JPH11337328A - 路面測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の姿勢が変化した場合や、水平方向から
の加速度が作用する場合にも、路面形状を正確に測定す
る。 【解決手段】 路面上を移動する車両Ｅ上に、当該車両
Ｅと路面の相対距離Ｄ（Ｌ）を検出する相対距離検出器
７と、空間内で直交する三軸Ｘ〜Ｚの各軸方向の加速度
ａx 〜ａz を検出するとともに軸Ｚを車両Ｅの上下方向
に向けた加速度計１Ａ〜１Ｂと、二軸Ｘ，Ｙの各軸周り
の角速度を検出する光ジャイロ２Ａ，２Ｂとを設ける。
光ジャイロ２Ａ，２Ｂの出力は積分回路３１，３２で積
分されて回転角信号θ，φとなる。演算回路６は軸Ｚと
鉛直軸がなす角度をαとして、鉛直方向の振動加速度ａ
v を下式（１）で算出してこれに基づいて車両Ｅの振動
変位Ｈ（Ｌ）を得るとともに、相対距離Ｄ（Ｌ）から振
動変位Ｈ（Ｌ）を減じて車両Ｅが移動する路面の形状ｆ
（Ｌ）を得る。 【数１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は車両に搭載されて当
該車両が移動する路面の形態を測定する路面測定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】路面形状等の路面形態を知ることは、当
該路面の保守管理や当該路面をテストコース等に再現す
るために必要である。路面形状は従来、土木測量によっ
て計測されていたが、この方法は多くの手間を要すると
ともに交通の妨げになるという問題があった。そこで、
例えば特開昭６２−２６９００８号公報には、車両にレ
ーザ距離検出器を搭載して当該車両と路面の鉛直方向の
相対距離を検出することにより路面形状を測定する装置
が提案されている。この場合、上記相対距離は車両の鉛
直振動によっても変動するため、加速度計を設けて鉛直
振動の加速度を検出し、これを２階積分して得た鉛直方
向の振動変位を上記相対距離から減じることによって正
確な路面形状を求めている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、移動する路面
の傾斜に応じて車両はその姿勢が変化するとともに、加
減速や方向転換に伴って水平方向の加速度が車両に作用
するため、これらの影響によって鉛直方向の振動加速度
（すなわち振動変位）に誤差を生じ、路面形状が正確に
測定できないという問題があった。

【０００４】そこで、本発明は上記課題を解決するもの
で、装置の姿勢が変化した場合や、水平方向からの加速
度が作用する場合にも、路面形状等の路面形態を正確に
測定できる路面測定装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、路面上を移動する車両（Ｅ）上に、当
該車両（Ｅ）と路面の鉛直方向の相対距離（Ｄ（Ｌ））
を検出する相対距離検出手段（７）と、空間内で直交す
る三軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の各軸方向の加速度（ａx，ａy ,
ａz ）を検出するとともに上記三軸のうちの一軸
（Ｚ）を車両（Ｅ）の上下方向に向けた加速度検出手段
（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）と、上記一軸を除いた残る二軸
（Ｘ，Ｙ）の各軸周りの回転角（θ，φ）を検出する回
転角検出手段（２Ａ，２Ｂ）とを設け、かつ加速度検出
手段（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）で検出された各加速度（ａx
，ａy , ａz ）と回転角検出手段（２Ａ，２Ｂ）で検
出された各回転角（θ，φ）とから車両（Ｅ）の鉛直方
向の振動加速度（ａv ）を算出してこれに基づいて車両
（Ｅ）の鉛直方向の振動変位（Ｈ（Ｌ））を算出し、同
一移動位置（Ｌ）における上記振動変位（Ｈ（Ｌ））と
相対距離（Ｄ（Ｌ））より車両（Ｅ）が移動する路面の
形態（ｆ（Ｌ））を算出する演算手段（６）を設ける。
ここで路面形態とは、路面高、路面形状、路面構造やこ
れらの組合せ等をいう。

【０００６】三軸の各軸方向の加速度と、二軸の軸回り
の回転角に基づいて上記演算手段で算出された鉛直方向
の振動加速度は、装置の姿勢変化や、水平方向からの加
速度の影響が排除されている。したがって、上記振動加
速度を積分することにより車両の振動変位を正確に知る
ことができ、この振動変位を相対距離から減じることに
よって、装置の姿勢変化や、水平方向からの加速度の作
用に影響されることなく路面形態を正確に算出すること
ができる。

【０００７】ここで、鉛直方向の振動加速度ａv を算出
する際の上記演算手段における演算式は下式（１）で示
されるものとなる。式（１）中、αはＺ軸と鉛直軸が成
す角度であり、ｇは重力加速度である。

【０００８】

【数１】

【０００９】本発明は以下の方法としても実現すること
ができる。すなわち、路面上を移動する車両（Ｅ）上
で、当該車両（Ｅ）と路面の鉛直方向の相対距離（Ｄ
（Ｌ））を検出するステップと、空間内で直交する三軸
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のうちの一軸（Ｚ）を車両（Ｅ）の上下
方向に向けて各軸方向の加速度（ａx ，ａy , ａz ）を
検出するステップと、上記一軸を除いた残る二軸（Ｘ，
Ｙ）の各軸周りの回転角（θ，φ）を検出するステップ
と、上記各加速度（ａx ，ａy , ａz ）と各回転角
（θ，φ）とから車両（Ｅ）の鉛直方向の振動加速度
（ａv ）を算出してこれに基づいて車両（Ｅ）の鉛直方
向の振動変位（Ｈ（Ｌ））を算出するステップと、同一
移動位置（Ｌ）における上記振動変位（Ｈ（Ｌ））と相
対距離（Ｄ（Ｌ））より車両（Ｅ）が移動する路面の形
態（ｆ（Ｌ））を算出するステップとを具備する路面測
定方法。

【００１０】車両の移動経路に沿った路面形状を測定す
る場合には、路面測定装置は以下の構成とすることがで
きる。すなわち、路面上を移動する車両（Ｅ）の移動位
置を検出する車両位置検出手段（９）を設けるととも
に、上記車両（Ｅ）上に、車両（Ｅ）と路面の鉛直方向
の相対距離（Ｄ（Ｌ））を検出する相対距離検出手段
（７）と、空間内で直交する三軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の各軸
方向の加速度（ａx ，ａy, ａz ）を検出するとともに
上記三軸のうちの一軸（Ｚ）を車両（Ｅ）の上下方向に
向けた加速度検出手段（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）と、上記一
軸を除いた残る二軸（Ｘ，Ｙ）の各軸周りの回転角
（θ，φ）を検出する回転角検出手段（２Ａ，２Ｂ）
と、加速度検出手段（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）と回転角検出
手段（２Ａ，２Ｂ）による検出間隔時間を計測するため
の計時手段（６）とを設け、かつ加速度検出手段（１
Ａ，１Ｂ，１Ｃ）で検出された各加速度（ａx ，ａy ,
ａz ）と回転角検出手段（２Ａ，２Ｂ）で検出された各
回転角（θ，φ）とから車両（Ｅ）の鉛直方向の振動加
速度（ａv ）を算出してこれを上記検出間隔時間で積分
して車両（Ｅ）の鉛直方向の振動変位（Ｈ（Ｌ））を算
出し、車両（Ｅ）の各移動位置（Ｌ）における上記振動
変位（Ｈ（Ｌ））と相対距離（Ｄ（Ｌ））より車両
（Ｅ）が移動する路面の形状（ｆ（Ｌ））を算出する演
算手段（６）を設ける。

【００１１】なお、上記カッコ内の符号は、後述する実
施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１には車両Ｅ
に搭載された路面測定装置を使用して路面形状を得る場
合の概略構成を示す。図１において、相対距離検出器７
が設けられて、車両Ｅと路面との間の鉛直方向の相対距
離Ｄ（Ｌ）が検出される。この相対距離検出器７は例え
ば公知のレーザ光三角測量法を使用したものである。鉛
直方向の振動加速度を検出するために、後述するような
複数の機器からなる振動加速度検出系８が設けられ、こ
こで得られた振動加速度を二階積分して車両Ｅの鉛直方
向の振動変位Ｈ（Ｌ）を算出する。走行距離検出器９が
設けられ、これは例えば車両前輪Ｗの所定回転角毎に
（すなわち所定走行距離ΔＬ毎に）パルス信号を発す
る。このパルス信号に同期して、車両Ｅの移動位置Ｌに
おける上記相対距離Ｄ（Ｌ）と振動変位Ｈ（Ｌ）が検出
され、下式（２）によって路面形状（路面高）ｆ（Ｌ）
が得られる。

【００１３】ｆ（Ｌ）＝Ｄ（Ｌ）−Ｈ（Ｌ）…（２）

【００１４】図２には振動加速度検出系８を中心とし
た、さらに詳細な路面形状測定装置の構成を示す。図２
において、振動加速度検出系８は、空間内で直交するＸ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度信号ａx ，ａy , ａ
z を検出する加速度計１Ａ，１Ｂ，１Ｃを有している。
Ｘ軸加速度計１Ａは図３に示すように、車両Ｅの進行方
向へ向けて設けられ、Ｙ軸加速度計１Ｂは車幅方向へ向
けて設けられている。また、Ｚ軸加速度計１Ｃは鉛直軸
Ｖと一致する上下方向へ向けて設けられている。

【００１５】振動加速度検出系８はまた、Ｘ軸とＹ軸回
りの各角速度を検出する光ジャイロ２Ａ，２Ｂ（図２）
を有しており、これら光ジャイロ２Ａ，２Ｂの出力は積
分回路３Ａ，３Ｂで一階積分されてそれぞれＸ軸、Ｙ軸
回りの傾斜角信号θ，φ（図３）として出力される。な
お、加速度計１Ａ〜１Ｃおよび光ジャイロ２Ａ，２Ｂの
バイアス出力をカットするためハイパスフィルタが設け
られているが、これは図示を省略する。

【００１６】上記加速度信号ａx ，ａy , ａz および傾
斜角信号θ，φはサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４へ
入力している。このＳ／Ｈ回路４には相対距離検出器７
で検出された車両Ｅと路面間の鉛直方向の相対距離信号
Ｄ（Ｌ）も入力している。Ｓ／Ｈ回路４はこれに入力す
る走行距離検出器９からのパルス信号９ａに同期して、
上記加速度信号ａx ，ａy ，ａz 、傾斜角信号θ，φお
よび相対距離信号Ｄ（Ｌ）をサンプルホールドし、これ
ら各信号はＡ／Ｄ変換回路５でデジタルデータに変換さ
れて演算回路６に入力する。

【００１７】演算回路６は例えばパーソナルコンピュー
タ等で構成され、これに読み込まれた上記加速度ａx ，
ａy , ａz および傾斜角θ，φより、上式（１）によっ
て鉛直方向の振動加速度ａv を算出する。式（１）によ
り算出された振動加速度ａvは、車両の走行に伴う測定
装置の姿勢変化や、車両の加減速あるいは方向転換に伴
う水平方向の加速度（水平加速度）の影響を排除したも
のとなっている。これを以下に説明する。

【００１８】Ｚ軸が鉛直軸Ｖと一致した図３に示す測定
装置のＸ−Ｙ−Ｚ系が、車両姿勢の変化によってＸ軸回
りにθ、Ｙ軸回りにφだけ回転して図４に示すＸ´−Ｙ
´−Ｚ´系に変化した場合、Ｚ´軸が鉛直軸となす角度
αは下式（３）によって表される。

【００１９】

【数２】

【００２０】次に、理解を容易にするため図５に示すよ
うに、Ｘ−Ｚ平面内でＸ軸、Ｚ軸がそれぞれＸ´軸、Ｚ
´軸へ角度φだけ傾斜した状態で、水平加速度ａh が作
用した場合を考える。この場合、Ｘ軸加速度計１Ａ、Ｚ
軸加速度計１Ｃによってそれぞれ検出される加速度ａx
，ａz は下式（４），（５）で示されるものとなり、
両式から振動加速度ａv は下式（６）で得られる。この
関係を三次元に拡張すると、振動加速度ａv は下式
（７）で示されるものとなり、この式（７）から、さら
に重力加速度ｇの影響を排除したものが上式（１）であ
る。

【００２１】

【数３】

【００２２】演算回路６では、これに入力する走行距離
検出器９からのパルス信号９ａの時間間隔ΔＴ（すなわ
ち車両Ｅが距離ΔＬだけ走行する時間）を検出し、式
（１）で算出した振動加速度ａv を時間ΔＴで二階積分
して車両Ｅの鉛直方向の振動変位Ｈ（Ｌ）を得る。そし
て、この振動変位Ｈ（Ｌ）と、相対距離検出器から読み
込んだ相対距離Ｄ（Ｌ）とから、上式（２）で路面高ｆ
（Ｌ）を算出し、出力する。この路面高ｆ（Ｌ）は車両
の移動距離ΔＬ毎に得られるから、各移動位置での路面
高ｆ（Ｌ）より、移動経路全体の路面形状を知ることが
できる。

【００２３】上式（１）により算出される振動加速度ａ
v は、車両Ｅの移動に伴う測定装置の姿勢変化や水平加
速度ａh の影響を受けず、かつ重力加速度ｇについても
補正がされているから、このような振動加速度ａv に基
づいて算出される上記路面形状ｆ（Ｌ）は、車両Ｅの移
動に伴う測定装置の姿勢変化や水平加速度の作用に無関
係に常に正確な値を示す。

【００２４】（第２実施形態）図６に示すように、相対
距離検出器７Ａ，７Ｂを車幅方向に二台設置して路面ま
での相対距離Ｄ1 ，Ｄ2 をそれぞれ検出するようにすれ
ば、一度の車両走行で上記第１実施形態で説明した手順
によって左右二箇所の路面形状を同時に得ることができ
る。この場合、振動加速度検出系８は車幅方向の中央に
設けられており、左右の相対距離検出器７Ａ，７Ｂから
の距離はそれぞれｄ1 ，ｄ2 となっている。

【００２５】このような構成で、方向転換時の遠心力に
よって図示のように車両Ｅがローリングすると、左右の
相対距離検出器７Ａ，７Ｂで得られる路面との相対距離
Ｄ1，Ｄ2 に誤差を生じる。そこで、下式（８），
（９）で傾きの影響を補正し、補正した相対距離Ｄ1
´，Ｄ2 ´を使用すれば、車両Ｅの方向転換時にも正確
な路面形状を得ることができる。

【００２６】Ｄ1 ´＝Ｄ1 cos β−ｄ1 sin β…（８） Ｄ2 ´＝Ｄ2 cos β＋ｄ2 sin β…（９）

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明の路面測定装置に
よれば、装置の姿勢が変化する場合や、水平方向からの
加速度が作用する場合にも、これらの影響を受けること
なく路面形状等の路面形態を常に正確に測定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態における、車両に搭載さ
れた路面測定装置の概略配置を示す側面図である。

【図２】路面測定装置の全体構成を示す詳細ブロック図
である。

【図３】振動加速度検出系の測定軸の方向を示す図であ
る。

【図４】振動加速度測定系の測定軸の変位を示す図であ
る。

【図５】水平加速度が入力した場合の力学的合成図であ
る。

【図６】本発明の第２実施形態における、車両に搭載さ
れた路面測定装置の概略配置を示す正面図である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…加速度計、２Ａ，２Ｂ…光ジャイ
ロ、６…演算回路、７…相対距離検出器、８…振動加速
度測定系、Ｅ…車両、Ｘ，Ｙ，Ｚ…軸、Ｄ（Ｌ）…相対
距離、Ｈ（Ｌ）…振動変位、ｆ（Ｌ）…路面形状、ａx
，ａy ，ａz …加速度、ａv …振動加速度、θ，φ…
回転角。

フロントページの続き (72)発明者 鈴木 泰彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 伊藤 博 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 路面上を移動する車両上に、当該車両と
   路面の鉛直方向の相対距離を検出する相対距離検出手段
   と、空間内で直交する三軸の各軸方向の加速度を検出す
   るとともに前記三軸のうちの一軸を車両の上下方向に向
   けた加速度検出手段と、前記一軸を除いた残る二軸の各
   軸周りの回転角を検出する回転角検出手段とを設け、か
   つ前記加速度検出手段で検出された各加速度と前記回転
   角検出手段で検出された各回転角とから前記車両の鉛直
   方向の振動加速度を算出してこれに基づいて前記車両の
   鉛直方向の振動変位を算出し、同一移動位置における前
   記振動変位と前記相対距離より車両が移動する路面の形
   態を算出する演算手段を設けたことを特徴とする路面測
   定装置。