JPH05126571A

JPH05126571A - 路面形状計測装置

Info

Publication number: JPH05126571A
Application number: JP29299591A
Authority: JP
Inventors: Mitsutoshi Maeda; 光俊前田; Hiroshi Ito; 伊藤　　博; Yasuhiko Suzuki; 泰彦鈴木
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1991-11-08
Filing date: 1991-11-08
Publication date: 1993-05-21
Anticipated expiration: 2014-07-26
Also published as: JP2923385B2

Abstract

(57)【要約】【目的】計測車の車速変動に拘らず路面形状を高精度
に検出する。【構成】走行距離検出器２２によって走行距離を検出
し、タイミングパルス発生器２４から一定走行距離ΔＬ
毎にタイミングパルスを発生させる。上下加速度検出器
３０とサンプリング回路３２、相対距離検出器１０とサ
ンプリング回路１８とによってタイミングパルスの発生
毎に相対距離検出器１０の上下方向の加速度及び計測車
と計測路面との相対距離を検出する。また時間検出器２
６とサンプリング回路２８とによってタイミングパルス
の発生間隔時間を求める。上下方向の加速度αを間隔時
間ΔＴで２階積分することによって相対距離検出器１０
の一定走行距離に応じた上下方向の振動量を検出し、光
点位置検出器１６出力から演算される計測車と路面との
相対距離をこの振動量によって補正することによって路
面形状を求める。一定走行距離毎にデーターをサンプリ
ングしているため計測車の車速が変動しても正確な路面
形状を求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は路面形状計測装置に係
り、より詳しくは、レーザ光を利用した光三角測量によ
って得られた計測車と計測路面との相対距離から計測車
の振動量を減ずることによって路面形状を計測する路面
形状計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明の基礎になった従来の路面形状計
測装置が特開昭６２−２６９００８号公報に記載されて
いる。この路面形状計測装置では、非接触で計測路面と
計測車との相対距離を計測する手段として、レーザ光に
よる光三角測量法を利用した距離検出手段が用いられて
いる。この距離検出手段は、計測路面に向けてレーザ光
を照射するレーザ発生装置と、路面からの反射光によっ
て計測路面のレーザ光で照射された部分を結像させる光
学系と、この光学系の結像位置に設けられた一次元イメ
ージセンサとから構成されている。この距離検出手段
は、計測車と計測路面との上下方向の相対距離が変化す
ることによって、一次元イメージセンサ上の結像位置が
変化することを利用して計測車と計測路面との相対距離
を測定している。また、距離検出手段の上下変位を加速
度センサで検出し、加速度センサで検出された加速度信
号を２階積分して計測車の振動量を測定し、距離検出手
段によって得られた相対距離から計測車の振動量を減ず
ることによって路面形状を計測している。このとき、電
気的なフィルタを用いて加速度信号からドリフト成分お
よび路面形状に直接起因しないノイズ成分の信号を除去
し、これによって路面形状計測を高速、高精度に行って
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の路面形状計測装置では、電気的なフィルタを用いて
ドリフト成分およびノイズ成分の信号を除去しており、
この電気的なフィルタは時間の関数でフィルタリングす
るため、同じフィルタを用いてもそのときの計測車の車
速によって除去される路面波長域が異なってくる。この
ため、計測路面の緩やかな起伏による影響を除くことを
目的に不要な路面波長域の信号を除去するためには、遮
断周波数の異なる多数のフィルタを設けて計測車の車速
と該多数のフィルタとの関係を予めテーブルに記憶して
おき、車速を測定しその車速に合ったフィルタを選択す
る必要がある。しかしこのように構成しても、時間関数
でフィルタリングするため、車速が変動する状況下で
は、本来時間関数ではない路面波長とは正確に対応しな
い。

【０００４】本発明は上記問題点を解決するために成さ
れたもので、計測車の速度が変動しても不要な路面波長
域の信号を除去し目的とする路面波長（空間周波数）域
の信号の抽出が可能な路面形状計測装置を提供すること
を目的とする。なお、路面波長とは、路面凹凸の１周期
に対する路面距離を言う。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、計測車が所定距離走行する毎にタイミング
信号を発生する信号発生手段と、前記タイミング信号の
発生間隔時間を検出する間隔時間検出手段と、計測車と
計測路面との間の相対距離を前記タイミング信号に同期
させて検出する相対距離検出手段と、走行中の計測車の
振動による前記相対距離検出手段の上下方向の加速度を
前記タイミング信号に同期させて検出する加速度検出手
段と、前記発生間隔時間及び前記加速度に基づいて計測
車の上下方向の振動量を求め、該振動量と前記相対距離
とに基づいて路面形状を演算する演算手段と、によって
構成されている。

【０００６】

【作用】本発明の信号発生手段は、計測車が所定距離走
行する毎にタイミング信号を発生する。間隔時間検出手
段は、このタイミング信号の発生間隔時間を検出する。
相対距離検出手段は、計測車と計測路面との間の相対距
離をタイミング信号に同期させて検出し、加速度検出手
段は、走行中の計測車の振動による相対距離検出手段の
上下方向の加速度をタイミング信号に同期させて検出す
る。このように、計測車が所定距離走行する毎に発生さ
れるタイミング信号に同期させて、計測車と計測路面と
の間の相対距離と、相対距離検出手段の上下方向の加速
度とを検出しているため、車速が変動しても所定走行距
離毎に相対距離と加速度とをサンプリングすることがで
きる。演算手段は、タイミング信号の発生間隔時間及び
加速度に基づいて計測車の上下方向の振動量を求め、相
対距離検出手段で検出された相対距離とこの振動量とに
基づいて路面形状を演算する。このように、車速が変動
しても所定走行距離毎に計測値をサンプリングすること
ができるため、不要な路面波長域の信号を除去し、目的
とする路面波長域の信号の抽出が可能となる。

【０００７】

【実施例】以下図面を参照して本発明の一実施例を詳細
に説明する。本実施例は、データ計測側で計測したデー
タを記録し、路面形状演算側で再生してオフラインで路
面形状を演算するようにしたものである。

【０００８】図１に示すように、データ計測側には、光
三角測量法を利用して計測車と計測路面との間の相対距
離を検出する相対距離検出器１０が設けられている。こ
の相対距離検出器１０は、図２に示すように計測路面に
向けてレーザ光を照射するレーザ発生装置１２と、計測
路面のレーザ光が照射された部分を結像させる結像光学
系１４と、結像光学系１４の結像位置に設けられかつ微
小な（例えば、幅１２μｍ）受光素子を多数個配列して
構成された一次元イメージセンサ１５（図３参照）と、
一次元イメージセンサ１５の出力に基づいて光点の位置
を検出する光点位置検出器１６とから構成されている。
光点位置検出器１６は、図４に示されるように、一次元
イメージセンサ１５出力のピーク値をホールドするピー
クホールド回路１６Ａ、ピークホールド回路１６Ａ出力
に１より小さい係数Ｒを乗算する乗算器１６Ｂ、乗算器
１６Ｂ出力をサンプリング間隔時間ΔＴだけ遅延させて
閾値として出力する遅延回路１６Ｃ、一次元イメージセ
ンサ１５出力と遅延回路１６Ｃ出力とから一次元イメー
ジセンサ１５出力を波形整形する波形整形回路１６Ｄ、
及び光点の中心のアドレスを演算するアドレス演算回路
１６Ｅで構成されている。

【０００９】この相対距離検出器１０によれば、計測車
と計測路面とが相対的にΔＨ変位すると、光点位置検出
器１６上の結像位置すなわち光点の位置がΔＸ変位する
ため、この光点の変位量ΔＸから計測車と計測路面との
間の相対距離Ｈを検出することができる。

【００１０】一次元イメージセンサ１５は、高精度を確
保するために微小な受光素子を多数個配列して構成され
ているため、一次元イメージセンサ１５の出力は、一次
元イメージセンサ１５上に結像されたレーザ光の強度、
すなわち計測路面の反射率によって変化する強度分布を
示す。計測車と計測路面との相対距離を求める場合に
は、一次元イメージセンサ上に結像されたレーザ光の光
点の中心位置（アドレス）を検出する必要がある。しか
し、結像されたレーザ光の光点は一次元イメージセンサ
の１素子よりも大きく、その出力は複数の素子を含んだ
形となり、その中心アドレスを知るには一次元イメージ
センサ１５の出力を波形整形し、その立ち上がりアドレ
スと立ち下がりアドレスからその中心アドレスを知る必
要がある。このため、波形整形回路１６Ｄは、図３に示
すように一次元イメージセンサ１５出力が遅延回路１６
Ｃから出力される閾値以上のときにハイレベルとなる信
号を出力し、アドレス演算回路１６Ｅは、波形整形回路
１６Ｄから出力された信号の立ち上がりと立ち下がりと
を検出し、立ち下がりアドレスと立ち上がりアドレスの
中間のアドレスを光点の中心アドレスとして検出する。
この中心アドレスを検出するには、ハイレベルの信号の
立ち上がりアドレスＡｕと立ち下がりアドレスＡｄとの
相加平均値を中心アドレスとすればよい。

【００１１】ここで、計算される中心アドレスの精度
は、波形整形回路１６Ｄの閾値、イメージセンサ信号の
信号対雑音比（ＳＮ比），デジタル値であるアドレスに
変換する際の量子化誤差等により決定される。すなわ
ち、計測する路面は多くの種類、状態があり、その反射
率は大きく変化する。この為、１次元イメージセンサの
出力も図５（Ａ）のように、路面計測中に常に変化して
いる。閾値が一定であると、その波形整形後の２値化信
号幅も図５（Ｂ）のようにイメージセンサー信号の振幅
に従い広くなったり狭くなったりする。このことは、中
心アドレスを求める際の精度が変化することを示してお
り、高精度の安定した計測が困難である。すなわち、一
般に図５の２値化信号の中心アドレスを求める場合に
は、信号の立ち上がり、立ち下がりのアドレスＡｕ，Ａ
ｄを求め、次式にしたがって中心アドレスＡｃｏを求め
ることになる。Ａｃｏ＝（Ａｕ＋Ａｄ）／２・・・・・（１）信号にほとんど雑音が重畳していない場合、さらにデジ
タル値に変換する際の量子化誤差が非常に小さい場合に
は、固定閾値によっても正確な中心アドレスの算出が可
能である。しかし、実際の場合には図５（Ｃ）のように
立ち上がり、立ち下がりのアドレスには必ず雑音、量子
化誤差によるばらつきδｔεが含まれ、中心アドレスは
（２）式のようになる。Ａｃ＝Ａｃｏ＋｛（δｔε_A）²＋（δｔε_B）²｝^{1 /2} ・・・・（２）中心アドレスを求める際のこのばらつきによる誤差は信
号幅が量子化分解能より十分に大きい場合、信号波形の
微係数が最大の位置に閾値を設定することにより最も小
さくできる。これは、常に閾値を信号のピーク値のほぼ
１／２に設定することで満たされることになる。

【００１２】本実施例では、波形整形のための閾値を、
短いサンプリング周期を考慮し、ほとんど同一振幅と見
なせる１回前のサンプリング時の１次元イメージセンサ
ー出力に係数Ｒ（一般的にはＲ≒０．５）を乗じて閾値
とすることで波形整形されたパルスのパルス幅を略一定
にしているため高精度で光点の中心アドレスを求めるこ
とが出来る。

【００１３】なお、遅延回路を一次元イメージセンサと
波形整形回路との間に設けて、今回のサンプリング時の
一次元イメージセンサ出力に係数Ｒを乗じて閾値とし、
この閾値によって今回のサンプリング時のイメージセン
サ出力を波形整形してもよい。

【００１４】上記相対距離検出器１０の光点位置検出器
１６は、タイミングパルスが供給されたときに相対距離
検出器１０出力をサンプリングするサンプリング回路１
８を介して、半導体メモリ等で構成された記録装置２０
に接続されている。

【００１５】所定時間毎（例えば、数ｍｓ毎）に時間を
検出する時間検出器２６は、サンプリング回路１８と同
様の構成のサンプリング回路２８を介して記録装置２０
に接続されている。

【００１６】図２の（２）、（３）に示すように、相対
距離検出器１０は、ピッチング及びローリング等の影響
がない測定車のホイルベースの略中心に取付けられてお
り、上下加速度検出器３０は、相対距離検出器１０の上
下方向の加速度を検出するように相対距離検出器１０が
取り付けられた剛な外枠または取付基板に取り付けられ
ている。この上下加速度検出器３０は、上記と同様の構
成のサンプリング回路３２を介して記録装置２０に接続
されている。

【００１７】計測車の走行距離を検出する走行距離検出
器２２は、一定走行距離ΔＬ（上記のサンプリング間隔
時間ΔＴに相当する）毎にタイミングパルスを出力する
タイミングパルス発生器２４に接続されている。タイミ
ングパルス発生器２４は、タイミングパルスを供給する
ようにサンプリング回路１８、２８、３２の各々に接続
されている。サンプリング回路１８、２８、３２はタイ
ミングパルスが供給される毎にデータをサンプリングし
て記録装置２０に記録するため、計測車が一定走行距離
ΔＬ走行する毎に光点位置、計測車と計測路面との相対
距離及び上下方向の加速度が検出される。

【００１８】路面形状演算側には、記録装置２０に記録
されたデータを再生する再生装置３８が設けられてい
る。再生装置３８には、加速度αの平均値αｍを算出す
る平均値算出回路４０が接続されている。平均値算出回
路４０は、加速度αから加速度の平均値αｍを減算する
演算器４２を介して２階積分回路４４に接続されてい
る。この２階積分回路４４は、サンプリング間の間隔時
間ΔＴが入力されており、入力された時間間隔ΔＴに関
して平均値算出回路４０出力を２階積分する。このよう
に、積分前に加速度から積分範囲の全加速度の平均値α
ｍを減算して積分値が発散しないようにしているため、
上下加速度検出器３０の非直線性及び誤差による影響を
除去することができる。

【００１９】このように、２階積分回路４４によって一
定走行距離ΔＬ走行するに要した時間ΔＴで２階積分す
ることによって得られたデータは一定走行距離ΔＬに関
するデータになる。これによって時間の関数であった加
速度信号は測定距離に応じた上下方向の振動量（変位
量）、すなわち路面周波数（路面波長の逆数）の関数で
ある振動量になっており、車速とは無関係な値になって
いる。フーリエ変換器４６は、長い路面波長域（例えば
５０ｍ以上）の信号をデジタルフィルタリング処理によ
って除去するためのハイパスフィルタ４８を介して、逆
フーリエ変換器５０に接続されている。このように、路
面周波数の関数となった計測車の上下方向の変位（振
動）をフーリエ変換し、デジタルフィルタリング処理に
よってフィルタリングしているため緩やかな路面の起伏
に伴う長い路面波長の信号を精度よく分離することがで
きる。

【００２０】車体・路面相対距離算出回路５４は、光点
位置検出器１６で検出された光点位置に基づいて計測車
と計測路面との相対距離を演算する。そして演算器５２
は、車体・路面相対距離算出回路５４で演算された相対
距離から振動量を減算することによって実際の一定走行
距離ΔＬ毎の路面形状データを求め、求められた路面形
状データに基づいて路面形状表示装置５６に路面形状が
表示される。

【００２１】次に、光点位置検出器１６の他の例を図６
を参照して説明する。入力端がイメージセンサに接続さ
れたピークホールド回路１６ａは、サンプルホールド回
路１６ｂ及び入力信号を１以下のＲ倍（例えば、０．５
倍）に減衰させるアッテネータ１６ｃを介してコンパレ
ータ１６ｄの一方の入力端に接続されている。コンパレ
ータ１６ｄの他方の入力端にはイメージセンサが接続さ
れている。１フレーム周期で発生される図７に示すイメ
ージセンサフレームパルスが入力された単安定マルチバ
イブレータ１６ｆの出力端は、サンプルホールド回路１
６ｂのサンプルホールド端子Ｓ／Ｈに接続されている。
また、単安定マルチバイブレータ１６ｆは単安定マルチ
バイブレータ１６ｇを介してピークホールド回路１６ａ
のリセット端子に接続されている。そして、コンパレー
タ１６ｄの出力端には上記と同様のアドレス演算回路１
６ｅが接続されている。

【００２２】この光点位置検出器によれば、図７の波形
図に示すように、１フレーム周期毎にイメージセンサに
よって路面からの反射光が検出され、ピークホールド回
路１６ａによってイメージセンサ信号のピーク値がホー
ルドされる。このピーク値は単安定マルチバイブレータ
１６ｇからリセットパルスが入力される毎にリセットさ
れる。サンプルホールド回路１６ｂは、ピークホールド
回路１６ａのピーク値を単安定マルチバイブレータ１６
ｆからサンプルホールドパルスが入力されるまで保持す
る。アッテネータ１６ｃはサンプルホールド回路１６ｂ
の出力をＲ倍した値を閾値としてコンパレータ１６ｄに
出力する。コンパレータ１６ｄは、イメージセンサ信号
と閾値とを比較し、イメージセンサ信号が閾値を越えた
ときにハイレベルになるパルス信号を出力する。このパ
ルス信号のパルス幅は略一定になり、路面の反射率の相
違による光点の大きさの変動による影響を防止すること
ができる。

【００２３】なお、本実施例の測定範囲を例示すると、
一定走行距離：ΔＬ＝５ｍｍ，相対距離範囲：Ｈ＝２０
０〜４００ｍｍ，計測車車速：２０ｋｍ／ｈ〜１２０ｋ
ｍ／ｈ，測定精度：±１．５ｍｍ，抽出路面波長：１０
ｍｍ〜５０ｍである。

【００２４】上記ではオフラインによって路面形状を計
測する例について説明したがオンラインで計測してもよ
く、また路面形状を演算するのに演算回路等の電気回路
を用いた例について説明したが、パーソナルコンピュー
タとソフトウエアとを用いて路面形状を求めるようにし
てもよい。

【００２５】以上説明したように本実施例によれば、加
速度信号を一定走行距離毎に測定し、一定走行距離に要
した時間で２階積分しているため、得られたデータは路
面の距離に関するデータとなり、これによって必要な路
面周波数成分の取捨選択を計測車の車速に無関係に行う
ことができる。

【００２６】また、一次元イメージセンサ出力のピーク
値に一定値を乗じて閾値を求めているため、路面の反射
率の変化によって生ずる測定値のばらつきをなくすこと
ができ、これによって測定精度の悪化、ばらつきを少な
くでき、高精度化できる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、一
定走行距離毎にデータをサンプリングしているため、車
速が変動しても走行方向のデータを所定距離毎にサンプ
リングすることができ、これによって計測車の車速の変
動に拘らず高精度に路面形状を計測することができる、
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（１）、（２）は本発明の一実施例を示すブロ
ック図である。

【図２】（１）は相対位置検出器の概略図である。（２）、（３）は相対位置検出器等の取付位置を示す概
略図である。

【図３】一次元イメージセンサと光点との位置関係、光
点の中心アドレスの求め方を説明するための線図であ
る。

【図４】光点位置検出器の詳細を示すブロック図であ
る。

【図５】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は一次元イメージセン
サ出力と波形成形回路出力とを示す線図である。

【図６】光点位置検出器の他の例を示すブロック図であ
る。

【図７】図６の光点位置検出器の各部の出力波形を示す
線図である。

【符号の説明】

１０相対距離検出器１６光点位置検出器２２走行距離検出器２４タイミングパルス発生器２６時間検出器３０上下加速度検出器４０平均値算出器４４２階積分回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測車が所定距離走行する毎にタイミン
グ信号を発生する信号発生手段と、前記タイミング信号の発生間隔時間を検出する間隔時間
検出手段と、計測車と計測路面との間の相対距離を前記タイミング信
号に同期させて検出する相対距離検出手段と、走行中の計測車の振動による前記相対距離検出手段の上
下方向の加速度を前記タイミング信号に同期させて検出
する加速度検出手段と、前記発生間隔時間及び前記加速度に基づいて計測車の上
下方向の振動量を求め、該振動量と前記相対距離とに基
づいて路面形状を演算する演算手段と、を備えた路面形状計測装置。