專利名稱：路面平整度自動(dòng)檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種路面平整度檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種適合完成公路路面、 尤其是高等級(jí)公路路面的平整度自動(dòng)檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。
技術(shù)背景隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，公路通車?yán)锍虜?shù)在急劇增加。路面平整 度是評(píng)價(jià)公路質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，對(duì)車輛行駛的安全性、舒適性及運(yùn)行 費(fèi)用等指標(biāo)有直接的影響，在公路養(yǎng)護(hù)中占有十分重要的地位。因此，如何 對(duì)公路平整度指標(biāo)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)和評(píng)價(jià)， 一直是公路部門十分關(guān)注 的問(wèn)題。在公路發(fā)展過(guò)程中，己開(kāi)發(fā)了多種檢測(cè)儀器與技術(shù)，并制定了相應(yīng) 的檢測(cè)規(guī)程。目前，現(xiàn)有的路面平整度自動(dòng)檢測(cè)儀器主要存在以下不足(1) 誤差源多，現(xiàn)有常用的路面平整度檢測(cè)儀器多采用距離傳感器的輸出 結(jié)果減去加速度傳感器及角度傳感器的輸出以獲得一次高程測(cè)量值。誤差源 多，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，精度低。(2) 效率低， 一般每次測(cè)量只能得到一個(gè)路面高程，因此，測(cè)量?jī)x器數(shù)據(jù) 獲取的效率低。(3) 沒(méi)有進(jìn)行信號(hào)防混疊處理。計(jì)算國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)，要求輸入間 隔250mm的路面高程差。而常用的平整度檢測(cè)儀器多是每隔250mm測(cè)量一 次高程，測(cè)量精度只考慮高程單次的測(cè)量精度。事實(shí)上數(shù)據(jù)容易受到裂縫等 路面其他病害的影響，即會(huì)發(fā)生信號(hào)混疊現(xiàn)象?，F(xiàn)有的平整度檢測(cè)儀器均未 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)防混疊處理。(4) 無(wú)法較好解決車輛顛簸的問(wèn)題。車輛顛簸對(duì)公路路面檢測(cè)的影響很大， 它不僅包括車輛的上下振動(dòng)，而且包括車體的前后、左右傾斜。常見(jiàn)的測(cè)量 儀器一般只針對(duì)車輛的上下振動(dòng)進(jìn)行處理，處理的方法主要有(a)采用基 準(zhǔn)傳遞原理測(cè)量路面平整度，雖然理論上可以消除車輛顛簸的影響，但由于 是離散式多點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量精度難以保證。另外，使用中難以保持基準(zhǔn)的穩(wěn)定。(b)用二次差分原理的共梁雙精密高程測(cè)量方法解決，如專利號(hào)為00240679 的"激光斷面高程儀"，這種方法誤差源多，所解決的車輛振動(dòng)只是上下振動(dòng)， 無(wú)法解決車體傾斜的影響。由以上可以看出，現(xiàn)有的平整度自動(dòng)檢測(cè)儀器普 遍具有如下缺點(diǎn)誤差源多，測(cè)量效率低，信號(hào)混疊，無(wú)法解決車體傾斜的 影響，因而精度低，重復(fù)性差。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的平整度檢測(cè)儀器普遍存在誤差源多、測(cè)量效率 低、信號(hào)混疊、無(wú)法解決車體傾斜影響的缺點(diǎn)而導(dǎo)致的精度低，重復(fù)性差的 問(wèn)題，而提出一種路面平整度自動(dòng)檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。本發(fā)明由處理系統(tǒng)2和三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件3組成，三維結(jié)構(gòu)光視 覺(jué)檢測(cè)組件3橫向排列在車體1底部的橫截面上，三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件 3包括結(jié)構(gòu)光激光器3-2和面陣CCD3-1，其特征在于結(jié)構(gòu)光激光器3-2發(fā)出 的結(jié)構(gòu)光條覆蓋縱向路面，面陣CCD3-1的攝像頭朝向結(jié)構(gòu)光激光器3-2的 下方路面4，以拍攝結(jié)構(gòu)光激光器3-2投射到路面4處覆蓋縱向路面的光條圖 像；三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件3還包括角度傳感器3-3;三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè) 組件3的輸出端分別連接在處理系統(tǒng)2的輸入端；處理系統(tǒng)2位于車體1內(nèi)。本發(fā)明的方法有以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一車體1在行進(jìn)中，結(jié)構(gòu)光激光器3-2發(fā)出的結(jié)構(gòu)光條投射到待 檢測(cè)路面4上，該結(jié)構(gòu)光條被路面三維信息調(diào)制后在面陣CCD3-1上成像， 從而獲取路面數(shù)據(jù)信息，同時(shí)通過(guò)角度傳感器3-3采集車體1的顛簸信息； 根據(jù)標(biāo)定確定的CCD 二維圖像坐標(biāo)系和世界三維坐標(biāo)系之間的關(guān)系矩陣，通 過(guò)處理系統(tǒng)2計(jì)算出路面光條位置的三維信息，再利用采集的車體l的顛簸 信息對(duì)路面光條位置的三維信息進(jìn)行補(bǔ)償；步驟二在得到路面光條位置的三維信息的基礎(chǔ)上，采用濾波的方法， 消除裂縫、凸起、坑洼的影響，得到路面縱向輪廓曲線；步驟三在得到的路面縱向輪廓曲線上，以間距250mm的距離取離散高程點(diǎn)，代入標(biāo)準(zhǔn)的IRI計(jì)算程序，得到該段路面的IRI指標(biāo)； 步驟四數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和顯示。工作原理本發(fā)明的目的是提供一種新型的公路路面平整度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，它能精確快速測(cè)量公路路面的國(guó)際平整度指數(shù)，滿足相關(guān)行業(yè)的需要。 本發(fā)明根據(jù)結(jié)構(gòu)光三維檢測(cè)原理設(shè)計(jì)而成。檢測(cè)時(shí)，每次測(cè)量均可獲取近似 連續(xù)的路面三維坐標(biāo)，它具體取決于激光照射的光條范圍。檢測(cè)時(shí)車體的上 下振動(dòng)不影響高程差的計(jì)算，只需利用角度傳感器對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償， 即可有效消除車輛顛簸的影響。誤差源少，測(cè)量精度高，同時(shí)檢測(cè)效率亦高。 數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)采樣數(shù)據(jù)特點(diǎn)，首先去除裂縫等路面變形的影響，對(duì)路面縱向輪廓進(jìn)行防混疊濾波，并由此可以計(jì)算出國(guó)際平整度指數(shù)(IRI)。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)(1)誤差源少，測(cè)量誤差小。(2)更好的消 除了車輛顛簸的影響。目前的平整度檢測(cè)方法為了消除車輛顛簸，多采用通 過(guò)距離傳感器的測(cè)量結(jié)果減去加速度傳感器測(cè)量結(jié)果的積分的方法和基于基 準(zhǔn)傳遞原理的測(cè)量方法等，但這些方法只試圖消除車輛的上下振動(dòng)，未考慮 車輛傾斜的影響。我們?yōu)榱讼囕v顛簸的影響，通過(guò)直接計(jì)算高程差和采 用角度傳感器來(lái)保證測(cè)量的基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不僅車輛的上下振動(dòng)不影響測(cè)量結(jié)果，而且還能夠?qū)囕v的傾斜進(jìn)行補(bǔ)償。(3)檢測(cè)效率高。(4)有效消除信號(hào)混疊的影響，測(cè)量的精度與重復(fù)性高。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)施方式四的示意圖；圖3是三維 結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件分布示意圖；圖4是本發(fā)明圖像采集原理示意圖；圖5 是利用角度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)淖鴺?biāo)系示意圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1 圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式由處理系統(tǒng)2和三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件3組成，三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件3橫向 排列在車體1底部的橫截面上，三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件3包括結(jié)構(gòu)光激光 器3-2和面陣CCD3-1，其特征在于結(jié)構(gòu)光激光器3-2發(fā)出的結(jié)構(gòu)光條覆蓋縱 向路面，面陣CCD3-1的攝像頭朝向結(jié)構(gòu)光激光器3-2的下方路面4，以拍攝 結(jié)構(gòu)光激光器3-2投射到路面4處覆蓋縱向路面的光條圖像；三維結(jié)構(gòu)光視 覺(jué)檢測(cè)組件3還包括角度傳感器3-3;三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件3的輸出端分 別連接在處理系統(tǒng)2的輸入端；處理系統(tǒng)2位于車體1內(nèi)。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于處理系統(tǒng)2由圖像采集卡2-1、數(shù)據(jù)采集卡2-3和計(jì)算機(jī)2-2 組成；面陣CCD3-1的輸出端連接圖像采集卡2-l的輸入端，圖像采集卡2-l 連接于計(jì)算機(jī)2-2內(nèi)部，角度傳感器3-3的輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡2-3的輸入 端，數(shù)據(jù)采集卡2-3的輸出端連接于計(jì)算機(jī)2-2內(nèi)部。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。圖像采集卡2-l采用北京嘉恒中自的OK一M20A,數(shù)據(jù) 采集卡2-3采用臺(tái)灣研華的PCI-1710L，計(jì)算機(jī)2-3采用臺(tái)灣研華工控機(jī)。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式一不同點(diǎn)在于角度傳感器3-3設(shè)置在結(jié)構(gòu)光激光器3-2和面陣CCD3-l之間 的位置；其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式一不同點(diǎn)在于車底部1的橫向水平面上有至少一個(gè)三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組 件3，以采集多條路面縱向輪廓的信息數(shù)據(jù)；其它組成和連接方式與具體實(shí) 施方式一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于三維結(jié)構(gòu)光 視覺(jué)檢測(cè)組件3放置在車體1的中部、前部或后部。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式的步驟如下步驟一車體1在行進(jìn)中，結(jié)構(gòu)光激光器3-2發(fā)出的結(jié)構(gòu)光條投射到待檢測(cè)路面4上，該結(jié)構(gòu)光條被路面三維信息調(diào)制后在面陣CCD3-1上成像，從而獲取路面數(shù)據(jù)信息，同時(shí)通過(guò)角度傳感器3-3采集車體1的顛簸信息；根據(jù)標(biāo)定確定的CCD 二維圖像坐標(biāo)系和世界三維坐標(biāo)系之間的關(guān)系矩陣，通 過(guò)處理系統(tǒng)2計(jì)算出路面光條位置的三維信息，再利用采集的車體l的顛簸信息對(duì)路面光條位置的三維信息進(jìn)行補(bǔ)償；步驟二在得到路面光條位置的三維信息的基礎(chǔ)上，采用濾波的方法， 消除裂縫、凸起、坑洼的影響，得到路面縱向輪廓曲線；步驟三在得到的路面縱向輪廓曲線上，以間距250mm的距離取離散高 程點(diǎn)，代入標(biāo)準(zhǔn)的IRI計(jì)算程序，得到該段路面的IRI指標(biāo)； 步驟四數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和顯示。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六不同點(diǎn)在于步驟一中確定CCD 二維圖像坐標(biāo)系和世界三維坐標(biāo)系之間的關(guān)系是線性關(guān)系；首先設(shè)定 空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的齊次坐標(biāo)M-(兀KZ,/f，其對(duì)應(yīng)的二維圖像點(diǎn)齊次坐標(biāo) m=(x，>U)T;其次面陣CCD3-1為理想的小孔成像模型；則根據(jù)下述關(guān)系式， 可以確定CCD 二維光條圖像坐標(biāo)和其對(duì)應(yīng)的世界三維坐標(biāo)之間的關(guān)系aX + bY + cZ + d = 0 . ①Am = =乖r)M ② 公式①為光平面方程；公式②中的義，P代表任意比例因子，即射影深度；(及,7)稱為攝像機(jī)的外部參數(shù)，/ 是旋轉(zhuǎn)矩陣，r是平移矩陣；」稱為攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)；計(jì)算出路面三維信息；其它步驟與具體實(shí)施方式
六相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六不同點(diǎn)在于步驟一中確定CCD 二維圖像坐標(biāo)系和世界三維坐標(biāo)系之間的關(guān)系是非線性關(guān)系；其它步驟與具體實(shí)施方式
六相同。
具體實(shí)施方式
九結(jié)合圖4和圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六不同點(diǎn)在于利用角度傳感器3-3對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，為了便于分析，我們定義了如下坐標(biāo)系，車體l沿y軸正向行駛，測(cè)量顛簸時(shí)， 左右傾斜xoz平面旋轉(zhuǎn)了"角，逆時(shí)針為正(從y軸正向看)， 前后傾斜yoz平面旋轉(zhuǎn)了/ 角，逆時(shí)針為正(從x軸正向看)，上下顛簸坐標(biāo)原點(diǎn)沿Z軸移動(dòng)的距離為zO，沿Z軸正向移動(dòng)為正；三種車輛顛簸情況，<formula>formula see original document page 8</formula>
我們可以得出如下結(jié)論當(dāng)車輛只發(fā)生以上三種情況中的一種運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們直接利用上面對(duì)應(yīng)的公式就能夠?qū)崿F(xiàn)左邊的變換; 然而，實(shí)際中車輛經(jīng)常發(fā)生多種運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，我們可以利用上述情況的復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的變換。由以上推倒可得新舊坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系<formula>formula see original document page 9</formula>(x,y，z)為點(diǎn)在未發(fā)生顛簸時(shí)坐標(biāo)系(路面坐標(biāo)系)中的坐標(biāo)，(x',y，，z，)為 點(diǎn)在發(fā)生顛簸后坐標(biāo)系(CCD坐標(biāo)系)中的坐標(biāo)。a角為xoz平面旋轉(zhuǎn)的角 度(逆時(shí)針為正，從y軸正向看)，-角為yoz平面旋轉(zhuǎn)的角度，(逆時(shí)針為 正，從x軸正向看)，z0為O'相對(duì)于O移動(dòng)的距離(沿z軸正向移動(dòng)為正)，(0， 0， z0)是新坐標(biāo)原點(diǎn)在原坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，采用此公式進(jìn)行路面光條 位置的三維信息進(jìn)行補(bǔ)償。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六不同點(diǎn)在于步驟二中濾 波方法為線性和非線性濾波相結(jié)合的方法，其目的是消除噪聲和其他路面病 害數(shù)據(jù)的影響。其它步驟與具體實(shí)施方式
六相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同點(diǎn)在于線性和非 線性濾波相結(jié)合的方法采用小波變換和中值濾波相結(jié)合。其它步驟與具體實(shí) 施方式九相同。
權(quán)利要求
1、路面平整度自動(dòng)檢測(cè)裝置，由處理系統(tǒng)(2)和三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件(3)組成，三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件(3)橫向排列在車體(1)底部的橫截面上，三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件(3)包括結(jié)構(gòu)光激光器(3-2)和面陣CCD(3-1)，其特征在于結(jié)構(gòu)光激光器(3-2)發(fā)出的結(jié)構(gòu)光條覆蓋縱向路面，面陣CCD(3-1)的攝像頭朝向結(jié)構(gòu)光激光器(3-2)的下方路面(4)，以拍攝結(jié)構(gòu)光激光器(3-2)投射到路面(4)處覆蓋縱向路面的光條圖像；三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件(3)還包括角度傳感器(3-3)；三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件(3)的輸出端分別連接在處理系統(tǒng)(2)的輸入端；處理系統(tǒng)(2)位于車體(1)內(nèi)。
全文摘要
路面平整度自動(dòng)檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，它涉及路面平整度檢測(cè)領(lǐng)域，它針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)信息不準(zhǔn)確，誤差源多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法解決車體傾斜影響的缺點(diǎn)，它的三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件還包括角度傳感器；三維結(jié)構(gòu)光視覺(jué)檢測(cè)組件輸出端連處理系統(tǒng)輸入端；結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出的結(jié)構(gòu)光條覆蓋縱向路面，處理系統(tǒng)位于車體內(nèi)。其方法是一、結(jié)構(gòu)光激光器的結(jié)構(gòu)光條被路面三維信息調(diào)制后，在面陣CCD上成像，同時(shí)采集車體顛簸信息，通過(guò)計(jì)算得出三維信息；二、濾波去除病害影響；三、以間隔250mm的距離計(jì)算路面高程差，并計(jì)算相應(yīng)路段的IRI結(jié)果；四、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和顯示。其優(yōu)點(diǎn)是提取的縱向輪廓完整準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消除車輛顛簸的影響。
文檔編號(hào)G01B11/30GK101246000SQ200810064158
公開(kāi)日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者劉宛予, 凱 謝, 黃建平 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)