устройство для определения кривизны и уклонов профиля поверхности дорожного покрытия в двух различных направлениях, преимущественно в направлении движения автомобиля и в поперечном ему направлении

Формула изобретения

1. Устройство для определения кривизны и уклонов профиля поверхности дорожного покрытия в двух различных направлениях, содержащее измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), включающий ЭВМ, монитор, датчики линейной скорости движения автомобиля, пройденного пути, времени движения, угловой скорости поворота или курса, средства для определения уклонов профиля поверхности дорожного покрытия, средства для определения ускорений автомобиля, систему питания и электрические цепи, связывающие соответствующие средства, ЭВМ и датчики, отличающееся тем, что средства для определения уклонов профиля дорожного покрытия и средства для определения ускорений автомобиля выполнены в виде двух расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях акселерометров, при этом ось чувствительности первого акселерометра расположена вдоль направления движения автомобиля, а ось чувствительности второго - поперек направления движения, первого и второго сумматоров, первые входы которых соединены с выходом соответствующего акселерометра, двух фильтров нижних частот, установленных на выходе соответствующих сумматоров, при этом второй вход первого сумматора в цепи первого акселерометра связан через инвертор и дифференциатор с датчиками линейной скорости движения автомобиля, а второй вход второго сумматора в цепи второго акселерометра - с выходом блока умножения, входы которого связаны с датчиком линейной скорости движения автомобиля и дифференциатором курса или датчиком угловой скорости поворота автомобиля, а выход каждого сумматора связан с входами фильтров нижних частот, соединенных с ЭВМ.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик линейной скорости движения автомобиля включает счетчик числа оборотов колеса, подключенный к входу ЭВМ, и датчик времени движения, связанный с ЭВМ.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик пройденного пути выполнен в виде счетчика числа оборотов колеса, подключенного к входу ЭВМ.

4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что система питания выполнена в виде штатной аккумуляторной батареи автомобиля и преобразователя напряжения, связанного электрическими цепями с измерительно-вычислительным комплексом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к транспорту, в частности к строительству дорог, дорожных покрытий, машинам и вспомогательному оборудованию для строительства, ремонта, и может быть использовано для определения профиля поверхности дорожного покрытия.

Известно устройство для определения уклонов профиля поверхности дорожного покрытия в двух различных направлениях, содержащее установленный на транспортном средстве чувствительный к уклонам маятник, являющийся угломером, измерительно-вычислительный комплекс, источник питания (патент США N 3797124, кл. G 01 C 7/04, опублик. 1974).

Известное техническое решение не позволяет определять кривизну в плане дорожного покрытия, не обладает достаточной точностью измерения, так как не учитывает особенности движения транспортного средства при ускорениях/замедлениях (в момент трогания с места) и влияния дополнительного силового воздействия на чувствительный элемент в процессе меняющегося режима движения транспортного средства.

Известно устройство для определения уклонов дорожного покрытия в продольном и поперечном направлениях, установленное на транспортном средстве на подрессоренной подвеске, содержащее узел, имеющий дифференциальный трансформатор, подвижный сердечник которого образует чувствительный к уклонам маятник, подвешенный и свободно качающийся в направлении измерения уклона, вторичный трансформатор, индикатор, систему питания (Европейский патент N 0085924, кл. G 01 C 9/06, опублик. 1984).

Известное устройство не обладает достаточной точностью измерения, так как инерционно и не учитывает особенности движения транспортного средства при трогании с места и при изменении режима движения, а также не позволяет вносить корректировки в процесс измерения параметров дорожного покрытия при изменении режимов движения автомобиля.

Известно устройство для измерения профиля поверхности дорожного покрытия в двух различных направлениях в процессе движения автомобиля, содержащее измерительно-вычислительный комплекс с ЭВМ и датчиками движения со средствами измерения положения движущихся левого и правого колес в вертикальном направлении, также передних и задних колес как следствие уклонов профиля дорожного покрытия со средствами измерения ускорений движущихся масс автомобиля (Европейский патент N 0274632, кл. G 01 C 7/04, опублик. 1991).

Данное известное устройство позволяет непрерывно определять состояние профиля поверхности дорожного покрытия в любой отрезок времени и пройденного пути по расположению колес автомобиля в вертикальной плоскости, а также по их расположению относительно кузова автомобиля с учетом меняющегося режима движения, однако обладает такими недостатками, как большое количество датчиков измерения параметров, сложностью измерительно-вычислительного комплекса и программного обеспечения, в связи с чем снижается надежность работы аппаратуры, испытывающей изменяющиеся нагрузки в процессе движения автомобиля.

Известно наиболее близкое по технической сущности и назначению по отношению к описываемому устройство для измерения кривизны и уклонов профиля дорожного покрытия в двух различных направлениях, преимущественно в направлении движения автомобиля и в поперечном к нему направлении (патент PCT N92/10730 кл. G 01 C 7/04, E 01 C 23/01, опублик. 1972). Данное известное устройство содержит измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) в виде ЭВМ, монитора, датчиков линейной скорости движения автомобиля, пройденного пути, времени движения, угловой скорости или курса, средств для определения уклонов профиля поверхности дорожного покрытия, средств для определения ускорений/ замедления автомобиля; систему питания, электрические цепи, связывающие соответствующие средства, ЭВМ, датчики.

Недостаток известного устройства заключается в том, что оно не учитывает изменений скорости вращения колеса вследствие изменения, например внутреннего давления воздуха в шине, что снижает точность измеряемых параметров.

Другой недостаток известного решения заключается в том, что в нем использованы средства прямого измерения уклонов профиля поверхности дорожного покрытия, что при использовании собственных средств для определения ускорений/замедлений требует установки дополнительных корректирующих блоков, применения усложненной программы, что снижает надежность и точность вычисляемых параметров.

Задача изобретения - создание такого устройства для определения кривизны и уклонов профиля дорожного покрытия, которое позволило бы упростить сам процесс определения параметров, повысить надежность, ограничиваясь наименьшим количеством датчиков при повышении их приспособляемости к изменяющимся условиям дорожного движения.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого устройства, заключается в повышении точности измеряемых параметров с учетом изменения режима движения автомобиля, состояния его колес, взаимодействующих с дорожным покрытием, при упрощении устройства и его программного обеспечения, упрощении обслуживания устройства и его системы питания.

Это достигается тем, что в известном устройстве для определения кривизны и уклонов профиля дорожного покрытия в двух различных направлениях, преимущественно в направлении движения автомобиля и в поперечном к нему направлении, содержащем измерительно-вычислительный комплекс в виде ЭВМ, монитора, датчиков линейной скорости движения автомобиля, пройденного пути, времени движения, угловой скорости или курса, средств для определения уклонов профиля поверхности дорожного покрытия, средств для определения ускорений/замедлений автомобиля, систему питания, электрические цепи, связывающие соответствующие средства, ЭВМ, датчики, в соответствии с изобретением средства для определения уклонов профиля дорожного покрытия и средства для определения ускорений/замедлений автомобиля выполнены в виде установленных на входной стороне ЭВМ двух расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях акселерометров, ось чувствительности одного из которых расположена вдоль направления движения автомобиля, а ось чувствительности другого - поперек к направлению движения, двух сумматоров, установленных на выходе каждого акселерометра, двух фильтров нижних частот, установленных на выходе соответствующих сумматоров, при этом вход сумматора в цепи акселерометров, имеющего продольную ось чувствительности, связан через инвертор и дифференциатор с датчиком линейной скорости движения автомобиля, а вход сумматора в цепи акселерометра, имеющего поперечную к направлению движения автомобиля ось чувствительности, связан с выходом блока умножения, вход которого связан с датчиком линейной скорости движения автомобиля и дифференциатором курса (или датчиком угловой скорости поворота автомобиля), а выход сумматоров связан с фильтрами нижних частот.

Это достигается тем, что датчик линейной скорости движения автомобиля выполнен в виде счетчика числа оборотов колеса, подключенного к входу ЭВМ, и датчика времени.

Это достигается тем, что датчик пройденного пути выполнен в виде счетчика числа оборотов колеса, подключенного к входу ЭВМ.

Это достигается тем, что система питания выполнена в виде штатной аккумуляторной батареи автомобиля и преобразователя напряжения, связанного электрическими цепями с измерительно-вычислительным комплексом.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена его принципиальная блок-схема, на которой 1 - ИВК; 2 - ЭВМ; 3 - монитор; 4 - датчик числа оборотов колеса; 5 - датчик пройденного пути; 6 - датчик скорости; 7 - датчик курса (или угловой скорости поворота автомобиля); 8 и 9 - дифференциатор; 10 - продольный акселерометр; 11 - поперечный акселерометр; 12 и 13 - сумматор; 14 и 15 - фильтр нижних частот; 16 - блок умножения 2 чисел; 17 - инвертор.

Описываемое устройство установлено в кузове автомобиля и содержит измерительно-вычислительный комплекс 1 в виде ЭВМ 2, монитора 3, датчика 4 числа оборотов колеса автомобиля, датчика 5 пройденного пути, датчика времени движения (условно не обозначен), датчика 6 линейной скорости движения, датчика 7 угловой скорости поворота автомобиля или курса, дифференциаторов 8 и 9, средств для определения уклонов профиля дорожного покрытия, совмещенных со средствами для определения ускорений/замедлений автомобиля в виде блоков 10 - 17, систему питания (условно не обозначена), электрические цепи, связывающие соответствующие средства, ЭВМ, датчики.

Средства для определения уклонов профиля дорожного покрытия и средства для определения ускорений/замедлений автомобиля выполнены в виде установленных на входной стороне ЭВМ 2 двух расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях акселерометров 10 и 11, ось чувствительности одного 10 из которых расположена вдоль направления движения автомобиля, а ось чувствительности другого - поперек к направлению движения, двух сумматоров 12 и 13, установленных на выходе каждого акселерометра 10 и 11, двух фильтров 14 и 15 нижних частот, установленных на выходе соответствующих сумматоров 12 и 13.

Вход сумматора 12, установленного в цепи акселерометра 10, связан через дифференциатор 8 и инвертор 17 с датчиком 6.

Вход сумматора 13, установленного в цепи акселерометра 11, связан с выходом блока 16 умножения, вход которого связан с датчиком скорости 6 и дифференциатором 9 датчика курса 7.

Датчик 5 пройденного пути выполнен в виде счетчика числа оборотов колеса автомобиля, а датчик скорости 6 - в виде счетчика числа оборотов колеса и датчика времени, связанных электрическими цепями с ЭВМ, с помощью которой корректируются выходные сигналы счетчика числа оборотов в зависимости от длины окружности колеса и вычисляется скорость движения автомобиля. Система питания выполнена в виде штатной аккумуляторной батареи автомобиля и преобразователя напряжения, связанного электрическими цепями с измерительно-вычислительным комплексом (не показаны).

Описываемый состав и компоновка ИВК, выполнение известных датчиков и средств в представленном виде позволяют использовать наиболее приспособленные к постоянно меняющимся условиям дорожного движения средства, придав им соответствующие функции, логически связанные программой для определения параметров профиля дорожного покрытия.

В предлагаемом устройстве акселерометры предназначены для определения общих ускорений/замедлений автомобиля как следствие меняющихся параметров профиля дорожного покрытия и условий движения автомобиля, которые учитывают колебания кузова автомобиля в вертикальной плоскости как погрешности, исключаемые при определении продольного и поперечного уклонов.

Выполнение датчика пройденного пути в виде счетчика числа оборотов колеса позволяет оценивать и компенсировать погрешности измерения параметров при определении продольного и поперечного уклонов и кривизны профиля дорожного покрытия в плане, которые возникают за счет изменения условий нагружения колеса автомобиля, его износа, изменения эксплуатационных характеристик колеса, например давления в шине. Это приводит к изменению длины окружности колеса и изменению рассчитываемых отрезков пройденного пути S в любом из заданных интервалов времени движения автомобиля или всего пройденного пути.

Устройство работает следующим образом.

Акселерометр с осью чувствительности, совпадающей с направлением движения автомобиля, фиксирует общее ускорение/замедление автомобиля Ax₁, действующее в направлении движения автомобиля, которое включает три составляющие: одна составляющая пропорциональна ускорению силы тяжести G неподвижного автомобиля и продольному уклону alf₁G профиля дорожного покрытия в направлении движения X₁, вторая - пропорциональна продольному ускорению/замедлению a_x1 автомобиля, третья - (a^x2_x1) пропорциональна ускорению/ замедлению, обусловленному колебаниями движущихся масс автомобиля в вертикальном направлении X₂ в плоскости, расположенной вдоль направления движения автомобиля.

Электрический сигнал, пропорциональный общему ускорению A_x1, вводится в сумматор 12. Одновременно на второй вход сумматора 12 подается электрический сигнал, поступающий с датчика линейной скорости 6, преобразованный последовательно в дифференциаторе 8 и инверторе 17 в сигнал V_x1 = a_x1.

На выходе сумматора 12 формируется сигнал, пропорциональный сумме , который вводится в фильтр нижних частот 14.

На выходе фильтра 14 формируется сигнал, пропорциональный который вводится в ЭВМ.

Акселерометр 11 с осью чувствительности, перпендикулярной направлению движения автомобиля, фиксирует общее ускорение/замедление AX₃ автомобиля, действующий в поперечном направлении X₃, которое может быть представлено в виде трех составляющих: одна составляющая пропорциональна ускорению силы тяжести G неподвижного автомобиля и поперечному уклону alf₂ профиля дорожного покрытия, вторая ax₃ - пропорциональна поперечному ускорению/замедлению, возникающему при поворотах автомобиля, третья (a^x2_x3) - пропорциональна ускорению/замедлению, обусловленному колебаниями движущихся масс автомобиля в вертикальном направлении X₂ в плоскости, перпендикулярной к направлению движения автомобиля X₁.

Электрический сигнал, эквивалентный общему ускорению AX₃, вводится в сумматор 13.

Одновременно с блока 16 умножения на второй вход сумматора 13 вводится сигнал, пропорциональный произведению V_x1, сформированный на выходе блока 16 от поступивших в блок с датчика 6 линейной скорости движения и дифференциатора курса 9, где - курсовой угол.

На выходе сумматора 13 формируется сигнал, пропорциональный сумме который поступает на вход фильтра 15.

На выходе фильтра 15 формируется сигнал, пропорциональный G alf₂, который вводится в ЭВМ.

Частота колебаний подвижных масс автомобиля в вертикальной плоскости, вызванных неровностью поверхности дорожного покрытия, существенно выше верхней частоты изменения продольного и поперечного ускорений автомобиля. Фильтрация колебательных составляющих a^x2_x1, a^x2_x3 общего ускорения автомобиля обеспечивается фильтрами 14 и 15 нижних частот, частота среза которых выбирается из условия

Wa^max_x1(2) < W_ср < W_в, ,

где

Wa^max_x1(2) - верхняя частота измерения продольного (поперечного) ускорения автомобиля;

W_в - частота колебаний автомобиля в вертикальной плоскости.

Дифференциатор 8 формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный производной от скорости автомобиля - V_x1.

Дифференциатор 9 формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный производной от курсового угла .

Сигналы периодически сравниваются соответственно с аналогичными сигналами, измеренными на одних и тех же участках пути при неподвижном автомобиле, и по их разности формируются поправки, учитывающие изменение длины окружности колеса автомобиля из-за изменений условий эксплуатации.

Сигналы обрабатываются на ЭВМ по программе с выводом требуемой информации на монитор; определяется путь, линейная скорость движения, кривизна, продольный и поперечный уклоны профиля дорожного покрытия, которые корректируются в процессе движения автомобиля с учетом изменения длины окружности колеса.

Предлагаемое устройство позволяет определять параметры профиля дорожного покрытия в любой заданный интервал времени и за любой отрезок пройденного пути.