测量路面三维轮廓的方法及用于实现该方法的装置 【技术领域】
本发明涉及测量其上可行驶汽车的路面的三维轮廓的方法。本发明亦涉及用于实现这种方法的装置。
背景技术
虽然不限于这种应用，但本发明将更具体地通过参考安装于汽车类型的车辆上的轮胎加以说明。
当这种车辆行驶于通常由沥青或混凝土型路面组成的道路上或跑道上时，安装于所述车辆上的轮胎的抓地(grip)性能对于加速和制动扭矩的传递以及对于车辆的稳定性来说是最基本的影响因素。车辆的“稳定性”这一术语特别地被理解为车辆轨迹的导向和保持的意思。
在例如由一层沥青组成的路面上的轮胎的抓地力，实质上是轮胎胎面的橡胶混合物通过其在所述沥青层的凸凹不平部分(asperities)上滑动而受到挤压(indentation)从而使凸凹不平部分受力被压进所述轮胎混合物的表面之中的现象而导致的结果。这种由滑动所导致的且伴随有发生变形的橡胶混合物的迟滞性的挤压现象，在轮胎和路面之间产生与滑动方向相反的力，致使轮胎可抓住所述路面。
对于这种抓地现象可以明确的是，其上行驶着所述车辆的路面的表面状况在确定抓地力大小时将起主要作用。本领域的技术人员已了解的是，路面的粗糙程度或所述路面的凸凹不平部分的尺寸均会对抓地力的大小产生影响，该影响是通过形成所述路面的粒料的尺寸和所述粒料的表面光整度(surface finish)而产生的。术语“宏观粗糙度(macroroughness)”被用于衡量对应一毫米级的尺度的粒料的尺寸，术语“微观粗糙度(microroughness)”被用于衡量对应一微米级的尺度的表面光整度。术语“中等粗糙度(medio-roughness)”(或中间粗糙度)也被用于在两个尺寸尺度之间的中间尺度上(亦即大约十微米级上)衡量粒料的表面状况。
因此，为在设计轮胎的时候将这些因素考虑进去，通常需寻求鉴定其上行驶着车辆的路面的性能。当需要分析在所给路面上滚动的轮胎的性能时，这种鉴定变得更加重要。
因而，人们已经了解一些测量其上行驶着安装有轮胎的车辆的路面的轮廓的方法。因此，通常寻求限定根据宏观粗糙度的轮廓，特别是为了实现使路面具有在潮湿天气中排水的能力，或者当需要鉴定所述路面上的轮胎的抓地性能的时候，寻求限定根据宏观粗糙度和微观粗糙度二者的轮廓。
特别地，人们已经了解路上测量技术，其在于例如使用放在路面上的复写纸或者带有墨水沉淀物的简单的纸来取得压痕。这种测量可从宏观视角确定所给路面上的轮胎的接触区域。然而，这种测量特别地不精确且可复制性差。
其它的已知测量技术在于，例如通过钻孔取芯(coring)技术取得路面的样本，从而可以随后在实验室中完成测量。因此，所完成的测量可以非常的精确，包括在一微米级的尺度上的测量。这种方法的缺点在于其具有破坏性，因为其需要采集样本。因为路面表面的这种分析最好是在一些随机选择的点上完成以获得所述路面的统计模型(statistical representation)，可明确的是由于这些破坏性的方法所引起的破坏，其仅具有较低价值。
在已说明的测量技术之间的技术在于，通过将路面制模取得压痕，从而可在实验室中分析所述模型或一个反模型。该制模可使用例如粘牙类型的材料完成。结果所使用的材料仅限于宏观尺度上对路面轮廓的分析，所述路面的微观轮廓在制模的过程中丢失。
同样已知的，特别是从文件US 2003/0000097，US5790243和SE 527952所知的是，由许多测量所组成的以确定道路的横向宏观轮廓，特别是由车辆交通形成的车辙的二维测量方法。将这些技术变换为较小尺度，特别是如上文所释的一微米的级别，将特别地要求克服与时间有关的误差，例如热量扩散效果。这是因为使用一微米级的分辨率应用这种方法将需要多个测量，从而用于这些测量的时间将非常长并将导致由于环境的物理作用而产生的精确度下降，在这些测量期间中，物理作用将发生变化从而足以产生不能为所需精度接受的测量偏差。
【发明内容】
因此，发明人的目的是确定测量道路类型路面的轮廓的方法，该方法可分析所述的三维表面而不对其产生破坏且具有一微米级的精度。另一目的是确定可靠和可复制的测量方法。
这些目的根据本发明的三维测量方法得以实现，该方法可测量其上可行驶安装有至少一个轮胎的车辆的路面的轮廓，其中第一地形测量可在现场完成，其具有所述路面的样本表面的至少一毫米的精度，从而其中在所述表面和所给轮胎的胎面之间的接触点得以限定，并且其中用所述接触点的微观粗糙度的一微米级分辨率在现场完成所述接触点的至少一个第二地形测量以获得模型。
完成现场测量意味着操作者可直接在路面上实现该测量，该方法有利地不具破坏性。
根据本发明的测量路面三维轮廓的方法将因此导致对于轮胎胎面将与之接触的路面表面(例如石头顶部)的三维测量。
各种地形测量有利的为通过光学方法，因此可通过不接触所测路面、因而没有破坏所测路面的风险的方法进行路面测量。
路面的样本表面是路面表面的一部分，其尺寸是根据所利用的测量技术和根据关于轮胎/路面的接触面所获得的经验确定的。这是因为本领域的技术人员能够根据所述测量的目标特别确定有用的路面样本尺寸模型。同样地，技术人员将确定测量目标需要的样本表面的数目从而获得合乎意愿的所研究的路面的平均统计模型。
根据本发明，测量方法包括第一步骤，其在于以至少一毫米的精度测量路面的样本表面的轮廓。用于这种测量尺度的光学测量技术为本领域的技术人员所知，例如边缘投影(fringe-projection)技术。这种技术利用边缘投影系统和观察相机，这两者均连接于计算机装置上。该相机观察投影在路面上且由它的起伏(relief)所调节的边缘图案的变形。然后该变形的图案与参考图案以数字方式加以比较，通过计算两个图案之间的相位变化(phase shift)可以确定每一测量点从表面到相机的距离。以这种方式，可以确定最初由两个坐标X、Y所确定的测量点的第三坐标Z。也可以通过对于每一被测点连续进行多次边缘图案投影来对测量加以精确化。因此，这些测量可以允许使用适当的运算法则而使得路面的被测样本表面被数字化。
在掌握了所研究的轮胎的特性，特别是其压力和胎面设计之后，第二步骤在于确定轮胎胎面和所研究的样本表面之间的接触点。
轮胎和路面的样本表面之间的接触点或接触区域的测定有利地可以从在第一步骤中被数字化的样本表面获得。因此，胎面的接触点有利地通过用于实现路面的所述样本表面的建模的运算法则而限定，还通过将轮胎的一个或多个特征例如其压力、胎面的弹性模数和所述胎面的沟槽的类型加入其中而确定。
从而可以实现多种测定方法。
根据第一种方法，这个表面可通过有限元法而测定，其在于限定形成于在第一步骤中被数字化的路面轮廓上的胎面的橡胶混合物的压痕。毫无疑问这是最精确的方法，但是需现场完成的要求使其在该测量背景下变得非常冗长和棘手。
根据精度稍低但速度快得多的第二种方法，通过在第一步骤中获得的已数字化的样本表面的浮现点的百分比，可以限定在路面和所给轮胎的胎面之间的接触区域。已完成的各种实验表明，基于轮胎的某些特性或者基于所述特性的估算和第一步骤的结果的这些浮现点的估算值可导致令人满意的结果。因此，对于乘用车辆来说，特别是根据胎面设计和轮胎的压力，浮现点的百分比将在5％到20％的区间中选择。
同样比第一种方法精度稍低但速度快得多的第三种方法，在于通过考虑在第一步骤中经数字化的路面的起伏上的轮胎胎面的橡胶混合物的挤压深度，来限定所给轮胎的胎面和路面之间的接触区域。因此，对于乘用车辆来说，这个挤压深度可在0.1到0.6mm之间选择。
在第三步骤中，本发明提供具有所述接触点的一微米级分辨率的第二地形测量，从而获得所述接触点的微观粗糙度的模型。用于这种测量尺度的光学测量技术为本领域的技术人员所了解，例如能产生被测表面的三维模型的白光干涉测量(white-light-interferometry)技术。这种技术是基于对彼此干涉的两个多色波阵面产生的一致峰值的探测而进行的。白光照亮接触点的表面，该白光通过使用光束划分装置而被分成两部分。未照向接触点表面上的那一部分被导向到参考表面上。从这些部分的每一部分所发生的反射汇合起来，其干涉图案由相机作记录。由于当两个光束之间的路径差为零时亮度最强，参考表面平移且以规则的间隔而获得图像。通过分析每点的亮度变化可以限定其X、Y坐标业已被限定的点的Z坐标。其它三维测量技术为例如边缘投影方法和照相测量(或立体视觉)方法。可以预期使用共焦显微镜或激光三角工具的二维测量。这种测量将需要大量的重复以实现接近在三维空间中完成的测量的信息质量，其前提是，一方面，测量传感器的重新定位问题得以解决，另一方面，所有会引起潜在偏离的物理现象，例如热量扩散，均被照顾到。在实践中，这种测量方法不可被用于获得在一微米尺度上的相关测量，有关重新定位和物理现象的问题实质上不可能被解决。
根据本发明，宏观类型的第一测量的结果，更精确的说是样本表面的数字模型的形成，使得路面和轮胎胎面之间的接触点可被测定，在该测定中具有一微米级分辨率的微观测量是必须的。因此，这些两步测量可获得更加完整的信息。
根据本发明的方法还能节省大量的时间，因为后续步骤的测量被限制在表面上的相对于整个表面而言仅代表样本表面的有用区域内。
为实现第二测量，由于要求一微米级分辨率的所述测量的精度和更换仪器的需要，有必要相对于第一组仪器校准第二组仪器。这可通过本领域技术人员所知的任何装置实现，需要满足的条件是两次测量均使用相同的参考结构。
对于上面使用的测量技术，所获得的结果和它们的精度是完全出乎意料的。这是因为具有一微米级的精度的地形测量通常是在实验室中完成的，测量工具安装在防震的混凝土板上。通过观察测量结果，发明人认为由于例如沥青或混凝土型的路面的特性，就地(insitu)测量是可实现的，该沥青和混凝土用于覆盖其上行驶着安装有轮胎的车辆的道路。这些材料的特性看来足以吸收震动，只要引起这些震动的现象(例如车辆的经过)发生在距离测量区域数十米的位置即可。
然而，测量有利地在不受环境状况干扰的情况下进行，以使得测量不受到例如风、雨或日晒等现象的影响。
本发明有利地提供一种变化方案，其中至少一个第三测量在现场完成以获得具有所述接触点的中等粗糙度的大约十微米级精度的模型。
这种测量尺度的光学测量技术为本领域的技术人员所知，例如类似于第一测量的产生三维模型的边缘投影技术。如在第二测量中那样，其他的三维测量技术也是可行的，例如照相测量(或立体视觉)方法。可以预期使用共焦显微镜或激光三角工具的二维测量。然而，这种测量的大约十微米级的精度受到与上述第二测量中相同的限定。
该第三测量事实上是在相对于上述两种测量的中间尺度级别上的测量。根据本发明，第一测量通过石头和将其分开的沟槽的存在可限定样本表面从而可获得路面和轮胎胎面之间的接触点。第三测量限定石头的中等粗糙度以及其外形，但第二测量可以用一微米级的分辨率测定所述石头的微观粗糙度。
如在第二测量中一样，第三测量是在第一测量后样本表面被数字化并且已经完成对接触区域的限定的基础之上完成的。仍然是以同样的方式，第三测量是在第一测量的参考结构中完成的，从而受益于对接触点的掌握和仅测量需要关注的区域，以使得第三测量能够尽可能快地完成。
根据本发明的一个优选具体实施例，路面的样本区域具有至少5cm2且有利地为至少10cm2的面积。在这个值之下，实验显示所获得的结果对于需要测量的路面而言并非总是具有代表性的。
根据本发明，同样优选地，对接触点的第三测量所对应的测量面积在2mm2到1cm2之间，并且有利地在4到30mm2之间，这个相似的面积范围可满足获得样本表面的统计模型的要求。然而，可以在一些接触点上完成第三测量，从而获得更具代表性的统计结果。
根据本发明，同样优选地，对接触点的第二测量所对应的测量面积在0.01到2mm2之间，且有利地在0.04到1mm2之间。这个测量范围特别地通过当前可用的工具而限定，以获得令人满意的分辨率/精度的兼顾。
本发明还涉及对其上可行驶安装有至少一个轮胎的车辆的路面的三维轮廓进行现场测量的装置，所述装置包括以至少一毫米的精度进行测量的第一测量工具和至少一个以一微米级精度测量的第二光学测量工具，所述装置还包括至少一台计算机并且还包括用于排除环境状况干扰的装置。
根据本发明的一个优选的具体实施例，第一测量工具为边缘投影类型的测量工具。
同样优选地，第二测量工具为白光干涉测量类型的工具。
根据本发明的一个变化的具体实施例，该装置包括以大约十微米级精度进行测量的第三光学测量工具，例如边缘投影类型的测量工具。
不同的光学测量工具有利地连续安装且通过一个相同的控制器操作，该控制器本身被计算机控制，该计算机特别地基于第一工具所完成的测量而操作第二和第三工具。
如上文所述，与所有预期相反，发明人已能够证明，这种工具且特别是具有一微米级精度的光学测量工具可用于完成现场测量。然而，在大多数场合下该装置包括保护性装置是非常有用的，其可保护设备不受例如雨、风和日晒等环境状况的影响。这是因为最重要的特别是具有一微米级精度的光学测量工具在测量的过程中不受环境状况的影响。
根据本发明的一个有利的具体实施例，环境保护装置为织物，例如帐篷，其外围和顶部被密封而与外部隔绝。然而，其在基部是开放的，因此没有底部，从而允许测量路面，但是却与外部相隔绝地在其外围与路面密封连接。
考虑到实现该装置的所需工具，其另一优点是易于运输，特别是在小汽车中，使得其易于到达道路或跑道。该结构紧凑的工具还具有可通过飞行器运输的优点。
根据本发明的装置的使用的简单性还使得可以完成快速测量。这提供了直接在现场完成这些测量的可行性。
本发明的其它细节和优点将通过下文的本发明的例示性具体实施例加以说明。
完成实验以测定道路的轮廓，道路的路面由沥青制成，从而可解释乘用车辆的轮胎上的抓地和磨损结果，且更精确地获得这些结果的专业评估。
事实上这些实验的目的是解释在所给路面上滚动时获得的结果。这些实验可使得观察到的抓地和磨损现象获得更好的认知。例如，其可认知和解释与通常观察到的轮胎具有局部不同的轮胎的运行。在路面上完成的测量还可使得将用于在这种路面上滚动的轮胎的设计被最优化。
如上文所述，根据本发明的路面的分析发生在若干步骤中。
根据本发明，第一步骤在于限定在其上完成测量的所述路面的样本表面。这些样本表面对于抓地和磨损的最大区域而言必须具有代表性。因此，本领域的技术人员将可以确定样本表面的数目、尺寸及位置。可明确的是，技术人员将依赖于其对于轮胎/路面的接触面所获得的经验。
在将如下文所述每一测量或分析的过程中，例如无底帐篷的装置设置在包围测量装置的位置上，从而可使其远离环境状况的影响而保护其使用。
对于如此限定的每一样本表面来说，第一分析是通过使用具有观察相机的边缘投影系统完成的。在实验的背景下，该相机装置使得在样本上的测量面积为60cm2。为限定已经被其X，Y坐标所限定的点的Z坐标，需要在每十分之一毫米的长度上完成一个测量，从而获得以一毫米级精度被分析的样本表面的地形。用于分析样本表面的时间为大约40秒。
从这些测量出发，装有相配软件的计算机可产生样本表面的数字模型。这种三维的被数字化的表面被用于限定轮胎胎面和所述表面的确切的接触区域。为限定该确切的接触区域和更加精确地限定所述样本表面与所给轮胎的胎面的接触点，轮胎胎面被视为具有0.3mm的挤压。经数字化的表面的数字程序可产生一组接触点。
从这些接触点出发，通过使用具有观察相机的边缘投影系统可完成第二分析。在实验的背景下，第二测量装置设置成在10mm2的面积上做出测量。这个装置被用于在所选接触点中做出测量。为限定已经被其X，Y坐标所限定的点的Z坐标，需在每两微米的长度上完成一个测量，从而获得从接触点中选出的被分析的表面的地形。在实验的过程中，这些第二测量在大约20个从接触点中选出的平面上完成。所获得的结果以大约十微米级的精度提供从接触点中选出的表面的地形或轮廓。分析每一所选平面的时间为大约20秒。
在考虑第一分析和它的测量的基础上完成第二分析，特别地使得，在给定的参考结构中被识别的接触点的位置的功能为安装第二测量工具和校准其初始位置。这些操作通过由计算机所控制的控制器完成。
再次从接触点出发，可通过使用白光干涉测量系统完成第三分析。这个装置被用于在0.04mm2的面积上从所选的接触点中做出测量。为限定已经被其X，Y坐标所限定的点的Z坐标，需在每0.4微米的长度上完成一测量，从而获得从接触点中选出的被分析的表面的地形。在实验的过程中，这些第三测量在大约20个从接触点中选出的表面上完成。所获得的结果提供以一微米级的精度从接触点中选出的表面的地形或轮廓。分析每一所选平面的时间为大约10分钟。
使用干涉仪(interferometer)的分析操作同样可通过使用相同的计算机控制的控制器来完成，该操作特别地是在第一分析过程中所完成的测量的基础上进行的。
上述操作的结合使得对路面特性的测量过程可持续两个小时。
通过对轮胎/路面接触面进行建模的工具，所获得的结果可对于发生于轮胎滚动时的某种抓地和磨损现象提供更好的认知和解释。
如此说明的对路面的分析也可使得在将于所给类型路面上滚动轮胎的发展过程中产生上游干涉(intervention upstream)，如同例如在环绕电路中的竞争一样。
本发明已通过参考汽车用轮胎而进行了更特别的说明，但其可更一般地应用于任何类型的轮胎，特别是用于摩托车、航空器、卡车等的轮胎。其同样更一般地应用于任何其上可行驶这种车辆的路面。如已提到的，其可特别地为沥青或混凝土类型的路面，或者也可为下述类型的路面：排水沥青混合物(draining bituminous mix)，沥青混凝土，树脂路面等。