Badania możliwości klasyfikacji nawierzchni drogi na podstawie odpowiedzi dynamiki pionowej

5.2.1 Metodyka i cele badań

Celem badań możliwości klasyfikacji nawierzchni drogi na podstawie odpowiedzi dynamiki pionowej było:

– sprawdzenie wpływu jakości nawierzchni drogi na zmienność sygnałów związanych z dynamiką pionową pojazdu,

– określenie najkorzystniejszego sygnału do szacowania jakości nawierzchni drogi, który może posłużyć jako sygnał wejściowy do algorytmu szacowania jakości nawierzchni - w tym celu określono, który z sygnałów pozwala najwyraźniej i najbardziej jednoznacznie klasyfikować nawierzchnię drogi.

W badaniach rozpatrywano 4 sygnały:

1. oszacowany współczynnik bezpieczeństwa opisany w podrozdziale 1.1.2.2, 2. przyspieszenie nadwozia,

3. przyspieszenie masy nieresorowanej, 4. ugięcie zawieszenia.

Metodyka badań drogowych

Badania drogowe możliwości klasyfikacji nawierzchni drogi zostały przeprowadzone zgodnie z metodyką przedstawioną na rys. 5.4:

1. implementacja algorytmu akwizycji danych w systemie czasu rzeczywistego, który został przedstawiony w podrozdziale 3.3.2. Każdy sygnał wejściowy został m.in. uzupełniony o filtrację,

2. wykonanie jazd testowych wraz z kalibracją i ewentualnym usuwaniem błędów działania algorytmu związanymi m. in. z: doborem odpowiednich parametrów filtracji sygnałów wejściowych do algorytmu, 3. wykonanie przejazdów testowych i rejestracja danych do analizy off-line, dla sześciu wytypowanych

nawierzchni drogi występujących na terenie aglomeracji miasta Poznania.

Rys. 5.4 Schemat metodyki badań drogowych

Metodyka analizy wybranych sygnałów odpowiedzi

Analizę statystyczną wybranych sygnałów odpowiedzi dynamicznej zawieszenia przeprowadzono wykorzystując dystrybuanty, wyznaczone na podstawie wzoru dla rozkładu normalnego [17]:

𝐹(𝑥) = ∫ 1

84

gdzie: 𝑢 − zmienna, μ − średnia, N − ilość pomiarów, σ −odchylenie standardowe.

Przykład uzyskanego przebiegu dystrybuanty przyspieszeń masy nieresorowanej przedstawiono na rysunku 5.5. Do klasyfikacji wymuszeń poprzez analizę odpowiedzi zawieszenia możliwe jest wykorzystanie tego przebiegu na dwa sposoby:

– wyznaczając graniczne wartości przyspieszeń, poniżej których swoje wartości ma np. 90% próbek (rys. 5.5a).

– wyznaczając udział procentowy próbek, przekraczających przyjętą jako graniczną wartość wielkości przyspieszeń (rys. 5.5b).

Rys. 5.5 Porównanie dystrybuant pomiarów przyspieszenia masy nieresorowanej dla przejazdów po autostradzie i bruku.

Dla pierwszego przypadku na rys. 5.5a zakres graniczny dla pomiarów z przejazdu po nawierzchni asfaltowej oznaczono niebieskim prostokątem (wartości przyspieszeń ±4m/s²) a po bruku zielonym prostokątem (wartości przyspieszeń ±22 m/s²). W praktycznym wykorzystaniu, dla krótkiego okresu analizy, łatwiej skorzystać z metody drugiej, czyli wyznaczyć ilość próbek poza pewnym zakresem pomiarów z czujnika dynamiki pionowej (rys. 5.5b). Na podstawie analizy dystrybuanty stwierdzono, że należy wybrać taką wartość graniczną analizowanego sygnału odpowiedzi zawieszenia, która znajdzie się pomiędzy wartościami uzyskanymi dla nawierzchni asfaltowej i bruku.

Po analizie przyjęto, że wartości graniczne lim przyjęte będą w algorytmie jako stałe i wyznaczone zostały na podstawie przejazdów po trasie pozamiejskiej z typową dla niej prędkością eksploatacyjną (tab. 5.1). Wartości graniczne dla poszczególnych sygnałów odpowiedzi zawieszenia dla przejazdów po trasie pozamiejskiej uzyskano następujące:

– dla prędkości ugięcia - wartość ±0,15 m/s

– dla przyspieszenia masy nieresorowanej - wartość ±10 m/s² – dla przyspieszenia masy resorowanej - wartość ±1,7 m/s²

Przy tak przyjętych wartościach granicznych, dla autostrady wartości wskaźnika rodzaju nawierzchni drogi będą zmieniały się w zakresie od 0 do 0,1 dla drogi pozamiejskiej pomiędzy 0,1 - 0,2, natomiast dla dróg o gorszej jakości wartości wskaźnika P będą większe. Przy przyjętym przykładowo (rys. 5.5b), zakresie przyspieszeń ±10 m/s² stwierdzono, że prawdopodobieństwo wystąpienia przyspieszenia masy nieresorowanej o wartości poza tym zakresem dla asfaltu o bardzo dobrej jakości wynosi 2% a dla bruku 40% ilości próbek.

85

5.2.2 Analiza zmienności współczynnika bezpieczeństwa (WB)

Pod względem wskaźnika bezpieczeństwa WB przejazd po nawierzchni asfaltowej wykazał minimalną wartość WB o wartościach około 25%, natomiast dla bruku dość często zaobserwowano wartości WB równe 0%. Podczas jazdy po bruku dochodziło więc do chwilowego zerwania kontaktu opony z nawierzchnią drogi co potwierdzają wyniki przedstawione na rysunku 5.6.

Utrata kontaktu opony z nawierzchnią drogi jest bardzo niebezpieczna, dlatego istotne jest, aby tak wysterować tłumieniem zawieszenia, aby minimalizować prawdopodobieństwo wystąpienia takiej sytuacji, szczególnie podczas działania dużych przyspieszeń poprzecznych (jazda po łuku) lub hamowania pojazdu. Współczynnik WB wymaga dokładnych pomiarów przyspieszeń masy nieresorowanej i resorowanej, jak również mocy obliczeniowej sterownika do wygenerowania współczynnika WB. Z tych względów nie jest on optymalny do określania nawierzchni drogi w czasie rzeczywistym, choć w dalszej rozbudowie systemu sterowania o moduł doboru strategii sterowania może być ważne, by określić chwilowy cel sterowania- maksymalizacja komfortu lub bezpieczeństwa przejazdu.

Rys. 5.6 Przebieg wartości WB dla przejazdów po bruku i asfalcie.

5.2.3 Analiza zmienności sygnału przyspieszenia masy resorowanej

Kolejnym sygnałem poddanym analizie przydatności do szacowania rodzaju (jakości) nawierzchni drogi było przyspieszenie masy resorowanej. Przyspieszenie masy resorowanej dla przejazdu po nawierzchni asfaltowej uzyskuje około 4 razy mniejszą wartością transformaty Fouriera w obszarze rezonansowym drgań nadwozia niż przy przejeździe po bruku. Aby zniwelować wpływ drgań na pojazd przy częstotliwości rezonansowej drgań nadwozia można zwiększyć siłę tłumienia. Natomiast podwyższona wartość transformaty w zakresie 4-8 Hz (maksymalna wrażliwość ciała ludzkiego wg normy ISO - patrz podrozdział 1.1.2.1) może być niwelowana poprzez zmniejszenie tłumienia amortyzatora. Z powyższej analizy widać użyteczność pomiaru przyspieszenia masy resorowanej również w dalszym etapie budowania systemu sterowania określaniu optymalnego tłumienia dla poszczególnych klas nawierzchni drogi.

Oszacowanie rodzaju nawierzchni drogi poprzez przeprowadzanie analizy Fouriera w zakresie częstotliwości 1-4 Hz jest możliwe poprzez określanie wartości średniej transformaty w tym zakresie i porównywanie jej dla różnych nawierzchni drogi. Wadą tej koncepcji jest potrzebna moc obliczeniowa do wygenerowania wartości średniej transformaty w tym zakresie w czasie do 0,5 s.

Wartości przyspieszenia masy resorowanej podczas przejazdu po asfalcie charakteryzują się mniejszym rozrzutem (rozkładu statystycznego) niż przy przejeździe po bruku. Dla przyspieszeń masy resorowanej przy przejeździe po asfalcie 80% pomiarów było w zakresie 0,9 m/s^2. Dla przejazdu po bruku 80% pomiarów było w zakresie 3 m/s² , przy

5 10 15 20 25

86

założeniu rozkładu normalnego próbek sygnału przyspieszenia masy resorowanej (rys. 5.7). Tak duże różnice w przebiegu dystrybuanty mogą być dobrym weryfikatorem nawierzchni, po której przejeżdża pojazd.

Rys. 5.7 Dystrybuanta dla pomiaru przyspieszenia masy resorowanej.

5.2.4 Analiza zmienności sygnału ugięcia zawieszenia (prędkości ugięcia)

Innym mierzalnym sygnałem, który potencjalnie może służyć do określania nawierzchni drogi jest ugięcie zawieszenia i ocena zakresu pracy zawieszenia. Rozpatrując możliwości weryfikacji dla sygnału ugięcia zawieszenia stwierdzono problem określenia punktu 0 - położenia równowagi statycznej samochodu. Wynika to z tego, że, wartość ugięcia statycznego zmienia się wraz z ilością pasażerów i ładunku. Aby uniezależnić się od załadowania pojazdu można analizować prędkość ugięcia wyznaczając pochodną ugięcia. Prędkość uginania zawieszenia jest parametrem niezależnym od wstępnego przesunięcia (błędu początkowego). Analiza rozkładu wartości prędkości ugięć zawieszenia wykazała, że dla przejazdu po nawierzchni asfaltowej poza zakresem prędkości ugięć zawieszenia ± 0,1m/s znajduje się 16% pomiarów, natomiast dla bruku jest to wartość około 54%. Wyznaczając prędkości ugięcia zawieszenia w których mieści się 80% pomiarów okazało się, że dla asfaltu w tym zakresie mieszczą się prędkości do +-0,09 m/s, a dla bruku do +- 0,22m/s. Okazuje się, że różnica pomiędzy asfaltem miejskim a brukiem jest znacząca (ok. 41%) (rys. 5.8).

Wyznaczając prędkości ugięcia zawieszenia w których mieści się 90% pomiarów uzyskano wartości dla asfaltu o dobrej jakości +-0,15m/s, a dla bruku +-0,4m/s.

Rys. 5.8 Dystrybuanta dla pomiaru prędkości ugięcia zawieszenia

87

W typowej eksploatacji samochodu wykorzystywany jest niewielki zakres prędkości ugięcia zawieszenia. Rys. 5.9 pokazuje, że rodzaj nawierzchni drogi ma decydujący wpływ na zakres wykorzystywanych prędkości ugięcia. Dzięki temu możliwe jest klasyfikowanie nawierzchni drogi poprzez analizę prędkości ugięcia. Jednocześnie z analizy rysunku 5.9 można odczytać zakres generowanych sił przez amortyzator podczas jazdy po wybranych nawierzchniach drogi oraz podczas ugięć zawieszenia wywołanych manewrem hamowania.

Przeprowadzona analiza potwierdza, że prędkość ugięcia zawieszenia byłaby dobrym parametrem określającym klasę nawierzchni drogi. Rozpatrując jednak fizyczną realizację okazuje się, że pomiar ugięcia zawieszenia ma kilka wad.

Możliwe do wykorzystania dla realizacji pomiaru czujniki laserowe są zależne od zabrudzeń wynikających z eksploatacji pojazdu. Inną możliwością jest wykorzystanie do pomiarów ugięcia czujników linkowych, które stwarzają problem zarówno podczas napraw zawieszenia, są również podatne na uszkodzenia i zabrudzenia podczas eksploatacji.

Najlepszym rozwiązaniem pod względem eksploatacyjnym wydaje się zastosowanie czujnika mierzącego kąt pomiędzy wahaczem a ramą i następnie poprzez liniową charakterystykę obliczenie ugięcia zawieszenia. Tego typu rozwiązanie stosowane jest m.in. w pojazdach koncernu Volkswagen AG.

Rys. 5.9 Zakres pracy amortyzatora dla bruku, nawierzchni asfaltowej i podczas hamowania [58].

5.2.5 Analiza zmienności sygnału przyspieszenia masy nieresorowanej

Kolejnym etapem badań była analiza sygnałów z czujnika przyspieszeń zamontowanego na masie nieresorowanej.

Zakresy wartości przyspieszeń tej masy są o rząd wielkości większe niż w przypadku masy resorowanej, co pozwala zastosować tańszy czujnik przy uzyskaniu większej dokładności rozróżnienia rodzaju nawierzchni.

Prawdopodobieństwo wystąpienia przyspieszenia masy nieresorowanej o wartości poza zakresem + -10 m/s² dla asfaltu wynosi 5% a dla bruku 53,5% dla analizowanego czasu przejazdu (rys. 5.10). Analiza sygnału przyspieszeń masy nieresorowanej pod względem przydatności do określenia rodzaju nawierzchni drogi wskazuje, że mamy do czynienia z bardziej wrażliwym sygnałem, niż zaprezentowane w poprzednich podrozdziałach. Również cena czujnika do jego pomiaru jest mała w porównaniu z poprzednimi propozycjami, ponieważ czujniki przyspieszeń są obecnie powszechne stosowane w technice, telekomunikacji i elektronice - występują przykładowo w większości telefonów komórkowych.

Analiza transformaty Fouriera przyspieszeń masy nieresorowanej wykazuje, że dla przejazdu po bruku występuje większa wartość transformaty Fouriera w zakresie częstotliwości rezonansowej 12-14Hz, co jest związane z rezonansem drgań masy nieresorowanej.

88

Rys. 5.10 Dystrybuanta dla pomiaru przyspieszenia masy nieresorowanej

5.2.6 Wybór sygnału wejściowego do algorytmu 5.2.6.1 Ustalenie granic przedziałów klasyfikacyjnych

Aby określić, który z opisanych sygnałów dynamiki pionowej jest najkorzystniejszy do szacowania jakości nawierzchni, należało ustalić w jaki sposób porównywać sygnały. Do tego celu przyjęto, że wyznaczone zostaną zakresy zmienności analizowanych sygnałów, które traktowane będą jako przedziały klasyfikacyjne. Wyznaczone granice takich przedziałów zamieszczono w tab. 5.1. Ze względu na fakt, że mierzone wartości analizowanych sygnałów mieściły się w szerokich zakresach postanowiono zawęzić przedziały definiując je poprzez wyznaczenie granic tak, aby 90% próbek mieściło się w zakresie ± wartości granicznej. Analiza mierzonych sygnałów dynamiki zawieszenia pozwoliła wyznaczyć wartości graniczne przedziałów klasyfikacyjnych dla różnych nawierzchni - tabela 5.1.

Tab. 5.1 Wartości graniczne 𝑙𝑖𝑚 przedziałów klasyfikacyjnych (dla 90% próbek) ustalonych na podstawie badań drogowych przy różnych nastawach tłumienia zawieszenia

89

5.2.6.2 Wybór najkorzystniejszego sygnału odpowiedzi dynamicznej

Spośród trzech pomiarowo dostępnych i analizowanych sygnałów odpowiedzi dynamiki pionowej zawieszenia wybrano jeden najbardziej korzystny dla realizacji klasyfikacji jakości nawierzchni dróg na podstawie następujących parametrów statystycznych [71]:

 średniej różnicy granicy przedziału klasyfikacyjnego ∆𝑙𝑖𝑚̅̅̅̅̅̅ dla zmiany tłumienia amortyzatora z nastawy minimalnej 𝑇𝑚𝑖𝑛 na maksymalną 𝑇𝑚𝑎𝑥. Dane do obliczenia tych parametrów zaczerpnięto z tab.5.1. Różnice wartości granicznych dla każdej z 6 nawierzchni wyznaczono za pomocą wzoru:

𝑙𝑖𝑚 _{𝑇𝑚𝑖𝑛}−𝑙𝑖𝑚 _{𝑇𝑚𝑎𝑥}

𝑙𝑖𝑚 _{𝑇𝑚𝑎𝑥} = ∆𝑙𝑖𝑚 5.2

aby można było porównywać wyniki między poszczególnymi sygnałami wejściowymi ∆𝑙𝑖𝑚 wyznaczono w procentach. Średnia dla wszystkich 6 badanych nawierzchni została obliczona za pomocą wzoru:

∆𝑙𝑖𝑚̅̅̅̅̅̅ =1

 odchylenia standardowego różnic wartości granicznych dla 6 przebadanych rodzajów nawierzchni dróg, które zostało obliczane za pomocą wzoru:

𝜎 = √∑^𝑛_𝑖=1(∆𝑙𝑖𝑚 − ∆𝑙𝑖𝑚̅̅̅̅̅̅)² 6

5.4

 różnicy wartości granicznych między skrajnymi nawierzchniami drogi (autostrada i bruk), którą nazwano zakresem wartości granicznych Z i została obliczona na podstawie wzoru:

𝑍 =𝑙𝑖𝑚_{𝑀𝐴𝑋_𝑏} 𝑙𝑖𝑚_{MIN_𝑎}

5.5

Wartości tych parametrów statystycznych dla 3 analizowanych sygnałów odpowiedzi dynamiki pionowej zaprezentowano ponownie w tab. 5.2.

Tab. 5.2 Wartości parametrów statystycznych dla 3 analizowanych sygnałów odpowiedzi dynamiki pionowej Przyspieszenie nadwozia Przyspieszenie kola Prędkość ugięcia zawieszenia

∆𝑙𝑖𝑚̅̅̅̅̅̅ _{-13,9 33,7 47,2}

𝜎 0,01 0.007 0.018

𝑍 3,9 6 6,2

Im mniejsza wartość ∆𝑙𝑖𝑚̅̅̅̅̅̅ tym większa niezależność sygnału wejściowego od wpływu charakterystyki tłumienia na wynik oszacowania jakości nawierzchni drogi. Oprócz niewielkiego wpływu tłumienia amortyzatora na wartość zmienności granicy 𝑙𝑖𝑚, istotne jest aby zakres wartości granicznych Z był z kolei jak największy. Zakres wartości granicznych Z pomiędzy autostradą i brukiem pozwala zawrzeć wartości graniczne przedziałów klasyfikacyjnych dla 6 badanych typów nawierzchni. Jeśli ta szerokość będzie dla wybranego z trzech sygnałów odpowiedzi znacznie większa niż dla innych, to wtedy nawet większe odchylenie standardowe wpływu zmiany tłumienia 𝜎 dla tego sygnału skutkować będzie większą dokładnością oszacowania typu nawierzchni poprzez zaproponowany w dalszej części pracy wskaźnik P. Na rys. 5.11 zilustrowano potrzebę rozpatrywania różnicy zakresów wartości granicznych Z dla analizowanych sygnałów odpowiedzi dynamiki pionowej. Kolorem niebieskim zaznaczono wartości graniczne z podziałem na 6 równych przedziałów, kolorem czerwonym odchylenie standardowe wpływu nastawy tłumienia 𝜎 .

90

Oś podziału typów nawierzchni pokazuje, że podobne odchylenie standardowe w przypadku małego zakresu poszczególnych przedziałów może doprowadzić do błędnego oszacowania typu nawierzchni, po której porusza się pojazd.

Rys. 5.11 Metodyka doboru sygnału wejściowego do algorytmu. [71]

Wyniki zaprezentowane w tab. 5.2pokazały, że zakresem wartości granicznych Z dla przyspieszenia koła i prędkości ugięcia wynosi około 600% wartości limTmin_1, co oznacza, że wartość graniczna dla nawierzchni najgorszej jest 6 razy większa niż dla najlepszej. Dla przyspieszenia nadwozia ten zakres jest znacznie mniejszy i wynosi około 400% wartości limTmin_1. Oznacza to, że pozornie najlepsza wielkość pomiarowa do oszacowania klasy nawierzchni drogi, czyli taka, która posiada najmniejsze odchylenie standardowe, jest najmniej korzystna. Z tego powodu sygnałem docelowym dla algorytmu rozpoznającego klasę nawierzchni drogi wybrano przyspieszenie masy nieresorowanej.

5.2.7 Podsumowanie

Celem badań możliwości klasyfikacji nawierzchni drogi na podstawie odpowiedzi dynamiki pionowej było:

1. sprawdzenie wpływu jakości nawierzchni drogi na zmienność sygnałów związanych z dynamiką pionową pojazdu,

2. określenie najkorzystniejszego sygnału do szacowania jakości nawierzchni drogi, który może posłużyć jako sygnał wejściowy do algorytmu szacowania jakości nawierzchni - w tym celu określono, który z sygnałów pozwala najwyraźniej i najbardziej jednoznacznie klasyfikować nawierzchnię drogi.

W zakresie celu 1 uzyskane wyniki syntetycznie odzwierciedla tab. 5.1 z wyszczególnionymi wartościami granicznymi przedziałów klasyfikacyjnych.

W zakresie celu 2 po analizie zmienności różnych sygnałów odpowiedzi wytypowano sygnał przyspieszenia masy nieresorowanej jako najkorzystniejszy do weryfikacji nawierzchni drogi. Sygnał prędkości ugięcia zawieszenia również uznano za odpowiedni do szacowania jakości nawierzchni drogi.