JP6630203B2 - 変位計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、加速度検出手段の出力から変位を算出する変位計測装置に関する。

車両を実際に走行させた際に、路面の凹凸によって車両に加わる振動を実振動波形データとして収集し、収集した実振動波形データに基づいて実走行時に受けた振動と同一の振動を、台上試験機上の車両に加えることにより、車両を実走行させることなく、車両の振動試験やサスペンションの機能評価、およびサスペンションの制御等が行われている。
実振動の波形データを収集する際に、変位計を用いて対象物の変位量を計測する場合、測定対象物の変位量に応じて、変位計が大きくなるとともに、計測のために変位量の大きさに応じた大きな計測空間が必要となることがある。
このため、車両内部等の限られた空間内で変位量を計測する際に、変位計を設置できない場合が出てくる。そこで、加速度検出手段の出力から変位量を算出することが行われている。
たとえば、特許文献１では、車両に設置された加速度検出手段の出力信号について、時間積分を２回行うことで変位量（路面の凹凸）を算出している。加速度検出手段は、センサ自体が小さく、加速度を計測するために、センサの周囲に広い計測空間を必要としないため、変位計を設置できないような場所にも設置することが可能である。

特開平１０−２７８５２８公報 特許３４２１５５９号

ところで、加速度検出手段の出力信号は、アナログ信号であるが、アナログ信号のままでは、積分ができないため、アナログ信号をデジタル信号に変換（Ａ／Ｄ変換）しなければならない。しかしながら、Ａ／Ｄ変換することで、離散化されたデジタル信号には量子化誤差が含まれる。そして、変位量を算出するには、量子誤差が含まれたデジタル信号を積分し、この積分結果（速度）をさらに積分する。このため、量子化誤差が積算されてしまい、正確な変位量を算出することが困難であった。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、測定対象物の変位量を加速度検出手段の出力信号からより正確に算出することができる変位計測装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る変位計測装置は、変位する測定対象物の加速度を検出する加速度検出手段と、該加速度検出手段の出力信号から該測定対象物の変位量を算出する演算手段とを備え、該演算手段は、該出力信号を時間軸上から周波数軸上へ変換した後、２階積分を行い、周波数軸上から時間軸上へ逆変換することで、該測定対象物の変位量としての算出変位量を算出し、該出力信号、該算出変位量から該測定対象物の変位に対する応答関数を求め、該加速度検出手段によって計測した加速度と該算出変位量から再現した加速度としての再現加速度との残差を算出し、該応答関数を元に、該残差が要求される精度に収まるまで該算出変位量の補正を繰り返し行い、該残差が要求される精度に収まった際の該算出変位量を該測定対象物の変位量とすることを特徴とする。

このような構成によれば、加速度検出手段の出力信号について、周波数領域の２階積分を行い、測定対象物の変位量を求めることで、加速度検出手段の出力信号のみで、測定対象物の変位量をより正確に算出することができる。

また、前記変位計測装置において、前記出力信号を時間軸上から周波数軸上へ変換する際に、フーリエ変換を行い、周波数軸上から時間軸上へ逆変換する際に逆フーリエ変換を行うことが好ましい。

このような構成によれば、前述の構成と同様の作用効果が得られる。

また、前記変位計測装置において、前記測定対象物は、車体を構成する車輪であり、前記加速度検出手段は、該車体と、該車輪を軸支する車軸との間に設置されるサスペンションの車体側固定部に設置される車体側加速度センサと、該サスペンションの車輪側固定部に設置される車輪側加速度センサとを備え、前記演算手段は、該車輪の垂直方向の変位量を算出することが好ましい。

このような構成によれば、加速度検出手段の出力信号のみで、車輪の変位量をより正確に算出することができる。また、算出された車輪の変位量を用いることで、台上試験での実環境の再現性を向上させることができるため、サスペンションの評価を正確に行うことができる。

本発明によれば、測定対象物の変位量を加速度検出手段の出力信号からより正確に算出することができる。

ハンマリング試験において、本実施形態の変位計測装置を用いて試験体の変位量を測定する様子を示す試験概要図である。 ハンマリング試験の試験結果と本実施形態の変位計測装置の計測結果を比較したグラフである。 車両走行中において、本実施形態の変位計測装置を用いて車輪の変位量を測定する様子を示す試験概要図である。 台上試験機の構成を示す模式図である。

本発明の一実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態の変位計測装置１は、図１に示すように、ハンマリング試験において、変位する試験体１１（測定対象物）の加速度を計測し、加速度から試験体１１の変位量を算出する。ハンマリング試験では、ハンマ１２による打撃（ハンマリング）によって、振動する試験体１１の変位量（振幅）を測定する。
本実施形態の変位計測装置１は、加速度検出手段２、記憶手段３、および演算手段４を備えている。
加速度検出手段２は、加速度センサで構成され、試験体１１（測定対象物）に設置される。加速度センサの加速度を検出する方法として、圧電素子型、静電容量型、ひずみゲージ型等、様々な検出方法が提案されているが、本実施形態では、試験体１１の計測箇所に設置可能な外形寸法であること、計測箇所に確実に固定できること等の計測条件を満足できれば、検出方法を問わず、採用が可能である。なお、加速度から変位量を算出する手法は、直接変位を計測するよりもセンサの小型化、低コスト化が可能である。
記憶手段３は、加速度検出手段２から出力された出力信号、および演算手段４の算出結果を記録しておくものである。
演算手段４は、加速度検出手段２の出力信号を時間領域から周波数領域へフーリエ変換した後、２階積分を行い、周波数領域から時間領域へ逆フーリエ変換することで、変位する試験体１１の変位量を算出する。
つまり、演算手段４は、加速度検出手段２の出力信号から試験体１１の変位量を算出する。
なお、図１に示すハンマリング試験では、本実施形態の変位計測装置１との比較のために、ハンマリングによる変位を計測する変位計１３が試験体１１に設置されている。

次に、ハンマリング試験によって、試験体１１の変位量を測定する手順を説明する。
まず、試験体１１に、加速度検出手段２を設置する。
次に、試験体１１に、ハンマ１２で打撃を加えて、振動させ、加速度検出手段２から出力される出力信号を記憶手段３に記録する。
演算手段４は、記憶手段３に記録された加速度検出手段２の出力信号を読込み、出力信号の離散化（Ａ／Ｄ変換）を行う。ここで、離散化された出力信号を算出加速度とする。なお、出力信号を記憶手段３に記録する際に、演算手段４が出力信号の離散化（Ａ／Ｄ変換）を行う構成としても良い。

演算手段４は、出力信号を離散化する際に、サンプリング周期τで、サンプル数Ｎをサンプリングする。つまり、算出加速度は、サンプリング周期τで離散化されている。
数式１：

演算手段４は、数式２によって、算出加速度を時間領域から周波数領域にフーリエ変換する。なお、角振動数ω＝２πｎ/τとする。
数式２：

次に、演算手段４は、数式３によって、周波数領域に変換された算出加速度の２階積分を行い、周波数領域における変位量を算出する。
数式３：

さらに、演算手段４は、数式４によって、周波数領域における変位量に対して逆フーリエ変換を行い、時間領域における変位量（算出変位量）に変換する。
数式４：

演算手段４は、上記の各数式２〜４について、算出加速度、および各計算式の計算結果を用いてそれぞれの計算を行い、算出加速度から変位量（算出変位量）を算出する。

上記手法で算出した算出変位量と、変位計１３による実計測値の変位量とを比較すると、図２に示すように、算出変位量の振動波形が、実測値の振動波形を倣ったものになっており、加速度から算出した算出変位量によって、実計測値を再現できたと考えられる。
なお、参考として、算出加速度を時間領域のまま２階積分し、得られた変位量（時間領域算出変位量）も図中に描画している。時間領域算出変位量では、たとえば「打撃を加える前は、変位量がゼロである」というような条件を加えて、一部分の領域について合わせ込まれているが、計算範囲全体では、計算が発散しているのは明らかである。

以上のような構成に加え、加速度検出手段２の出力信号について、周波数領域の２階積分を行い、測定対象物の変位量を求めることで、加速度検出手段２の出力信号のみで、試験体１１の変位量をより正確に算出することができる。

次に、図３に示すように、変位計測装置１を車両Ｓに設置し、車両Ｓが走行する際に、路面Ｒの凹凸によって変位する車輪Ｓ１（測定対象物）の変位量を、変位計測装置１を用いて計測する手法について説明する。
車両Ｓは、車体ＳＳから延設される車軸Ｓ２と、車軸Ｓ２に軸支される車輪Ｓ１と、車体ＳＳと車輪Ｓ１との間に配設されるサスペンションＳ３とを備えている。
車輪Ｓ１は、車軸Ｓ２によって回転可能に軸支されており、その外周には、弾力性を備え、路面Ｒとの設置面を構成するタイヤＳ１ａが嵌め込まれている。

サスペンションＳ３は、車体ＳＳと車輪Ｓ１との間に配設され、車軸Ｓ２を支持しながら、走行中に車輪Ｓ１から車体ＳＳに伝わる路面Ｒの凸凹を吸収するとともに、タイヤＳ１ａの接地を適切に保つものである。サスペンションＳ３は、スプリングＳ３ａとダンパＳ３ｂとを備えている。
スプリングＳ３ａは、円筒状に巻かれた巻きバネによって構成されている。
ダンパＳ３ｂは、スプリングＳ３ａの筒内に配置されている。
ダンパＳ３ｂは、シリンダ（図示せず）内をサスペンションＳ３の伸縮に合わせて移動するピストン（図示せず）を備えるとともに、シリンダ内にオイルなどの液体が封入されている。また、ピストンには、オリフィス（図示せず）が設けられている。
そして、スプリングＳ３ａとダンパＳ３ｂは、サスペンションＳ３の車体側固定部Ｓ３ｃと車輪側固定部Ｓ３ｄとの間に伸縮自在に配置されている。
車体側固定部Ｓ３ｃは、サスペンションＳ３の上端部に位置し、車体ＳＳに固定される。
車輪側固定部Ｓ３ｄは、サスペンションＳ３の下端部に位置し、車輪Ｓ１の中心を軸支する車軸Ｓ２に固定される。
上記構成のサスペンションＳ３は、スプリングＳ３ａが伸縮することで、路面Ｒからの衝撃を吸収する。また、スプリングＳ３ａの伸縮に同期して、ピストンがシリンダ内を移動し、ピストンの移動によって、液体がオリフィスを通過する。そして、液体がオリフィスを通過する際に生じる抵抗によって、ダンパＳ３ｂがスプリングＳ３ａの振動を減衰する。

加速度検出手段２Ａは、加速度センサからなり、車両Ｓが走行する際に、路面Ｒの凹凸によって変位する車輪Ｓ１の上下方向の加速度を検出する。また、加速度検出手段２Ａは、サスペンションＳ３の車輪側固定部Ｓ３ｄに設置される車輪側加速度センサ２Ａａと、サスペンションＳ３の車体側固定部Ｓ３ｃに設置される車体側加速度センサ２Ａｂとを備えている。
車輪側加速度センサ２Ａａは、サスペンションＳ３が伸縮する際の伸縮する方向に沿った加速度を計測する。
車体側加速度センサ２Ａｂは、サスペンションＳ３自身が上下方向に移動する（車体ＳＳが上下に移動する）際の、サスペンションＳ３が伸縮する方向に沿った加速度を計測する。
そして、各加速度センサ２Ａａ、２Ａｂから出力される加速度信号は、記憶手段３に出力される。
なお、サスペンションＳ３のスプリングＳ３ａとダンパＳ３ｂが別体式の場合には、それぞれに車体側加速度センサと車輪側加速度センサを設置し、上下方向の加速度を計測する。

演算手段４は、記憶手段３に記録された加速度検出手段２Ａの出力信号を読み出し、車輪Ｓ１の垂直方向の加速度（算出加速度）を算出する。このような算出加速度を求めるのは、以下の理由がある。
サスペンションＳ３は、垂直方向に対して斜めに伸縮するように車体ＳＳに設置されているために、各加速度センサ２Ａａ、２Ａｂから出力される加速度信号は、垂直方向に対して斜めに傾いたものである。また、車輪Ｓ１は、サスペンションＳ３とは異なる構成で車体ＳＳに支持されているために、サスペンションＳ３とは異なった動きをする。このため、車輪Ｓ１の変位量を算出するには、各加速度センサ２Ａａ、２Ａｂから出力される加速度信号を、車輪Ｓ１の動く方向に合わせて変換しなければならない。
また、算出した変位量が垂直方向の変位量に変換されていれば、後述する台上試験機１０１に、算出した変位量を適用する場合に、サスペンションＳ３の向きに合わせて、加振機１０２の位置を調整する必要がなくなるため、都合がよい。
さらに、車両走行中には、路面Ｒの凹凸による振動が、車輪Ｓ１を通じて車体ＳＳに入力されるが、車輪Ｓ１と車体ＳＳの間に配設されるサスペンションＳ３が伸縮して、振動を吸収する。しかしながら、サスペンションＳ３の伸縮では、路面Ｒの凹凸による振動を完全には吸収できないため、車体ＳＳが上下方向に振動する。
つまり、車両走行中のサスペンションＳ３は、伸縮しつつ、上下方向に変位している。このため、車輪側加速度センサ２Ａａの出力信号だけでは、変位する車輪Ｓ１の加速度を正確に測定できない。そこで、演算手段４は、車輪側加速度センサ２Ａａの出力信号に、車体側加速度センサ２Ａｂの出力信号を加算し、車体ＳＳの振動を考慮した車輪Ｓ１の加速度（算出加速度）を算出する。

また、演算手段４は、算出加速度を時間領域から周波数領域へフーリエ変換した後、２階積分を行い、周波数領域から時間領域へ逆フーリエ変換することで、車輪Ｓ１の垂直方向の変位量（算出変位量）を算出する。

次に、本実施形態の変位計測装置１を用いて、変位する車輪Ｓ１の加速度から、車輪Ｓ１の変位量を算出する方法を説明する。
まず、車輪側加速度センサ２Ａａを各サスペンションＳ３の車輪側固定部Ｓ３ｄに設置するとともに、車体側加速度センサ２Ａｂを各サスペンションＳ３の車体側固定部Ｓ３ｃに設置する。
そして、設定された試験路に車両Ｓを走らせて、各加速度センサ２Ａａ、２Ａｂから出力される出力信号を記憶手段３に記録する。

次に、記憶手段３に記録されている各加速度センサ２Ａａ、２Ａｂの出力信号を、演算手段４は読み込み、車輪Ｓ１の上下方向の加速度（算出加速度）を算出する。
なお、演算手段４は、出力信号を記憶手段３に記録する際、または算出加速度を算出する際に、出力信号の離散化（Ａ／Ｄ変換）を行う。
つまり、車輪側加速度センサ２Ａａの出力信号と、車体側加速度センサ２Ａｂの出力信号の２つの出力信号とを同期させ、同じタイミングでサンプリングを行う。そして、サンプリングした車輪側加速度センサ２Ａａの出力信号と、車体側加速度センサ２Ａｂの出力信号から車輪Ｓ１の垂直方向の加速度（算出加速度）を算出する。

また、演算手段４は、算出加速度から変位量を算出する。
そのために、まず演算手段４は、算出加速度を時間領域から周波数領域にフーリエ変換する。
次に、演算手段４は、周波数領域に変換された算出加速度の２階積分を行い、周波数領域における変位量を算出する。
さらに、演算手段４は、周波数領域における変位量に対して逆フーリエ変換を行い、時間領域における変位量に変換する。

上述のような変位計測装置１、および手法によって算出された算出変位量を、車両の台上試験機１０１（ロードシミュレータ）に適用し、路面Ｒの凹凸を再現することが可能である。
台上試験機１０１は、車輪Ｓ１に振動を加える加振機１０２と、加振機１０２の制御を行う加振制御手段１０３とを備えている。なお、試験対象となる車両Ｓは、４輪自動車である。

加振機１０２は、車輪Ｓ１毎に配置され、引張りと圧縮の両方に力が付与できる複動型の油圧シリンダ等が用いられる。加振機１０２は、垂直方向に移動可能な加振部１０２ａを備えている。加振部１０２ａ上に車輪Ｓ１が設置され、加振部１０２ａが上下することで、路面Ｒの凹凸を再現するとともに、車輪Ｓ１に振動を加える。
加振制御手段１０３は、各加振機１０２の制御を行い、各加振部１０２ａの位置（高さ）を変動する。加振制御手段１０３は、演算処理部１０３ａと記憶部１０３ｂとを備えている。
演算処理部１０３ａは、算出変位量を元に、加振機１０２を制御する加振制御信号を算出する。
記憶部１０３ｂは、算出された制御信号が記録される。

また、車両Ｓには、上述と同様に、加速度検出手段２Ａとしての車輪側加速度センサ２Ａａと車体側加速度センサ２ＡｂがサスペンションＳ３の各部に設置されている。
なお、算出変位量を台上試験機１０１の路面データとして利用する場合、垂直方向の変位量だけでは、走行状態を再現するには不十分なので、車体の６軸加速度（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、ロール、ピッチ、ヨー）や車速等の物理量も合わせて計測する。また、Ｘ軸（前後方向）、Ｙ軸（左右方向）、Ｚ軸（垂直）の３軸方向の加速度を計測する際に、本実施形態のように、サスペンションＳ３の伸縮する方向に加速度センサを設置し、計測した加速度を各軸方向の加速度に変換する方法を用いても良いが、軸方向毎に加速度センサを設置する構成としても良い。このような構成とすることで、各軸方向の加速度の計測をより正確に行うことができる。

次に、台上試験機１０１で再現する路面データを算出する。
上述の手法によって算出された算出変位量は、車輪Ｓ１（車軸Ｓ２）の垂直方向の変位量である。
車輪Ｓ１には、弾力性を有するタイヤＳ１ａが装着されており、タイヤＳ１ａでも路面Ｒの凹凸が吸収される。このため、算出変位量を路面Ｒの凹凸を表す路面データとして考えた場合には、誤差が含まれている。
そこで、より現実に近い走行状態を再現するために、算出変位量の精度を高める作業を行う。

路面データを算出するにあたり、加振制御手段１０３の演算処理部１０３ａは、まず上述の手法で算出された算出変位量から加振制御信号を算出する（制御信号の入力）。
そして、演算処理部１０３ａは、算出された加振制御信号を用いて加振機１０２を制御し、加振部１０２ａから車両Ｓに振動を加える。車両Ｓに設置された加速度検出手段２Ａが、振動によって変位する車輪Ｓ１の加速度を計測する（応答計測）。

演算処理部１０３ａは、計測された加速度、および各センサ出力から、路面Ｒの設置点変位に対する応答関数を求める。
演算処理部１０３ａは、実際に走行して計測した加速度（ターゲット）と、台上試験機１０１上で再現した振動による加速度（再現加速度）とを比較し、ターゲットと再現加速度との残差を算出する（ターゲットとの残差算出）。
演算処理部１０３ａは、残差が小さくなるように、応答関数を元に、変位量の補正を行う（変位量の更新）。

演算処理部１０３ａは、補正された変位量から、新たな加振制御信号を算出し（制御信号の入力）、新たな加振制御信号で加振機１０２を制御する。
新たな加振制御信号で加振された車輪Ｓ１の加速度を計測し（応答計測）、タ−ゲットとの残差を求める（ターゲットとの残差算出）。
ここで、残差が要求される精度に収まっていれば、演算処理部１０３ａは計算を終了し、算出した算出変位量を路面データとして、記憶部１０３ｂに記録する。
また、残差が要求される精度に収まっていなければ、演算処理部１０３ａは、応答関数を再度算出し、応答関数を元に変位量の補正を行い（変位量の更新）、加振試験を再度行う。
演算処理部１０３ａは、（制御信号の入力）→（応答計測）→（ターゲットとの残差算出）→（変位量の更新）→（制御信号の入力）→ … を繰り返す事でターゲットとの残差を要求される精度まで小さくしていき、路面データを算出する。

以上のような構成、および算出方法によれば、加速度検出手段の出力信号のみで、車輪の変位量をより正確に算出することができる。また、算出された車輪の変位量を用いることで、台上試験での実環境の再現性を向上させることができるため、サスペンションの評価を正確に行うことができる。
なお、時間軸から周波数軸へ変換する方法として、本実施形態では、フーリエ変換を用いているが、これに限定されるものではない。計測する振動の周波数特性に応じて、ウェーブレット変換等、様々な変換方法を用いることが可能である。

１ 変位計測装置
２Ａ 加速度検出手段
２Ａａ 車輪側加速度センサ
２Ａｂ 車体側加速度センサ
４ 演算手段
１１，Ｓ１ 測定対象物
ＳＳ 車体
Ｓ２ 車軸
Ｓ３ サスペンション
Ｓ３ｃ 車体側固定部
Ｓ３ｄ 車輪側固定部

Claims (3)

1. 変位する測定対象物の加速度を検出する加速度検出手段と、
   該加速度検出手段の出力信号から該測定対象物の変位量を算出する演算手段とを備え、
   該演算手段は、
   該出力信号を時間軸上から周波数軸上へ変換した後、２階積分を行い、周波数軸上から時間軸上へ逆変換することで、該測定対象物の変位量としての算出変位量を算出し、
   該出力信号、該算出変位量から該測定対象物の変位に対する応答関数を求め、
   該加速度検出手段によって計測した加速度と該算出変位量から再現した加速度としての再現加速度との残差を算出し、
   該応答関数を元に、該残差が要求される精度に収まるまで該算出変位量の補正を繰り返し行い、
   該残差が要求される精度に収まった際の該算出変位量を該測定対象物の変位量とする
   ことを特徴とする変位計測装置。
2. 前記出力信号を時間軸上から周波数軸上へ変換する際に、フーリエ変換を行い、
   周波数軸上から時間軸上へ逆変換する際に逆フーリエ変換を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の変位計測装置。
3. 前記測定対象物は、
   車体を構成する車輪であり、
   前記加速度検出手段は、
   該車体と、該車輪を軸支する車軸との間に設置されるサスペンションの車体側固定部に設置される車体側加速度センサと、
   該サスペンションの車輪側固定部に設置される車輪側加速度センサと
   を備え、
   前記演算手段は、
   該車輪の垂直方向の変位量を算出する
   ことを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の変位計測装置。

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