'ingresso di un particolare curva in una pista per competizioni motoristiche) . According to a preferred embodiment illustrated in Figure 1, the control unit 8 is connected to a high resolution (less than 0.5 meters) satellite locator 15 (or GPS 15) which provides the instantaneous position of the vehicle 3 in geographical coordinates; during the measurement of distances D, at some distances D (for example every 500 measured distances D, or typically every 0.5 meters) the control unit 8 associates in addition to the corresponding positions X along the measuring path, also the corresponding positions in geographic coordinates. In this way, it is possible to superimpose the distances D on a georeferenced map to be able to accurately identify the roughness of the road surface 2 in salient points (for example at the entrance to a particular curve in a track for motor racing).
Secondo una possibile forma di attuazione illustrata nella figura 1, l'unità 8 di controllo è collegata ad una fotocamera digitale 16 che presenta un obiettivo rivolto verticalmente verso il basso per inquadrare la superficie 2 stradale; durante la misura delle distanze D, la fotocamera digitale 16 viene ciclicamente attivata per acquisire delle immagini digitali fotografiche della superficie 2 stradale che documentano visivamente lo stato e la conformazione della superficie 2 stradale stessa. A ciascuna immagine digitale fotografica acquisita dalla fotocamera digitale 16 l'unità 8 di controllo associa la corrispondente posizione X lungo il percorso di misura e/o la corrispondente posizione in coordinate geografiche per potere associare con precisione l'immagine digitale fotografica al percorso di misura. La frequenza di acquisizione delle immagini digitali fotografiche può essere variabile in modo da acquisire più immagini nei punti più critici (ad esempio negli ingressi delle curve di una pista per competizioni motoristiche in cui avvengono le frenate più forti) e meno immagini nei punti meno critici (ad esempio le parti centrali dei rettilinei di una pista per competizioni motoristiche) . Le immagini digitali fotografiche possono essere molto importanti, in quanto permettono di capire se sulla superficie 2 stradale sono presenti materiali estranei (cioè "sporco" come ad esempio terriccio, sabbia, ghiaia, detriti formati da un incidente); infatti, in una zona in cui è stata rilevata una rugosità anomala della superficie 2 stradale potrebbero essere effettivamente presenti dei difetti dell'asfalto (situazione permanente e non modificabile se non a lungo periodo) oppure più semplicemente potrebbe solo esserci dello "sporco" (situazione temporanea e modificabile a brevissimo periodo). According to a possible embodiment illustrated in Figure 1, the control unit 8 is connected to a digital camera 16 which has a lens facing vertically downwards to frame the road surface 2; during the measurement of the distances D, the digital camera 16 is cyclically activated to acquire photographic digital images of the road surface 2 which visually document the state and shape of the road surface 2 itself. To each digital photographic image acquired by the digital camera 16 the control unit 8 associates the corresponding position X along the measurement path and / or the corresponding position in geographic coordinates in order to be able to precisely associate the digital photographic image with the measurement path. The frequency of acquisition of digital photographic images can be variable in order to acquire more images in the most critical points (for example in the entrances of the curves of a track for motor racing where the strongest braking occurs) and fewer images in the less critical points ( for example the central parts of the straights of a track for motor racing). The digital photographic images can be very important, as they make it possible to understand whether foreign materials are present on the road surface 2 (ie "dirt" such as dirt, sand, gravel, debris formed by an accident); in fact, in an area where an anomalous roughness of the road surface 2 has been detected, asphalt defects may actually be present (permanent situation and not modifiable if not for a long time) or more simply there could only be "dirt" (situation temporary and modifiable in a very short period).
Nella forma di attuazione illustrata nella figura 1, il veicolo 3 supporta un unico distanziometro 11 laser che misura le distanze D rispetto alla superficie 2 stradale lungo una singola traiettoria del percorso del misura; secondo una diversa forma di attuazione, il veicolo 3 supporta due o più (anche fino a quattro - sei) distanziometri 11 laser che misurano le distanze D rispetto alla superficie 2 stradale lungo due o più traiettorie tra loro parallele ed affiancate del percorso del misura. In the embodiment illustrated in Figure 1, the vehicle 3 supports a single laser distance meter 11 which measures the distances D with respect to the road surface 2 along a single trajectory of the measurement path; according to a different embodiment, the vehicle 3 supports two or more (even up to four - six) laser distance meters 11 which measure the distances D with respect to the road surface 2 along two or more parallel and side by side trajectories of the measurement path.
Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, il veicolo 3 viene guidato da un guidatore lungo il percorso di misura. Secondo una diversa forma di attuazione (tipicamente quando il percorso di misura si sviluppa in una pista per competizioni motoristiche che è un ambiente noto e controllato), il veicolo 3 potrebbe venire guidato in automatico (in autonomia o con un radiocontrollo a distanza) lungo il percorso di misura ad esempio sfruttando le informazioni sulla posizione X lungo il percorso di misura fornire dal sensore 13 di posizione angolare e/o le informazioni sulla posizione geografica fornite dal localizzatore satellitare 15; in questo caso il veicolo 3 potrebbe essere provvisto di una o più telecamere di controllo che rilevano eventuali ostacoli presenti di fronte al veicolo 3. In the embodiment illustrated in the attached figures, the vehicle 3 is guided by a driver along the measurement path. According to a different embodiment (typically when the measurement path develops in a track for motor racing which is a known and controlled environment), the vehicle 3 could be driven automatically (autonomously or with a remote radio control) along the measurement path for example by exploiting the information on the position X along the measurement path to provide from the sensor 13 of angular position and / or the information on the geographic position supplied by the satellite locator 15; in this case the vehicle 3 could be equipped with one or more control cameras which detect any obstacles present in front of the vehicle 3.
Secondo una ulteriore forma di attuazione, il veicolo 3 potrebbe venire utilizzato per rilevare in automatico (cioè senza l'intervento del guidatore che scende dal veicolo 3) e con elevata precisione la micro-rugosità di una limitata porzione della superficie 2 stradale (indicativamente avente una area non superiore a 0,5 m<2>). In questo caso, il distanziometro 11 laser è montato su un cursore che scorre su una guida lineare a basso attrito ed è azionato da un motore a basso rumore molto preciso e controreazionato da una riga ottica ad alta risoluzione (sub-micron) il tutto installato in senso trasversale rispetto alla direzione di avanzamento del veicolo 3. Dopo aver effettuato una linea trasversale con un passo inferiore a 0,01 mm il distanziometro 11 laser torna alla sua posizione iniziale e il veicolo 3 viene fatto avanzare in automatico di una distanza inferiore al millimetro; quindi una nuova scansione trasversale viene effettuata in un processo sincronizzato gestito completamente dall'unità 14 di elaborazione che prevede la misura dell'area desiderata avente tipicamente una dimensione di 200 x 200 mm. In questo tipo di indagine, il passo di misura trasversale delle distanze D è molto piccolo (ad esempio dell'ordine di 0,01 mm - 0,1 mm) per potere rilevare con precisione la micro-rugosità della superficie 2 stradale. According to a further embodiment, the vehicle 3 could be used to automatically detect (i.e. without the intervention of the driver leaving the vehicle 3) and with high precision the micro-roughness of a limited portion of the road surface 2 (indicatively having an area not exceeding 0.5 m <2>). In this case, the laser distance meter 11 is mounted on a cursor that slides on a low friction linear guide and is driven by a very precise low noise motor and counter-reacted by a high resolution (sub-micron) optical scale all installed. in a transverse direction with respect to the direction of advancement of the vehicle 3. After making a transverse line with a pitch of less than 0.01 mm, the laser distance meter 11 returns to its initial position and the vehicle 3 is automatically made to advance by a distance of less than millimeter; then a new transverse scan is carried out in a synchronized process completely managed by the processing unit 14 which provides for the measurement of the desired area typically having a dimension of 200 x 200 mm. In this type of survey, the transversal distance measurement step D is very small (for example of the order of 0.01 mm - 0.1 mm) in order to be able to accurately detect the micro-roughness of the road surface 2.
E' importante sottolineare che il sistema 1 di misura sopra descritto prescinde dalla effettiva conformazione del veicolo 3 che può essere anche completamente diverso dal veicolo 3 a triciclo illustrato nelle figure allegate. In altre parole, l'unità 8 di controllo, il distanziometro 11 laser, il sensore 13 di posizionamento angolare, il localizzatore satellitare 15, e la fotocamera digitale 16 possono venire installati con facilità su qualsiasi veicolo previa la verifica del rollio e della risonanza radiale del veicolo stesso. It is important to underline that the measurement system 1 described above is independent of the actual conformation of the vehicle 3 which can also be completely different from the tricycle vehicle 3 illustrated in the attached figures. In other words, the control unit 8, the laser distance meter 11, the angular positioning sensor 13, the satellite locator 15, and the digital camera 16 can be easily installed on any vehicle after checking the roll and radial resonance. of the vehicle itself.
Il sistema 1 di misura della rugosità della superficie 2 stradale sopra descritto presenta numerosi vantaggi. The system 1 for measuring the roughness of the road surface 2 described above has numerous advantages.
In primo luogo, sistema 1 di misura sopra descritto permette di misurare con rapidità ed elevata precisione la rugosità della superficie 2 stradale. In the first place, the measurement system 1 described above allows the roughness of the road surface 2 to be measured quickly and with high precision.
La conformazione del veicolo 3 permette al veicolo 3 di non avere un rollio significativo durante la percorrenza delle curve (soprattutto alle velocità modeste con cui procede il veicolo 3 durante la misura) e quindi durante la percorrenza delle curve il distanziometro 11 laser non subisce modifiche indesiderate della sua posizione verticale; in questo modo, viene garantita una elevata precisione di misura anche durante la percorrenza delle curve di medio e piccolo raggio. The conformation of the vehicle 3 allows the vehicle 3 not to have a significant roll during the travel of the curves (especially at the modest speeds with which the vehicle 3 proceeds during the measurement) and therefore during the travel of the curves the laser distance meter 11 does not undergo unwanted changes its vertical position; in this way, a high measurement accuracy is guaranteed even when traveling through curves of medium and small radius.
Il sistema 1 di misura sopra descritto è di semplice ed economica realizzazione: il veicolo 3 è un comune triciclo elettrico disponibile in commercio e la strumentazione utilizzata (il distanziometro 11 laser ed il sensore 13 di posizione angolare) è commerciale e di costo relativamente ridotto. The measurement system 1 described above is simple and inexpensive to implement: the vehicle 3 is a common electric tricycle available on the market and the instrumentation used (the laser distance meter 11 and the angular position sensor 13) is commercial and relatively inexpensive.
Il sistema 1 di misura sopra descritto è poco ingombrante e leggero e può agevolmente venire trasportato anche in aereo; tale caratteristica è molto importante nelle competizioni automobilistiche che si svolgono in piste dislocate in tutto il mondo. The measurement system 1 described above is not bulky and light and can be easily transported also by plane; this feature is very important in car competitions that take place on tracks located all over the world.
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| Publication number | Publication date |
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| WO2012029026A1 (en) | 2012-03-08 |
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