УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНОГО МИКРОПРОФИЛЯ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к определению показателей ровности дорожного покрытия с помощью базового автомобиля, движущегося по дороге, например при строительстве или эксплуатации дорог.
На данный момент для контроля показателей ровности покрытия автомобильных дорог применяются различные методы обследования, например:
измерение с помощью трехметровой рейки и клин-промерника, который предусматривает измерение величины просвета под рейкой; измерения таким способом весьма трудоемки и небезопасны.
измерение с помощью нивелира (тахеометра) методом амплитуд, при котором вычисляют модуль разности вертикальных отметок поверхности с шагом 5, 10 и 20 м; измерения таким способом весьма трудоемки и небезопасны.
измерение с применением специального прибора на базовом автомобиле, при котором определяют амплитуды вертикальных колебаний прибора относительно подрессоренного кузова, выражаемое в виде суммарного перемещения неподрессоренной массы относительно подрессоренной на 1 км дороги (см/км); измеренные таким способом показатели ровности зависят не только от геометрии дорожного покрытия, но и от характеристик подвески используемого для измерений автомобиля.
измерение с помощью специального прибора - профилометра, устанавливаемого на автомобиль.
Существует конструкция профилометра, в состав которого входят два датчика на базе акселерометра, устанавливаемые на колесе и кузове автомобиля для определения их вертикальных перемещений. Конструкция позволяют определять показатели ровности только в определенном диапазоне скоростей, как правило 30-90 км/ч, их использование весьма затруднительно например в городских условиях.
измерение с помощью специального прибора - профилометра, устанавливаемого на автомобиль.
Известен индикатор неровностей для измерения профиля поверхности дороги, включающий в себя два или более бесконтактных датчика расстояния по высоте, таких как ультразвуковые датчики, лазерные датчики и т.п. Бесконтактные датчики расстояния по высоте расположены попарно, включая ведомый бесконтактный датчик расстояния по высоте и ведущий бесконтактный датчик расстояния по высоте, расположенный на известном расстоянии от ведомого бесконтактного датчика расстояния по высоте. Также имеется датчик наклона для измерения угла наклона переднего и заднего бесконтактных датчиков расстояния возвышения относительно горизонтальной плоскости. Индикатор неровностей создает профиль поверхности дороги путем вычисления высоты для второго местоположения с использованием высоты, назначенной первому местоположению, и разности высот между первым местоположением и вторым местоположением (см. патент US №7845878, МПК Е01С 11/24; Е01С 23/07; опубл. 07.12.2010 г.).
Недостатком известного технического решения является необходимость использования дополнительных датчиков уклонов и общая громоздкость конструкции, что не позволяет использовать ее мобильных лабораториях.
Известно устройство для измерения свойств дорожного покрытия, имеющее множество функций, в частности, измерение ровности дорожного покрытия, в виде ручной тележки, имеющей часть рамы с длиной соответствующую первой контрольной длине 3 метра или более, и оснащенную измерительным блоком, размещенным по центру рамы, и включающим измеритель высоты в виде лазерного датчика (см. патент JP №2005227249, МПК Е01С 23/01; G01B 21/00; G01C 7/04; опубл. 06.11.1998 г.).
Недостатком известного технического решения является необходимость ручных измерений, т.к. используется ручная тележка, измерения таким способом весьма трудоемки и небезопасны.
Известно устройство для измерения профиля продольного профиля дороги в виде бортового профилометра, содержащего три бесконтактных датчика измерения расстояния, установленные в передней части транспортного средства, а также систему для измерения положения датчиков относительно горизонта, включающую акселерометр для измерения вертикального ускорения и инклинометры для измерения углов наклона шасси относительно фиктивного горизонта по крену и тангажу (см. патент WO №9824977, МПК Е01С 23/01; G01B 21/00; G01C 7/04; опубл. 06.11.1998 г.).
Известный профилометр позволяет воссоздать профиль по трем следам на проезжей части, следу справа от транспортного средства, следу слева и центральному следу, используя компьютер, подключенный к различным устройствам.
Известное техническое решение, ввиду наличия акселерометра, позволяет определять показатели ровности только в ограниченном диапазоне скоростей движения автомобиля с профилометром.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство измерения профиля дороги, содержащее несущую раму, которую можно перемещать по проезжей части, продольную балку, удерживаемую указанной рамой таким образом, чтобы она была по существу горизонтальной, три бесконтактных датчика измерения расстояния, установленные горизонтально и равноудалено на упомянутую балку и способные передавать сигналы, отражающие их высоту над проезжей частью, устройство для измерения расстояния, пройденного рамой, и компьютер, принимающий сигналы от устройства для измерения расстояния, пройденного рамой, и бесконтактного расстояния датчики измерения. При этом передний датчик (Cav) и задний датчик (Car) расположены на расстоянии L от среднего датчика (Cmi). Таким образом, балка имеет длину, равную 2L. (см. патент WO №0144754, МПК Е01С 23/01; G01C 7/04; опубл. 21.06.2001 г.).
Недостатком известной конструкции является низкая точность измерения профиля дорожного покрытия, что снижает функциональные возможности его использования.
Кроме того, в известной конструкции для поддержания несущей балки в горизонтальном положении необходимо использовать специальное устройство, что также оказывает негативное влияние на расширение функциональных возможностей его использования.
Задачей настоящего технического решения является расширение функциональных возможностей использования устройства.
Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является повышение точности измерения профиля дорожного покрытия за счет возможности расширения диапазона измерения геометрических показателей продольной ровности дорожного покрытия.
Поставленный технический результат достигается тем, что устройство определения продольного микропрофиля дорожного покрытия, содержащее измерительную балку с жестко закрепленными на ней тремя лазерными датчиками, и компьютером, принимающим сигналы от лазерных датчиков, при этом третий средний датчик размещен между крайними датчиками на расстоянии, равном половине длины балки, согласно технического решения, устройство дополнительно снабжено двумя датчиками, размещенными между первым и средним датчиками, при этом расстояние между последовательно расположенными первым, вторым, третьим, четвертым и пятым датчиками связаны соотношением
1-5
1-4
1-3
1-2
L=2 L=4 L=8 L,
1-5
где L - расстояние между первым и пятым датчиками;
1-4
L - расстояние между первым и четвертым датчиками, равное половине расстояния между первым и пятым датчиками;
1-3
L - расстояние между первым и третьим датчиками, равное половине расстояния между первым и четвертым датчиками;
1-2
L - расстояние между первым и вторым датчиками, равное половине расстояния между первым и третьим датчиками.
При этом измерительная балка жестко установлена на шасси базового транспортного средства и ориентирована по ходу его движения.
Заявляемая совокупность признаков позволяет расширить функциональные возможности использования устройства, за счет повышения точности измерения профиля дорожного покрытия, путем расширения диапазона измерения геометрических показателей продольной ровности дорожного покрытия.
Это обусловлено тем, что размещение дополнительных датчиков на измерительной балке на расстояниях определяемых заявляемым соотношением позволяет измерять неровности дорожного покрытия с длиной, меньшей, чем расстояния между соседними датчиками, что дает возможность оценивать микропрофиль поверхности дорожного покрытия без перенастройки базы измерения как функцию расстояния, и осуществлять измерения показателей неровности дорожного покрытия независимо от вариации (разброса) скорости движения устройства и вариации сочетаний коротких, средних и длинных неровностей поверхности проезжей части автомобильной дороги.
Заявляемое техническое решение проиллюстрировано чертежами, где на фиг. 1 изображена общая схема устройства; на фиг. 2 - пример осуществления измерения; на фиг. 3 - иллюстрация дискретной зависимости результата измерений.
Позиции на чертежах означают следующее: 1 - несущая балка, 2 - датчики, 3 - персональный компьютер; 4 - транспортное средство.
1
2
3
4
5
Обозначения на чертежах означают следующее: L - расстояния между датчиками 2; d, d, d, d и d - первый, второй, третий, четвертый и пятый датчики 2; «А» - направление движения транспортного средства.
Заявляемое устройство выполнено в виде измерительной балки 1 с жестко закрепленными на ней последовательно расположенными первым, вторым, третьим, четвертым и пятым датчиками 2 и компьютером 3, принимающим сигналы от лазерных датчиков 2.
Расстояния между датчиками 2 связанными соотношением
1-5
1
5
где L - расстояние между первым d и пятым d датчиками;
1-4
1
4
1
5
L - расстояние между первым d и четвертым d датчиками, равное половине расстояния между первым d и пятым d датчиками;
1-3
1
3
1
4
L - расстояние между первым d и третьим d датчиками, равное половине расстояния между первым d и четвертым d датчиками;
1-2
1
2
1
3
L - расстояние между первым d и вторым d датчиками, равное половине расстояния между первым d и третьим d датчиками.
Для осуществления измерений продольного профиля дорожного покрытия устройство может быть жестко установлено на базовом транспортном средстве 4, например, автомобиле или тележке, и ориентировано в направлении «А» по ходу его движения, т.е расположено по продольной оси транспортного средства 4 (фиг. 2).
Измерения заявляемым устройством осуществляют следующим образом.
1-2
1
2
Лазерные датчики 2 измеряют вертикальные расстояния от неподвижной балки 1 до определенных точек покрытия, расположенных вдоль траектории движения колеса автомобиля сначала с постоянным шагом, равным расстоянию L - между первым d крайним и вторым d датчиками.
Полученные расстояния обрабатываются с помощью итерационной формулы в результате реализации вычислительного алгоритма
j
где ƒ, j=1, …, n - ординаты продольного профиля,
1j
2j
3j
b, b, b - результаты измерений на j-м шаге (фиг. 3). Формула (2) представляет собой дискретную реализацию зависимости
,
j
2j
3j
1j
где s - расстояние (по траектории движения), h(s) - известная функция измерений, ее дискретная реализация: h=2b-b-b, ƒ(s) - продольный профиль дороги, дискретная реализация второй производной профиля:
1-2
Далее, решая дифференциальное уравнение (3) стандартными методами, определяют продольный микропрофиль, измеренный с шагом L.
1
4
5
Рассмотрим этот процесс подробнее. Возьмем датчики d, d и d.
1
4
4
5
1-5
1-4
1-4
1
4
4
5
Расстояния между датчиками d, d и d, d равны, т.к. L=2L. При перемещении измерительной балки вдоль дороги на расстояние L, датчик d перемещается на место, которое занимал датчик d, а датчик d на место датчика d. Это позволяет записать итерационное соотношение (2), из которого последовательно определяют ординаты микропрофиля дорожного покрытия.
1
3
4
1
2
3
Аналогично рассматривают датчики d, d, d и затем d, d, d (2 и 3 итерации).
1-4
1-3
1
4
1
3
На 2 итерации мы уменьшаем шаг измерений в два раза, т.к. L=2L, т.е. расстояние между первым d и четвертым d датчиками 2 в два раза больше расстояния между первым d и третьим d датчиками 2.
1-3
1-2
1
3
1
2
На 3 итерации мы уменьшаем шаг измерений в два раза по сравнению со второй итерацией, т.к. L=2L, т.е. расстояние между первым d и третьим d датчиками 2 в два раза больше расстояния между первым d и вторым d датчиками 2, что проиллюстрировано на фиг. 3.
Таким образом, размещение датчиков на расстояниях, связанных заявляемым соотношением, позволяет повысить точность измерения путем измерения неровности дорожного покрытия с шагом, совпадающим с минимальным расстоянием между датчиками 2, что дает возможность определять микропрофиль поверхности дорожного покрытия в диапазоне, включающим короткие, средние и длинные неровности.