JP2016023537A - たわみ計測方法およびたわみ計測装置 - Google Patents
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(A)離散ウェーブレット解析の適用理由
時系列周波数解析には、フーリエ変換・逆変換を組み合わせたフーリエ解析と、ウェーブレット変換・逆変換を組み合わせたウェーブレット解析がある。本明細書では、ウェーブレット解析のうち、離散化データを取り扱う離散ウェーブレット解析を用いてソフト的振動対策を行なう。
(B−1)ウェーブレットフィルタとスケーリングフィルタ
本明細書で用いる離散ウェーブレット解析では、計測データに対して、離散ウェーブレット変換を行ない、不要な振動周波数成分(ノイズ)を0にした後に、逆変換によって、ノイズを取り除いた信号を生成する。つまり、ウェーブレット変換は、一種の線形フィルタリングであり、その変換に用いられるウェーブレットは、「ウェーブレットフィルタ」と呼ばれる。また、ウェーブレットフィルタは、一般的にhで表わされ、次の3条件を満たす必要がある。
ウェーブレットフィルタとして広く用いられているものとして、Haar(ハール)とDaubechies(ドビシー)のウェーブレットがあげられる。Haarのウェーブレットは、サポート長がL=2のフィルタで、上記数式(10)〜(14)によってウェーブレットフィルタとスケーリングフィルタとを求めることができ、数式(18)で示されるようになる。
離散ウェーブレット変換では、観測データをウェーブレットフィルタとスケーリングフィルタとを通して、「ウェーブレット係数」と「スケーリング係数」とを求める。図3、図4Aおよび図4Bに示したように、スケーリングフィルタは凸形状であるのに対し、ウェーブレットフィルタは、振動的な凹凸形状である。つまり、スケーリングフィルタは、移動平均的成分(データのトレンド)を表わしているのに対し、ウェーブレットフィルタは、階差成分(トレンドからの乖離)、言い換えると、振動成分を表わしていると言える。そして、これらのフィルタを通して得られる係数によって、観測データに含まれる振動成分とトレンド成分の情報が保存されることになる。
図6Aは、観測された振動波形を示す図である。一例として、この図6Aで示す振動波形のウェーブレット係数を求める。なお、データ数は、214個(16384個)で、DaubechiesウェーブレットD(12)を用いる。
図7は、レーザドップラー振動計によるたわみ速度計測装置の概略を示す図である。図7に示すように、本実施形態に係るレーザドップラー振動計は、載荷用車両の後輪付近の車体上に設置したセンサ架台に取り付けられている。レーザドップラー振動計は、舗装路面と車体との間の相対的な速度を測定するため、走行実験時の計測データには、路面凹凸に伴う車両振動速度Vvと、載荷に伴うたわみ速度Vdefの両方が含まれてしまう。そこで、本実施形態では、センサ架台に振動加速度計を設置し、加速度計の振動波形に対して、離散ウェーブレット解析を行ない、図8Aに示すように、車両振動波形がほぼフラットになるようなフィルタのレベル(ウェーブレット係数を0にするJの上限値)を試行錯誤的に決定した。図8Aは、振動加速度計測データとウェーブレット解析後のデータを示す図である。図8Aにおいて、黒い線が計測データであり、中央付近の白い線がフィルタリング後のデータである。
載荷用車両の走行速度をVとし、
距離をxとし、
時間をtとし、
たわみ角をdw/dxとし、
最大たわみをaとし、
たわみ形状に関する係数をbとし、
最大たわみの発生位置をdとすると、たわみ角、たわみ速度および車両走行速度は、以下の通りである。
cを2abVとし、
g(x)をdw/dxとして、
数式(34)の両辺の対数をとると、数式(35)が得られる。
図15A〜図15Iに示したように、離散ウェーブレット解析によって、ノイズを除去し、走行速度毎に最大たわみを算出し、FWD試験結果と比較した。その結果を、図16A〜図16Cに示す。なお、各図の凡例2012は、2012年度に計測した同じ場所におけるMWDたわみ、2013(1)、2013(2)は、2013年度に計測したMWDたわみを示す。
次に、レーザドップラー振動計とレーザ式変位計を併用する場合の変形例について説明する。図17は、変形例1の概略構成を示す図である。変形例1では、載荷用車両の車体にレーザ式変位計用架台121が剛結されている。そして、レーザ式変位計用架台121の車両走行方向に、複数のレーザ式変位計120が並設されている。なお、図17では、レーザドップラー振動計3の取り付け位置が車体後端となっているが、本発明の本質に影響を与えるものではない。
次に、本実施形態の変形例2について説明する。変形例2では、レーザ式変位計を車軸に取り付けることによって防振を図る。図18Aは、変形例に係る舗装路面のたわみ量の測定原理を示す図である。図18A中、車両は、x軸方向に速度vで進行するものとする。Rは、車輪の半径を示す。いま、舗装路面に凹凸や傾斜がなく、また、車体自体の振動や傾きもない理想的な状況を考えると、車軸直下のたわみは、次式で与えられる。
ただし、上式中、w0は、車体の重量負荷時における前記車軸下(x=0)の舗装路面のたわみを示し、Δ0は、車体の重量負荷時におけるx軸と直交するy軸方向のレーザ式変位計と舗装路面との間の距離を示し、Δdは、車軸位置からx軸方向に離れた位置(x=d)におけるy軸方向のレーザ式変位計と舗装路面との間の距離を示す。Δdは、たわみ測定に際して、基準となる距離を示すものであり、重量負荷により生ずる舗装路面のたわみ量を含む距離Δ0との差をとることで、たわみ量w0を測定することができる。
3 レーザドップラー振動計
5 振動加速度計
10 たわみ測定機
100 車両
110 後輪
120 レーザ式変位計
121 レーザ式変位計用架台
Claims (7)
- 舗装路面のたわみを動的に計測するたわみ計測方法であって、
車体にセンサ架台が剛結され、前記センサ架台にレーザドップラー振動計および振動加速度計が設置された載荷用車両を走行させるステップと、
前記載荷用車両の走行中に前記レーザドップラー振動計で各測定点のたわみ速度を取得すると共に、前記振動加速度計で各測定点の振動加速度を取得するステップと、
前記各測定点の振動加速度を示す車両振動波形に対し、離散ウェーブレット変換を行なって、前記車両振動波形を概略平坦とするフィルタを決定するステップと、
前記フィルタを用いて、前記各測定点のたわみ速度から車両振動速度を除去するステップと、を含むことを特徴とするたわみ計測方法。 - ウェーブレットフィルタおよびスケーリングフィルタを用いて、数式(1)で示されるウェーブレット係数wi,tおよび数式(2)で示されるスケーリング係数vi,tを算出することによって前記離散ウェーブレット変換を行ない、数式(3)で示されるスケーリング係数vi,tを算出することによってウェーブレット逆変換を行ない、前記各測定点のたわみ速度から車両振動速度を除去することを特徴とする請求項1記載のたわみ計測方法。
- 前記載荷用車両の車輪直下を原点とする局所座標系を定義し、前記載荷用車両の走行方向および載荷方向を正の方向とし、たわみ量をwとし、前記載荷用車両の走行速度をVとし、距離をxとし、時間をtとし、たわみ角をdw/dxとし、最大たわみをaとし、たわみ形状に関する係数をbとし、最大たわみの発生位置をdとし、数式(4)から数式(5)で示されるたわみ角を求め、このたわみ角と数式(6)とから数式(7)を求め、cを2abVとし、g(x)をdw/dxとして、数式(7)の両辺の対数をとって数式(8)を求め、最小自乗法を用いて評価関数J(c,b,d)を数式(9)に示すように設定し、前記評価関数J(c,b,d)が最小となるときのd、前記aおよび前記bを求めることによって、たわみ形状および最大たわみ量を算出することを特徴とする請求項1または請求項2記載のたわみ計測方法。
- 前記載荷用車両にレーザ式変位計用架台が設けられ、前記レーザ式変位計用架台の前記載荷用車両の走行方向に並設された複数のレーザ式変位計で、前記載荷用車両の走行中に、前記各レーザ式変位計と舗装路面との距離を測定することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のたわみ計測方法。
- 舗装路面のたわみを動的に計測するたわみ計測装置であって、
載荷用車両の車体に剛結されたセンサ架台と、
前記センサ架台に設置されたレーザドップラー振動計および振動加速度計と、を備え、
前記載荷用車両の走行中に前記レーザドップラー振動計で各測定点のたわみ速度を取得すると共に、前記振動加速度計で各測定点の振動加速度を取得し、
前記各測定点の振動加速度を示す車両振動波形に対し、離散ウェーブレット変換を行なって、前記車両振動波形を概略平坦とするフィルタを決定し、
前記フィルタを用いて、前記各測定点のたわみ速度から車両振動速度を除去することを特徴とするたわみ計測装置。 - 前記載荷用車両の走行速度を測定するレーザ表面速度計を更に備えることを特徴とする請求項5記載のたわみ計測装置。
- 前記載荷用車両に設けられたレーザ式変位計用架台と、
前記レーザ式変位計用架台の前記載荷用車両の走行方向に並設された複数のレーザ式変位計と、を更に備え、
前記各レーザ式変位計で、前記載荷用車両の走行中に、前記各レーザ式変位計と舗装路面との距離を測定することを特徴とする請求項5または請求項6記載のたわみ計測装置。
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