Tài liệu Xây dựng hệ thống đánh giá độ gồ ghề mặt đường bằng chỉ số iri

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ MINH THÁI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ ĐỘ GỒ GHỀ MẶT ĐƢỜNG BẰNG CHỈ SỐ IRI Chuyên Ngành : Kỹ Thuật Điện Tử Mã Số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ MINH THÁI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ ĐỘ GỒ GHỀ MẶT ĐƢỜNG BẰNG CHỈ SỐ IRI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số chuyên ngành: 605270 Phản biện độc lập 1: TS. Trƣơng Công Dung Nghi Phản biện độc lập 2: TS. Đỗ Hồng Tuấn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1.TS. LÊ CHÍ THÔNG CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. Lê Chí Thông (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Trƣơng Công Dung Nghi (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Đỗ Hồng Tuấn (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 11 tháng 07 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. TS. Lê Chí Thông 2. TS. Đỗ Hồng Tuấn 3. TS. Trƣơng Công Dung Nghi 4. TS. Huỳnh Phú Minh Cƣờng 5. TS. Nguyễn Minh Hoàng Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đỗ Minh Thái .............................................. MSHV: 11140058 .......... Ngày, tháng, năm sinh: 31-05-1988 ......................................... Nơi sinh: Đồng Nai ........ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử ......................................... Mã số : 605270 .............. I. TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ ĐỘ GỒ GHỀ MẶT ĐƢỜNG BẰNG CHỈ SỐ IRI. .................................................................................... ........................................................................................................................................ II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thiết kế một hệ thống thu thập dữ liệu gồ ghề của mặt đƣờng. - Thiết kế phần mềm phân tích chỉ số IRI từ dữ liệu thu đƣợc. - Đo lƣờng chỉ số IRI của các con đƣờng trong khuôn viên Đại Học Bách Khoa TPHCM. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 20/08/2012 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 21/06/2013 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS. Lê Chí Thông ........................................................................................................................................ Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20.... CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIÊN TỬ (Họ tên và chữ ký) ii LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu. Tác giả luận văn: (chữ ký) __________________________________ Đỗ Minh Thái iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Việt Nam là một quốc gia đang phát triển. Để đẩy cao tốc độ phát triển kinh tế, sự giao lƣu hàng hóa, thƣơng mại, cần xóa bỏ khoảng cách địa lý giữa nông thôn và thành thị. Chính vì vậy và trong những năm trở lại đây, Nhà nƣớc ta luôn chú trong việc xây đựng các tuyến đƣờng cao tốc nhƣ: TPHCM-Trung Lƣơng, đại lộ Võ Văn Kiệt…Vì vậy, việc đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng cao tốc đang trở nên cần thiết. Các con đƣờng sau khoảng thời gian dài đƣa vào sử dụng sẽ xuống cấp, bề mặt đƣờng bị phá hủy dƣới tác động của thời tiết môi trƣờng, tải trọng xe. Vì vậy, rất cần đo lƣờng các chỉ số để đánh giá mức độ hƣ hại của mặt đƣờng, qua đó lên kế hoạch bảo trì và sửa chữa. Với các yêu cầu cấp thiết trên, Luận văn hƣớng tới việc xây dựng hệ thống phần cứng cho hệ thống Road Profiler, hệ thống cơ bản nhất có ba cảm biến: Accelerometer, Distance Encoder và Laser Sensor, có nhiệm vụ thu thập dữ liệu Road Profile của mặt đƣờng, Đồng thời phát triển phần mềm ứng dụng trên 2 nền tảng là Window và Android để tính chỉ số gồ ghề IRI dựa vào dữ liệu thu thập đƣợc. Kết quả đã hoàn thành toàn bộ hệ thống gồm: hệ thống phần cứng đã hoạt động ổn đinh nhƣ mong muốn, phần mềm ứng dụng các giải thuật tính chỉ số IRI tƣơng đối chính xác nhƣ các dữ liệu mẫu đề ra và đã chạy thực nghiệm môt số tuyến đƣờng trong khuôn viên trƣờng Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh. iv ABSTRACT Vietnam is a developing country. In order to boost the economy and commerce, we have to eliminate distance between countryside and city. Nowadays, the government of Vietnam focuses on building up new highways. For instance, TPHCMTrung Luong highway, Vo Van Kiet avenue… For this reasons, it is necessary to measure the quality of road surface. Roads which are used in a long time would be damaged because they are negatively affected by weather and vehicle dynamic load. Therefore, establishing methods for measurement and evaluation of road smoothness is essential to repair pavements. Form what has been discussed above; I firmly believe that my theses should place importance on building hardware road profiler system, which has three basic components: accelerometer sensor, distance encoder and especially laser sensor in efforts to obtain data of road profile. Furthermore, the application software based on Window and Android operating systems would be developed to calculate and analyze IRI. As a result, the hardware road profiler system operates effectively as we expected and the application software algorithm calculates IRI accurately as well. This system has been used in practical experiment on some of roads in Ho Chi Minh City of Technology’s Campus. v LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng cám ơn TS. Lê Chí Thông đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo kịp thời để giúp tôi có hƣớng tiếp cận đề tài một cánh chuẩn xác và hiệu quả, hoàn thành luận văn này đúng thời hạn. Tôi xin cảm ơn các Thầy Cô trong Ngành Kỹ Thuật Điện Tử đã dạy những kiến thức và kinh nghiêm quý báu trong học tập và nghiên cứu. Cảm ơn Cha Mẹ luôn là chỗ dựa vững chắc về tinh thần giúp chúng tôi đi tiếp trên con đƣờng học tập. Lời kết xin cảm ơn gia đình và tất cả bạn b xung quanh, những ngƣời đã luôn động viên khuyến khích luận văn này đƣợc hoàn thành. TP.Hồ Chí Minh, Tháng 6, Năm 2013 Đỗ Minh Thái vi MỤC LỤC CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU .......................................................................................... 1 1.1 Lý do chọn đề tài................................................................................................ 1 1.2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu............................................................................. 2 1.3 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 3 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ......................................................... 3 1.5 Đối tƣợng nghiên cứu......................................................................................... 5 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 6 2.1 Profiles là gì ? .................................................................................................... 6 2.2 Chỉ số Profiles.................................................................................................... 7 2.3 Định nghĩa độ gồ ghề (Roughness)..................................................................... 7 2.3.1 Chỉ số độ gồ ghề quốc tế (International Roughness Index – IRI) ................. 8 2.3.2 Chỉ số lái (Ride number -RN) ...................................................................... 8 2.3.3 Xử lý tín hiệu, bộ lọc, phân tích mật độ phổ ................................................ 8 2.4 Các phƣơng pháp khác nhau cho việc đo Road Profiler ...................................... 9 2.4.1 Hệ thống loại I........................................................................................... 10 2.4.2 Hệ thống loại II ......................................................................................... 13 2.4.3 Hệ thống loại III ........................................................................................ 16 2.5 Các Mô hình và thuật toán IRI và RN .............................................................. 20 2.5.1 Hệ thống laser Profiler .............................................................................. 21 2.5.2 Chỉ số gồ ghề quốc tế. ............................................................................... 23 2.5.3 Mô hình một phần tƣ xe hơi. ..................................................................... 25 2.6 Phƣơng pháp tính chỉ số IRI trong miền rời rạc ................................................ 27 2.7 Tính toán RN – Ride Number .......................................................................... 29 2.8 Bộ lọc số .......................................................................................................... 30 2.9 Phân tích phổ Entropy tối đa ............................................................................ 35 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG ....................................... 40 3.1 Yêu cầu phần cứng và mô tả các sensor ........................................................... 40 3.1.1 Yêu cầu phần cứng .................................................................................... 40 3.1.2 Mô tả các sensor ........................................................................................ 40 3.2 Sơ đồ khối tổng quát ........................................................................................ 41 3.3 Sơ đồ chi tiết và phân tích phần cứng ............................................................... 42 3.3.1 Cảm biến gia tốc (Accelerometer) ............................................................. 42 3.3.2 Cảm biến Laser ......................................................................................... 43 vii 3.3.3 Bộ mã hóa vòng quay Sharp Distance Encoder.......................................... 44 3.3.4 Bộ chuyển đổi ADC .................................................................................. 45 3.3.5 Khối vi điều khiển ARM ........................................................................... 46 3.3.6 BlueTooth UART ...................................................................................... 51 3.3.7 Khối nguồn ............................................................................................... 52 3.4 Sơ đồ mạch board thu thập dữ liệu ................................................................... 57 CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM ......................................... 60 4.1 Yêu cầu đặt ra cho phần mềm .......................................................................... 60 4.2 Phân tích .......................................................................................................... 61 4.3 Lƣu đồ giải thuật tổng quát .............................................................................. 62 4.3.1 Lƣu đồ thuật giải trên board thu thập dữ liệu ............................................. 62 4.3.2 Lƣu đồ thuật toán tính chỉ số IRI ............................................................... 66 4.3.3 Lƣu đồ thuật toán tính chỉ số IRI Realtime ................................................ 75 4.4 Lƣu đồ giải thuật trên android .......................................................................... 77 4.4.1 Giới thiệu về Bluetooth trên android.......................................................... 78 4.4.2 Quá trình cài đặt ........................................................................................ 78 4.4.3 Lập trình đa luồng ..................................................................................... 78 4.4.4 Giao tiếp SD card ...................................................................................... 79 4.4.5 Xử lý tín hiệu nhận đƣợc ........................................................................... 79 CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN ...................................................................... 80 5.1 Phƣơng pháp thí nghiệm đo đạc ....................................................................... 80 5.1.1 Phƣơng pháp kiểm tra thuật toán ............................................................... 80 5.1.2 Phƣơng pháp thực nghiệm trên các con đƣờng .......................................... 83 5.2 Kết quả thí nghiệm ........................................................................................... 85 5.2.1 Tuyến đƣờng số 1 ...................................................................................... 85 5.2.2 Tuyến đƣờng số 2 ...................................................................................... 86 5.2.3 Tuyến đƣờng số 3 ...................................................................................... 87 5.2.4 Tuyến đƣờng số 4 ...................................................................................... 88 5.2.5 Tuyến đƣờng số 5 ...................................................................................... 89 CHƢƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................ 90 6.1 Các kết quả đã thực hiện .................................................................................. 90 6.2 So sánh với mục tiêu nghiên cứu ...................................................................... 90 6.3 Hƣớng phát triển của đề tài .............................................................................. 90 CÁC TÀI LIỆU CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................................................. 92 TÀI LIỆU TRÍCH DẪN VÀ THAM KHẢO ............................................................. 93 viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Profile của bề mặt đƣờng [12]. ...................................................................... 6 Hình 2.2 Rod and level [11]. ...................................................................................... 11 Hình 2.3 Đáp ứng của thiết bị đo độ gồ ghề bằng sliding straightedge [12]. ............... 12 Hình 2.4 Đáp ứng của thiết bị đo độ gồ ghề profilograhp [12] ................................... 12 Hình 2.5 Dipstick [11]. .............................................................................................. 13 Hình 2.6 Một chiếc xe hơi với Mays-Meter [12]. ....................................................... 14 Hình 2.7 K.J. Law profilometer [18]. ......................................................................... 15 Hình 2.8 APL Profilometer [19]................................................................................. 16 Hình 2.9 Thiết bị đo độ gồ ghề BPR [12] ................................................................... 17 Hình 2.10 Thiết bị đo độ gồ ghề quán tính (Inertial Road) [12]. ................................. 18 Hình 2.11 Profiler Laser ICC [11] .............................................................................. 19 Hình 2.12 Profiler Laser ARAN [11] ......................................................................... 19 Hình 2.13 Hệ thống Road Profiler [12]. ..................................................................... 21 Hình 2.14 Sơ đồ khối tính toán Road Profiler ............................................................ 22 Hình 2.15 Sơ đồ khối quá trình tích phân 2 lớp .......................................................... 22 Hình 2.16 Hệ thống Profiler [25]. .............................................................................. 23 Hình 2.17 Các ngƣỡng IRI ở các quốc gia khác nhau [13] ......................................... 24 Hình 2.18 Tính toán IRI [25]. .................................................................................... 24 Hình 2.19 Mô tả mô hình ¼ xe hơi [25]. .................................................................... 25 Hình 2.20 Mô phỏng ¼ xe hơi [13]. ........................................................................... 25 Hình 2.21 Mô hình chi tiết môt phần tƣ xe hơi [7]. .................................................... 26 Hình 2.22 Thang độ gồ ghề IRI [12] .......................................................................... 28 Hình 2.23 Độ nhạy cảm của RN với số lƣợng sóng [12] ............................................ 30 Hình 2.24 Profile bề mặt đƣờng [11].......................................................................... 30 Hình 2.25 Profile đo đƣợc [12] .................................................................................. 31 Hình 2.26 Các Profile sau khi đã lọc [12]................................................................... 31 Hình 2.27 Tác động của bộ lọc dịch chuyển trung bình [12] ...................................... 33 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống thực thi trong đề tài. .................................................... 41 Hình 3.2 Cảm biến gia tốc MMA7260 của hãng FreeScale ........................................ 42 Hình 3.3 Sơ đồ kết nối cảm biến MMA7260 với vi điều khiển [23] ........................... 42 Hình 3.4 Sơ đồ mạch module MMA7260 .................................................................. 43 Hình 3.5 Cảm biến Laser ANR1226 của hãng NaiS [20]. .......................................... 43 Hình 3.6 Mối quan hệ giữa tín hiệu tƣơng tự và khoảng cách [20] ............................. 44 Hình 3.7 Bộ mã hóa vòng quay của hãng Sharp [27].................................................. 45 Hình 3.8 ADS8513 với chế độ Salve SPI [24]............................................................ 45 Hình 3.9 Sơ đồ mạch module ADS8513 .................................................................... 46 Hình 3.10 Hình chip ARM STM32F103RDT6 .......................................................... 47 Hình 3.11 So sánh bộ nhớ ARM thƣờng và ARM Cortex [21] ................................... 48 Hình 3.12 Sơ đồ mạch ARM STM32F103RDT6 ....................................................... 51 Hình 3.13 Bluetooth UART ....................................................................................... 51 Hình 3.14 Các lệnh AT cấu hình cho Bluetooth ......................................................... 52 Hình 3.15 Sơ đồ nguồn hệ thống ................................................................................ 52 Hình 3.16 Bộ chuyển đổi tăng áp [22]........................................................................ 54 Hình 3.17 Bộ chuyển đổi hạ áp [22]........................................................................... 55 ix Hình 3.18 Sơ đồ chi tiết mạch nguồn hệ thống ........................................................... 56 Hình 3.19 Mạch nguồn thi công thực tế. .................................................................... 56 Hình 3.20 Sơ đồ mạch board thu thập dữ liệu. ........................................................... 57 Hình 3.21 Sơ đồ layout board thu thập dữ liệu. .......................................................... 58 Hình 3.22 Kết quả thi công board thu thập ................................................................. 59 Hình 3.23 Hệ thống phần cứng đƣợc lắp đặt lên xe máy ............................................ 59 Hình 4.1 Lƣu đồ thuật giải trên board thu thập dữ liệu ............................................... 62 Hình 4.2 Sơ đồ khối ADC trong STM32F103XXX [26] ............................................ 63 Hình 4.3 Sơ đồ khối Timerx trong STM32F103XXX [26] ......................................... 64 Hình 4.4 Sơ đồ khối SPI trong STM32F103XXX [26]............................................... 65 Hình 4.5 Khung truyền UART [26] ........................................................................... 66 Hình 4.6 Mối quan hệ giữa các thông số và tín hiệu Profile [14] ................................ 66 Hình 4.7 Lƣu đồ thuật toán tính tín hiệu Profile của mặt đƣờng ................................. 67 Hình 4.8 Ví dụ đáp ứng bộ lọc FIR [17] ..................................................................... 68 Hình 4.9 Ví dụ đáp ứng bộ lọc IIR [17] ..................................................................... 68 Hình 4.10 Tích phân 2 lớp với sự trôi gia tốc ............................................................. 70 Hình 4.11 Tích phân 2 lớp để tìm tín hiệu vị trí từ tín hiệu gia tốc [16] ...................... 70 Hình 4.12 Tích phân sử dụng phƣơng pháp rectangular và trapezoidal [17] ............... 71 Hình 4.13 Lƣu đồ thuật toán tính tích phân 2 lớp từ tín hiệu gia tốc thu đƣợc ............ 72 Hình 4.14 Lƣu đồ giải thuật tính chỉ số IRI ................................................................ 75 Hình 4.15 Lƣu đồ giải thuật tính chỉ số IRI Realtime ................................................. 76 Hình 4.16 Lƣu đồ giải thuật kết nối dữ liệu trên Android ........................................... 77 Hình 4.17 Quản lí dữ liệu trên android ....................................................................... 79 Hình 5.1 Các Profile mẫu và kết qua chỉ số IRI [12] .................................................. 80 Hình 5.2 Ngõ vào Profile đặc biệt dùng để kiểm tra thuật toán tinh IRI [8] ................ 81 Hình 5.3 Kết quả kiểm tra đáp ứng của Profile mẫu trên Matlab ................................ 82 Hình 5.4 Phần mềm tính chỉ số IRI trên Matlab ......................................................... 82 Hình 5.5 Phần mềm tính chỉ số IRI trên Anroid ......................................................... 83 Hình 5.6 Sơ đồ Trƣờng Đại Học Bách Khoa TP HCM............................................... 84 Hình 5.7 Thang đo IRI và đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng [12].................................. 84 Hình 5.8 Tuyến đƣờng 1 chỗ bãi gởi xe cổng chính ................................................... 85 Hình 5.9 Đƣờng 2 dọc theo sân bóng ......................................................................... 86 Hình 5.10 Tuyến đƣờng 3 truớc nhà B4 ..................................................................... 87 Hình 5.11 Đƣờng 4 nhà xƣởng cơ khí ........................................................................ 88 Hình 5.12 Tuyến đƣờng 5 dọc theo nhà C6,C5,C4 ..................................................... 89 Hình 6.1 Định tọa độ những điểm bất thƣờng trên đƣờng [28] ................................... 91 x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thiết lập các kết nối ngõ vào ADS8513 [24]............................................... 46 Bảng 3.2 Tóm tắt các ngoại vi của STM32F103XXX [26] ......................................... 50 Bảng 3.3 Bảng công thức thiết kế [22] ....................................................................... 53 Bảng 3.4 Các tính toán của mạch Boost ..................................................................... 54 Bảng 3.5 Các tính toán của mạch Buck ...................................................................... 55 Bảng 5.1 Kết quả kiểm tra thuật toán trên MatLab ..................................................... 81 Bảng 5.2 Kết quả thực nghiệm tuyến đƣờng số 1 với chiều dài 50m .......................... 85 Bảng 5.3 Kết quả thực nghiệm tuyến đƣờng số 2 với chiều dài 200m ........................ 86 Bảng 5.4 Kết quả thực nghiệm tuyến đƣờng số 3 với chiều dài 150m ........................ 87 Bảng 5.5 Kết quả thực nghiệm tuyến đƣờng số 4 với chiều dài 130m ........................ 88 Bảng 5.6 Kết quả thực nghiệm tuyến đƣờng số 5 với chiều dài 300m ........................ 89 xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AASHO : American Association of State Highway and Transportation Officials ARAN : Automatic Road Analyzer FIR : Finite Impulse Response FFT : Fast Fourier transformation FHWA : Federal Highway Administration IRI : International Roughness Index IIR : Infinite Impulse Response NCHRP : National Cooperative Highway Research Program PSI : Present Serviceability Index PI : Profile Index MESE : Maximum Entropy Spectral Estimation RTRRMSR : Respone Type of Road Roughness Measurement System RN : Ride Number SI : Serviceability Index TRRL : Transportation Road Research Laboratory xii CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài Giao thông là một vấn đề lớn ở Việt Nam, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ xe, ý thức của ngƣời tham gia… Một trong yêu tố quan trong ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng lƣu thông xe. Đó chính là chất lƣơng mặt đƣờng, hay độ gồ ghề của mặt đƣờng, nó ảnh hƣớng rất lớn đến tốc độ lƣu thông, chất lƣợng chạy xe, điều kiện thoát nƣớc và tải trọng tác động lên đƣờng. Độ gồ ghề của mặt đƣờng gây ảnh hƣởng tới sức khỏe của ngƣời ngồi trên xe, điều này đƣợc chỉ ra trong nghiên cứu của tác giả Kjella Ahlin năm 2002. Trong nghiên cứu này tác giả Kjella Ahlin và các công sự đã chỉ ra rằng các mức độ thoải mái, dễ chịu tƣơng ứng với gia tốc rung của xe khi chạy trên mặt đƣờng [1]. Chỉ số gồ ghề của mặt đƣờng rất quan trong, nó phục vụ cho công tác kiểm tra, đánh giá độ bằng phẳng của đƣờng ô tô và đƣờng cao tốc. Trong công tác nhiệm thu khảo sát thiết kế bảo trì, xây dựng dữ liệu cho ngân hàng đƣờng ô tô, dự báo đầu tƣ sửa chữa nâng cấp đƣờng ô tô. Vì vậy vào năm 2001, Bộ Giao Thông Vận Tải Việt Nam đã ban hành tài liệu “Tiêu Chuẩn kiểm tra và đánh giá độ bằng phẳng mặt đƣờng theo chỉ số gồ ghề quốc tế IRI” [2]. Con ngƣời mong muốn tiết kiệm thời gian đi lại trên đƣờng, đã có nhiều đề án xây đựng các tuyến đƣờng cao tốc ở Việt Nam nhƣ: đƣờng cao tốc TP.HCM –Trung Lƣơng năm 2004, Nội Bài-Lào Cai năm 2009, Hà Nội-Hải Phòng năm 2009… Nơi mà ở đó tốc độ xe chạy trung bình lên tới 80 km/h thậm chí tới 120 km/h. Tại tốc độ cao, độ gồ ghề của mặt đƣờng ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng xe chạy nhƣ trong nghiên cứu của tác giả Paterson, WDO năm 1986 [3]. Có nhiều nghiên cứu đo độ gồ ghề của mặt đƣờng nhƣ, thƣớc thẳng, profilograph, Distick… các thiết bị này tuy chính xác nhƣng thu thập dữ liệu ở tốc độ rất chậm không thể dáp ứng đƣợc tốc độ cao và quãng đƣờng dài. Hệ thống đo mặt đƣờng bằng phƣơng pháp quán tính (Inertial Profiler) đƣợc tạo ra để đo chỉ số IRI ở các đƣờng cao tốc. 1 Ðể đáp ứng yêu cầu xây dựng một xã hội vãn minh và hiện đại trong một tƣơng lai gần, mạng lƣới giao thông đƣờng bộ, đặc biệt là đƣờng bộ cao tốc là một phần của chiến lƣợc phát triển vĩ mô quốc gia. Với tốc độ phát triển kinh tế của nƣớc ta trong những năm gần đây, nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hóa, giao lƣu quốc tế ngày càng tăng, mật độ xe cộ ngày càng đông đúc. Ðiều này đã trở thành gánh nặng cho hệ thống giao thông nói chung và hệ thống đƣờng bộ hiện tại nói riêng. Mạng lƣới đƣờng bộ cao tốc đạt tiêu chuẩn sẽ làm giảm thời gian giao thông, tiết kiệm chi phí cho các phƣơng tiện vận tải đƣờng bộ, hiệu quả kinh tế sẽ tãng lên đáng kể. Mạng lƣới đƣờng bộ cao tốc còn đặc biệt có ý nghĩa xã hội to lớn vì góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông, động lực phát triển kinh tế các vùng sâu, vùng xa, xoá dần khoảng cách giữa nông thôn và thành thị. Vì vậy, Chính phủ nƣớc ta luôn đặt vấn đề hoàn thiện hệ thống đƣờng bộ và đƣờng bộ cao tốc là ƣu tiên hàng đầu trong sự phát triển kinh tế của đất nƣớc. Điều này nƣớc nêu rõ trong quyết định của Thủ Tƣớng chính phủ năm 2008 “Về việc phê duyệt Quy hoạch phát triển mạng đường bộ cao tốc Việt Nam đến năm 2020 và tầm nhìn sau năm 2020”. Phấn đấu xây đựng hệ thống đƣờng cao tốc quốc gia, nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển đất nƣớc [4]. Vậy rất cần các nghiên cứu về thiết bị để đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng phục vụ cho công tác nhiệm thu công trình, đánh giá chất lƣợng thi công và để nâng cấp mặt đƣờng bị hƣ hại do môi trƣờng và xe lƣu thông. 1.2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu Độ nhẵn hay gồ ghề của đƣờng là một trong những đặc tính quan trong nhất của đƣờng bởi vì nó ảnh hƣởng rất lớn đến ngƣời cầm lái và lƣu lƣợng xe cho phép. Nó cũng ảnh hƣởng tới giá trị hoạt động của xe, chẳng hạn nhƣ nhiên liệu tiêu thụ, lốp xe, độ bền của xe, Một cấu trúc mặt đƣờng tốt giúp giảm thiểu tai nạn [5]. Vì thế, việc tìm ra các phƣơng thức để đo và ƣớc lƣợng độ phẳng của mặt đƣờng là sự lo âu chung của Bộ giao thông vận tải các nƣớc. Nhiều kỹ thuật đã đƣợc triển khai cho việc đo lƣờng độ bằng phẳng của mặt đƣờng, hầu hết là đo theo chiều dọc của mặt đƣờng của mặt cắt dọc, theo đƣờng chạy một bánh xe, nó đƣợc hiểu nhƣ là một Profile. 2 Các thiết bị đo Profile của đƣờng bắt đầu từ các thiết bị rìa thƣớc thẳng (Straight Edge) vào những năm đầu 1900s, chúng phát triển từ các chiếc xe mà có thể đo Profile trong khi di chuyển tại tốc độ quy định [6]. Chỉ số gồ ghề quốc tế (IRI) là chỉ số đƣợc sử dụng rộng rãi ở Mỹ cho việc đo lƣờng độ ghồ ghề của mặt đƣờng, hữu dụng để chỉ ra mức độ bằng phẳng của mặt đƣờng. Từ năm 1990, FHWA có yêu cầu ủy ban đƣờng cao tốc để đƣa ra các giá trị gồ ghề của các đoạn đƣờng trong IRI. Hầu hết các tiểu bang đang sử dụng chỉ số IRI đo từ hệ thống đo Profiler để ƣớc lƣợng đặc tính con đƣờng, một vài bang khác sử dụng nó để kiểm soát chất lƣợng xây dựng trong các đề án riêng. 1.3 Đặt vấn đề Nhiều loại Profiler dƣợc dùng để đo chính xác Profile của đƣờng, nó đƣợc dùng để tính toán sự bằng phẳng bằng cách sử dụng các thuật toán khác nhau. Độ chính xác của việc tính toán phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của thiết bị đo lƣờng. Vì vậy, các thiết bị khác nhau có thể cho ra các giá trị IRI khác nhau trong cùng một đoạn đƣờng kiểm tra [6]. Việc trƣợt thanh thƣớc thẳng (Straight Edge) và profilograph Profiler cực kỳ chính xác và chi phí thấp nhƣng không thể sử dụng tại các tốc độ đƣờng cao tốc và các quãng đƣờng dài. Hậu quả là chúng ta chỉ sử dụng chúng trong các trƣờng hợp đặt biệt. Kiểu đáp ứng của hệ thống đo lƣờng độ gồ ghề của mặt đƣờng (RTRRMS), các hệ thống này có thể đo tại tốc độ đƣờng cao tốc với chi phí thấp nhƣng chúng không tin cậy bởi vì do sai số của các thành phần và giới hạn khả năng cho chuẩn hóa. Mặc dù inertial Profiler chính xác hơn hệ thống RTRRMS, nhƣng sai số của các thành phần vẫn duy trì một giá trị lớn, cảm biến gia tốc (Accelerometer) là thành phần hầu nhƣ hay gây ra lỗi [7]. Trong luận văn này nỗ lực nghiên cứu để thiết kế một hệ thống thu thập dữ liệu Profile của mặt đƣờng, dựa trên lý thuyết chỉ số IRI. 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Độ gồ ghề mặt đƣờng là một yếu tố quan trọng khi đánh giá chất lƣợng đƣờng giao thông, vì nó ảnh hƣởng trực tiếp đến sự an toàn và thoải mái của ngƣời tham gia giao thông. Mặt đƣờng càng nhẵn và ma sát vừa phải thì chất lƣợng càng cao. Đặc biệt 3 đối với đƣờng cao tốc thì yêu cầu độ gồ ghề phải ở mức thấp nhất, k m theo một số tính chất đặc biệt khác. Đã có nhiều nghiên cứu và khảo sát đƣợc thực hiện về độ gồ ghề của mặt đƣờng trên thế giới. Từ năm 1960, Spangler và Kelley đã phát triển máy đo GMR tại phòng thí nghiệm của General Motors và đó là thiết bị đầu tiên [8]. Năm 1970, một hệ thống khác ra đời là BPR kết hợp với xe cơ giới. Sau đó, phƣơng pháp lấy mẫu cho hệ thống đáp ứng (Response Type Systems) đƣợc sử dụng và hoàn thiện trong mô hình xe hơi Golden Car [9]. Vào năm 1982, Ngân hàng Thế giới (World Bank) bắt đầu các cuộc thử nghiệm tƣơng tự và thiết lập một tiêu chuẩn lấy mẫu cho phƣơng pháp đo độ gồ ghề và phát triển chỉ số IRI (International Roughness Index) [10]. Tiêu chuẩn đƣợc đƣa ra cho IRI là phải cho kết quả thật chính xác, có thể áp dụng rộng rãi và ổn định với thời gian. Điều này yêu cầu các tham số của IRI có thể đƣợc đo lƣờng dễ dàng trên nhiều thiết bị, bao gồm các hệ thống đáp ứng; đồng thời IRI phải đƣợc xử lí toán học để đảm bảo độ ổn định và chính xác. Mô hình Golden Car đƣợc xem là đáp ứng tốt nhất với các tiêu chuẩn này. Có 2 loại Golden Car là mô hình 1/4 xe hơi và mô hình 1/2. Mô hình 1/4 đƣợc lựa chọn do tạo đƣợc mặt đƣờng mô phỏng tốt với hầu hết các phƣơng pháp phân tích lúc bấy giờ. Sau đó đến năm 1986, tài liệu hƣớng dẫn cách đo lƣờng độ gồ ghề đƣợc công bố trong đó có trình bày các thiết bị đo và cách tính IRI. Ngày nay chỉ số IRI đang đƣợc nhiều quốc gia chấp nhận và sử dụng nhƣ một tiêu chí đánh giá chất lƣợng đƣờng giao thông. Có rất nhiều công cụ để tính IRI nhƣng ngày nay chủ yếu ngƣời ta sử dụng hệ thống gồm công nghệ cảm biến và xử lí dữ liệu bằng máy tính điện tử. Về phần cảm biến, từ những năm 1990, cảm biến siêu âm (ultrasonic sensor) từng đƣợc sử dụng trong hệ thống đáp ứng. Chúng cho kết quả nhanh và đáng tin cậy. Tuy nhiên hệ thống này khá nhạy cảm với nhiều loại kết cấu đƣờng, cho kết quả sai ở mặt đƣờng có nƣớc, và phải thƣờng xuyên bảo dƣỡng [11]. Một điểm yếu quan trọng nữa là thời gian đáp ứng của cảm biến khá chậm, do đó tốc độ di chuyển hệ thống phải chậm và tốn nhiều thời gian. Về sau với sự ra đời của cảm biến laze (laser sensor) tốc độ hệ thống đã đƣợc cải thiện và có thể đạt đến 60 dặm/giờ (khoảng 97km/h). Ngoài ra hệ thống cần phải có cảm biến gia tốc theo chiều thẳng đứng và encoder đo quãng đƣờng phục vụ cho việc lấy mẫu. 4 Ở việt nam, các nghiên cứu về chỉ số gồ ghề còn rất hạn chế, trong tiêu chuẩn 22TCN 277-01 [2] "Tiêu chuẩn kiểm tra và đánh giá độ bằng phẳng mặt đƣờng theo chỉ số độ gồ ghề quốc tế IRI" của Bộ Giao Thông Vận Tải. Các thiết bị yêu cầu trong tiểu chuẩn này đa phần là mua từ nƣớc ngoài với mức giá rất mắc và bất hợp lý. Đây cũng là một lý do mà ngƣời nghiên cứu quyết định chọn đề tài này. Nghiên cứu về các thiết bị Profilers đã đƣợc các quốc gia phát triển nhƣ Mỹ, Canada, Anh… Phát triển từ lâu. Vào những năm 1990s, ủy ban đƣờng cao tốc của Mỹ FHWA yêu cầu các Tiểu Bang thống kê chỉ số IRI trên tất cả các tuyến đƣờng cao tốc trong Bang của mình, từ đó tính đƣợc chỉ số IRI trung bình. Nhƣng cho tới nay, vẫn chƣa có một thống kê nào hoàn chỉnh về chỉ số IRI trung bình ở Viêt Nam. Số lƣợng xe hơi ở Việt Nam ngày càng gia tăng. Dẫn tới, việc xây dựng các con đƣờng cao tốc ở Việt Nam ngày càng trở nên cấp thiết. Đề tài hƣớng tới việc xây dựng hệ thống phần cứng thu thập dữ liệu gồ ghề của mặt đƣờng. Phát triển hệ thống phần mềm phân tích chỉ số IRI, làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo. 1.5 Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng của luận văn: - Thiết kế một hệ thống thu thập dữ liệu gồ ghề của mặt đƣờng. - Thiết kế phần mềm phân tích chỉ số IRI từ dữ liệu thu đƣợc. - Đo lƣờng chỉ số IRI của các con đƣờng trong khuôn viên Đại Học Bách Khoa TPHCM . Đề tài hƣớng tới việc xây dựng một hệ thống đánh giá chỉ số IRI, dựa trên các cảm biến mới nhƣ Laser Sensors, Accelerometers sử dụng công nghệ MEMs. Tính toán chỉ số gồ ghề (IRI) 5 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Profiles là gì ? Để đánh giá toàn bộ bề mặt mặt đƣờng thì bắt buộc phải xác định hoàn toàn độ gồ ghề của mặt đƣờng. Tuy nhiên, hầu hết các mục đích, độ gồ ghề có thể đƣợc chia thành 3 thành phần Profile của sự biến dạng: mặt cắt ngang (transverse), mặt cắt dọc (longitudinal) và mặt cắt theo đường biên (horizontal). Điều thú vị là các biến thể trong Profile sẽ ảnh hƣởng đến gia tốc của xe hoặc ngƣời lái và do đó ảnh hƣởng đến sự thoải mái và an toàn. Trong bài luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu Profile theo chiều dọc. Biến dạng của bề mặt mặt đƣờng có thể tạo ra bởi cả hai: gia tốc theo chiều dọc và ngang (Lateral) trong xe. Gia tốc theo chiều dọc là yếu tố chính góp phần để ngƣời tài xế thoải mái và có nguồn gốc từ sự biến dạng theo chiều dọc của Profile mặt đƣờng. Gia tốc theo đƣờng ngang là kết quả của việc lăn và trƣợt xe. Kết quả lăn từ một vòng quay theo trục dọc của xe, trong khi đó trƣợt là quay theo trục thẳng đứng. Độ cong của đƣờng góp phần lệch hƣớng lái, thƣờng đƣợc xử lý thông qua thiết kế hình dạng đƣờng tốt. Các kết quả lăn từ độ cao mặt đƣờng theo chiều ngang khác nhau. Dƣới các điều kiện xấu nó có thể truyền một mức độ không mong muốn của gia tốc theo chiều dọc. Hình 2.1 Profile của bề mặt đƣờng [12]. Có thể có nhiều Profile trên một con đƣờng dọc theo mỗi một đƣờng khác nhau. Tuy nhiên, từ khoảng 70% của xe di chuyển trong một đƣờng dẫn bánh xe cũng xác 6