(57)【要約】【課題】  路面データに基づいて車両の挙動を３次元的なうねりとして算出することができ、この車両の挙動を、路面の快適性や安全性を対象とした道路管理に役立てることのできる路面データに基づく車軸挙動の算出方法を提供する。【解決手段】  車両が道路と接する４点の路面データを抽出し、この路面データから前車軸１５と後車軸１４がなす角度θを道路の長手方向へ連続的に求めることにより、車軸挙動を算出する。【選択図】    図４４
2006001481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両が道路と接する４点の路面データを抽出し、この路面データから前車軸と後車軸がなす角度を前記道路の長手方向へ連続的に求めることにより、車軸挙動を算出することを特徴とする路面データに基づく車軸挙動の算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、走行する車両が路面の性状によってどのように挙動するかを算出する路面データに基づく車軸挙動の算出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
道路は、単に人や物が移動できればよいというものから、快適性や安全性などのサービス性向上へと道路利用者のニーズが多様化してきた。
そのような背景の中、路面の品質を維持するための様々な指標が考え出されてきた。その先駆けとなったものが、ＡＡＳＨＯ（米国の州道路技術者協会）道路試験で開発された測定時サービス指数ＰＳＩ（Present Serviceability Index）であり、わが国でも同様の考え方による供用性指数ＰＳＩが開発され、維持修繕の目安に用いられている。
近年では、世界銀行が提唱したことで知られる国際ラフネス指数ＩＲＩ（International Roughness Index）の研究が国内でも盛んに行われ、乗り心地の研究に利用されている。
ここで、乗り心地とは運転者も含む乗車した全ての者が感じる感覚と言え、その評価法は、ＩＲＩやライドナンバーＲＮ（Ride Number）の例からもわかるとおり、縦断方向の凹凸量（２次元的な形状）に着目したものと言える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
路面の経年変化、あるいは損傷等によって生じた路面の凹凸は、例えば、操舵に関わるハンドル挙動等を乱すなど、安全な走行に影響を及ぼす。
しかし、従来の２次元的にとらえた路面の形状は、その性質上、車両の上下挙動との関係を示すことはできるが、それ以外の挙動、例えば、ハンドル挙動、ロール挙動等との関わりを強く示すことはない。つまり従来の２次断面的な路面のとらえ方では、乗り心地評価以外に、路面の快適性や安全性を対象とした道路管理に役立てることができない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明にかかる路面データに基づく車軸挙動の算出方法は、車両が道路と接する４点の路面データを抽出し、この路面データから前車軸と後車軸がなす角度を前記道路の長手方向へ連続的に求めることにより、車軸挙動を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
この発明によれば、路面データに基づいて車両の挙動を３次元的なうねりとして算出することができる。
この路面データに基づいた車軸の挙動は３次元的なうねりとして算出されるので、車両の挙動を、路面の快適性や安全性を対象とした道路管理に役立てることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
〔車両走行に影響を与える要因〕
〈路面の凹凸〉
車両が道路を走行する場合、路面が平坦であれば乗り心地は良好であることは言うまでもない。
平坦さの中には、巨視的に見れば道路の縦断線形の変化がある。そして、施工ジョイントや供用後に車両の往来によって路面の形状が変化し生じる凹凸や、微視的な路面の粗さが挙げられ、その他に横断方向の形状も挙げられる。
縦断線形の変化について、平地部の道路と山間部の道路を考えれば、前者は比較的平坦であり、後者は平坦ではないといえる。これは線形の平坦さであって、路面の平坦さを表すものではないことがわかる。施工ジョイントや供用後の路面形状の変化による凹凸は、一般に快適な車両走行に影響を与える路面の要因として取り上げられている。路面の粗さについて考えると、路面が粗面であるか、平滑であるかに分けられる。これは路面のすべり抵抗やタイヤ路面騒音に影響を与え、安全性や環境面と関係が強い。横断方向の形状には路面勾配やわだち掘れがあり、ハイドロプレーニング現象や水跳ねなど路面排水に関わるものとして扱われてきた。
これまで路面性状３要素として、ひびわれ、わだち掘れ、縦断方向の凹凸が路面の凹凸をとらえる物理量として、研究や評価に利用されてきた。
ひびわれを除くと、縦断方向の凹凸は車両進行方向の凹凸、わだち掘れはその直角方向の凹凸であるが、いずれも２次元的な断面をとらえた表現であり、両者を組み合わせて路面の凹凸を立体的にとらえる研究例はほとんどない。
車両挙動は、路面の凹凸によって車両が接地する４つの車輪が受けた上下の動揺が、それぞれサスペンションなどを介して、車両本体に現れたものと考えられる。そのため、２次元的な断面をとらえた、従来の縦断方向の凹凸やわだち掘れも無関係ではないが、密接な関係があるとは言い切れない。そのため、車輪が接地する４点を考慮した路面を新たにとりあげる必要がある。
【０００７】
〈操舵〉
走行中の運転者は、車線から大きく逸脱しないようハンドルを一定に保持しようとしたり、目的とする進路へ向けてハンドルを操作する。前者は舵を保持することから保蛇と言い、後者は意のままに操ることから操縦と言うことができる。これらは内容が大きく異なるが、どちらもハンドルを操っていることには変わりはなく、これらをまとめて操舵として扱う。
操舵という行為は、外乱に対処するものと、人為的に引き起こすものの２つに大きく分類できる。
【０００８】
《操舵の乱れ》
道路の曲線部やサーキットのバンクなど勾配がきつい箇所を走行する場合、運転者はハンドルを保持したり、あるいは意図的にハンドルを操作するために大きな力を必要とする。このとき運転者は、常に一定方向に大きな力を加えている状態と言える。
それに対し、路面の凹凸によってハンドルを取られ、進路を保持しようとしたり、進路を修正するためにハンドルを左右に動かす頻度が多い場合には、ハンドルに対して加える力の大きさやその向き、あるいはハンドルから受ける力の大きさやその向きが常に変化する状態と言え、このような操舵の状態を、操舵の乱れと定義する。
【０００９】
〔路面形状の測定〕
次に、形状について記述する。
従来、車両の乗り心地に影響を与える指標として縦断方向の凹凸がとりあげられてきた。これは、車両進行方向の凹凸を一本の線（前輪の片側と後輪の片側が通過する線）の上下運動でとらえるもので、いわば２次元的な表現である。
しかし、上下の揺れ以外に、様々な車両挙動によって引き起こされる操舵への影響を考える場合、縦断方向の凹凸もある程度影響するように思われるが、それだけでとらえきることは困難である。
そこで、縦断方向の凹凸に加え、前後４輪が接地する点の高低差を考慮した、いわば３次元的な指標を考え、操舵に与える影響を検討する。
【００１０】
〈モデル区間の設定〉
路面性状の精密なデータを得るとともに、操舵の乱れを測定できるモデル区間を選ぶべく、調査を実施した。考慮した必要条件は次のとおりである。
(ａ)路面性状に変化を持たせるため、最大わだち掘れ量が３０ｍｍ程度あること。
(ｂ)操舵が路面性状だけによって乱される直線区間であること。
(ｃ)人力で路面性状の精密な測定ができる程度の交通量であること。
調査の結果、上記３項目に該当する路線として、都内の工業地区に決めた。同区間は交通量区分がＡ交通で、通行する大型車のほとんどが砕石を積載して往来する路線の一部である。
【００１１】
〈縦断凹凸の測定〉
縦断凹凸量の測定は、市販の３ｍプロフィルメータを用いて行った。
測定線はわだち底部に設けた基準測定線と、それと平行に車輪間隔だけ離れた測定線の２本とした。
測定は基準測定線を右側のわだち底部に合わせた場合と、左側のわだち底部に合わせた場合の２通りについて行った。
なお、市販の３ｍプロフィルメータは、図１に示すように、ビーム中央にレーザー変位計が設置されており、レーザー変位計直下の、３ｍプロフィルメータの車輪で形成される基準線から路面までの凹凸量である縦断凹凸量を測定することができる。
縦断凹凸の測定結果は図２に示すとおりで、いずれも基準測定線を右側わだち掘れの底部とした場合である。
左右の測定線の縦断凹凸は同じような波形の様相を見せており、１０ｍ付近において、路面の損傷が激しいことがうかがえる。
【００１２】
〈車輪が接地する４点の凹凸の測定〉
車両が接地する４点は全く独立に動くわけではなく、前２輪は前軸（前車軸）で、また後２輪は後軸（後車軸）で拘束されている。
そこで、この４点の高低差を表現する指標として、前軸が横断方向になす角度と後軸が横断方向になす角度の差（図３に示すθ）をとり、これをアクスルアングル（Axle-Angle：以下ＡＡと略記することもある。）と定義する。
【００１３】
〈アクスルアングルの測定〉
アクスルアングルの測定では、まず車両の前輪が接地する２点間の横断方向の勾配を求めた。測定には、図４に示す直線定規を用い、縦断凹凸量の測定で設けた基準測定線と直線定規が基準測定線の各測点と直交するように設置した。記録するデータは、縦断凹凸の測定点における直線定規から路面までの距離と、測定点から車輪間隔だけ離れた点における直線定規から路面までの距離とし、デジタルデプス計で読み取った。またこのとき直線定規に取り付けたデジタル傾斜計で横断方向の勾配を読み取った。
記録したデータを(１)式に代入し、車両の前輪が接地する２点間の勾配を求めた。
【００１４】
【数１】
2006001481.tif 000003
【００１５】
ここで、Θ1：２点間の勾配(ｄｅｇ)、θ1：直線定規の勾配(ｄｅｇ)、Ｗ：２点間の距離(ｍｍ)、ｈ1：左側測定線と直線定規の交点での路面までの距離(ｍｍ)、ｈ2：右側測定線と直線定規の交点での路面までの距離(ｍｍ)。
次に(１)式で求めた結果を用いて、前輪が接地する２点の勾配と後輪が接地する２点の勾配の差を(２)式より求めた。このとき、アクスルアングルの符号は、進行方向に対する右向きのロールを正とした。
【００１６】
【数２】
2006001481.tif 000004
【００１７】
ここで、Θ1F：前輪が接地する２点の勾配（ｄｅｇ）、Θ1R：後輪が接地する２点の勾配（ｄｅｇ）。
アクスルアングルの測定も縦断凹凸量の測定と同様に、左右のわだち底部を基準とした場合の２通り行った。
アクスルアングルの測定結果は図５に示すとおりである。
アクスルアングルの波形は、縦断凹凸の場合と同様に周期性は見られず、頻度分布も正規分布の様相を呈している。
【００１８】
〔操舵仕事の測定〕
次に、運転者がハンドルを動かす時に生じる操舵仕事を定義し、その測定法とモデル区間における測定結果を示す。
【００１９】
〈操舵仕事〉
《操舵仕事の概念》
運転者は車両走行中に、常に目的とする進路を維持するためにハンドルを保持したり、目的の進路に向けて進路を変更あるいは修正するために、ハンドルに対して仕事を行っている状態であると考えられる。このように運転者がハンドルに対して行う仕事のことを、操舵仕事と定義する。
この操舵の測定は、この操舵仕事を対象とする。
ここで、操舵仕事について考えてみる。仕事とは力学的な意味で、質点に力が作用してその間に質点を変位させたとき、その力とその間の変位との内積で定義される。内積というのは、力と変位をそのまま掛けるのではなく、（変位の大きさ）と（変位する方向の力の成分）との積、または、（力の大きさ）と（力の働く方向の変位の成分）との積のいずれかを意味するものである。
この仕事の定義を操舵仕事に当てはめてみる。一般的なハンドルは円形をしており、その運動方向は、取り付け部であるステアリングシャフトを中心とした円周方向のみである。運転者がハンドルに行う仕事は、常にハンドルの円周方向に対してのみ行われるため、運転者がハンドルに加える力の方向も、運転者が回転させるハンドルの方向である変位方向も一致しているはずである。このことから、操舵仕事はハンドルの円周方向に加える力と、ハンドルの回転変位量との単純な積で定義することができる。
【００２０】
《扱う操舵仕事》
直線区間で直進する場合、運転者がハンドルに対して行なう仕事は、路面の凹凸によって進行方向を曲げられることを防ぐこと、およびそれでも曲げられた場合に進行方向を修正すること、つまり外乱に対処する操舵と人為的な操舵であろうと推測できる。両者とも路面凹凸の影響により運転者がハンドルに対して仕事をすることに変わりはないので、両者を合わせた仕事を操舵仕事として定義する。
また、運転者が路面凹凸によって車両の進路を変えられ、さらに進路を修正する時には、操舵仕事が大きく変動しているものと推測できる。操舵には常に細かな変動は生じているものと思われるが、大きく変動する場合には、運転者はハンドルを取られたと感じる。このことから、操舵仕事が大きく変動し、力の向きや大きさが一定とならない状態を操舵が乱れた状態と定義する。
【００２１】
〈測定概要〉
《測定概要》
円周方向の変位は、(３)式で表わすことができる．
【００２２】
【数３】
2006001481.tif 000005
【００２３】
この円周方向の変位を表す(３)式を用いれば、操舵仕事は、その定義より(４)式で表すことができる。
【００２４】
【数４】
2006001481.tif 000006
【００２５】
ここで、ＷＳ：操舵仕事(Ｎ・ｍ)、Ｆ：操舵力(Ｎ)、ｒ：ハンドルの半径(ｍ)、θ：操舵角(ｒａｄ)。                                                            
操舵力とはハンドルを意図的に操作するあるいは保持するために運転者がハンドルに加える力であり、操舵角とはハンドルに力が加わっているときに回転したハンドルの回転角である。
(４)式で表される操舵仕事を求めるために、操舵角と操舵力の測定を行った。操舵角と操舵力の測定は、ステアリングホイール一体式の操舵角力計と増幅器を用いて行った。操舵角と操舵力の測定に用いる実験車両には、この実験用の車両に操舵角力計を搭載した。
操舵角と操舵力の測定を行う際には、路面凹凸の測定の場合と同様に、わだち底部に設けた基準測定線を目印とし、片側の車輪をその基準測定線にあわせて実験用の車両を走行させ、基準測定線の取り方も、同じく測定車両の右側のわだち底部に基準測定線を設ける場合と、左側のわだち底部に基準測定線を設ける場合の２通りとした。
【００２６】
《測定システム》
計測システムとしては、基本的には検出器である操舵角力計、アナログデータをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換装置、そしてデータを記録するパーソナルコンピュータで構成されている。計測システムの概略を図６に示す。
測定対象である操舵角および操舵力は、操舵角力計で連続的に電圧値として出力される。出力電圧は増幅器で増幅された後、Ａ／Ｄ変換され、パーソナルコンピュータに保存される。保存したデータから操舵仕事を算出した。
測定で得られたデータから操舵仕事ＷSを算出する際、ｍ個目の操舵力データおよび操舵角データそれぞれＦm，θmとすると、操舵力はｍ個目と（ｍ＋１）個目の平均を、操舵角は（ｍ＋１）個目とｍ個目の差を用いて（５）式により求めた。
【００２７】
【数５】
2006001481.tif 000007
【００２８】
《測定結果》
（５）式を用いて算出される操舵仕事は運転者がハンドルに対して行う仕事量であるが、操舵仕事の符号は操舵角と操舵力の符号によって異なる。前述したとおり、ハンドルを保持する場合、つまり外乱操舵に対して運転者が仕事を行う場合には操舵角と操舵力の符号が異なり、ハンドルを意図的に操作する場合、つまり運転者が人為的に仕事を行う場合には操舵角と操舵力の符号が一致する。
図７に示す操舵仕事の測定結果の波形図からは、外乱操舵と人為的な操舵があった箇所や操舵の変化の大きな箇所をうかがうことができる。
【００２９】
〈波形〉
路面凹凸と操舵仕事の相互相関をとったが、相関係数は０．２未満と低く明確な関係は見いだせなかった。そこで、本質的な傾向を浮き出させるために、両者の波形の細かな成分をカットし相関をとった。細かな成分のカットには移動平均を用いた。データ点数は、実験に用いた車両のホイールベースである２６３５ｍｍを１単位とし、その間にあるデータを代表させるという意味で２７点とした。
図８、図９は縦断凹凸と操舵仕事の波形を、図１０はアクスルアングルと操舵仕事を比較した場合の相関図である。いずれの場合についても右側のわだち掘れに右車輪を合わせた場合の結果を示した。
これらの相関図からは路面の形状と操舵仕事の相関関係は見られない。
【００３０】
〈波形の絶対値〉
それぞれの波形の符号の持つ意味は、路面の盛り上がりやくぼみであったり、アクスルアングルの回転方向であったり、外乱操舵や人為的な操舵である。そのため、それぞれの波形を単に重ね合わせるだけの方法では、路面の形状と操舵仕事の関連を知ることはできないと思われる。
そこで、路面や操舵仕事に変化があるか否かのみに着目するために、測定データの絶対値を取った波形を重ね合わせた。波形処理には２７点移動平均法を用いた。図１１、図１２は縦断凹凸と操舵仕事の波形を、図１３はアクスルアングルと操舵仕事の波形を重ね合わせた場合の相関図である。
それぞれの相関係数は図１４に示すとおりであり、関係があまりない。
【００３１】
《データ点数の検討》
一例として、対象とする１００ｍの路面性状を１０ｃｍごとに測定すると、各指標および操舵仕事のデータ数はそれぞれ１０００個となる。
対象区間を分割して各指標の標準偏差と操舵仕事の標準偏差の関係を求めるにあたり、１区間のデータ数を３０点、５０点、１００点、１５０点、２００点とし検討を行った。
１００ｍの路線を各データ数に分割し、各々のデータ数における各指標の標準偏差を算出した。
データ数１００点の場合を例に挙げると、対象路線は１０区間に分割され、各指標の標準偏差はそれぞれ１０個得られることになる．
データ数が３０点と１００点の場合について、アクスルアングルの標準偏差と操舵仕事の標準偏差の相関を図１５、図１６に示す。
各々のデータ数における路面の各形状の標準偏差と操舵仕事の標準偏差の相関を求めた結果、いずれの場合においてもデータ数が多くなるほど相関が高くなることが分かった。路面の各形状の標準偏差と操舵仕事の標準偏差との相関について、データ数と相関係数の関係を図１７に示す。
データ数を１００点以上とすることで、いずれの路面の形状においても操舵仕事との関係を見いだせる。
【００３２】
〔操舵の乱れを表す路面指標〕
前述したように、操舵仕事の標準偏差、つまり操舵の乱れと路面凹凸の標準偏差が高い相関関係にあることがわかり、操舵に影響を及ぼす路面凹凸の一つの物理量として、アクスルアングルを特定することができた。
アクスルアングルの標準偏差と操舵仕事の標準偏差の関係を示した図１８からもわかるように、アクスルアングルの標準偏差によって、操舵を乱しやすい路面を評価できる。
そこで、アクスルアングルを操舵を乱しやすい路面の物理量として提案し、１０ｃｍ毎にアクスルアングルを測定した評価対象路線において、各々の区間で求める標準偏差（(６)式）で表したものを「ワンダリング指数」と定義する。
【００３３】
【数６】
2006001481.tif 000008
【００３４】
ここで、ＷＩ：ワンダリング指数(ｄｅｇ)、ｘi：アクスルアングル(ｄｅｇ)、Ｎ：データ数。
縦断凹凸によって評価した平坦性が２次元的な路面の平滑さを表す指標とすれば、アクスルアングルによって評価するワンダリング指数(ＷＩ)は３次元的な路面の平滑さを表す指標である。
【００３５】
〔ワンダリング指数測定法の検討〕
ここまでの解析では、操舵の乱れに影響を及ぼす路面凹凸の物理量の一つとしてアクスルアングルを特定し、路面指標としてアクスルアングルの標準偏差を意味するワンダリング指数を提案した。しかし、ワンダリング指数を供用中の路線で求めるには、測定法に問題が残る。ワンダリング指数の測定にあたっては、精度よくデータを得るため、直線定規を使用して人力で行ったが、この人力測定は供用中の路線で迅速な測定を行うことは不可能である。そこで、機械的に精度よく測定可能な方法について検討する。
【００３６】
〈検討する測定方法〉
人力測定に代わり迅速な測定が可能な測定方法として、既存の測定機械も活用できる次の３つの機械的な方法を挙げ、検討を行った。
(ａ)縦断凹凸のみを測定する方法。
(ｂ)縦横断の凹凸を測定する方法。
(ｃ)直線定規の原理を車載する方法。
これら機械的な測定法を用いて、人力測定よる結果と同程度の測定精度が得られるか、実際に路面測定を行い、人力測定で得られる測定結果と比較した。測定結果の比較では、まず得られたデータから求めたアクスルアングルについて比較を行い、つぎにアクスルアングルから求めたワンダリング指数について行った。さらに、直線定規の原理を車載する方法では、アクスルアングルの算出に用いる２点勾配データについても人力測定の結果と比較した。
【００３７】
〈縦断凹凸データのみを測定する方法〉
《概要》
車輪が接地する４点の相対的な高低差を求めるには、左右の車輪間距離を考慮した２測線分の縦断凹凸データがあれば可能である。そこで、先に述べた都内のモデル区間において、２測線について縦断凹凸データを測定し、そのデータを用いてアクスルアングルの算出を試みた。測定には市販の３ｍプロフィルメータを用い、測定線が隣り合う間隔は一般的な左右の車輪間距離を考慮した。図１９に示す左右の車輪が接地する２測線の縦断凹凸データから、４輪が接地する位置にあたる縦断凹凸データを使い、(７)式よりアクスルアングルを求めた。
【００３８】
【数７】
2006001481.tif 000009
【００３９】
ここで、ＡＡ：アクスルアングル、Ｗ：左右車輪接地幅(ｍｍ)、ＨLR：左後縦断凹凸量(ｍｍ)、ｈLF：左前縦断凹凸量(ｍｍ)、ｈRR：右後縦断凹凸量(ｍｍ)、ｈRF：右前縦断凹凸量(ｍｍ)。
【００４０】
《測定結果の比較》
以上の手法を用い求めた結果と人力測定による測定結果を図２０に示す。
人力測定によって得られるアクスルアングルは、絶対的な勾配という路面の形状から４点の相対的な関係を求めたものであり、２測線分の縦断凹凸データから算出したアクスルアングルは、３ｍプロフィルメータによって得られる相対的な縦断凹凸データから相対的な４点の関係を求めたものである。両者のデータは性質が異なるにも関わらず、両者のデータを用いて算出したアクスルアングルは非常に似通った波形を表している。
このときの両者の相関は図２１に示すとおりで、相関係数は０．８１であるが、縦断凹凸データのみを測定する方法により得られるデータは、路面の状態をよくとらえていると考えられる。
相関係数については、両データの持つ性質が異なることと併せて、それぞれの測定における測点が完全に一致しないことにより、若干低く現れたものと考えられる。
それぞれのデータを使って算出したアクスルアングルからワンダリング指数を求めた結果、両者の相関は図２２に示すとおりで、相関係数も０．９７と高く、縦断凹凸データのみを測定することで、操舵を乱す影響を与える路面を推定できるものと言える。
【００４１】
〈縦横断の凹凸を測定する方法〉
《概要》
縦横断の凹凸データを用いる場合には、基準となる１つの測線の縦断についての凹凸データと、その縦断データの測定点を１点とする横断の凹凸データが必要となる。このとき横断のデータには、縦断凹凸の測定点を１つの端点とする任意の２点間における横断方向の勾配のデータが必要となる。これらの縦断凹凸データ、横断凹凸データ、２点間の勾配データを組み合わせて、まず図２３に示すように基準となる縦断凹凸データ以外の測線について縦断凹凸データを推定する。
つぎに基準とする測定線の縦断凹凸データと推定した測定線の縦断凹凸データを用いて、図２４に示す４輪が接地する位置にあたるデータを使い、アクスルアングルを求める。
基準とする縦断凹凸の測定は、わだち掘れの底部にあわせた測定線について行い、３ｍプロフィルメータを用いてデータを記録した。
横断の凹凸データの測定では、縦断の凹凸データの各測定点で縦断凹凸の測定線と直交するように直線定規を設置し、直線定規から路面までの距離をデジタルデプス計で、直線定規の勾配をデジタル傾斜計で読み取った。
記録した縦横断のデータを演算処理して複合し、基準とする測定線から車輪間隔だけ離れた測定線の縦断凹凸を推定した。この推定した縦断凹凸データと基準とした測定線の縦断凹凸データを用い、以下縦断凹凸データを用いる方法と同じ手法でアクスルアングルを求めた。
【００４２】
《測定結果の比較》
以上の手法を用い求めた結果と人力測定による測定結果を図２５に示す。
アクスルアングルを求める際に用いる元のデータは、人力測定では絶対的な勾配データであり、縦横断の凹凸データを用いる方法では、相対的な路面凹凸を表す縦断凹凸データと絶対的な路面凹凸を表す横断データである。このように両データの性質は異なるものであるが、両者のデータを用いて算出したアクスルアングルは非常に似通った波形を表している。
このときの両者の相関は図２６に示すとおりで、相関係数は０．８２であるが、縦横断の凹凸データを用いる方法は、路面の状態をよくとらえるものであると言える。相関係数が若干低く現れた点については、２測線の縦断凹凸データを用いる方法の場合と同様の理由が考えられる。
それぞれのデータを使って算出したアクスルアングルからワンダリング指数を求めた結果、両者の相関は図２７に示すとおりで、相関係数も０．９８と高く、縦横断の凹凸データを用いる方法によって、操舵を乱す影響を与える路面を十分推定できるものと言える。
【００４３】
〈直線定規の原理を車載する方法〉
《概要》
直線定規の原理を車両に搭載する方法では、車両本体を直線定規と見なして、直線定規の勾配にあたる車体のロール角と車体から左右の車輪が接地する路面までの２点の距離を測定する。
車両は操舵仕事の評価に用いた実験車を使用した。図２８に示すように、車体のロール角は車両の重心付近に取り付けた慣性測定装置で測定し、路面までの距離は左右前輪のそれぞれ前方に取り付けた２基のレーザー変位計で測定した。
測定結果から、左右の車輪が接地する横断方向の２点の勾配を前後輪について(８)式より求めた。
【００４４】
【数８】
2006001481.tif 000010
【００４５】
ここで、Θ2：左右の車輪が接地する２点の勾配(ｄｅｇ)、θ2：車両のロール角(ｄｅｇ)、Ｗ：左右車輪接地点間の距離(ｍｍ)、ｈL：車体から左側車輪が接地する路面までの距離(ｍｍ)、ｈR：車体から右側車輪が接地する路面までの距離(ｍｍ)。
この方法による測定データが、外乱や操舵で生じるロールなど車両挙動から影響を受けることが危惧される。しかし、左右の車輪が接地する２点の勾配を直線定規による方法と、同一車両を用いて５回繰り返し計測を行ったこの方法とで比較した結果、相関係数はいずれも０．９５以上と高い結果を示した。このことから車両挙動が測定値へ与える影響はほとんどないと判断される。
アクスルアングルを求めるために(８)式より求めた結果を用いて、(９)式より前輪が接地する横断方向の２点の勾配から後輪が接地する横断方向の２点の勾配の差を求めた。このとき、アクスルアングルの符号は、進行方向に対する右下がりの勾配変化を正とした。
【００４６】
【数９】
2006001481.tif 000011
【００４７】
ここで、Θ2F：前輪が接地する２点の勾配(ｄｅｇ)、Θ2R：後輪が接地する２点の勾配(ｄｅｇ)。
【００４８】
〈測定結果の比較〉
２測線の縦断凹凸データを用いる方法および縦横断の凹凸データを用いる方法で得られる路面データは、人力測定で測定するデータと性質が異なることは既に説明した。しかし、直線定規の原理を車載する方法では、得られる路面データの性質は人力測定のそれと全く同じである。
そこで、アクスルアングルデータによる両者の比較をする前に、測定で得られた２点勾配データで両者の比較を行った。両者の測定結果を図２９に示す。
図２９からは、両者の波形が振幅だけでなく、波形の細かな周期もよく一致していることがうかがえる。
また、両者の相関図は図３０に示すとおりであり、相関係数も０．９７と高く、この方法による測定は人力測定を十分再現できるものと言える。
直線定規の原理を車載する方法により求めた結果と人力測定による測定結果を図３１に示す。
この方法による測定データは、人力測定により得られるデータを同質のものであるため、それらデータから求めたアクスルアングルは、先の２つの手法を用いた場合よりも非常によく一致している。
それぞれの測定において、測点が完全に一致しない測定上の性質を含んでいるため、両者の相関は図３２に示すとおり完全な一致は見られず、相関係数も０．９０であるが、この方法は路面の状態を非常によくとらえるものであると言える。
それぞれのデータより算出したアクスルアングルからワンダリング指数を求めた結果、両者の相関は図３３に示すとおりで、相関係数も０．９９と高く、直線定規の原理を車載する方法によって、高い精度で操舵を乱す影響を与える路面を推定できるものと言える。
【００４９】
〔ワンダリング指数測定システムの実用化〕
ワンダリング指数を求めるための測定法として３種類の測定法を提案し、いずれの方法も実路線において有用であるとの結果に至った。この３種類の測定法のうち２つの方法では、３ｍプロフィルメータや横断プロファイル測定機など既存の測定機器を利用する方法とした。これら既存の測定機器は、これまで様々な舗装工事や供用中の路線において実施されてきたが、現在はこれらに代わって、合理的に高速測定が可能な路面性状測定車を利用することが一般的となっている。
そこで、ワンダリング指数を測定するシステム（装置）を、路面測定車に適用する方法について提案し、供用中の路線において測定を実施して、所定のデータが得られることを確認する。
【００５０】
《採用する測定方法の検討》
縦断凹凸データのみを測定する方法を利用する場合、ワンダリング指数を求めるために必要なデータは、既存のシステムで得られる縦断凹凸データと追加するシステムで得られる縦断凹凸データである。しかし、それら２測線間の距離は、レーザー変位計が路面性状測定車に固定されているため、その取り付け位置に制限された１つの幅員に限定される。
縦横断の凹凸を測定する方法を利用する場合と、直線定規の原理を車載する方法を利用する場合は、路面勾配データを含めた横断の凹凸データが、ワンダリング指数を求めるために必要なデータとなる。これら２つの方法により得られる路面データは、実際の路面状況に近い状態の凹凸を、路面全体にわたって再現することが可能なものである。
供用中の路線では様々な車両が走行しているが、今回、代表的な車両タイプに限定して研究を進めてきた。しかし、ワンダリング指数は多くの車種に対応できなければ有用な指標であるとは言えず、１車種に限定したワンダリング指数しか得られない縦断凹凸データのみを測定する方法は、有効測定方法とは言い難い。それに対し、縦横断の凹凸を測定する方法や直線定規の原理を車載する方法では、一度の計測で多車種にわたる任意の幅員についてワンダリング指数が得られる有効な測定方法と言える。
【００５１】
〈演算処理法〉
測定後に行う演算処理について、図３４にその概要を示す。
既存の測定システムで得られる横断プロファイルは、横断勾配は考慮されておらず、測定データは、図３５に示すように横断プロファイルの両端を結んだ基準線が常に水平線と平行である。
そこで、図３６に示す追加した測定システムで車体の勾配と車体から路面までの距離を求め、路面性状測定車の左右の車輪が接地する２点（点Ａ、点Ｂ）での横断勾配を求める。
次にその勾配データを、横断プロファイル上の路面測定車の左右の車輪が接地する２点（点Ａ、点Ｂ）での勾配として付加し、横断プロファイルの勾配を修正する。修正した横断プロファイルデータを用いて、任意の２点間距離（点Ａ、点Ｃ）における勾配を求める（図３７）。
このとき、既存の測定システムと追加した測定システムで得られる双方のデータの測点は、エンコーダを供用することで、距離標データを完全に一致させることができる。
このようにして任意に設定した２点間の勾配データを求め、前輪と後輪が接地する位置にあたる勾配データの差をとり（図３８）、アクスルアングルを求める。
そして、求めたアクスルアングルデータから、１０ｃｍごと（データ点数１００点）に標準偏差を算出し、ワンダリング指数を得る。
【００５２】
〈路面性状測定車によるワンダリング指数の実例〉
(ａ)ワンダリング指数の実測例１
神奈川県内の一般国道（Ａ）において、計測機器を追加した路面性状測定車で測定した２５０ｍ分の路面データをもとに、求めたワンダリング指数の実測例を図３９に示す。
測定を実施した２５０ｍ区間は、交通量区分がＤ交通、最大わだち掘れ量が約２５ｍｍ、夜間も大型車の往来が激しい路線の一部（直線区間）であった。
図３９に示したワンダリング指数（ＷＩ）は、モデル車両（トレッド：１５００ｍｍ、ホイールベース：２６００ｍｍ）の左側車輪を左側のわだち掘れに合わせた場合の演算結果である。
実測結果からは、１２０ｍ〜１３０ｍ区間でワンダリング指数の値が他と比べて突出していることがうかがえる。
なお、この区間は交通量区分がＤ交通であることからもわかるとおり、交通量が非常に多く、操舵仕事の測定は非常に危険が伴うため実施していない。しかし、モデル区間で行った走行実験の結果から、路面凹凸と操舵仕事の間には密接な関係が見られるため、同区間における操舵は大きく乱されやすいものと推定できる。
【００５３】
(ｂ)ワンダリング指数の実測例２−１、２−２
神奈川県内の一般道（Ｂ）において、計測機器を追加した路面性状測定車を用い測定した２５０ｍ分の路面データをもとに、求めたワンダリング指数の実測例を示す。なお、同箇所において路面測定後、実験用車両を用いて行った操舵仕事の測定結果を併せて図４０、図４１に示す。
この路線では路面性状測定車で測定を行った後、操舵仕事の測定の際に用いた実験用車両で操舵仕事の測定も行った。
いずれの結果も、ほぼモデル区間で得られたデータを使って解析した時の結果と同様のことが言える。
【００５４】
あらためて、もう一度説明する。
まず、車両の左側後輪、右側後輪、左側前輪、右側前輪の、例えば、左側後輪が通過する基準線１１を、例えば、図４２に示すように、わだち掘れの最深部に設定する。
次に、車両の左側後輪が位置する基準線１１上の１点を、図４２に示すように、基準点１２として設定する。
さらに、基準点１２から横断方向へ基準線１１と直角に左右の車輪間距離分だけ離した位置に第２点１３を、図４２に示すように、設定する。
そして、基準点１２と第２点１３を結んだ線分を、図４２に示すように、基準車軸（後車軸）１４として設定する。
【００５５】
次に、基準車軸１４から長手方向（進行方向）へ基準線１１に沿って前後の車輪間距離分だけ離した位置に第２車軸（前車軸）１５となる２点１６，１７を、図４３に示すように、設定する。
このように基準車軸１４と第２車軸１５を形成する、車輪が路面と接する代表的な４点を設定する。
そして、車輪が路面と接する代表的な４点を路面データから抽出し、演算により、図４４に示す基準車軸１４と第２車軸１５がなす角度θを求める。
【００５６】
ここで、車輪が路面と接する代表的な４点の路面データを、図４５に示す横断プロファイルから選択した場合、基準車軸１４が水平線となす角度φは、(１０)式で求めることができる。
【００５７】
【数１０】
2006001481.tif 000012
【００５８】
また、第２車軸１５が水平線となす角度φ′は、(１１)式で求めることができる。
【００５９】
【数１１】
2006001481.tif 000013
【００６０】
したがって、図４４に示す基準車軸１４と第２車軸１５がなす角度θは、(１２)式で求めることができる。
【００６１】
【数１２】
2006001481.tif 000014
【００６２】
次に、図４６に示す車輪間距離幅を考慮した２測線の横断プロファイルから４点を選択した場合、図４４に示す基準車軸１４と第２車軸１５がなす角度θは、(１３)式で求めることができる。
【００６３】
【数１３】
2006001481.tif 000015
【００６４】
また、図４７に示す３次元路面データ（メッシュデータ）から４点を選択した場合、図４４に示す基準車軸１４と第２車軸１５がなす角度θは、(１４)式で求めることができる。
【００６５】
【数１４】
2006001481.tif 000016
【００６６】
供用中の路線（１００ｍ区間）で、従来の方法で縦断凹凸を測定した結果を図４８に示すとともに、この発明の２つの車軸のなす角度を測定した結果を図４９に示す。
この図４８と図４９からわかるように、０ｍ〜２０ｍの間はどちらも変動が大きく、路面の損傷の激しさがうかがえ、また、８０ｍ〜１００ｍの間は、従来法の方の変動が小さく、この発明の方法の変動が大きく、上下の変位とらえるだけでは路面の立体的なうねりをとらえることができないことを示している。
したがって、この発明によれば、道路の長手方向について連続する基準車軸１４と第２車軸１５がなす角度θを求めることで、車軸が３次元的にどのように連続的に動くかをとらえることができ、断面的な視点から行っていた従来の路面評価とは異なる複合的な路面評価ができるので、道路管理に利用することができる。
【００６７】
次に、路面形状測定装置について説明する。
路面形状測定装置２１は、路面形状を正確にとらえるために用いるもので、図５０（ａ），（ｂ）に示すように、直線定規２２と、この直線定規２２の勾配を計測する勾配計２３と、直線定規２２に車輪が接地する間隔で設けられた２つの変位計２４と、この２つの変位計２４および勾配計２３からのデータを記録するとともに、各データに基づいて所定の演算を行うデータ記録演算装置２５で構成されている。
この路面形状測定装置２１で路面形状を測定する場合は、直線定規２２の長手方向と車線の長方向が直交するように路面形状測定装置２１を設置し、その位置での直線定規２２の勾配を勾配計２３で測定し、車輪が接地する２点について直線定規２２から路面までの距離を２つの変位計２４で測定する。
このようにして測定したデータは、データ記録演算装置２５内で図５１に示す車両の左右の車輪が接地する２点で形成される、水平線に対する路面勾配αを求めるデータとして利用され、路面勾配αとともにデータ記録演算装置２５に記録される。
【００６８】
次に、操舵挙動測定装置について説明する。
操舵挙動測定装置３１は、操舵挙動をとらえるために用いるもので、図５２に示すように、ステアリングホイールとステアリングシャフトの間に配置される操舵角力計３２と、この操舵角力計３２からの操舵角データと操舵力データを増幅する増幅器３３と、この増幅器３３からの操舵角データと操舵力データを記録するデータ記録演算装置３４で構成されている。
【００６９】
次に、車両挙動測定動装置について説明する。
車両挙動測定動装置４１は、車両挙動をとらえるために用いるもので、図５３に示すように、３軸方向の並進運動および３軸周りの回転運動の６自由度を測定する、車両の重心付近に設置した慣性測定装置４２と、この慣性測定装置４２からの各データに基づいて所定の演算を行うとともに、演算結果を含む各データを増幅する演算増幅器４３と、この演算増幅器４３からの各データに基づいて所定の演算を行うとともに、演算結果を含む各データを記録するデータ記録演算装置４４で構成されている。
【００７０】
次に、演算処理について説明する。
横断凹凸データから抽出した、図５４に示す車輪が接地する２点（ＰL，ＰR）のデータについて、(１０)式および(１１)式に示すように、その２点を結ぶ線分が水平線となす角度を求める。
そして、(１２)式、図４４および図４５に示すように、後輪が接地する２点を結ぶ線分が水平線となす角度と、前輪が接地する２点を結ぶ線分が水平線となす角度を演算処理によって求め、路面データを定量化する。
また、(４)式で表される操舵仕事を求め、測定した操舵角と操舵力データから、演算処理によって測定点毎の操舵仕事量を求め、操舵データを定量化する。
【００７１】
そして、評価対象路線を数ｍ〜数十ｍ程度の均等な区間、例えば、１０ｍ毎に分割し、定量化したそれぞれの結果を、その分割した区間毎に標準偏差で解析すると、図５５に示すように、操舵が路面凹凸によって影響を受けている関係が見られ、また、図５６に示すように、路面凹凸がロール挙動に強く影響を与えている関係が見られる。
以上のことから、路面形状を測定できる装置によって得られた２次元的な路面データを組合せ、あるいは３次元的な路面データから車両の車輪通過位置のデータを抽出し、ハンドル操作などの車両挙動に影響を及ぼす路面性状を解析することが可能である。
【００７２】
図１７に示すように、この発明の方法は、縦断面としてとらえた２次元的な路面データによる解析結果と比較した場合、路面凹凸と操舵の関係をより強く表すことが可能である。
【００７３】
路面形状データを車輪の接地位置で形成される路面形状に定量化する方法は、図４６に示す左右の車輪通過位置にあたる２測線の縦断凹凸データから、左右の車輪が接地する縦断凹凸データを抽出し、演算処理によって車輪の接地点が形成する路面形状の物理量を求める縦断凹凸データによる方法、横断データから車輪が接地する２点のデータを抽出し、その２点を結ぶ線分が水平線となす角を前輪と後輪について求め、後輪が接地する２点を結ぶ線分と前輪が接地する２点を結ぶ線分がなす角の差を求め、車輪の接地点が形成する路面形状の物理量を求める横断凹凸データによる方法、図４７に示すように、３次元路面データから車輪が接地する点の路面データを抽出し、そのデータを演算処理することによって車輪の接地点が形成する路面形状の物理量を求める３次元路面データによる方法がある。
この各方法を、人力測定データと路面の測定各データの解析結果を比較すると、それぞれ相関関係は、縦断凹凸データの場合で０．９７（図２２参照）、横断凹凸データの場合で０．９８（図２７参照）、３次元路面データの場合で０．９９（図３３参照）と高い結果が得られた。
【００７４】
このように、従来の路面の２次元的な縦断面や横断面による定量化では、路面とハンドル挙動、ロール挙動などとの関係を見出すことができなかったが、この発明によれば、車輪が接地する点で形成される路面形状を連続的にとらえ、標準偏差で解析することで可能である。これによって、道路管理の管理基準としてこれまで路面凹凸で解析ではなしえなかった、路面の安全性、快適性評価をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】縦断凹凸量の定義を説明するための図である。
【図２】縦断凹凸の測定結果を示す図である。
【図３】アクスルアングルの定義を説明するための図である。
【図４】２点勾配の測定概略図である。
【図５】アクスルアングルの測定結果を示す図である。
【図６】測定システムの概略図である。
【図７】操舵仕事の測定結果を示す図である。
【図８】操舵仕事と左側測定線の縦断凹凸の相関図である。
【図９】操舵仕事と右側測定線の縦断凹凸の相関図である。
【図１０】操舵仕事とアクスルアングルの縦断凹凸の相関図である。
【図１１】操舵仕事と左側測定線の縦断凹凸の相関図である。
【図１２】操舵仕事と右側測定線の縦断凹凸の相関図である。
【図１３】アクスルアングルと操舵仕事の波形を重ね合わせた相関図である。
【図１４】相関係数を示す図である。
【図１５】アクスルアングルの標準偏差と操舵仕事の標準偏差の相関図である。
【図１６】アクスルアングルの標準偏差と操舵仕事の標準偏差の相関図である。
【図１７】データ数と相関係数の関係を示す図である。
【図１８】アクスルアングルの標準偏差と操舵仕事の標準偏差の関係を示す図である。
【図１９】左右の車輪が接地する４点の縦断凹凸データの測定方法を示す図である。
【図２０】人力測定データとの波形比較を示す図である。
【図２１】人力測定によるアクスルアングルと縦断凹凸データによるアクスルアングルの相関図である。
【図２２】人力測定によるワンダリング指数と縦断凹凸データによるワンダリング指数の相関図である。
【図２３】基準となる縦断凹凸データ以外の測線について縦断凹凸データを推定する説明図である。
【図２４】基準とする測定線の縦断凹凸データと推定した測定線の縦断凹凸データを用いて４輪が接地する位置にあたるデータでアクスルアングルを求める説明図である。
【図２５】人力測定データとの波形比較を示す図である。
【図２６】人力測定によるアクスルアングルと縦横凹凸データによるアクスルアングルの相関図である。
【図２７】人力測定によるワンダリング指数と縦横凹凸データによるワンダリング指数の相関図である。
【図２８】測定機器を搭載した実験用車両の概略図である。
【図２９】人力測定による２点勾配データと縦断凹凸データによる２点勾配データの測定結果を示す図である。
【図３０】人力測定による２点勾配データと縦断凹凸データによる２点勾配データの相関図である。
【図３１】直線定規の原理で求めた結果と人力測定による測定結果を示す図である。
【図３２】人力測定によるアクスルアングルと車載式によるアクスルアングルの相関図である。
【図３３】人力測定によるワンダリング指数と車載式によるワンダリング指数の相関図である。
【図３４】演算システムの概略図である。
【図３５】既存の測定システムで得られる横断プロファイルを示す図である。
【図３６】路面性状測定車が設置する２点での横断勾配を示す図である。
【図３７】修正した横断プロファイルと任意の２点での勾配を示す図である。
【図３８】前輪と後輪が接地する位置での勾配を示す図である。
【図３９】ワンダリング指数の実測例１の結果を示す図である。
【図４０】ワンダリング指数の実測例２−１の結果と実験用車両を用いて行った操舵仕事の測定結果を示す図である。
【図４１】ワンダリング指数の実測例２−２の結果と実験用車両を用いて行った操舵仕事の測定結果を示す図である。
【図４２】基準線および第２点を設定する説明図である。
【図４３】第２車軸および第２車軸となる２点を設定する説明図である。
【図４４】前輪軸と後輪軸がなす角度の説明図である。
【図４５】横断プロファイルから４点を選択する説明図である。
【図４６】車輪間隔距離幅を考慮した２測線の横断プロファイルから４点を選択する説明図である。
【図４７】３次元路面データから４点を選択する説明図である。
【図４８】従来の方法で縦断凹凸を測定した結果を示す図である。
【図４９】２つの車軸がなす角度を測定した結果を示す図である。
【図５０】路面形状測定装置の概略構成図である。
【図５１】ワンダリング指数の実測例１の結果を示す図である。
【図５２】操舵挙動測定装置の概略構成図である。
【図５３】車両挙動測定装置の概略構成図である。
【図５４】車輪が接地する２点を結ぶ線分が水平線となす角度を求める説明図である。
【図５５】路面凹凸と操舵の関係を示す図である。
【図５６】路面凹凸とロール角速度の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１１  基準線
１２  基準点
１３  第２点
１４  基準車軸
１５  第２車軸
１６  点
１７  点
２１  路面形状測定装置
２２  直線定規
２３  勾配計
２４  変位計
２４  データ記録演算装置
３１  操舵挙動測定装置
３２  操舵角力計
３３  増幅器
３４  データ記録演算装置
４１  車両挙動測定装置
４２  慣性測定装置
４３  演算増幅器
４４  データ記録演算装置  
【図１】
2006001481.tif 000017
【図２】
2006001481.tif 000018
【図３】
2006001481.tif 000019
【図４】
2006001481.tif 000020
【図５】
2006001481.tif 000021
【図６】
2006001481.tif 000022
【図７】
2006001481.tif 000023
【図８】
2006001481.tif 000024
【図９】
2006001481.tif 000025
【図１０】
2006001481.tif 000026
【図１１】
2006001481.tif 000027
【図１２】
2006001481.tif 000028
【図１３】
2006001481.tif 000029
【図１４】
2006001481.tif 000030
【図１５】
2006001481.tif 000031
【図１６】
2006001481.tif 000032
【図１７】
2006001481.tif 000033
【図１８】
2006001481.tif 000034
【図１９】
2006001481.tif 000035
【図２０】
2006001481.tif 000036
【図２１】
2006001481.tif 000037
【図２２】
2006001481.tif 000038
【図２３】
2006001481.tif 000039
【図２４】
2006001481.tif 000040
【図２５】
2006001481.tif 000041
【図２６】
2006001481.tif 000042
【図２７】
2006001481.tif 000043
【図２８】
2006001481.tif 000044
【図２９】
2006001481.tif 000045
【図３０】
2006001481.tif 000046
【図３１】
2006001481.tif 000047
【図３２】
2006001481.tif 000048
【図３３】
2006001481.tif 000049
【図３４】
2006001481.tif 000050
【図３５】
2006001481.tif 000051
【図３６】
2006001481.tif 000052
【図３７】
2006001481.tif 000053
【図３８】
2006001481.tif 000054
【図３９】
2006001481.tif 000055
【図４０】
2006001481.tif 000056
【図４１】
2006001481.tif 000057
【図４２】
2006001481.tif 000058
【図４３】
2006001481.tif 000059
【図４４】
2006001481.tif 000060
【図４５】
2006001481.tif 000061
【図４６】
2006001481.tif 000062
【図４７】
2006001481.tif 000063
【図４８】
2006001481.tif 000064
【図４９】
2006001481.tif 000065
【図５０】
2006001481.tif 000066
【図５１】
2006001481.tif 000067
【図５２】
2006001481.tif 000068
【図５３】
2006001481.tif 000069
【図５４】
2006001481.tif 000070
【図５５】
2006001481.tif 000071
【図５６】
2006001481.tif 000072