基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)和方法，包括剛性檢測梁、三只位移傳感器、陀螺儀、GPS、旋轉(zhuǎn)編碼器，剛性檢測梁沿車身方向懸掛在汽車尾部底部或汽車前端，三只位移傳感器沿車身方向間隔設(shè)置在剛性檢測梁上，用于獲取路面局部范圍內(nèi)的平整度；陀螺儀用于獲取汽車行駛過程中檢測梁的姿態(tài)方位角；旋轉(zhuǎn)編碼器用于獲取汽車的行駛里程；GPS用于獲取汽車的經(jīng)度、緯度和海拔高度。本發(fā)明運用小步長的基準(zhǔn)傳遞原理的非慣性縱斷面檢測理論，實現(xiàn)了縱斷面在變速和慢速條件下的小波長檢測，同時運用GPS高程與陀螺儀高程的數(shù)據(jù)融合方法，實現(xiàn)了路面縱斷面大波長的精確檢測，并結(jié)合縱斷面小波長，實現(xiàn)了路面全波長的精確檢測。
【專利說明】基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于道路橋梁【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種道路路面平整度參數(shù)的檢測系統(tǒng)和方法，尤其是一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的檢測系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002](I)現(xiàn)有的路面平整度檢測技術(shù)
[0003]路面平整度是路面施工驗收和路面狀況評價中的一個重要指標(biāo)，它反映路面縱向的不平整性及行車舒適性。路面平整度檢測與評價的主要內(nèi)容是根據(jù)檢測出的路面縱斷面凹凸不平情況計算國際平整度指數(shù)IRI，根據(jù)IRI的大小，確定道路的行駛質(zhì)量。
[0004]目前路面平整度檢測設(shè)備主要有水準(zhǔn)儀、三米直尺、連續(xù)式平整度儀、車載式顛簸累積儀、ARRB手推式斷面儀、激光平整度儀，這些檢測設(shè)備依據(jù)不同的檢測技術(shù)和原理，給出反應(yīng)路面不平整的指標(biāo)。
[0005](2)各種路面平整度檢測設(shè)備的優(yōu)點和缺點
[0006]一、水準(zhǔn)儀:通過檢測路面的相對高程計算國際平整度指數(shù)IRI，是一種最基本的檢測方法，是其它各種路面平整度檢測方法標(biāo)定的基礎(chǔ)。不足之處是手工操作，檢測效率低，一般僅用于標(biāo)定工作。
[0007]二、直尺:通過直接檢測直尺與路面之間的最大間隙反映路面的平整度，主要用于施工的質(zhì)量監(jiān)控。該設(shè)備不足之處是費時費工，檢測結(jié)果受人為因素的影響。
[0008]三、連續(xù)式平整度儀:通過直接檢測接地觸輪的上下位移值，求其均方差作為平整度指標(biāo)。該儀器不足之處是受路面顛簸影響大，重復(fù)性不理想。檢測結(jié)果與連續(xù)式平整度儀支架的長度有關(guān)。長度短，不能反映出路面的長波成分；長度長，操作又不方便。
[0009]四、車載式顛簸累積儀:其檢測原理是當(dāng)車輛以一定速度行駛在不平整的路面上，檢測車輛后軸與車體之間的單向位移累積值。其不足之處是，需要經(jīng)常對儀器標(biāo)定，而標(biāo)定工作是一項費時費力的工作。
[0010]五、ARRB手推式斷面儀:該設(shè)備采用加速度傳感器和陀螺儀，給出路面的斷面，計算路面的國際平整度指數(shù)。不足之處是檢測速度慢，對被測路面有一定的要求，價格昂貴。
[0011]六、激光平整度儀:該儀器采用加速度傳感器測出車輛的顛簸，利用激光位移傳感器測量車輛到路面的距離，通過數(shù)據(jù)處理計算路面的國際平整度指數(shù)。采用慣性基準(zhǔn)加速度計檢測車輛的振動，往往存在較大誤差。由于加速度計頻響范圍的限制，為了減小測量誤差，必須提高行車檢測速度，但實際檢測過程中檢測車速度受很多因素的影響，尤其是市政路況，在交叉路口出現(xiàn)紅燈必須停車。故該檢測技術(shù)不能進(jìn)行低速和變速行駛檢測。
[0012]七、長安大學(xué)研究開發(fā)的非慣性基準(zhǔn)路面平整度檢測方法和技術(shù)，雖然可以實現(xiàn)慢速、變速檢測，但安裝激光位移傳感器的檢測梁較長(一般要大于3米)，該系統(tǒng)必須安裝在軸距較長的車輛上。較長的大型檢測車輛需要較大的存放空間，一般的存放空間不便于停放，這給使用帶來不便。
[0013]以上平整度的檢測技術(shù)和方法，均不能同時滿足路面平整度檢測中的特殊條件下的需求，如可以同時檢測不同波長的路面平整度，可以慢速、變速檢測平整度，檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸小型化等。
[0014]道路路面的縱斷面包含了從低頻到高頻較大范圍的波長信號。由于目前的儀器硬件及傳感器性能和檢測精度的限制，僅使用單一的傳感器很難覆蓋所有路面波長，故不能實現(xiàn)路面縱斷面的全波段檢測，另外，對于行車速度的變化，特殊場合和路段的慢速及隨時停車檢測以及城市道路與叉口的停止等情況，現(xiàn)有方法還不很好地滿足。因此需要采用組合先進(jìn)檢測方法和多種傳感器同時檢測，以獲取路面不平、車輛振動及行車路線的信息，通過數(shù)據(jù)處理和融合實現(xiàn)路面平整度的高精度檢測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于針對目前的路面平整度檢測技術(shù)在路面檢測的應(yīng)用缺陷和不足，提供一種基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)和方法，用以實現(xiàn)路面縱斷面的全波段檢測。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0017]一種基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)，包括剛性檢測梁、三只位移傳感器、陀螺儀、GPS、旋轉(zhuǎn)編碼器，剛性檢測梁沿車身方向懸掛在汽車尾部底部或汽車前端，三只位移傳感器沿車身方向間隔設(shè)置在剛性檢測梁上，用于獲取路面局部范圍內(nèi)的平整度；陀螺儀位置在剛性檢測梁上，用于獲取汽車行駛中檢測梁的姿態(tài)方位角；所述旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)置在車軸和車身上，用于獲取汽車的行駛里程；GPS用于獲取汽車的經(jīng)度、緯度和海拔高度。
[0018]上述基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)中，相鄰位移傳感器的距離小于等于
0.25 米。
[0019]上述基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)中，位移傳感器上方設(shè)置有保護(hù)罩，所述的陀螺儀設(shè)置在保護(hù)罩上。
[0020]上述基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)中，位移傳感器為激光位移傳感器。
[0021]上述基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)中，GPS包括設(shè)置在車頂?shù)膬蓚€GPS天線，所述的GPS天線間距大于3米。
[0022]一種基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)進(jìn)行路面平整度檢測的方法，包括以下步驟:
[0023]【I】汽車沿剛性檢測梁方向移動，對三只位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取被檢測路面小波長縱斷面參數(shù)；
[0024]g(HJ = ^(?-z' + l)(2x^ -xj0 -xf)

/-1
[0025]g(n)表示汽車沿剛性梁方向移動到第η Λ處的縱斷面高度，Λ表示相鄰位移傳感器之間的間距，η表示汽車沿剛性梁方向移動了 η個A，i = 1，2，…，n。xf分別表示汽車沿剛性梁方向移動到第i個△處檢測出的傳感器1、傳感器2、傳感器3到路面的距離；
[0026]【2】陀螺儀獲取車輛的俯仰角，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器獲取汽車行駛里程，計算得到路面大波長縱斷面參數(shù)；
[0027]g(t) = g(0) + Jn.v(Osin(c()? )dt - g(0) + Hm Yj((s(t +At)-s(t ))sin((j)J)





t'-Q
[0028]其中:g(t)表示t時刻的路面高程，g(0)表示起始位置的路面高程，s(t)表示經(jīng)過時間t時車輛行駛的里程，Φ8為檢測車在時刻t時所處位置的俯仰角度；
[0029]【3】GPS獲取車輛行駛路段的經(jīng)度、緯度和海拔高度，結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器獲取的汽車行駛里程，計算得到路面的高程曲線；
[0030]【4】對步驟【I】獲取的路面小波長縱斷面參數(shù)、步驟【2】獲取的路面大波長縱斷面參數(shù)和步驟【3】獲取的路面的高程曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，將【I】獲取的路面小波長縱斷面參數(shù)疊加到步驟【2】或步驟【3】獲取的路面高程曲線上，獲得全波段的路面平整度參數(shù)。
[0031]本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果如下:
[0032](I)基于位移傳感器，運用小步長的基準(zhǔn)傳遞原理的非慣性縱斷面檢測理論，實現(xiàn)了縱斷面在變速和慢速條件下的小波長檢測，解決了路面縱斷面慣性檢測中的速度限制問題。
[0033](2)運用GPS高程與陀螺儀高程的數(shù)據(jù)融合方法，實現(xiàn)了路面縱斷面大波長的精確檢測，并結(jié)合縱斷面小波長，實現(xiàn)了路面全波長的精確檢測，解決了傳統(tǒng)檢測方法檢測波長范圍小的問題。
[0034](3)通過去趨勢項處理和擬合方法將小波長和大波長融合，實現(xiàn)路面縱斷面的全波段檢測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明所述路面平整度檢測系統(tǒng)原理示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明所述路面平整度檢測系統(tǒng)一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖3為本發(fā)明基于位移傳感器的小波長縱斷面參數(shù)測量原理示意圖；
[0038]圖4為本發(fā)明基于陀螺儀檢測大波長高程曲線原理示意圖。
[0039]圖中各標(biāo)號分別是:1-激光位移傳感器，2-激光位移傳感器，3-激光位移傳感器，4-剛性檢測梁，5-陀螺儀，6-保護(hù)罩，7-激光，8-檢測路面縱斷面，9-GPS接收天線，10-旋轉(zhuǎn)編碼器，11-路面基準(zhǔn)，12-車輛行駛方向，13-位置2示意，14-位置I示意。

【具體實施方式】
[0040](I)檢測系統(tǒng)組成
[0041]參見附圖1和2，本發(fā)明所述的路面平整度檢測系統(tǒng)由剛性檢測梁、陀螺儀、激光位移傳感器、GPS、旋轉(zhuǎn)編碼器等組成。把剛性檢測梁安裝到檢測車后車輪后部(也可以將檢測梁安裝到檢測車尾部或前部)，保證剛性檢測梁和路面之間有一定的距離。在該標(biāo)準(zhǔn)剛性檢測梁上等間隔Λ (Δ小于等于0.25米)分別安裝三個激光位移傳感器1、2、3，激光位移傳感器在保護(hù)罩6的保護(hù)下，將陀螺儀5安裝保護(hù)罩6上，實時獲得汽車行駛的俯仰角，兩個GPS接收天線9安裝在車頂，兩個GPS接收天線間距S要大于3米，使用GPS系統(tǒng)能夠測量天線中心所在位置的經(jīng)度、緯度和海拔高度的數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)編碼器10固定在車軸和車身上測量檢測車行駛的里程。
[0042](2)激光位移傳感器檢測縱斷面小波長工作原理
[0043]如圖3所示，在檢測過程中，當(dāng)剛性檢測梁沿檢測方向移動時，假設(shè)gl、g2、g3分別表示路面上各點的高程；Xl、X2> X3分別表示剛性檢測梁上各處的激光位移傳感器到路面的距離。圖3中g(shù):u、gf、g⑴分別表示為位置I時，激光傳感器1、2、3檢測出的激光傳感器到路面的距離，當(dāng)剛性檢測梁向前移動Λ，也就是相鄰位移傳感器的間距時，檢測出的激光位移傳感器到路面的距離為、x3(2)，其中上標(biāo)的數(shù)字表示為剛性檢測梁向前移動一個步長△的步長數(shù)，下標(biāo)對應(yīng)傳感器序號。
[0044]在位置I時，由圖中的幾何關(guān)系，可以得到
[0045]x；1,+g1(1,+41,+gf=2(xi1,+g^)(11)
[0046]式子(1.1)可變形為:
[0047]g?=2g?-gl(1)+V(I>(1.2)
[0048]其中:
[0049]Vui =2xf-Jcjn-
[0050]在位置2時，有如下式子:
[0051]+ O-J ' + x^2) + g^2) = 2(42) + gl2>)(1.3)
[0052]同樣可以變形為:
[0053]gf'=2gf-g；2,+V(2)(1.4)
[0054]其中:
[0055]V(2) = 2xl2) -X1121 - xf1
[0056]V(1)和V(2)為路面特征參數(shù)，表示了剛性檢測梁的傾斜和檢測路面的坡度變化。當(dāng)剛性檢測梁向前移動△時，可以得到:
[0057]gf' =2gf-gi2,+V(2)
[0058]ν.2) =2χ?2)-X^-X^
[0059]gf = gf，gf2) = gf
[0060]......(1.5)
[0061]gf)=2g^n,-g1(n,+V(n)
[0062]V(n) =2x\D)-x；n) -x^n1
[0063]gr = ^—1)，δΓ?—1)
[0064]在(1.5)式中，下標(biāo)對應(yīng)傳感器序號，上標(biāo)對應(yīng)剛性檢測梁的位置。從(1.5)可以看出，通過^獲得就獲得了被檢測路面的縱斷面斷面形狀。整理(1.4)、(1.5)式，可以得到:
[0065]g!n) = (n+ -ng|n +^(n-1+ l)V(l)



/=1
[0066]式中V(i)為剛性檢測梁在第i處的特征參數(shù)。當(dāng)確定起始點后可以使gi] = gf11 = 0此時可改寫為:
[0067]g(n) = J^(n-1 + l)(2x{2!) -X101 -4°)
[0068]g(n)表示汽車沿剛性梁方向移動到第η △處的縱斷面高度，η表示汽車沿剛性梁方向移動了 η個Λ，i = 1，2，…，n。xf xf, 4°分別表示汽車沿剛性梁方向移動到第i個Δ處檢測出的傳感器1、傳感器2、傳感器3到路面的距離。
[0069]由上式可以看出:路面縱斷面的高程是一個遞推公式，只要知道檢測時3個激光位移傳感器測量值，就可以計算任意點處的高程，即獲得路面的縱斷面；檢測過程中各點的高程總保持同一個基準(zhǔn)；計算過程中的χω量只與傳感器的檢測精度有關(guān)，與檢測速度無關(guān)；檢測過程中由于路面顛簸引起的剛性檢測檢測量的上行振動和傾斜不影響檢測結(jié)果。采用此方法可以實現(xiàn)路面縱斷面小波長的檢測，其檢測過程與速度無關(guān)。
[0070](3)陀螺儀檢測路面縱斷面大波長工作原理
[0071]本發(fā)明使用的陀螺儀測量傳感器能夠以10Hz的采集頻率測量車輛的俯仰角度。當(dāng)檢測車行駛時，結(jié)合車輪上的的旋轉(zhuǎn)編碼器和陀螺儀測量系統(tǒng)就能夠?qū)崟r獲得汽車行駛的里程及俯仰角，就可以計算出道路的大波長高程曲線形狀。
[0072]如圖4所示，當(dāng)檢測車在路面上行駛時，通過陀螺儀測量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r的測量出檢測車的前進(jìn)方向與水平方向之間的角度Φ8，即車輛的俯仰角。
[0073]g(,) = g(0) + ?.ν(08?η(φ? )dt - g(0) + Iim ((.v(/' + At) - s(t'))sin((])?))
Jo5Δ/---&





t =O
[0074]其中:g(t)表示t時刻的路面高程，g(0)表示起始位置的路面高程，s(t)表示經(jīng)過時間t時車輛行駛的里程，為檢測車在時刻t時所處位置的俯仰角度。
[0075]在實際應(yīng)用過程中，對光電編碼器的脈沖計數(shù)的采樣頻率為22kHz，這樣選取的□ t = l/22000s = 45 μ s,根據(jù)上式計算出任意t時刻路面的高度g(t)。就描繪出了路面的大波形起伏曲線。
[0076](4)基于GPS的高程測量原理
[0077]在檢測系統(tǒng)中使用的GPS系統(tǒng)能夠測量天線中心所在位置的經(jīng)度、緯度和海拔高度的數(shù)據(jù)，最高采樣頻率為20Hz。因此利用GPS返回的GPGGA指令中的海拔數(shù)據(jù)并配合光電編碼器的里程數(shù)據(jù)，就能夠計算出路面的高程曲線。
[0078](5激光位移傳感器、GPS和陀螺儀之間的數(shù)據(jù)融合:
[0079]測量路面縱斷面小波長是通過三個激光位移傳感器測量其到路面距離的迭加來求得的，在小范圍誤差很小，大范圍誤差很大。GPS在隧道、林蔭或市區(qū)時由于樹木、建筑物等的遮擋以及在某些特殊的氣象環(huán)境下，GPS的信號是不好或不可用的。由于GPS只存在單點測量誤差，不存在累計誤差，而且測量誤差是固定的。陀螺儀測量縱斷面大波長高程的優(yōu)點是采樣速率高，整個檢測過程中全路段都有數(shù)據(jù)，不足之處是由于通過里程和檢測車俯仰角度的迭加來實現(xiàn)的，所以計算環(huán)節(jié)中有累加運算，因此存在累積誤差。故可以用激光位移傳感器檢測方法確定路面的小趨勢，GPS和陀螺儀確定路面的大趨勢。三者之間的融合方法如下:
[0080]一、當(dāng)GPS數(shù)據(jù)有效時，采用卡爾曼濾波的方法來融合GPS和陀螺儀這兩種傳感器的信號從而通過計算獲得該段路面的大波長高程。
[0081]二、當(dāng)GPS數(shù)據(jù)無效時，找到之前GPS數(shù)據(jù)有效時的最末點，并從該點開始利用陀螺儀的數(shù)據(jù)來計算該段路面大波長高程。
[0082]三、當(dāng)GPS數(shù)據(jù)從無效恢復(fù)到有效時，數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)跳變，這時可以將前面采用圖五中的原理計算得到陀螺儀路面大波長高程數(shù)據(jù)利用直線擬和的辦法連接到GPS數(shù)據(jù)有效的起始點，再根據(jù)(I)的方法進(jìn)行計算該段路面大波長高程。
[0083]四、對激光位移傳感器測得的路面小波長高程使用最小二乘法進(jìn)行去趨勢項處理。將去趨勢項處理結(jié)果數(shù)據(jù)疊加到以上三種情況的路面大波長高程上，最終可得到全波段的路面平整度數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括剛性檢測梁、三只位移傳感器、陀螺儀、GPS、旋轉(zhuǎn)編碼器，所述的剛性檢測梁沿車身方向懸掛在汽車尾部底部或汽車前端，所述的三只位移傳感器沿車身方向間隔設(shè)置在剛性檢測梁上，用于獲取路面局部范圍內(nèi)的平整度；所述的陀螺儀設(shè)置在剛性檢測梁上，用于獲取汽車行駛過程中檢測梁的姿態(tài)方位角；所述旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)置在車軸和車身上，用于獲取汽車的行駛里程；所述的GPS用于獲取汽車的經(jīng)度、緯度和海拔高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的三只位移傳感器的間距小于等于0.25米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的位移傳感器上方設(shè)置有保護(hù)罩，所述的陀螺儀設(shè)置在保護(hù)罩上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的位移傳感器為激光位移傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的GPS包括設(shè)置在車頂?shù)膬蓚€GPS天線，所述的GPS天線間距大于3米。
6.一種利用權(quán)利要求1所述的基于多傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)進(jìn)行路面平整度檢測的方法，其特征在于，包括以下步驟: 【6.1】汽車沿剛性檢測梁方向移動，對三只位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取被檢測路面小波長縱斷面參數(shù)；
g(H)=|:(?-/ + l)(2xf-X1^-xf)
/-1 g(n)表示汽車沿剛性梁方向移動到第η △處的縱斷面高度，△表示相鄰位移傳感器之間的間距，η表示汽車沿剛性梁方向移動了 η個Λ，i = 1，2，…，n。X1' xf, #分別表示汽車沿剛性梁方向移動到第1個△處檢測出的傳感器1、傳感器2、傳感器3到路面的距離； 【6.2】陀螺儀獲取車輛的俯仰角，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器獲取汽車行駛里程，計算得到路面大波長縱斷面參數(shù)；
g(t) = g(0) + ￡.v(Osin((j),, )dt = ^(O) + Mm Yi((s(t +At)-s(t ))sin(0,))/=0 其中:g(t)表示t時刻的路面高程，g(0)表示起始位置的路面高程，s(t)表示經(jīng)過時間t時車輛行駛的里程，為檢測車在時刻t時所處位置的俯仰角度； 【6.3】GPS獲取車輛行駛路段的經(jīng)度、緯度和海拔高度，結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器獲取的汽車行駛里程，計算得到路面的高程曲線； 【6.4】對步驟【6.1】獲取的路面小波長縱斷面參數(shù)、步驟【6.2】獲取的路面大波長縱斷面參數(shù)和步驟【6.3】獲取的路面的高程曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，將【6.1】獲取的路面小波長縱斷面參數(shù)疊加到步驟【6.2】或步驟【6.3】獲取的路面高程曲線上，獲得全波段的路面平整度參數(shù)。
【文檔編號】E01C23/01GK104195930SQ201410424684
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】宋宏勛, 邵志超, 劉玉龍, 韓毅, 王建鋒, 李平, 戶相玉, 鄭鳳璽, 華學(xué)禮, 彭昭輝, 余彥軍, 陳偉 申請人:長安大學(xué)