JP4386985B2 - 路面の延長方向形状の車載測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、路面の延長方向形状を車両の姿勢と車高センサの測定データから比較的簡単な演算式に基づききめ細かに算出することにより高精度の測定結果が得られる車載測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来も路面性状を把握すべく車両に搭載した測定装置により路面の横断面プロフィール、縦断面プロフィール及びひび割れを計測している。例えば、特開平１０―１６８８１０号公報によれば、車両に路面までの距離を測定する測距手段と、鉛直方向の加速度を測定する鉛直加速度測定手段と、その鉛直加速度測定手段で測定された加速度を積分して鉛直方向の変位を求める積分手段と、上記車両の姿勢角を測定する姿勢測定手段と、その姿勢測定手段で測定された姿勢角と上記測距手段で測定された距離とから上記路面までの鉛直距離を算出し、その算出した鉛直距離と上記積分手段で求めた変位との差を用いて上記縦断プロファイルを求める手段とを備えた測定装置を車両に搭載し、同測定装置により走行する道路の道路縦断プロフィールを測定している。
【０００３】
前記測距手段としては、例えばレーザ光や超音波が使われ、その反射を検出して車両と路面間の距離を測定する。また、前記姿勢測定手段としては、３軸ジャイロの他に、３軸加速度計やＧＰＳ、或いはＧＰＳに代えて速度センサが用いられている。前記３軸加速度計から出力されるＸ，Ｙ，Ｚ加速度は座標変換手段により慣性座標であるＮ（北方向），Ｅ（東方向），Ｄ（地球中心方向）の各座標の加速度に変換され、これらのＮ，Ｅ，Ｄ加速度を積分して各速度を求めると共に、Ｎ，Ｅ，Ｄ速度を更に積分して鉛直方向の変位ＨとＮ，Ｅ位置（移動距離）を算出している。前記Ｎ，Ｅ速度を積分して得られるＮ，Ｅ位置の積分による誤差の増加は、例えばＧＰＳのＮ，Ｅ位置と比較されて修正される。
【０００４】
この公報に開示された道路の縦断面プロフィール測定装置によれば、路面に対して車体が上下動するような路面の凹凸の測定に加え、車体が路面に沿い、傾斜して走行するような路面の縦断起伏をも正確に測定することができるため正確な道路縦断プロファイルを得ることができるというにある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
つまり、道路の前記縦断面プロフィール測定方法は、３軸加速度計及び３軸ジャイロから得られる鉛直上下変位から、ロール角、ピッチ角、ジャイロ取付高さ、路車間の測距手段により得られる各データから演算して求められる鉛直方向の高さを引算した値を路面縦断プロフィールとしている。このため、得られるデータは３軸ジャイロによる鉛直上下変位の精度に依存することになるが、この鉛直上下変位は３軸加速度計により得られる加速度に、刻々と変わる３軸ジャイロのＸ、Ｙ、Ｚ角加速度のデータを使用して、そのマトリクス変化分を更新して座標変換手段に入力している。そして、前記座標変換手段から出力される鉛直加速度を２重積分（速度に変換したのち、変位に変換する。）することにより上記鉛直上下変位を算出することから、以下に挙げるような諸々の課題が生じる。
【０００６】
(1) 積分することにより生じる３軸ジャイロのデータの発散を少なくするために、上記公報にも記載されているようにハイパスフィルターを使用する必要がある。この場合、採用される周波数の範囲により得られる縦断プロフィールの正確な路面のうねり周期が限定されてしまい、緩やかな坂道の計測は不可能となる。例えば、ハイパスフィルタのカットオフ周波数を０．４Ｈｚ以下とすると、時速１００ｋｍで走行する車両からは６９ｍ以上の路面うねり周期の計測は不可能となる。
【０００７】
(2) 鉛直方向加速度を２重積分して変位を求めようとする場合には、車両の鉛直方向加速度の変化が０．４Ｈｚを越える周波数の交流正弦波運動に限られ、一定の加速度の場合や加速度が０．４Ｈｚ以下の周波数で変化する場合には、変位出力が時間とともに零に収束してしまう。
【０００８】
(3) 一方、ＧＰＳからのデータに基づいて３軸ジャイロの出力（ロール角、ピッチ角、鉛直上下変位）データを補正しようとすると、一般にＧＰＳからのデータは１ｓｅｃ間隔ごとにしか得られないため、これらのデータを用いて高精度のデータを得ようとすると、１ｓｅｃ間隔で補正された３軸ジャイロからの出力データしか採用できない。従って、例えば車速が３６ｋｍ／ｈの車両上から信頼性の高い縦断プロフィールに使われるデータを得ようとすると、１０ｍ間隔のデータしか採用できないことになる。このことは、実際の路面を走行する計測車両にあっては、限られた条件下における計測のみが有効になることを意味している。
【０００９】
(4) 更に、車上に設置されたジャイロの上下鉛直変位成分は、路面の形状、車両のタイヤ、バネ系を含む各鉛直上下変位成分の上重された高調波成分からなり、０．４Ｈｚ以上の交流正弦波運動とはなり得ないため、正確な測定は望めない。
【００１０】
本発明は、従来のこの種の測定装置における前述の課題を解決すべくなされたものであり、具体的には極めて短い距離から比較的長い距離に到るまでの路面のうねり等を、簡単な演算式を用いて正確に測定し得る路面の延長方向形状の車載測定装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
本発明者等は、前述の目的を達成するために上記公報に開示された測定装置の上記課題が如何なる要因により発生するかを検討した。同公報による測定装置では、上述のように刻々と変化する鉛直上下変位を３軸加速度計から得られるＺ加速度に３軸ジャイロのＺ軸の角加速度データを利用してマトリックス変化分をを計算し、その値からら鉛直加速度を得て、これを２重積分することにより算出している。このときの２重積分による誤差発散分を回避するため、上述のようにハイパスフィルタを介在させている。このハイパスフィルタの介在により、測定条件などに制限を受けることとなる。
【００１２】
本件請求項１に係る発明は、車両のローリング角度（α）、ピッチング角度（β）を測定する傾斜角検出手段と、車両の巾方向同一直線上の両端に設置され、各路面までの距離（Ａｍ，Ｂｍ）を測定する車高検出手段と、車両の進行方向距離を測定する走行距離検出手段と、予め設定された所定の距離（Ｌ）ごとに前記各検出手段により検出される各種の計測データをサンプリングするサンプリング手段と、路面上にレーザビームを走査させるスキャナとを有し、上記計測データの入力により、
Ｒθ_i ＝ｔａｎ^-1（ｂ_i ／ｌ）
＝ｔａｎ^-1〔｛Ｈ_iL−（Ｈ_iR−ａ_i ）｝／ｌ〕
ｈ_i+1 ＝Ｌｓｉｎβ_i
但し、Ｒθ_i ：測定点ごとの路面の横断勾配角度
ｌ ：左右車高検出手段間の距離
ａ_i ：ｌ・ｔａｎα_i （車幅方向一端の相対車高）
ｂ_i ：Ｈ_iL−（Ｈ_iR−ａ_i ）（車幅方向他端の相対車高）
ｈ_i+1 ：測定点Ｐ_i+1 における前回の測定点Ｐ_i との路面高低差
ｉ ：０〜ｎ（サンプリング回）
上記演算式に基づく路面延長方向の横断勾配演算及び縦断勾配演算を行う延長方向形状演算手段とを有してなることを特徴とする路面延長方向形状の車載測定装置にある。
【００１３】
常に前回（ｉ回目）の測定点Ｐ_i を基準点として、車両が所定の距離Ｌだけ進んだときの次回（ｉ＋１回目）の測定点Ｐ_i+1 における路面の横断勾配Ｒθ_i 及び測定点Ｐ_i+1 における前回の測定点Ｐ_i との高低差Ｈ_i+1 を、測定点Ｐ_i+1 における測定データを車両に搭載した演算装置に入力して上記演算式を使ってそれぞれの値を算出し、前回の測定点Ｐ_i を基準点とする次回の測定点Ｐ_i+1 までの道路の縦断プロフィールを求める。次の演算は、測定点Ｐ_i+1 を新たな基準点として路面の延長上にある所定の距離Ｌを隔てた次回の測定点Ｐ_i+2 における路面の横断勾配Ｒθ_i+2 及び同測定点Ｐ_i+2 における前回の測定点Ｐ_i+1 との高低差Ｈ_i+2 を上記演算式に従って求める。この操作が繰り返されることにより、距離Ｌごとの路面の縦断面プロフィールが測定される。
【００１４】
本発明によれば、予め設定されるサンプリングのための上記距離Ｌを任意に決定できるため、外乱による影響の少ない距離を選定することにより実用上は十分な精度の計測が可能であり、しかも上記演算式が測定回ごとに逐次更新される２測定点間の純幾何学的な演算式に過ぎず、積分等の格別の操作が不用であるため、従来のごとく積分による誤差の発散も避けられ、設定距離Ｌごとの前回の測定との相対的で正確な縦断面プロフィールが計測できる。また、通常の計測であればＧＰＳデータによる補正等は不用であるが、もし路面の絶対標高が必要な場合には、上記測定データに対してＧＰＳの標高データを使って絶対的な標高に基づく横断面勾配と縦断面勾配を演算することもできる。
【００１５】
請求項２に係る発明は、サンプリング間隔である前記所定の距離（Ｌ）を２０〜３０ｃｍの範囲に設定するものである。路面の多様なラフネス測定装置から得られる平坦性指数を互いに関連付けて、統一的な路面のラフネスを把握するための指数として国際ラフネス指数（ＩＲＩ）がある。このＩＲＩは、縦断プロフィールのサンプリング間隔ごとの車体と車輪の相互変位の変化量（路面の修正勾配）の縦断プロフィール全長に対する平均値であり、縦断プロフィールの延長ごとにその値が求められ、そのサンプリング間隔はタイヤのエンベロープ特性を考慮して２５ｃｍと決められており、車速を８０ｋｍ／ｈを標準としている。かかる観点から、本発明にあっては計測車両の車速６０〜１００ｋｍ／ｈに応じてサンプリング間隔（Ｌ）を２０〜３０ｃｍの間に設定している。
【００１６】
【発明の実施形態】
以下、本発明の好適な実施の態様を添付図面に基づいて具体的に説明する。
図１は本発明に係る計測装置類の車両に搭載するときの配置を模式的に示している。測定車両１の右左の前輪２Ｒ，２Ｌと後輪３Ｒ，３Ｌの各前後方向の接地点間を結ぶ右左の直線の直上に所定の上下間隔をあけて右左の車高センサ４Ｒ，４Ｌを固設している。また図示例では、前記右左の車高センサ４Ｒ，４Ｌを結ぶ直線上中央に傾斜計５が固設され、右側後輪３Ｒには走行距離センサ６が接触回転するように取り付けられている。前記車高センサ４Ｒ，４Ｌとしては、公知の光センサ或いは超音波センサなどが用いられ、前記傾斜計５には各種ジャイロが使われている。
【００１７】
更に本実施例にあっては、測定車両１にはレーザヘッド７と、同ヘッド７から出射されるレーザビームを車両１の前方の路面上の車両１の走行中心線に直交する直線上にレーザビームを走査させるスキャナ８とが搭載され、車両１の前面にはレーザビームの走査線上の路面の反射光を受光して路面表面のわだち掘れとひび割れ状態を検出するわだち掘れセンサ９Ｒ，９Ｌ及びひび割れセンサ１０Ｒ，１０Ｌが取り付けられている。前記わだち掘れセンサ９Ｒ，９Ｌ及びひび割れセンサ１０Ｒ，１０Ｌは路面の左右半部の検出を分担すべく、それぞれ左右に設けられている。
【００１８】
図２は本発明に係る測定装置による路面の延長方向形状の測定法の一例をフローチャートで示し、図３は路面の横断勾配の測定方法の説明図、図４は同縦断勾配の測定方法の説明図である。ただし、同図ではわだち掘れセンサ９及びひび割れセンサ１０による路面の横断方向のうねり等の検出手順は省略している。
なお、測定車両１の左右に配される各センサ類によるデータの演算は、右左のそれぞれについてなされるが、その演算手順は右左で相違しないため、以下の説明ではその一方の演算手順について説明することにする。
【００１９】
図２によれば、先ず最初の測定点Ｐ₀ において車高センサ４Ｒ，４Ｌにより路面から各センサ４Ｒ，４Ｌまでの距離（車高）Ｈ_0R，Ｈ_0Lを計測すると共に、傾斜計５により車両のローリング角α₀ 及びピッチング角β₀ を検出する。これらのデータのうち、左右の路面から車高センサ４Ｒ，４Ｌまでの車高Ｈ_0R，Ｈ_0Lのそれぞれのデータと車両のローリング角α₀ 及びピッチング角β₀ とが車両に装備する演算装置１１に入力され、
ａ_i ＝ｌ・ｔａｎα_i （車幅方向一端の相対車高）
ｂ_i ＝Ｈ_iL−（Ｈ_iR−ａ_i ）（車幅方向他端の相対車高）
Ｒθ_i ＝ｔａｎ^-1（ｂ_i ／ｌ）
＝ｔａｎ^-1〔｛Ｈ_iR−（Ｈ_iL−ａ_i ）｝／ｌ〕
ｈ_i+1 ＝Ｌｓｉｎβ_i
但し、Ｒθ：路面の横断勾配角度
ｌ ：左右車高検出手段間の距離
ａ_i ：ｌ・ｔａｎα_i （車幅方向一端の相対車高）
ｂ_i ：Ｂｉ−（Ａｉ−ａ_i ）（車幅方向他端の相対車高）
ｈ_i+1 ：測定点Ｐ_i+1 における前回の測定点Ｐ_i との路面高低差
ｉ ：０〜ｎ（サンプリング回）
上記演算式を使って車高を補正して、車両１の左右両端におけるそれぞれの路面に対する相対高さａ₀ ，ｂ₀ （ただし、Ｌは０である。）を求める。
【００２０】
次に、車高センサ４Ｒ，４Ｌ間の距離をｌとして、前記演算装置１１により前記相対高さａ₀ ，ｂ₀ から下記の演算式を使って路面の横断勾配角度Ｒθ₀ を算出して路面の横断勾配形状を求め、記憶部１２に格納する。
【００２１】
続いて、測定車両１を予め設定された距離Ｌを走行させて、最初の測定点Ｐ₀ の上記相対高さａ₀ ，ｂ₀ を基準として、第２の測定点Ｐ₁ における車両１の左右両端の路面に対する相対高さａ₁ ，ｂ₁ を前述の演算式を使って算出すると共に、車両１の左右両端部における前回の測定点Ｐ₀ と第２の測定点Ｐ₁ との路面高低差ｈ₁ を、
演算式 ｈ₁ ＝Ｌｓｉｎβ₀
を使って算出する。
【００２２】
本実施例では、前記距離Ｌは２５ｃｍに設定されており、同距離が極めて短いため、最初の縦断勾配角度は傾斜計５により検出される最初の測定点Ｐ₀ におけるピッチング角β₀ に等しいとして取り扱う。こうして得られた第２測定点Ｐ₁ における車両１の左右両端の路面に対する相対高さａ₁ ，ｂ₁ と、車両１の右左両端部における前回の測定点Ｐ₀ と第２の測定点Ｐ₁ との路面高低差ｈ₁ とから、第２測定点Ｐ₁ の横断面形状及び縦断面形状が求められて、路面の延長方向形状が確定する。以上のサンプリング及び演算操作を繰り返すことにより、第３〜第ｎ回の測定が順次なされて、図５に示すように延長方向の路面形状が測定される。
【００２３】
図６（ａ）及び（ｂ）は、水準測量により得られた実測値をプロットして書かれた路面延長方向の変化の状態と、本発明装置による演算結果に基づく路面延長方向の変化の状態とを対比して示した線図である。これらの図から、本発明装置による演算結果が実測値に近似していることが理解できる。
【００２４】
以上の説明からも理解できるように、本発明の路面の延長方向形状の測定装置によれば、路面の延長方向における横断面プロフィール及び縦断面プロフィールを演算するにあたり、積分演算が不用であるため各データの誤差の発散がなく、しかも測定のサンプリング間隔（Ｌ）を任意に設定し得るため測定誤差も少なくでき、路面の延長方向における短いうねりから長い周期のうねりまで高精度の測定が可能となる。また、鉛直上下変位が不正確な場合や、衛星からの電波が建物や立橋などにより受信できずＧＰＳデータが得られないようなときにも、延長方向の形状の測定が可能になる。
【００２５】
また、本実施例によればレーザビームを車両の進行方向と直交する路面上を走査させることにより、路面の幅方向のうねりを逐次測定するようにしているため、更に正確な路面性状を測定し得る。その結果、路面の３次元形状が得られ、本発明の路面性状の測定車両のわだち掘りデータを横断勾配の算出結果で補正し、縦断勾配の算出結果（延長方向形状）上に結ぶことにより正確な路面の３次元形状が得られ、道路補修時の工事量算出や車両の乗り心地評価のため路面データ等の利用が可能である。なお、こうした路面の幅方向のうねり（わだち掘れ形態やひび割れ形態）の測定は、例えば特開昭６１−１１２９１８号公報により提案された測定装置により実施が可能である。
【００２６】
更に本発明にあっては、鉛直上下変位やＧＰＳデータを使って高さ補正をすることが可能である。具体的には、上述のようにして算出された相対的な路面高低差Ｈ₁ をＧＰＳの標高データにより標高補正して、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように絶対的な標高高低差を得ることもでき、例えば立体地図等をの作成するにあたって有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の延長方向形状測定装置類を搭載した車両の各種センサ類の配置図である。
【図２】本発明装置による演算手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明装置により路面の横断勾配角度を算出する方法例を示す説明図である。
【図４】本発明装置による延長方向形状を求めるための説明図である。
【図５】本発明装置により得られる各測定点の高低差を結んで得られる路面の延長方向形状を示す説明図である。
【図６】水準測量による実測値と本発明装置による演算値とをプロットして得られる対比線図である。
【図７】本発明装置による相対的な高低差データをＧＰＳデータを使って補正して得られる路面延長方向の標高差を対比して示す線図である。
【符号の説明】
１ 測定車両
２Ｌ，２Ｒ 左右の前輪
３Ｌ，３Ｒ 左右の後輪
４Ｌ，４Ｒ 左右の車高センサ
５ 傾斜計
６ 走行距離センサ
７ レーザヘッド
８ スキャナ
９Ｌ，９Ｒ 左右のわだち掘れセンサ
１０Ｌ，１０Ｒ 左右のひび割れセンサ
１１ 演算装置

Claims (2)

1. 車両のローリング角度（α_i ）、ピッチング角度（β_i ）を測定する傾斜角検出手段(5) と、
   車両の巾方向同一直線上の両端に設置され、各路面までの距離（Ｈ_iL，Ｈ_iR）を測定する左右一対の車高検出手段(4L,4R) と、
   車両の進行方向距離を測定する走行距離検出手段(6) と、
   予め設定された所定の距離（Ｌ）ごとに前記各検出手段により検出される各種の計測データをサンプリングするサンプリング手段と、
   上記計測データの入力により、以下の演算式に基づく路面延長方向の横断勾配演算及び縦断勾配演算を行う延長方向形状演算手段(11)と、
   路面上にレーザビームを走査させるスキャナ(8) と、
   を有してなることを特徴とする路面延長方向形状の車載測定装置。
   Ｒθ_i ＝ｔａｎ^-1（ｂ_i ／ｌ）
   ＝ｔａｎ^-1〔｛Ｈ_iL−（Ｈ_iR−ａ_i ）｝／ｌ〕
   ｈ_i+1 ＝Ｌｓｉｎβ_i
   但し、Ｒθ_i ：測定点ごとの路面の横断勾配角度
   ｌ ：右左車高検出手段間の距離
   ａ_i ：ｌ・ｔａｎα_i （車幅方向一端の相対車高）
   ｂ_i ：Ｈ_iL−（Ｈ_iR−ａ_i ）（車幅方向他端の相対車高）
   ｈ_i+1 ：測定点Ｐ_i+1 における前回の測定点Ｐ_i との路面高低差
   ｉ ：０〜ｎ（サンプリング回）
2. 前記所定の距離（Ｌ）が２０〜３０ｃｍの範囲にある請求項１記載の車載測定装置。

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