СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ГРУНТА
METHOD FOR DETERMINING SOIL HARDNESS

ОБЩАЯ ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И КОНТЕКСТ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к определению условий качения шины по грунту. Более конкретно, в изобретении предложено определять состояние твердости грунта с помощью измерительного сигнала, представляющего окружную кривизну шины.
Было обнаружено, что на самом деле предпочтительно знать в любой момент условия качения шины по грунту, чтобы взаимодействовать с водителем или системами помощи при вождении, чтобы предоставлять им информацию в режиме реального времени об изменениях условий движения и, возможно, реагировать на них. В частности, знание состояния грунта позволяет регулировать условия использования транспортного средства. Например, при наличии рыхлого грунта давление в шине может быть снижено, чтобы расширить область пятна контакта, в котором шина контактирует с грунтом, чтобы ограничить уплотнение грунта.
Кроме того, локальное определение твердости грунта позволяет оценить целесообразность выполнения или невыполнения определенных операций, которые зависят от этого условия твердости. Например, движение навесного оборудования над слишком рыхлым грунтом может повредить грунт или привести к застреванию оборудования в грунте. На обработку территории также может повлиять твердость грунта.
Объединяя условия твердости с синхронными данными геолокации, можно создать карту твердости грунта на участке территории, возможно, в сочетании с другими характеристиками грунта. Такая карта может оказаться полезной для определения того, как улучшить грунт на участке, например, путем установки дренажа или добавления в него камня, или разуплотнения в соответствии с потребностями грунта.
В патенте FR 3015036 описывается, как определять метеорологическое состояние грунта, тип покрытия поверхности, степень износа шины или, в другом случае, тип используемого рисунка протектора только на основе акустической записи. Акустические записи производятся с помощью микрофона, размещенного в передней части колесной арки, расположенной в задней части автомобиля. Спектральная плотность акустической мощности распределена по заданному частотному интервалу. Этот спектр варьируется в зависимости от набора параметров, таких как метеорологические условия, состояние дороги, степень износа шины, тип рисунка протектора шины.
Однако этот метод не позволяет определять определенные условия движения, которые могут быть интересны для конкретных применений. В частности, этот метод не позволяет определить твердость грунта.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является обеспечение возможности определения в режиме реального времени твердости грунта, по которому движется шина, установленная на транспортном средстве.
С этой целью в изобретении предложен способ определения твердости грунта, по которому движется шина, установленная на транспортном средстве, причем указанная шина оснащена датчиком, конфигурированным для получения измерительного сигнала, представляющего изменение кривизны шины при ее движении по грунту, причем способ содержит следующие этапы:
- получение датчиком измерительного сигнала, представляющего изменение кривизны шины во время движения,
- определение из измерительного сигнала данных измерения, содержащих:
a) первый параметр, представляющий длину пятна контакта, контактирующего с грунтом во время одного оборота колеса, несущего шину, и
b) второй параметр, представляющий степень уплощения шины при контакте с грунтом во время одного оборота колеса, несущего шину,
- определение твердости грунта как функции первого параметра и второго параметра.
Способ позволяет определять в реальном времени твердость грунта, по которому движется шина, установленная на транспортном средстве, без учета нагрузки или давления транспортного средства простым, точным и надежным образом на основе только измерительного сигнала, представляющего изменение кривизны шины.
Этот способ предпочтительно дополняется следующими признаками, рассматриваемыми по отдельности или в любой их технически осуществимой комбинации:
- во время движения за один оборот колеса кривизна шины изменяется в соответствии с циклом, проявляющемся в:
- части, не контактирующей с грунтом,
- части, контактирующей с грунтом, причем первый параметр определяют из части измерительного сигнала, соответствующей части, контактирующей с грунтом, а второй параметр определяют из части измерительного сигнала, соответствующей переходу в кривизне шины между частью, не контактирующей с грунтом, и частью, контактирующей с грунтом;
- во время движения за один оборот колеса кривизна шины изменяется в соответствии с циклом, проявляющемся в:
- части, не контактирующей с грунтом, характеризуемой в измерительном сигнале стабильной кривизной,
- части, контактирующей с грунтом, характеризуемой в измерительном сигнале скачком изменения кривизны контакта,
- переходе, называемом переходом вхождения в контакт, между частью, не контактирующей с грунтом, и частью, контактирующей с грунтом, характеризуемом в измерительном сигнале скачком изменения кривизны вхождения в контакт, который противоположен скачку изменения кривизны контакта,
- переходе, называемом переходом выхода из контакта между частью, контактирующей с грунтом, и частью, не контактирующей с грунтом, характеризуемом в измерительном сигнале скачком изменения кривизны выхода из контакта, который противоположен скачку изменения кривизны контакта,
причем первый параметр определяют из расстояния между скачком изменения кривизны вхождения в контакт и скачком изменения кривизны выхода из контакта,
второй параметр определяют из градиента между скачком изменения кривизны вхождения в контакт и скачком изменения кривизны контакта;
- твердость грунта определяют с использованием линейной зависимости, связывающей указанную твердость грунта, первый параметр и второй параметр;
- линейная зависимость имеет форму:
F=a+b × KL+c × KS,
где F коэффициент твердости, KL - первый параметр, KS - второй параметр, a, b и с - заранее определенные фиксированные коэффициенты;
- твердость определяют путем вычисления коэффициента твердости из первого параметра и второго параметра и сравнения указанного коэффициента твердости с пороговыми значениями, ограничивающими категории твердости.
Изобретение также относится к шине, содержащей датчик, чувствительный к изменению кривизны шины и конфигурированный для генерации измерительного сигнала, представляющего изменение кривизны шины при ее движении по грунту, содержащей активную часть и электронную плату, причем активная часть конфигурирована для генерации измерительного сигнала, а электронная плата конфигурирована для определения данных измерения, содержащих:
a) первый параметр, представляющий длину пятна контакта, контактирующего с грунтом во время одного оборота колеса, несущего шину, и
b) второй параметр, представляющий степень уплощения шины при контакте с грунтом во время одного оборота колеса, несущего шину,
причем датчик конфигурирован для передачи данных измерения наружу от шины.
Изобретение также относится к модулю обработки данных, конфигурированному для приема данных измерения, полученных из измерительного сигнала, представляющего изменение кривизны шины при ее движении по грунту, причем указанные данные измерения содержат:
a) первый параметр, представляющий длину пятна контакта, контактирующего с грунтом во время одного оборота колеса, несущего шину, и
b) второй параметр, представляющий степень уплощения шины при контакте с грунтом во время одного оборота колеса, несущего шину,
причем модуль обработки данных конфигурирован для определения твердости грунта как функции первого параметра и второго параметра.
Изобретение также относится к транспортному средству, содержащему:
- по меньшей мере одну шину,
- по меньшей мере один датчик, чувствительный к изменению кривизны шины и конфигурированный для генерации измерительного сигнала, представляющего изменение кривизны шины при ее движении по грунту, причем датчик предпочтительно расположен внутри шины,
- модуль обработки данных, конфигурированный для приема данных измерения, полученных из измерительного сигнала, представляющего изменение кривизны шины при ее движении по грунту, и для определения твердости грунта как функции данных измерения, причем данные измерения содержат:
a) первый параметр, представляющий длину пятна контакта, контактирующего с грунтом во время одного оборота колеса, несущего шину, и
b) второй параметр, представляющий степень уплощения шины при контакте с грунтом во время одного оборота колеса, несущего шину, причем транспортное средство конфигурировано для осуществления способа согласно изобретению.
Предпочтительно, датчик содержит активную часть и электронную плату, причем активная часть конфигурирована для генерации измерительного сигнала, электронная плата конфигурирована для определения данных измерения, а модуль обработки данных расположен снаружи шины.
Изобретение также относится к компьютерному программному продукту, содержащему инструкции программного кода для выполнения способа согласно изобретению, когда указанная программа выполняется на компьютере. Компьютерный программный продукт может принимать форму энергонезависимого машиночитаемого носителя, который хранит кодовые инструкции для выполнения способа согласно изобретению, когда указанный энергонезависимый машиночитаемый носитель считывается компьютером.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные признаки, цели и преимущества изобретения станут более очевидными из следующего описания, которое является чисто иллюстративным и не ограничивающим и которое следует читать вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:
- на фиг. 1 схематично проиллюстрирована шина, установленная на ободе транспортного средства;
- на фиг. 2 показан пример измерительного сигнала, зарегистрированного датчиком, чувствительным к кривизне шины, когда шина катится;
- на фиг. 3 показана блок-схема этапов способа оценки твердости грунта согласно одному возможному варианту осуществления изобретения;
на фиг. 4 приведен пример двухмерного статистического анализа с использованием двух параметров, полученных из измерительного сигнала для передней шины транспортного средства в соответствии с различными условиями твердости грунта;
- на фиг. 5 приведен пример одномерного дискриминантного анализа для передней шины транспортного средства;
- на фиг. 6 приведен пример классификации твердости грунта.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показана шина 1, установленная на ободе 2. Такая шина 1 содержит, с одной стороны, область 3 короны, составляющую протектор с рисунком протектора, и, с другой стороны, боковины 4, заканчивающиеся в нижних областях боковин. Последние обычно содержат бортовую проволоку и борт для установки шины 1 на обод 2. Обод 2 в свою очередь соединен с транспортным средством 9 осью (не изображена). Таким образом, шина 1 образует систему контакта с грунтом, обеспечивающую связь между транспортным средством 9 и грунтом 7.
Таким образом, под шиной понимается упругое твердое тело, предназначенное для установки на обод 2 колеса, обычно в виде полосы шины, для образования системы контакта с грунтом, обеспечивающей связь между транспортным средством 9 и грунтом 7, содержащее протектор, который подвергается изменению своего окружного радиуса кривизны под действием нагрузки. Шина 1 обычно изготавливается из эластомера (например, резины) и, возможно, других текстильных и/или металлических материалов. Шина 1 может быть безвоздушной, например, иметь гибкие полиуретановые спицы, поддерживающие протектор. Однако в предпочтительном варианте шина 1 содержит гибкий каркас, содержащий газообразную внутреннюю часть под давлением, обычно воздух. Поскольку это наиболее распространенная форма шины 1, нижеследующее описание дано без ограничения применительно к такой пневматической шине 1, имеющей внутреннее давление сжатого газа.
На шину 1 действует сила, прилагаемая транспортным средством 9 через ось и обод 2 по направлению к земле 7. Эта сила проистекает из нагрузки на ось, возникающей из-за веса транспортного средства 9. Поскольку обод 2 не деформируется, эта сила, приложенная к шине 1, деформирует ее, когда шина 1 контактирует с поверхностью 8 грунта 7: часть короны 3 под ободом 2 уплощается, увеличивая область пятна 6 контакта, в котором шина 1 контактирует с землей, в то время как боковины 4 становятся растянутыми. Эта деформация тем более выражена, когда давление внутри шины низкое. На эту деформацию также влияет природа грунта 7, в частности, состояние твердости этого грунта 7. Более конкретно, твердый грунт деформируется мало, если вообще деформируется, тогда как мягкий грунт деформируется под действием шины 1, так что деформация шины 1 меньше, поскольку часть ее передается грунту 7.
Деформация шины 1 приводит к изменению окружной кривизны шины 1, а именно кривизны области 3 короны. Когда шина 1 катится, это изменение кривизны проходит по окружности шины 1. Следовательно, для данной точки на шине 1 кривизна будет периодически изменяться с каждым оборотом колеса.
Шина 1 оснащена датчиком 10, конфигурированным для получения измерительного сигнала, характеризующего изменение кривизны шины. Этот датчик 10 расположен внутри каркаса шины 1. Датчик 10 предпочтительно расположен напротив области 3 короны. Датчик 10 может быть встроен в структуру корпуса шины 10 или может быть прикреплен к нему и, например, удерживаться на месте слоем клея. Датчик 10 содержит активную часть 11, прикрепленную к каркасу шины 1, так что деформация шины 1 приводит к соответствующей деформации активной части 11 датчика 10, который генерирует измерительный сигнал, который является функцией деформации его активной части 11. Таким образом, измерительный сигнал действительно отражает изменение кривизны шины.
Предпочтительно, датчик 10 представляет собой пьезоэлектрический датчик, который генерирует напряжение, пропорциональное изменению изгиба. Более конкретно, датчик 10 может, например, содержать активную часть 11, состоящую из пьезоэлектрического слоя между двумя проводящими слоями. Также возможно, чтобы датчик 10 был резистивным датчиком, импеданс которого пропорционален изгибу активной части 11 датчика. Также возможно использовать акселерометр, хотя его использование намного сложнее и требует большей обработки. Датчик 10 может также подходить для измерения других параметров, в частности давления. Датчик 10 может быть встроен в другое электронное оборудование, установленное внутри шины 1, такое как датчик давления и/или температуры типа TMS (система мониторинга шин).
Датчик 10 также содержит электронную плату 12, подключенную к активной части 11 датчика 10 и конфигурированную для приема измерительного сигнала, поступающего от активной части 11. Эта электронная плата 12 содержит по меньшей мере процессор и память и подходит для обработки данных, таких как измерительный сигнал, для определения данных измерения из измерительного сигнала и передачи этих данных измерения. В предпочтительном варианте датчик 10 связан с беспроводным передатчиком, в частности, радиочастотного типа и, например, типа, использующего технологию Bluetooth с низким энергопотреблением, или типа устройства с низким энергопотреблением, работающего в диапазоне 433 МГц (LPD 433) для передачи измерительного сигнала в автоматизированный модуль обработки данных, предпочтительно расположенный снаружи шины 1, для его обработки. Беспроводной передатчик может составлять часть датчика 10, например, являться компонентом электронной платы 12, или может быть расположен отдельно от датчика 10. Так, например, можно расположить антенну внутри шины 1. В случае беспроводной связи внешний приемник может принимать сигналы, отправленные средствами беспроводной связи, связанными с датчиком 10, и ретранслировать их в модуль автоматической обработки данных.
Конечно, датчик 10 может содержать другие элементы, участвующие в его правильной работе, в частности модуль электропитания, например, состоящий из батареи.
Когда шина 1 катится по грунту, датчик 10 получает (этап S1) измерительный сигнал, представляющий изменение окружной кривизны шины. Этот измерительный сигнал может быть напрямую связан с кривизной (и, следовательно, быть измерительным сигналом кривизны) и, следовательно, контролировать ее изменение, или может быть косвенно связан с кривизной. Так обстоит дело с датчиком 10, активная часть 11 которого является пьезоэлектрическим датчиком, поскольку измерительный сигнал в этом случае соответствует изменению кривизны. Именно этот тип датчика будет использоваться в следующих примерах. Измерительный сигнал, генерируемый активной частью 11 датчика 10, затем обрабатывается электронной платой 12 для определения данных измерения из измерительного сигнала. Целью обработки измерительного сигнала является извлечение полезной информации из этого сигнала, которая затем используется позже в способе.
На фиг. 2 показан схематический пример измерительного сигнала, зарегистрированного датчиком 10, чувствительным к изменению кривизны шины при качении шины 1. Измерительный сигнал представлен здесь его напряжением (в В) и обозначен как Δкривизны, как функция вращения колеса, выраженного в градусах.
Во время движения за один оборот колеса кривизна шины изменяется в соответствии с циклом, проявляющемся в:
- части, не контактирующей с грунтом,
- части, контактирующей с грунтом.
Последовательность иллюстрирует два прохода в пятно контакта, в котором шина контактирует с грунтом, той области шины 1, в которой расположен датчик 10, причем эти два прохода разделены частью цикла, в которой нет контакта с грунтом. Часть цикла, в которой нет контакта с грунтом, характеризуется стабильной кривизной, что приводит к стабильности измерительного сигнала при значении, близком к нулю. Часть цикла, в которой есть контакт с грунтом, характеризуется в измерительном сигнале скачком изменения кривизны 20, 30 контакта. На фиг. 2 скачки изменения кривизны 20, 30 контакта направлены вниз, что соответствует отрицательным скачкам напряжения. В частности, скачки изменения кривизны 20, 30 контакта соответствуют уплощению шины 1 в пятне 6 контакта.
Кривизна также проявляется в переходе, называемом переходом вхождения в контакт, между частью, не контактирующей с грунтом, и частью, контактирующей с грунтом, характеризуемом в измерительном сигнале скачком 21, 31 изменения кривизны вхождения в контакт, который противоположен скачку изменения кривизны 20, 30 контакта, а именно в данном случае направленном вниз. Изменение кривизны также проявляется в переходе, называемом переходом выхода из контакта между частью, контактирующей с грунтом, и частью, не контактирующей с грунтом, характеризуемом в измерительном сигнале скачком 22, 32 изменения кривизны выхода из контакта, который противоположен скачку изменения кривизны контакта, а именно в данном случае направленном вверх. Скачок 21, 31 изменения кривизны вхождения в контакт и скачок 22, 32 изменения кривизны выхода из контакта соответствуют внезапным изменениям радиуса кривизны шины 1 при входе в пятно контакта и выходе из него.
Поскольку шина вращается, тот же цикл повторяется с измерительным сигналом, который является стабильным, когда нет контакта с грунтом, за которым следует скачок
21, 31 изменения кривизны вхождения в контакт, скачок изменения кривизны 20, 30 контакта, скачок 22, 32 изменения кривизны выхода из контакта и, наконец, другой стабильный измерительный сигнал при отсутствии контакта с грунтом. Этот цикл соответствует одному обороту колеса и, следовательно, 360°, представленному длиной КТ на фиг. 2.
Для каждого цикла скачок 22, 32 изменения кривизны выхода из контакта обеспечивает главное преимущество, состоящее в том, что он является острым скачком и, особенно, по существу независимым от состояния грунта и шины 1. В частности, скачок 22, 32 изменения кривизны выхода из контакта соответствует изменению кривизны шины 1 при выходе из пятна контакта, когда область шины 1, в которой расположен датчик 10, резко переходит от характеристики плоского состояния части, контактирующей с грунтом, к характеристике изогнутого состояния части, не контактирующей с грунтом. На рыхлом грунте по мере того, как шина 1 постепенно катится, она уплотняет грунт под собой, образуя колею и, следовательно, довольно твердое дно колеи, на которое опирается шина 1, покидая пятно контакта. Кроме того, продвижение вперед транспортного средства 9 по существу переносит нагрузку на вхождение в пятно контакта. Таким образом, шина 1 при выходе из пятна контакта имеет поведение выхода из контакта с точки зрения кривизны, очень похожее на поведение шины 1 на дорожном полотне.
Таким образом, легко идентифицировать каждый цикл, соответствующий обороту колеса, путем идентификации каждого скачка 22, 32 изменения кривизны выхода из контакта. Также возможно идентифицировать циклы с помощью специального устройства, такого как счетчик оборотов. На этой основе данные могут быть выражены как функция угла в каждом цикле. Это, в частности, означает, что циклы и их данные можно сравнивать независимо от скорости транспортного средства 9. Для осуществления этапов способа требуется только один цикл, и, таким образом, они могут быть осуществлены для каждого цикла. Однако чтобы сделать способ более надежным в отношении потенциально изолированных непредсказуемых инцидентов (например, наличие камня), можно использовать комбинацию нескольких измеренных циклов, например, используя скользящее среднее.
Состояние твердости грунта влияет на характеристики профиля измерительного сигнала. Таким образом, изобретение направлено на извлечение параметров из измерительного сигнала, чтобы вывести из него состояние твердости грунта. Таким образом, способ содержит определение (этап S2) из измерительного сигнала данных измерения, содержащих по меньшей мере первый параметр KL, представляющий длину области пятна 6 контакта с грунтом во время одного оборота колеса, несущего шину 1, и второй параметр KS, представляющий скорость уплощения шины при контакте с грунтом во время одного оборота колеса, несущего шину 1. Данные измерения могут содержать другие параметры или значения, полученные из измерительного сигнала.
Первый параметр KL определяется из части измерительного сигнала, соответствующей части, контактирующей с грунтом. Более конкретно, первый параметр KL определяют из расстояния между скачком 31 изменения кривизны вхождения в контакт и скачком 32 изменения кривизны выхода из контакта. Поскольку они представляют собой два локальных максимума в цикле, легко определить вершину каждого скачка и из этого определить расстояние между ними, выраженное в градусах. Поскольку скачок 31 изменения кривизны вхождения в контакт и скачок 32 изменения кривизны выхода из контакта соответствуют, соответственно, началу и концу части, контактирующей с грунтом, первый параметр KL действительно является функцией области контакта шины 1 с грунтом. Фактически, KL соответствует длине пятна 6 контакта. В примере, когда измерительный сигнал выражается в вольтах В как функция угловых градусов °, первый параметр KL может быть выражен в угловых градусах.
Второй параметр KS определяется из части измерительного сигнала, соответствующей переходу кривизны шины между частью, не контактирующей с грунтом, и частью, контактирующей с грунтом. Более конкретно, второй параметр KS определяют из градиента между скачком 31 изменения кривизны вхождения в контакт и скачком изменения кривизны 30 контакта. Более конкретно, второй параметр KS может соответствовать максимальному изменению в изменении кривизны между скачком 31 изменения кривизны вхождения в контакт и скачком изменения кривизны 30 контакта, а именно может соответствовать максимальному градиенту. В примере, когда измерительный сигнал выражается в вольтах В как функция угловых градусов °, второй параметр KS может иметь единицы В/°, а именно как вторую производную кривизны шины 1.
KS можно аппроксимировать несколькими способами. Например, второй параметр KS может соответствовать максимуму (в смысле абсолютного значения) производной измерительного сигнала между скачком 31 изменения кривизны вхождения в контакт и скачком изменения кривизны 30 контакта, т.е. производная оценивается по разнице между двумя последовательными (или близко расположенными) точками измерения, очевидно, принимая во внимание их угловое разделение. Поскольку в примере это убывающий градиент, этот максимум в смысле абсолютного значения соответствует минимуму производной измерительного сигнала между скачком 31 изменения кривизны вхождения в контакт и скачком изменения кривизны 30 контакта. Также возможно вместо поиска экстремума производной выбрать фиксированные точки измерения, такие как, например, те, которые расположены на равном расстоянии от вершин скачка 31 изменения кривизны вхождения в контакт и скачка изменения кривизны 30 контакта, и вычислить производную, используя эти точки. Можно использовать точки измерения, соответствующие значению измерительного сигнала, такие как, например, сигнал, проходящий через ноль, в проиллюстрированном случае. Также возможно использование более сложных подходов, таких как, например, алгоритм Савицкого-Голея. Однако выбор относительно низкой частоты дискретизации, обычно меньше или равной 500 Гц и предпочтительно меньше или равной 400 Гц, такой как частота 300 Гц в примере, составляет сглаживание измерительного сигнала и позволяет выбрать подходы, такие как изложенные выше, которые менее требовательны с точки зрения вычислений.
Первый параметр KL и второй параметр KS имеют то преимущество, что они демонстрируют широкую степень изменчивости в зависимости от твердости грунта и их легко получить, как показано выше. Более конкретно, по мере уменьшения твердости грунта первый параметр KL увеличивается, а второй параметр KS уменьшается. Таким образом, чем более рыхлый грунт, тем больше длина (представленная первым параметром KL) пятна 6 контакта, в котором шина контактирует с грунтом 7, тогда как скорость уплощения (представленная вторым параметром KS) становится меньше. И наоборот, по мере увеличения твердости грунта 7 первый параметр KL уменьшается, тогда как второй параметр KS увеличивается.
Если рассматривать индивидуально, первый параметр KL и/или второй параметр KS может зависеть от нагрузки, давления и/или скорости. Однако учет как первого параметра KL, так и второго параметра KS означает, что твердость грунта может быть определена только по этим параметрам, без знания нагрузки, давления, скорости и скольжения шины 1 на грунте.
Предпочтительно, именно электронная плата 12 датчика 10 определяет из измерительного сигнала данные измерения, содержащие первый параметр KL и второй параметр KS. Эти данные измерения затем передаются датчиком 10 в модуль 15 обработки данных, который выполняет следующую часть способа. Этот модуль 15 обработки данных предпочтительно расположен снаружи шины 1, например, в транспортном средстве 9, но модуль 15 обработки также может быть расположен на удалении от транспортного средства 9, и передача данных может тогда включать промежуточные средства передачи. Затем передача данных измерения между датчиком 10 и модулем 15 обработки данных выполняется беспроводным образом. Модуль 15 обработки данных обычно содержит процессор и память и подходит для приема и обработки данных измерения при осуществлении следующей части способа определения твердости грунта.
Можно передать измерительный сигнал в модуль 15 обработки, чтобы осуществить следующую часть способа. Однако определение данных измерения с использованием датчика 10 и передача только этих данных измерения в модуль 15 обработки данных дает преимущество уменьшения объема данных, передаваемых между датчиком 10 и модулем 15 обработки данных. Поскольку передача данных требует большого количества энергии, передача данных измерения, а не измерительного сигнала позволяет снизить потребление электроэнергии датчиком 10, который имеет ограниченные возможности питания внутри шины 1.
Также предпочтительно не использовать электронную плату 12 датчика 10 для осуществления следующей части способа, а использовать вместо этого модуль 15 обработки данных для обработки данных измерения. Это затем ограничивает вычисления, выполняемые электронной платой 12 датчика 10, что позволяет экономить электроэнергию и память на электронной плате 12. Кроме того, легче изменить методы осуществления следующей части способа на легкодоступном модуле 15 обработки данных, чем на датчике 10, который находится внутри шины 1.
После того, как модуль 15 обработки принял данные измерения, модуль 15 обработки может определить твердость грунта как функцию первого параметра KL и второго параметра KS, которые содержатся в данных измерения и которые изменяются в зависимости от твердости грунта, как показано ниже.
На фиг. 4 показан пример двухмерного статистического анализа с использованием двух параметров KL и KS, полученных из измерительного сигнала для шины 1 транспортного средства 9, движущегося по грунту 7 известной твердости. В этом примере данные измерения получены из измерительного сигнала, полученного пьезоэлектрическим датчиком 10, расположенным в передней шине сельскохозяйственного трактора, при движении по одному и тому же грунту с тремя различными конфигурациями твердости:
- С0 (очень рыхлый грунт): недавно вспаханная почва, которую затем бороновали,
- С2 (достаточно рыхлый грунт): недавно вспаханная и боронованная почва, дважды уплотненная прохождением шины 1 (передними и задними колесами транспортного средства 9, что соответствует прохождению транспортного средства 9),
- дорога (твердый грунт): асфальтированная поверхность.
Следует отметить, что точки измерения группируют вместе различные нагрузки, давления и скорости (ниже 20 км/ч).
Точки измерения выражаются как функция первого параметра KL (по оси абсцисс и в градусах угла) и второго параметра KS (по оси ординат и в В/°). Эти значения, очевидно, зависят от типа шины 1 и используемого датчика 10. Крестики соответствуют движению по очень рыхлому верхнему слою почвы С0 и сгруппированы вместе в первый, 95%-ный доверительный эллипсоид 41. Кружки соответствуют движению по достаточно рыхлому грунту С2 и сгруппированы вместе во второй, 95%-ный доверительный эллипсоид 42. Точки соответствуют точкам измерения при движении по дороге (очень твердый грунт) и сгруппированы вместе в третий, 95%-ный доверительный эллипсоид 43. Примеры на фиг.4 показывают значения, принятые для параметров KL и KS. Например, на дороге второй параметр KS находится в диапазоне от -0,7 В/° до -1 В/°, а первый параметр KL находится в диапазоне от 35° до 43°.
Можно заметить, что третий доверительный эллипсоид 43 заметно отделен от двух других. Таким образом, два параметра KL и KS позволяют легко идентифицировать очень твердый грунт, например дорожное полотно. Также можно заметить, что, хотя первый доверительный эллипсоид 41 и второй доверительный эллипсоид 42 частично перекрываются, они, тем не менее, достаточно разделены, чтобы можно было отличить точку измерения с грунтом С0 от точки измерения с грунтом С2. Таким образом, совместное рассмотрение параметров KL и KS позволяет определить состояние твердости грунта, несмотря на нагрузки, давления и скорости, которые могут изменяться.
Более конкретно, данные измерения, содержащие параметры KL и KS, используются для анализа измерительного сигнала с целью определения категории твердости, к которой принадлежит грунт, по которому движется шина 1. Использование категорий означает, что любая обратная связь информации с водителем или использование автоматизированной системы может быть облегчена и упрощена, в то же время устраняя неточности и флуктуации измерений. Использование категорий твердости не является обязательным, поскольку твердость можно выразить с помощью числового значения, такого как, например, процентное соотношение, хотя это предпочтительный вариант осуществления, который изложен ниже.
В качестве не ограничивающей иллюстрации можно использовать следующие категории:
В этой таблице почва С0 - это недавно вспаханная почва, которая была взборонена, почва С1 - это почва С0, которая была уплотнена прохождением колеса (только переднее колесо), почва С2 - это почва С0, которая была уплотнена прохождением двух колес (переднее колесо и заднее колесо), почва С3 - это почва С0, которая была уплотнена прохождением трех колес (переднее колесо, заднее колесо и затем снова переднее колесо). Следует отметить, что почвы С2 и С3 (и, возможно, следующая) сгруппированы в одну и ту же категорию, потому что почва очень скоро достигает максимальной степени уплотнения при наезде транспортным средством 9. Преимущество этих категорий заключается в том, что они учитывают воздействия, оказываемые на твердость грунта, путем проезда по нему передними колесами и задними колесами. Конечно, можно использовать и другие категории. Например, можно использовать еще более рыхлые категории, например, для очень рыхлой илистой почвы или даже для почвы с недостаточной несущей способностью.
Поэтому твердость грунта определяется с помощью соотношения, связывающего твердость грунта, первый параметр KL и второй параметр KS. Таким образом, после определения первый параметр KL и второй параметр KS затем используются для определения коэффициента твердости (этап 3) с использованием этого соотношения. Таким образом, если коэффициент твердости обозначен F, а функция, соответствующая соотношению и относящаяся к первому параметру KL и второму параметру KS, обозначена f, то можно записать следующее:
F=f(KL,KS)
Как правило, эта взаимосвязь является линейной. Более конкретно, линейная зависимость может иметь форму:
F=a+b×KL+c×KS,
где F - коэффициент твердости, KL - первый параметр, KS - второй параметр, a, b и с - заранее определенные не равные нулю фиксированные действительные коэффициенты. Связь может быть билинейной и, следовательно, иметь тип:
F=a+b×KL+c×KS+m×KL×KS,
где a, b, с и m - заранее определенные ненулевые фиксированные действительные коэффициенты.
Следует отметить, что соотношение, связывающее твердость грунта, первый параметр KL и второй параметр KS, может, очевидно, учитывать другие параметры и, в частности, может учитывать давление в шине, скорость или, в противном случае, длину КТ (оборот колеса).
Фиксированные коэффициенты а, b, с и m предпочтительно выбираются для максимального различения категорий твердости грунта. Например, можно использовать одномерный дискриминантный анализ. Этот дискриминантный анализ направлен на увеличение до максимума расстояния между центрами тяжести каждой из категорий твердости грунта, в то же время минимизируя разброс внутри категории.
AD
На фиг. 5 показан пример одномерного дискриминантного анализа для передней шины 1 транспортного средства 9 для тех же данных, что и на фиг. 4. Образцы (ровно 1388) сгруппированы вместе, их конфигурация проходи вдоль оси абсцисс, а ось ординат соответствует оси дискриминанты. Точки измерения были записаны с тремя различными конфигурациями твердости. Первый набор 51 точек измерения группирует вместе точки измерения, записанные на дороге, второй набор 52 точек измерения группирует вместе точки измерения, записанные на очень рыхлой почве, соответствующей конфигурации почвы С0, третий набор 53 точек измерения группирует вместе точки измерения, записанные на полурыхлой почве, соответствующей конфигурации грунта С2. Дискриминантный анализ параметров KL и KS состоит в объединении этих двух параметров, чтобы из них вывести третий, который соответствует коэффициенту жесткости F, который соответствует значению ординаты каждой точки измерения. Тогда соотношение следующее:
AD
F=0.012516 × KL+0.57576 × KS
Таким образом, со ссылкой на общую формулу, приведенную ранее, было обнаружено, что: а=0, b=0,012516 и с=0,57576. Значения фиксированных коэффициентов, очевидно, зависят от типа шины, от используемого датчика 10, от его расположения на шине, спереди или сзади, и от конфигурации грунта, используемой для сбора данных.
Дискриминантный анализ позволяет определить пороговые значения классификации, разделяющие различные категории. В примере с фиг. 4 результирующие пороговые значения изображены пунктирными горизонтальными линиями. Таким образом, первая линия 55 отделяет категорию «дорога» от категории «почва С2» с пороговым значением классификации 0,088066. Вторая строка 56 отделяет категорию «почва С2» от категории «почва С0» с пороговым значением классификации 0,44572.
Таким образом, после определения первый параметр KL и второй параметр KS используются для определения коэффициента твердости, а категория твердости на месте определяется (этап S4) путем сравнения этого коэффициента твердости с пороговыми значениями классификации. В этом примере средняя вероятность правильного обнаружения трех категорий (дорога, почва С2 и почва С0) возрастает до 97% и распределяется следующим образом:
- 100% для классификации дороги,
- 94% для классификации почвы С2,
- 96% для классификации почвы С0.
Таким образом достигается отличное соответствие между категориями твердости, определенными посредством способа, и фактической твердостью конфигураций грунта в точках измерения.
Следует отметить, что поведение шины 1, установленной на передней части транспортного средства 9, отличается от поведения шины 1, установленной на задней части транспортного средства 9, главным образом из-за различных соответствующих размеров передней шины 1 и задней шины 1, но также из-за уплотнения почвы передней шиной 1, что увеличивает твердость грунта, по которой движется задняя шина 1. В результате соотношение между твердостью грунта, первым параметром KL и вторым параметром KS для передней шины 1 и для задней шины может различаться. В предпочтительном варианте датчик 10 расположен внутри передней шины 1, что позволяет лучше учитывать эффективную твердость грунта в том виде, в каком он находится до его уплотнения из-за движения по нему шины 1. Таким образом, используя линейную зависимость, выраженную выше, фиксированные коэффициенты a, b и с могут различаться в зависимости от положения датчика 10 в передней шине 1 или в задней шине 1. В качестве дополнительного предпочтения датчик 10 размещается в передней шине 1, а другой датчик 10 размещается в задней шине, которая следует за указанной передней шиной (а именно, обычно на той же стороне транспортного средства 9). Таким образом, можно получить два линейных соотношения, одно для передней шины, а другое для задней:
AV
AV
AV
AV
AV
AV
AR
AR
AR
AR
AR
AR
где F - это твердость, определенная из данных измерения передней шины, KL- это первый параметр для передней шины, KS - второй параметр для передней шины, а, b, c - заранее определенные фиксированные коэффициенты для передней шины, и где F - это твердость, определенная из данных измерения задней шины, KL - это первый параметр для задней шины, KS - второй параметр для задней шины, а., b., c - заранее определенные фиксированные коэффициенты для задней шины. Например, возможны следующие два соотношения:
AV
AR
Поскольку твердость, испытываемая передней шиной и задней шиной, определяется различными дискриминантными анализами, F и F не находятся непосредственно на одной и той же шкале. Однако предпочтительно иметь возможность сравнивать и совместно использовать значения жесткости, определенные передней шиной и задней шиной, путем нахождения общей шкалы для выражения этих двух значений твердости. Категория «дорога» может быть выбрана в качестве общей ссылки, поскольку видно, что она содержит небольшой разброс, что позволяет определять переводные коэффициенты для корректировки шкалы. Это простой вопрос изменения соответствующих фиксированных коэффициентов a, b и с двух соотношений.
Эти значения твердости также могут быть выражены как функция разброса измерений: самая высокая твердость точек измерения может тогда соответствовать одному концу шкалы, в то время как самая низкая твердость точек измерения может соответствовать другому концу шкалы. Например, процентные значения могут использоваться для выражения твердости: 100% для самого высокого фактора твердости и 0% для самого низкого фактора твердости. Еще раз, это просто влечет за собой изменение соответствующих фиксированных коэффициентов a, b и с двух соотношений.
Возвращаясь к примеру двух приведенных выше соотношений, эти два соотношения могут выражать коэффициент устойчивости в процентах по одной и той же шкале:
В качестве примера на фиг.6 показана классификация твердости грунтов в процентах для шести категорий таблицы 1, причем пороговые значения классификации представлены вертикальными пунктирными линиями, а показатели плотности вероятности для каждой категории смоделированы с использованием нормального закона.
Таким образом, таблицу 1 можно дополнить соответствующими пороговыми значениями, чтобы получить следующую таблицу:
Эти категории определяются заранее и сохраняются в памяти модуля 15 обработки, который также хранит соотношение, связывающее твердость грунта, первый параметр KL и второй параметр KS. Эти категории могут использоваться модулем 15 обработки для обработки данных измерения для шины 1 и соответствующего датчика 10 для определения категории твердости грунта, по которому движется шина 1. Например, если коэффициент твердости (в процентах) F (%), рассчитанный для пары, состоящей из первого параметра KL и второго параметра KS, который получается из измерительного сигнала, равен 92%, это означает, что шина 1 движется по очень твердому грунту, например, по дороге, относящейся к категории D5.
Затем могут быть выполнены соответствующие этапы в соответствии с определенной таким образом твердостью. Например, в случае сельскохозяйственного трактора со встроенной трансмиссией и без центрального дифференциала передний мост можно отключить, чтобы избежать износа на твердом грунте. И наоборот, также возможно, например, снизить давление в шинах, когда грунт очень рыхлый, чтобы ограничить отметки на грунте или уменьшить риск проваливания колес.
Эти этапы могут контролироваться модулем 15 обработки данных, который определил твердость грунта, особенно в том случае, если это центральный модуль управления транспортного средства 9. Также возможно, чтобы модуль 15 обработки данных, который определил твердость грунта, просто отправил информацию, состоящую из твердости грунта (выраженную в виде значения или синтезированную в форме указания категории), другому элементу управления и/или на устройство отображения, чтобы проинформировать об этом пользователя.
Изобретение не ограничивается вариантом осуществления, описанным и изображенным на прилагаемых чертежах. Остаются возможными модификации, в частности, в отношении состава различных элементов или путем замены техническими эквивалентами, никоим образом не выходя за пределы объема правовой охраны изобретения.