(57)【要約】【課題】加速度センサを備えるＷＩＭセンサ、並びにＷＩＭセンサを使用してたわみ及び存在を測定する方法を提供すること。【解決手段】本発明は、ＷＩＭセンサは、道路表面部の道路セグメントに配置され且つ路面と同一平面であり、ＷＩＭセンサは、長手方向軸ＸＸ’に沿って延在し少なくとも１つの空間を有する細長いプロファイルとしておおよそ形成され、空間には少なくとも１つの力センサが配置され、力センサは、力センサ信号を生成し、力センサ信号は、横断車輪に対する動的な地面反作用力に対応し、少なくとも１つの加速度センサが、少なくとも１つの空間的方向において、ＷＩＭセンサが配置される道路セグメントの道路表面部の加速度を検出し、加速度センサは、前記加速度を加速度センサ信号として提供する、ＷＩＭシステムに関する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＩＭセンサ（２０）の上を車両（１０）の車輪（１１）が横断する間に道路セグメント（１）にかかる車両（１０）の荷重を検出するＷＩＭシステム（１９）であって、前記ＷＩＭセンサ（２０）は、路面（６）と同一平面の道路表面部（２）において前記道路セグメント（１）に配置され、前記ＷＩＭセンサ（２０）は、少なくとも１つの空間（２１、２２）を有する、長手方向軸（ＸＸ’）に沿った細長いプロファイル（２６）としておおよそ形成され、前記空間（２１、２２）には、少なくとも１つの力センサ（２３）が配置され、前記力センサ（２３）が、力センサ信号（１００）を生成し、前記力センサ信号（１００）は、前記横断車輪（１１）に対する動的な地面反作用力に対応する、ＷＩＭシステム（１９）において、少なくとも１つの加速度センサ（２９）が、少なくとも１つの空間的方向において、前記ＷＩＭセンサ（２０）が配置される前記道路セグメント（１）の前記道路表面部（２）の加速度を検出し、前記加速度センサ（２９）は、前記加速度を加速度センサ信号（１０２）として提供することを特徴とする、ＷＩＭシステム（１９）。
【請求項２】
前記加速度センサ（２９）が、前記空間（２１、２２）に配置される、又は前記加速度センサ（２９）が、高さ軸（ＺＺ’）に関して前記プロファイル（２６）の下に配置される、又は前記加速度センサ（２９）が、前記プロファイル（２６）の前記長手方向軸（ＸＸ’）に垂直な方向において前記プロファイル（２６）から間隔を空けて前記道路表面部（２）に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のＷＩＭシステム（１９）。
【請求項３】
前記加速度センサ（２９）が、横断車両（１０）の進行方向に感度を有し、前記加速度センサ（２９）が、前記路面（６）に垂直な軸（ＺＺ’）に沿った感度を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のＷＩＭシステム（１９）。
【請求項４】
前記加速度センサ（２９）が、Ａ／Ｄ変換器（２７）に電気的に接続され、前記Ａ／Ｄ変換器（２７）は、少なくとも１つの加速度センサ信号（１０２）を、前記Ａ／Ｄ変換器（２７）が提供するデジタル加速度センサ信号（１０３）へと変換し、少なくとも１つの力センサ（１００）が、Ａ／Ｄ変換器（２７）に電気的に接続され、前記Ａ／Ｄ変換器は、力センサ信号（１００）を、前記Ａ／Ｄ変換器が提供するデジタル力センサ信号（１０１）へと変換することを特徴とする、請求項３に記載のＷＩＭシステム（１９）。
【請求項５】
少なくとも１つの温度センサ（３０）が、前記道路セグメント（１）に配置され、前記温度センサ（３０）が、温度センサ信号（１０４）を提供し、前記温度センサ（３０）が、Ａ／Ｄ変換器（２７）に接続され、前記Ａ／Ｄ変換器（２７）が、前記温度センサ信号（１０４）を、前記Ａ／Ｄ変換器（２７）が提供するデジタル温度センサ信号（１０５）へと変換することを特徴とする、請求項４に記載のＷＩＭシステム（１９）。
【請求項６】
少なくとも１つのマイクロプロセッサ（３１）が、前記道路セグメント（１）に配置され、少なくとも１つの不揮発性メモリ素子（３２）が、前記道路セグメント（１）に配置され、少なくとも１つの関連付けられたデジタル力センサ信号（１０１）と１つの関連付けられたデジタル温度センサ信号（１０５）とを有する少なくとも１つのデジタル加速度センサ信号（１０２）が、前記マイクロプロセッサ（３１）において利用可能であり、少なくとも１つのアルゴリズムが、前記不揮発性メモリ素子（３２）に格納され、前記マイクロプロセッサ（３１）が、前記不揮発性メモリ素子（３２）から前記アルゴリズムをロードし、前記マイクロプロセッサ（３１）が、前記アルゴリズムを用いて前記デジタル加速度センサ信号（１０２）を評価し、前記マイクロプロセッサ（３１）が、前記アルゴリズムを用いて前記デジタル力センサ信号（１０１）を評価し、前記マイクロプロセッサ（３１）が、前記アルゴリズムを用いて前記デジタル温度センサ信号（１０５）を評価し、前記アルゴリズムが、前記補正力センサ信号（１０８）として前記評価を提供することを特徴とする、請求項５に記載のＷＩＭシステム（１９）。
【請求項７】
少なくとも１つの信号伝送素子（２８）が、前記プロファイル（２６）に、又はその中に配置され、前記信号伝送素子（２８）が、前記ＷＩＭセンサ（２０）の外部に位置付けられる受信機へと少なくとも１つの力センサ信号（１００）又は少なくとも１つのデジタル力センサ信号（１０１）を伝達し、前記受信機は、前記道路セグメント（１）に配置されるマイクロプロセッサ（３１）又は外部評価素子（３６）であり、前記伝達が、少なくとも１つの電気導体を用いて又は電磁波を用いてなされることを特徴とする、請求項６に記載のＷＩＭシステム（１９）。
【請求項８】
前記不揮発性メモリ素子（３２）が、カスタマイズ可能な時間間隔で、少なくとも１つの関連付けられたデジタル力センサ信号（１０１）及び少なくとも１つの関連付けられたデジタル温度センサ信号（１０４）、並びにタイム・スタンプ（１０６）と共に、少なくとも１つのデジタル加速度センサ信号（１０２）を格納し、タイム・スタンプ（１０６）が、前記デジタル加速度センサ信号（１０２）又は前記デジタル力センサ信号（１０１）の検出時刻を示すことを特徴とする、請求項６又は７に記載のＷＩＭシステム（１９）。
【請求項９】
電源（３４）が、前記道路セグメント（１）に配置され、前記電源（３４）が、前記道路セグメント（１）に配置される少なくとも１つの電子素子に電気エネルギーを供給し、電子素子が、以下の素子、すなわち力センサ（２３）、加速度センサ（２９）、温度センサ（３０）、Ａ／Ｄ変換器（２７）のうちの少なくとも１つであり、前記道路セグメント（１）に位置付けられる少なくとも１つの電子素子の前記電源（３４）が、前記マイクロプロセッサ（３１）の中のアルゴリズムによってオン若しくはオフにされるか又は抑制され、前記抑制により、前記道路セグメント（１）に配置される少なくとも１つの電子素子が、動作モードから低エネルギー・モードへと変更され、低エネルギー・モードにおいては、前記動作モードに比べて、前記電子素子が要求するエネルギーは少なくなり、前記電源（３４）が、前記電源（３４）がほぼ使い果たされたときに終了する給電期間にわたって電気エネルギーを提供し、電子素子の前記電源（３４）をオフにするか又は抑制することにより、前記給電期間が延長されることを特徴とする、請求項６から８までのいずれか一項に記載のＷＩＭシステム（１９）。
【請求項１０】
力が作用した際に前記空間（２１）に配置される圧電素子によって生成される電荷を利用し且つそれらを電源（３４）に提供する環境発電回路（３５）が前記道路セグメント（１）に配置されることを特徴とする、請求項９に記載のＷＩＭシステム（１９）。
【請求項１１】
前記同じ道路セグメント（１）に配置される、請求項６から１０までのいずれか一項に記載のＷＩＭセンサ（２０）の測定精度を向上させるために、同じ道路セグメント（１）に配置される加速度センサ（２９）のデジタル加速度センサ信号（１０３）を評価する方法であって、前記アルゴリズムが、少なくとも１つのデジタル加速度センサ信号（１０３）を使用することにより、前記加速度センサ信号（１０３）を時間について２回積分する形で、前記加速度センサ（２９）の位置での前記道路表面部（２）のたわみを計算し、前記たわみは、力の作用の下における、前記道路表面部（２）及び前記道路表面下部（３）の平衡位置からの可逆的な変位であり、前記アルゴリズムが、前記たわみをたわみ情報（１０９）として提供し、前記アルゴリズムが、数学的関数として前記たわみ情報（１０９）を提供し、前記数学的関数は、たわみパラメータ（１１０）と、変数としての時間とを含むことを特徴とする、方法。
【請求項１２】
前記アルゴリズムが、さらなる数学的関数に前記たわみパラメータ（１１０）を導入し、前記さらなる数学的関数が、前記デジタル力センサ信号（１０１）を変数として有し、前記アルゴリズムが、前記さらなる数学的関数を用いて補正デジタル力センサ信号（１０８）を与え、前記別の数学的関数が、前記補正力センサ信号（１０８）に対する前記道路表面部（２）及び前記道路表面下部（３）の前記たわみの前記効果を最小化することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アルゴリズムが、ユーザによって事前に決定された時間点において、前記関連付けられたデジタル力センサ信号（１０１）及び前記関連付けられたデジタル温度センサ信号（１０５）と共に、タイム・スタンプ（１０６）と一緒に、前記たわみ情報（１０９）を前記不揮発性メモリ素子（３２）又は前記外部評価素子（３６）に格納することを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記アルゴリズムが、格納されたたわみ情報（１０９）を前記不揮発性メモリ素子（３２）又は前記外部評価素子（３６）からロードし、前記たわみ情報（１０９）の時間的推移を提供し、前記アルゴリズムが、外挿を用いて、前記たわみ情報（１０９）が予め設定されたある値に到達することになる時間期間を計算し、前記アルゴリズムが、前記予め設定された値に到達することになるまでの前記時間期間を、前記道路セグメント（１）の次のメンテナンスまでの前記時間期間として与えることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記アルゴリズムが、少なくとも１つのデジタル加速度センサ信号（１０３）を前記加速度センサ（２９）上の車両（１０）の存在に関する少なくとも１つの固有シグネチャと比較し、固有シグネチャが、前記不揮発性メモリ素子（３２）に格納される、前記デジタル加速度センサ信号（１０３）の少なくとも１つの知られている既定の振幅であり、固有シグネチャが認められた場合、前記アルゴリズムが、正の存在情報（１０７）を生成し、正の存在情報（１０７）が、前記道路セグメント（１）上での車両（１０）の前記存在を示し、前記アルゴリズムが、前記正又は負の存在情報（１０７）に基づいて、電子素子の前記電源（３４）のオン、オフ、又は抑制を実施することを特徴とする、請求項１１から１４までのいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、道路の状態を分析し測定精度を高めるための少なくとも１つのＷＩＭセンサと少なくとも１つの加速度センサとを備えるＷＩＭシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
走行車両重量測定（簡潔にはＷＩＭ：Ｗｅｉｇｈ−ｉｎ−Ｍｏｔｉｏｎ）システムは、車両の全荷重又は軸重を決定するために、又はある道路セグメント上での車軸又は車両の横断数を決定するために、輸送分野において使用される。この目的において、ＷＩＭシステムは、少なくとも１つのＷＩＭセンサ及び少なくとも１つの評価素子から構成されるものに限定されない。道路セグメントとは、道路表面部と、道路表面下部並びに道路傍の区域とを備える道路を指す。検出された車両の数及び／又は軸重に基づいて、荷重超過による道路の損傷を防止し、使用量に依存した道路のメンテナンス間隔を決定し、車両の全荷重若しくは軸重又は車軸の数に応じて支払い額を決定し、また交通安全を向上させるためにとりわけ適当な対策が講じられ得る。
【０００３】
ＷＩＭセンサは、道路セグメントの道路表面部に、進行方向に対して縦方向に埋め込まれ、車両の走路は、いくつかのＷＩＭセンサに交差し、これらのいくつかのＷＩＭセンサは、１つのＷＩＭセンサが車両の車輪の走路にそれぞれ交差するように、進行方向において互いに隣り合って道路表面部に挿入され、ＷＩＭセンサは、その道路セグメントの道路表面部と同一平面である道路セグメントの表面に配置される。一般に、ＷＩＭセンサは細長い形で形成される。車輪の走路とは、車両が横切っていくときの、道路表面部での車両のある車輪の軌道を指す。走路とは、車両のすべての車輪の走路全体を意味する。また、車両の走路全体が単一の細長いＷＩＭセンサと交差する一実施例が知られている。
【０００４】
通常、ＷＩＭセンサには少なくとも１つの力センサが配置されて、車輪又は車軸の荷重を決定する。力センサは、たとえば横断している車輪の車輪荷重に起因する力の印加に際して、力センサ信号を出力する。
【０００５】
車輪の荷重の決定は、車輪が横断するときの動的な地面反作用力を少なくとも１つの力センサを用いて測定することによって、また車輪のスピードを測定することによってなされる。地面反作用力は、車輪によって地面に及ぼされる力に反対に作用する力を意味する。スピードは、通常、車輪の進行方向において間隔を空けられた２つのＷＩＭセンサ間の移動時間に基づいて計算される。
【０００６】
車輪の荷重の決定は、ＷＩＭセンサが挿入される道路表面部及び／又は道路表面下部の共振によってゆがめられる。したがって、道路表面部又は道路表面下部が柔らかいと、道路表面部又は道路表面下部の共振が強くなることになり、その結果、より硬い剛性の地中又は道路表面部に比べて、検出される力が小さくなることになる。これ以降、地中の共振はたわみと称されることになり、たわみは、道路表面部又は道路表面下部が静止位置からどれほど激しくたわんでいるかを示し、前記静止位置は、いかなる荷重も作用していない、道路表面下部又は道路表面部の位置である。
【０００７】
さらに、ＷＩＭシステムのコストも、ますます重要な役割を果たしている。メンテナンス間隔が可能な限り長くなることが求められ、また複数のＷＩＭシステムを相互接続する傾向の結果として、ＷＩＭセンサが可能な限り自律的に機能するようになることが求められている。
【０００８】
長手方向に中空プロファイルに配置される、簡潔に圧電素子と称される複数の圧電測定素子を備え、圧電素子が、信号処理ユニットに接続され、その結果、個々の圧電素子、又は並列の圧電素子群に電気的に接触することが可能であり、圧電素子が、力導入セグメント同士の間に配置される圧電ディスクから構成されるＷＩＭセンサが、米国特許第５２６５４８１（Ａ）号から知られている。中空プロファイルには、圧電素子に横方向に隣り合って前置増幅器などの電子的構成要素が配置され、電子的構成要素は、圧電素子又は圧電素子群に接触する。これにより、前置増幅器を用いて、関連付けられた１つ又は複数の圧電素子の局所的な測定感度を、ＷＩＭセンサが配置されている環境に適応させることが可能になる。較正とも称されるこの適応により、ＷＩＭセンサが配置されることになる環境を考慮していない生産後の較正と比べて、ＷＩＭセンサの測定精度が向上する。
【０００９】
しかし、欠点の１つに、この較正は較正車両（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｖｅｈｉｃｌｅ）によってなされるものであり、元の測定精度を取り戻すために、定期的な間隔で繰り返されなければならないということがある。
【００１０】
実際の動作では、たとえば経時変化、摩耗、又は道路表面部若しくは道路表面下部の温度変化によって通常動作で発生する道路表面部及び道路表面下部のたわみの変化により、ＷＩＭセンサの測定精度は連続的に低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５２６５４８１（Ａ）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の第１の目的は、道路セグメントの道路表面部のたわみを分析することにより、道路セグメントの道路表面部の状態を評価することである。別の目的は、道路表面部のたわみを分析することにより、ＷＩＭシステムの精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これらの目的のうちの少なくとも１つは、独立請求項に記載の特徴によって達成される。
【００１４】
本発明は、ＷＩＭセンサの上を車両の車輪が通過する間に道路セグメントにかかる車両の車輪荷重を決定するＷＩＭシステムであって、ＷＩＭセンサは、道路の表面と同一平面の道路表面部に挿入されて道路セグメントに配置され、ＷＩＭセンサは、長手方向軸に沿って延在し少なくとも１つの空間を備える細長いプロファイルとしておおよそ形成され、空間内には少なくとも１つの力センサが配置され、力センサは、力センサ信号を生成し、力センサ信号は、横断車輪に対する動的な地面反作用力に対応し、少なくとも１つの加速度センサが、少なくとも１つの空間的方向において、ＷＩＭセンサが配置される道路セグメントの道路表面部の加速度を検出し、加速度センサは、加速度を加速度センサ信号として提供する、ＷＩＭシステムに関する。
【００１５】
荷重とは、ある物体によって地中に及ぼされる重量の力（簡潔には力）である。したがって、車輪荷重とは、車両のある車輪によって道路に及ぼされる力であり、軸重とは、車両のある車軸のすべての車輪によって道路に及ぼされる力である。
【００１６】
地面反作用力、したがって車輪の荷重（簡潔には車輪荷重）の決定は、道路セグメントに配置されるＷＩＭセンサの近傍の道路表面部のたわみ、及びこのＷＩＭセンサの下の道路表面下部のたわみに依存する。たわみとは、力の作用の下での、物体の平衡位置からの可逆的な変位を指す。たわみ挙動は、物体に作用する力に対する、その物体のたわみを説明する。また、同じ力が作用したときでも、たとえば道路表面部及び道路表面下部の経時変化又は摩耗により、道路表面部及び道路表面下部がたわむ量は変わる場合がある。したがって、道路表面部及び道路表面下部のたわみの変化は、測定精度に直接的に影響を与える。下記では、測定精度とは、ＷＩＭセンサの圧電測定素子の上を進む車両の車輪によって及ぼされる力の測定の精度を指す。
【００１７】
進行方向に沿って道路セグメント上を進行する車両の車輪は、その車輪荷重に起因して道路セグメントの動的たわみを生じさせ、このたわみは、圧力波の形をとって道路セグメントを伝搬する。この点に関して、正の進行方向とは、車輪の進行方向である。さらに、運動している車輪の前方で、道路表面部に対して垂直に延びる正の高さ方向に、路面のたわみが生じる。この点に関して、正の高さ方向とは、路面から車両に向かう方向である。車輪が路面に接触する箇所では、負の高さ方向での路面のたわみが存在する。
【００１８】
路面を横切る車輪の動的運動により、道路表面部及び道路表面下部の加速を伴う動的たわみが生じる。進行方向と高さ方向両方の加速度が生じる。
【００１９】
動的たわみにより、車輪の進行方向の加速度成分を有する圧力波が、道路表面部で伝搬する。
【００２０】
道路表面部のあらゆる加速は、道路表面部に挿入されるＷＩＭセンサ又は加速度センサなど、道路表面部に導入される素子にも影響を及ぼすことを理解されたい。有利にはＷＩＭセンサ又は道路セグメントに配置される加速度センサは、この加速度を検出し、それを高さ方向の加速度センサ信号並びに進行方向の加速度センサ信号として提供する。
【００２１】
加速度センサ信号はマイクロプロセッサにおいて評価され、たわみパラメータが計算される。これらのたわみパラメータは、少なくとも１つの力センサ信号を較正するために利用され、その結果、地中のたわみは、測定結果に対する効果をもたない。
【００２２】
さらに、たわみパラメータは格納され、パラメータの時間的推移が、定められた時間期間にわたって評価される。このようにして、摩耗、経時変化に関連するたわみ挙動の変化が検出され得、道路セグメントのメンテナンスが開始され得る。
【００２３】
下記では、本発明は各図を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】道路セグメントに配置されたＷＩＭセンサを備える、道路セグメントの概略部分図である。
【図２】車両の車輪及びＷＩＭセンサを備える、好ましい一実施例における道路セグメントの一部の概略断面図である。
【図３】ＷＩＭセンサの一部の好ましい一実施例の概略断面図である。
【図４】ＷＩＭセンサの一部の好ましい一実施例の別の概略断面図である。
【図５】車輪が横断するときの、時間との関係における高さ方向の加速度信号の概略図である。
【図６】図５の加速度センサ信号から計算されるたわみ信号の概略図である。
【図７】理解しやすいように、ＷＩＭセンサの個々の構成要素も概略的に図に示されている、好ましい一実施例におけるＷＩＭセンサの信号の概略図である。
【図８】電源を備える、ＷＩＭセンサの一部の別の実施例の概略断面図である。
【図９】車両の車輪、加速度センサ及びＷＩＭセンサを有する、さらなる好ましい一実施例における道路セグメントの一部を示す図である。
【図１０】車両の車輪、加速度センサ及びＷＩＭセンサを有する、さらなる好ましい一実施例における道路セグメントの一部を示す図である。
【図１１】環境発電回路を有する、ＷＩＭセンサの一部の別の実施例の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、車両１０の車輪荷重を決定するＷＩＭシステム１９の好ましい実施例を備える道路セグメント１を示す。有利には、示されている実施例では、道路に隣り合ってハウジング９が存在する。
【００２６】
好ましい一実施例では、ＷＩＭシステム１９は、車輪の走路上の道路セグメント１の少なくとも２つのＷＩＭセンサ２０と、車輪の走路上の少なくとも１つの加速度センサ２９と、少なくとも１つのマイクロプロセッサ３１と、少なくとも１つの不揮発性メモリ素子３２と、少なくとも１つの外部評価素子３６とから構成される装置を意味することを意図されている。
【００２７】
好ましい一実施例では、外部評価素子３６は、以下の位置、すなわちハウジング９の中、又は道路セグメント１の外側の任意の位置のうちの一方に配置される。
【００２８】
図２は、ＷＩＭセンサ２０が配置された、好ましい一実施例の道路セグメント１の断面図を示す。道路セグメント１の道路は簡略化して示されており、道路表面部２及び道路表面下部３から構成される。ＷＩＭセンサ２０は、路面６と同一平面になるように道路セグメント１に配置される。
【００２９】
図１及び図４に示されるように、ＷＩＭセンサ２０は、１つ又は複数の空間２１、２２を備える細長いプロファイル２６として形成される。空間２１、２２とは、プロファイル２６によって部分的に又は全体的に囲まれ、プロファイル２６の長手方向軸ＹＹ’の全体又は一部にわたって延在する区域を意味する。さらに、空間２２は、図３に示されるプロファイル２６に隣り合って、又はその下に配置されてもよく、図４に示されるように、長手方向軸ＹＹ’に関するプロファイル２６の端部に隣接していてもよい。
【００３０】
図３及び図４に示されるように、空間２１には、力センサ信号１００を受信及び提供する少なくとも１つの力センサ２３が配置されて、車輪荷重又は軸重を決定する。
【００３１】
下記では、信号の提供とは、提供される信号が、さらなる使用のために利用可能であることを意味すると理解されたい。したがって、提供することは、電子メモリに信号を格納し、そのメモリから信号を取り出すことも含む。提供することは、表示装置に信号を表示することも含む。
【００３２】
好ましい一実施例では、力センサ２３は、電極を有する少なくとも１つの圧電測定素子と少なくとも１つの電荷増幅器とから構成され、圧電測定素子は、力が印加されるとき電荷を生成し、電荷は、電極を用いて電荷増幅器において利用可能になっており、電荷増幅器は、電荷を力センサ信号１００へと変換し、力センサ信号１００は、電気信号、好ましくは電圧である。
【００３３】
当業者は、歪みゲージ若しくは圧電抵抗測定素子、又は力の作用の下でその力に対応する信号を生成し且つこの信号を力センサ信号１００として出力する電気増幅器若しくは同様の電気回路を備えるか若しくは備えない異なる測定素子など、力センサ２３の異なる実施例も選択することができることを理解されたい。
【００３４】
有利な一実施例では、力センサ２３は、路面６にほぼ垂直であり高さ軸ＺＺ’にほぼ平行な感度を有する。
【００３５】
図７は、本発明の理解において重要なＷＩＭシステムの構成要素と共に、ＷＩＭシステム１９の信号の概略図を示す。
【００３６】
有利には、図４に示されるように、少なくとも１つの加速度センサ２９が道路セグメント１に配置され、加速度センサ２９は、ある空間的方向における加速度を検出し、それらを加速度センサ信号１０２として提供する。
【００３７】
図４に示されるように、好ましい一実施例では、加速度センサは空間２１、２２に配置される。
【００３８】
別の好ましい実施例では、図９に示されるように、少なくとも１つの加速度センサ２９は、プロファイル２６の長手方向軸ＸＸ’に垂直な方向においてプロファイル２６から間隔を空け、路面６と同一平面に位置して道路表面部２に配置される。
【００３９】
さらなる好ましい一実施例では、図１０に示されるように、少なくとも１つの加速度センサ２９は、高さ軸ＺＺ’に関してプロファイル２６の下に配置される。
【００４０】
軸ＹＹ、並びにＹＹに沿ったＹ方向は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向が直交する系を形成するということから与えられる。
【００４１】
好ましい一実施例では、簡潔に電子素子と称される電気構成要素及び電子構成要素が道路セグメント１に配置され、力センサ信号１００をデジタル力センサ信号１０１に変換し且つこの信号を提供する電子素子が、道路セグメント１に少なくとも配置され、有利には、少なくとも１つの加速度センサ信号１０２をデジタル加速度センサ信号１０３に変換し且つさらなる使用のためにこの信号を提供する電子素子が、道路セグメント１に少なくとも配置される。
【００４２】
好ましい一実施例では、電子素子の非包括的なリストには、以下の素子、すなわち力センサ２３、加速度センサ２９、温度センサ３０、Ａ／Ｄ変換器２７、信号伝送素子２８のうちの少なくとも１つが含まれる。
【００４３】
好ましい一実施例では、少なくとも１つのＡ／Ｄ変換器２７が、以下の位置、すなわち空間２１、２２、又はハウジング９のうちの一方に配置される。
【００４４】
機能の異なる電子素子が、たとえば特定用途向け集積回路、又は簡潔にはＡＳＩＣなどの、単一の電子的構成要素の形をとって存在してもよいことを理解されたい。さらに、同様の機能をもつ複数の電子素子も、単一の電子的構成要素の形をとって存在してもよい。
【００４５】
有利には、図４及び図７及び図８に示されるように、温度を検出し、それを温度センサ信号１０４として提供する少なくとも１つの温度センサ３０が、道路セグメント１に配置される。好ましい一実施例では、温度センサは、道路表面部２又は空間２１、２２に配置され、前者の位置決めは、図中には表されていない。
【００４６】
追加的に、有利には、図７に示されるように、少なくとも１つの温度センサ信号１０４をデジタル温度センサ信号１０５に変換し、この信号を提供する少なくとも１つのＡ／Ｄ変換器２７が、道路セグメントに配置される。
【００４７】
好ましい一実施例では、少なくとも２つの加速度センサ２９、２９’が道路セグメント１に配置され、好ましい一実施例に基づいて図４及び図８に示されるように、第１の加速度センサ２９は、軸ＸＸ’に沿ったＸ方向とも称される、横断している車輪１１の進行方向での加速度を検出し、第２の加速度センサ２９’は、軸ＺＺ’に沿ったＺ方向とも称される、高さ方向での加速度を検出する。加速度センサ信号１０２は、それぞれＸ方向のデジタル加速度センサ信号１０３、及びＺ方向のデジタル加速度センサ信号１０３として提供される。
【００４８】
車両１０が道路セグメント１の上を進むとき、横断している車輪１１の車輪荷重により、図２において変形４、５として表現されている、道路表面部２及び道路表面下部３の動的たわみが生じる。この動的たわみは、加速度として測定され得る。
【００４９】
図５は、車輪１１の横断中の道路表面部２のＺ方向の加速度の、時間との関連における典型的な加速度センサ信号１０２を示す。
【００５０】
好ましい一実施例では、図７に示されるように、少なくとも１つのマイクロプロセッサ３１及び少なくとも１つの不揮発性メモリ素子３２が、道路セグメント１に配置される。
【００５１】
好ましい一実施例では、マイクロプロセッサは、以下の位置、すなわち空間２１、２２又はハウジング９のうちの一方に配置される。
【００５２】
有利には、デジタル加速度センサ信号１０３は、少なくとも１つの関連付けられたデジタル力センサ信号１０１及び少なくとも１つの関連付けられたデジタル温度センサ信号１０５と共に、マイクロプロセッサ３１において記録及び評価される。デジタル加速度センサ信号１０３は、あるデジタル力センサ信号１０１が同じ車輪１１によって生成されていた場合、そのデジタル力センサ信号１０１に関連付けられる。デジタル温度センサ信号１０５は、そのデジタル温度センサ信号１０５があるデジタル力センサ信号１０１の検出から１分以内に検出された場合、そのデジタル力センサ信号１０１に関連付けられる。図７に示されるように、デジタル加速度センサ信号１０３とデジタル力センサ信号１０１との関連付け、及びデジタル温度センサ信号１０５とデジタル力センサ信号１０１との関連付けは、アルゴリズムによって決定される。
【００５３】
少なくとも１つのデジタル加速度センサ信号１０３は、アルゴリズムを用いて評価される。
【００５４】
少なくとも１つのアルゴリズムが不揮発性メモリ素子３２に格納され、このアルゴリズムは、マイクロプロセッサ３１へとロードされる。
【００５５】
アルゴリズムは、Ｚ方向のデジタル加速度センサ信号１０３及びＸ方向のデジタル加速度センサ信号１０３を、加速度センサ２９、２９’の近くの横断車輪１１の存在に関する少なくとも１つの固有シグネチャと比較し、そこから存在情報１０７を生成する。固有シグネチャは、不揮発性メモリ素子３２に格納される、デジタル加速度センサ信号１０３の少なくとも１つの知られており且つ予め定められた振幅である。固有シグネチャは、マイクロプロセッサ３１へとロードされる。ロードされた固有シグネチャをデジタル加速度センサ信号１０３と比較するアルゴリズムが合致を認めた場合、加速度センサ２９、２９’の上に車輪１１が存在することが検出され、アルゴリズムは正の存在情報１０７を与える。合致がない、又は合致しなくなった場合、アルゴリズムは負の存在情報１０７を与える。
【００５６】
別のアルゴリズムは、Ｚ方向のデジタル加速度センサ信号１０３から道路表面部２のたわみを計算し、それをたわみ情報１０９として提供する。この点に関して、道路表面部２のたわみとは、正のＺ方向又は負のＺ方向の加速度が発生した時間で２回積分したデジタル加速度センサ信号１０３である。時間との関係における道路表面部２の典型的なたわみが、図６に示されている。たわみ情報１０９は、時間を変数としてもつ数学的関数であり、この数学的関数は、少なくとも、時間を変数としてもち、変数の累乗ごとに１つの係数を有する有限次数の多項式（たとえばテイラー多項式）として表現され得る。アルゴリズムは、たわみ情報１０９の多項式に、たわみパラメータ１１０として係数を与える。たわみパラメータ１１０は、アルゴリズムによって提供される。
【００５７】
当業者は、数学的関数とは異なるたわみ情報１０９の表現も選択し得ることを理解されたい。当業者は、数学的関数に関数の数学的パラメータとして導入されるたわみパラメータ１１０を関数ごとに決定し、変数（時間）を用いてたわみ情報１０９を提供することができる。
【００５８】
たわみパラメータ１１０は、アルゴリズムを用いて、デジタル力センサ信号１０１を変数としてもち且つ補正力センサ信号１０８を形成及び提供する別の数学的関数に導入される。追加的な数学的関数により、力センサ２３の測定精度に対する、道路表面部及び道路表面下部３のたわみの効果が最小化される。力センサは、路面６に垂直で高さ方向ＺＺ’に平行な方向に優れた感度を有する。高さ方向ＺＺ’における道路表面部２及び道路表面下部３のたわみは、道路セグメント１に配置され高さ方向ＺＺ’の感度をもつ加速度センサ２９により、たわみ情報１０９又はたわみパラメータ１１０の形で利用可能になる。アルゴリズムにより、追加的な数学的関数にたわみパラメータ１１０が導入される。数学的関数は、検出される力と道路表面部２及び道路表面下部３のたわみとの間の所定の関係に基づき、たわみパラメータ１１０を使用して、補正力センサ信号１０８に対する道路表面部２及び道路表面下部３のたわみの効果が最小化されるように選択され、それにより、車輪荷重の決定が、力の作用の下で道路表面部２又は道路表面下部３の共振によってバイアスされることを防止する。
【００５９】
追加的な数学的関数は、数値解析から知られている多項式補間を使用して、補間多項式として決定されることが好ましい。この点に関して、まず、定められた力が加速度センサ及びＷＩＭセンサ上で道路表面部に印加される。補間多項式は、デジタル力センサ信号１０１を変数として使用して、及ぼされた力が求まる関数である。
【００６０】
道路表面部２のたわみが車輪荷重の決定に及ぼす効果は、補正力センサ信号１０８を用いて最小化され、これにより、ＷＩＭシステム２０の測定精度が向上する。
【００６１】
有利な一実施例では、補正力センサ信号１０８が取得される前に、不揮発性メモリ素子３２に格納されている力センサ２３の知られている温度関係を用いて、デジタル力センサ信号１０１に対する温度の効果が補正される。ここでは、温度関係とは、この補正を得るためにデジタル力センサ信号によって乗算される温度依存因数である。力センサ２３の温度に基づくデジタル力センサ信号１０１の温度関係の補正は長い間知られている方法であり、本明細書ではこれ以上は議論しない。
【００６２】
車輪荷重の決定は、少なくとも１つの補正力センサ信号１０８及び横断している車輪１１の速度に基づいて、外部評価素子３６で実施される。速度は、外部評価素子３６において、車輪１１の進行方向において道路セグメント１に間隔を空けて配置された２つのＷＩＭセンサ２０、２０’の間の車輪の移動時間に基づき、アルゴリズムによって計算される。
【００６３】
一実施例では、ＷＩＭセンサ２０は電子信号伝送素子２８を備え、第１の実施例では、電子信号伝送素子２８には導体用の接続素子が配置され、導体は、ＷＩＭセンサに提供される信号を外部受信機へと伝達するために使用され、第２の実施例では、信号伝送素子２８には電磁波用の送信機及び受信機が配置され、信号伝送素子２８は、電磁波を用いて、ＷＩＭセンサ２０に提供される信号を外部受信機へと伝達する。外部受信機は、たとえばハウジングに配置されるＡ／Ｄ変換器２７又はマイクロプロセッサ３１でもよい。外部受信機は、外部評価素子３６でもよい。外部評価素子３６は、たとえばラップトップ・コンピュータ若しくはパーソナル・コンピュータ、又は分散型ＩＴインフラストラクチャである。
【００６４】
さらなる一実施例では、図８に例示的に示されるように、少なくとも１つの電源３４が、道路セグメントに、好ましい一実施例ではハウジング９又は空間２１、２２に配置され、電源３４は、道路セグメントに配置される少なくとも１つの電子素子に電気エネルギーを供給する。
【００６５】
ＷＩＭシステム１９の一実施例では、電源３４は、ＷＩＭシステム１９の電気エネルギーの唯一の供給源である。さらなる一実施例では、電源３４はＷＩＭシステム１９の電気エネルギーの追加的な供給源、たとえば無停電電源又は一般的な代替電源であり、後者の場合、電源電圧の障害に際し、電源３４が自動的にスタートする前に、短時間の給電途絶が起きることになる。
【００６６】
下記では、ある電子素子への電気エネルギーの供給が打ち切られるとき、電源３４が他の電子素子に電力を供給し続ける場合でも、これは、その電子素子の電源３４をオフにする、と称される。同様に、下記では、ある電子素子への電気エネルギーの供給再開は、前記電子素子の電源３４をオンにする、と称される。
【００６７】
有利な一実施例では、電源は、道路セグメント１に配置される少なくとも１つの電子素子に電気エネルギーを与える。マイクロプロセッサ３１の中のアルゴリズムにより、道路セグメント１に配置される電子素子のうちの少なくとも１つの電源がオン若しくはオフにされるか又は道路セグメント１に配置される少なくとも１つの電子素子が動作モードから低エネルギー・モードへと変更され、低エネルギー・モードにおいては、動作モードに比べて、電子素子が要求するエネルギーは少なくなる。
【００６８】
以下では、低エネルギー・モードへの電子素子の切換えは、電源３４の低減と称される。
【００６９】
電源３４は、電源３４がほぼ使い果たされたときに終了する給電期間の間、電気エネルギーを提供する。
【００７０】
道路セグメント１において車輪１１の存在が検出されない場合、マイクロプロセッサ３１の中のアルゴリズムにより、道路セグメント１における車輪１１の存在の検出を求められていない、道路セグメント１に配置される少なくとも１つの電子素子の電源は、オフにされるか又は抑制される。道路セグメント１において車輪１１の存在が検出された場合、オフにされた、又は抑制された電源１４は、再びオンにされる。電源１４をオフにするか又は抑制することにより、電源１４の給電期間は延長される。有利な一実施例では、道路セグメント１に配置される少なくとも１つの電子素子用の電源１４の切換え又は抑制は、存在情報１０７に基づき、アルゴリズムによって実施される。
【００７１】
図１１に示されるように、ＷＩＭセンサ２０の好ましい一実施例では、いわゆる環境発電回路３５が道路セグメント１に配置され、これは、空間２１に配置される圧電素子に作用する力によって生成される電荷を利用し、それらを電源に提供する。これにより、電源の給電期間が延長される。
【００７２】
ＷＩＭセンサ２０のさらなる好ましい一実施例では、少なくとも１つのデジタル加速度センサ信号１０２は、少なくとも１つの関連付けられたデジタル力センサ信号１０１及び少なくとも１つの関連付けられたデジタル温度センサ信号１０４、並びにタイム・スタンプ１０６と共に、カスタマイズ可能な時間間隔で不揮発性メモリ素子３２に格納され、タイム・スタンプ１０６は、日付及び時間から構成され、またマイクロプロセッサ８のアルゴリズムによって提供され、タイム・スタンプ１０６は、日付及び時間から構成され、デジタル加速度センサ信号１０２又はデジタル力センサ信号１０１の検出時刻を示す。
【００７３】
ＷＩＭセンサ２０のさらなる好ましい一実施例では、たわみパラメータ１１０又はたわみ情報１０９は、カスタマイズ可能な時間間隔で、不揮発性メモリ素子３２又は外部評価素子３６に格納される。格納された情報は、さらなるアルゴリズムによって不揮発性メモリ素子３２又は外部評価素子３６から取り出され、たわみ情報１０９又はたわみパラメータ１１０の時間的推移が生成される。アルゴリズムは、外挿の数学的方法を使用して、たわみ情報１０９又はたわみパラメータが予め設定されたあるたわみ値にいつ到達するかについての予測を計算する。アルゴリズムは、このたわみ値に到達することになるとアルゴリズムが予測する時間期間を、道路セグメント１の次のメンテナンスまでの時間期間という形で提供する。
【符号の説明】
【００７４】
１  道路セグメント
２  道路表面部
３  道路表面下部
４  変形
５  変形
６  路面
９  ハウジング
１０  車両
１１  車輪
２０  ＷＩＭセンサ
２１  空間
２２  空間
２３  力センサ
２６  プロファイル
２７  Ａ／Ｄ変換器
２８  信号伝送素子
２９  加速度センサ
３０  温度センサ
３１  マイクロプロセッサ
３２  不揮発性メモリ素子
３４  電源
３５  環境発電回路
３６  外部評価素子
１００  力センサ信号
１０１  デジタル力センサ信号
１０２  加速度センサ信号
１０３  デジタル加速度センサ信号
１０４  温度センサ信号
１０５  デジタル温度センサ信号
１０６  タイム・スタンプ
１０７  存在情報
１０８  補正力センサ信号
１０９  たわみ情報
１１０  たわみパラメータ
１１１  補正車輪荷重情報
ＸＸ’  車両の移動方向に沿う軸
ＹＹ’  車両の移動方向に垂直且つ、道路表面部に平行な軸
ＺＺ’  道路表面部に垂直な軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
2019109238000001.pdf