專利名稱：一種道路斷面信息采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由車輛行駛速度控制的自動精確測量道路斷面信息采集裝置，尤其是測量道路路面車轍和平整度參數(shù)集成測量裝置。
背景技術(shù)：
目前，美國ICC公司、South Dakota DOT、澳大利亞ARRB等均能生產(chǎn)快速可靠的車載式車轍自動檢測儀。這類儀器可進行高速、連續(xù)的檢測，具有可靠性高、操作安全、不影響車輛的正常通行等優(yōu)點，在國外已得到廣泛應用。
加拿大的Roadware公司生產(chǎn)的自動路面檢測車具有多種功能。其車轍檢定是基于超聲反射波測距原理的。它的特點如下1)傳感器探頭數(shù)量多，共有37個探頭，其中主框架上安裝了19個，兩翼上各安裝了9個。
2)采樣點密集，它的兩個相鄰探頭之間的距離是100mm，當安裝了兩翼的探頭后，可以覆蓋整個3.75米的標準車道。其采樣點多的優(yōu)勢是可以找到更準確的車轍值，而且在數(shù)據(jù)處理上，能使用更好的插值函數(shù)和過濾掉不合理的某些探頭獲得的數(shù)據(jù)。
3)測量精度高，其單個探頭的測量精度為1mm，車轍深度累計測量誤差為1.5mm。
4)汽車變速運行不影響檢測。
我國在路面車轍檢測方面大部分仍停留在人工檢測階段，研究工作開展很少。對車轍的檢測局限于對典型斷面的檢測，而典型斷面的選取隨意性大，受主觀因素影響多，致使評價方法不準確、不科學，并且這種檢測手段落后、速度慢、危險性大。目前有些研究機構(gòu)如東南大學研發(fā)的亞普勒斯車轍儀(APRES)——自動化路面車轍檢測與分析儀尚處在成果推廣階段。
而在平整度測量方面，國外近來采用較先進的檢測儀器包括1)各種激光平整度儀丹麥、英國、美國的激光平整度儀等；2)其他類型的平整度檢測儀英國的顛簸累積儀(BI)，澳大利亞的手推斷面儀等。
目前，國內(nèi)用于平整度檢測與評價的儀器設備主要有以下幾種類型1)水準測量(水準儀或精密水準儀)；2)3m直尺(主要是國產(chǎn)的型號)；3)連續(xù)式平整度儀(主要由西安公路研究所等生產(chǎn))；4)車載式顛簸累積儀(主要由交通部公路科學研究所等生產(chǎn))；5)ARRB手推式斷面儀(從澳大利亞公路運輸研究所引進)；6)ARAN多功能道路測試車(從加拿大ROADWARE公司引進)；7)激光平整度儀(從丹麥、澳大利亞、英國等國引進)；
8)路面智能檢測車(由南京理工大學、南京路達基礎(chǔ)工程新技術(shù)研究所共同完成)；9)SINC-RTM車載智能路面自動檢測系統(tǒng)(由武漢大學空間信息與網(wǎng)絡通信技術(shù)研發(fā)中心自主研發(fā)并產(chǎn)業(yè)化)。
我國過去使用較多的儀器有三米直尺和連續(xù)式平整度儀等，這些儀器受長度和速度的限制，難以反映較高車速下路面較長波長的顛簸和起伏。另外連續(xù)式平整度儀在使用中還存在測試效率低、速度慢、機械配置龐大而笨重、測定精度差、再現(xiàn)性差等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能同時測量道路路面車轍和平整度的道路斷面信息采集裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為下述二種之一方案一一種道路斷面信息采集裝置，其特征在于它由上位機子系統(tǒng)、下位機子系統(tǒng)組成，上位機子系統(tǒng)由車載工控機、第一通信卡組成，其中第一通信卡與車載工控機采用ISA總線連接；下位機子系統(tǒng)由嵌入式工控機、AD采集卡、第二通信卡、計數(shù)卡、光電編碼器、超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器組成，其中第二通信卡、AD采集卡、計數(shù)卡分別與嵌入式工控機采用PC-104總線連接，光電編碼器采用屏蔽雙絞線與計數(shù)卡連接，超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器均采用屏蔽雙絞線與AD采集卡連接；所述的超聲傳感器為26個，在信息采集車的前保險杠前附加一橫梁，在橫梁上垂直向下均勻排布25個超聲傳感器，第26個超聲傳感器橫向安裝于主橫梁上，激光傳感器、加速度傳感器分別各為2個，并封裝在二個盒內(nèi)，一個盒內(nèi)為一個激光傳感器和一個加速度傳感器，安裝于前保險桿的輪跡處，盒子的下端面距地面高度為260mm；下位機子系統(tǒng)通過第二通信卡由CAN總線與上位機子系統(tǒng)的第一通信卡相連。
方案二一種道路斷面信息采集裝置，其特征在于它由上位機子系統(tǒng)、下位機子系統(tǒng)組成，上位機子系統(tǒng)由車載工控機、第一通信卡、光電編碼器、計數(shù)卡組成，其中第一通信卡與車載工控機采用ISA總線連接，計數(shù)卡采用ISA總線與車載工控機連接，光電編碼器采用屏蔽雙絞線與計數(shù)卡連接；下位機子系統(tǒng)由嵌入式工控機、AD采集卡、第二通信卡、超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器組成，其中第二通信卡、AD采集卡分別與嵌入式工控機采用PC-104總線連接，超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器均采用屏蔽雙絞線與AD采集卡連接；所述的超聲傳感器為26個，在信息采集車的前保險杠前附加一橫梁，在橫梁上垂直向下均勻排布25個超聲傳感器，第26個超聲傳感器橫向安裝于主橫梁上，激光傳感器、加速度傳感器分別各為2個，并封裝在二個盒內(nèi)，一個盒內(nèi)為一個激光傳感器和一個加速度傳感器，并安裝于前保險桿的輪跡處，盒子的下端面距地面高度為260mm；下位機子系統(tǒng)通過第二通信卡由CAN總線與上位機子系統(tǒng)的第一通信卡相連。
本發(fā)明是一種非接觸式動態(tài)縱斷面自動檢測裝置，它是隨著檢測車的運行，將車速信息通過光電編碼器轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的脈沖信息，道路路面車轍測量是由經(jīng)過計數(shù)卡分頻可變?yōu)槊扛?m產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖作為A/D采集的外觸發(fā)信號，通過中斷方式向AD采集卡(信號采集模塊)提出中斷請求，AD采集卡立即響應該請求，開始采樣，并實時將采集到的超聲傳感器所測出的路面車轍原始參數(shù)，經(jīng)通信卡上傳給上位機，再由上位機對所得數(shù)據(jù)進行軟件數(shù)字濾波去除干擾，后存入數(shù)據(jù)庫。
道路路面平整度測量是由經(jīng)過計數(shù)卡對光電編碼器脈沖信號進行分頻，每隔250mm產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖作為A/D采集的外觸發(fā)信號，通過中斷方式向AD采集卡提出中斷請求，AD采集卡立即響應該請求，實時采集激光傳感器和加速度傳感器所測出的路面不平度原始參數(shù)，每次采集可連續(xù)采集若干個數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件數(shù)字濾波去干擾，得到一個不平度測試值D′和車輛垂直方向加速度a。由于測試是在運動中進行的，車輛振動難以避免，由此而引入的測試誤差將遠遠大于激光傳感器的測試精度，因此，設計中加入了加速度傳感器。該傳感器測得的是測試車垂直方向的加速度變值，根據(jù)物理學公式，對時間作兩次積分，便可得到車輛垂直方向的振動量D″。再作Y＝D′-D″計算，則Y即為剔除車輛振動后所得的路面不平度參數(shù)。
本發(fā)明一種道路斷面信息采集裝置的上位機子系統(tǒng)與下位機子系統(tǒng)通信采用現(xiàn)場總線CAN(Controller Area Network控制器局域網(wǎng)絡)，它的最大的優(yōu)點在于它的實時性很高，由于它采用位仲裁方式進行網(wǎng)絡分配，因此可以最大限度的保證道路斷面信息采集裝置對緊急事件的響應，另外一個優(yōu)點是具有很高的可靠性，它有五種方法判斷和糾正數(shù)據(jù)在傳輸中可能發(fā)生的錯誤。
CAN的信號傳輸采用短禎結(jié)構(gòu)，每一禎的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸?shù)臅r間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能，以切斷該結(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。通信速率最高可達1Mbp/40m，直接傳輸距離最遠可達10km/5kbp?？蓲旖釉O備數(shù)最多可達110個。下位機子系統(tǒng)的CAN卡采用PC-104總線，上位機子系統(tǒng)的CAN卡采用ISA總線。
所選用的AD采集卡的輸入端最多可接收32個通道的單端模擬輸入，并將這些模擬輸入量變成12位數(shù)字量，然后傳送到上位機子系統(tǒng)的工控機的存儲器；輸入電壓的量程為單端極性0-10伏。AD變換是一個12位的逐次逼近式的變換器來完成的，具有采樣保持功能，12位變換的分辨率為2.441毫伏，吞吐量每秒100,000個樣本。AD采集卡與嵌入式工控機采用PC-104總線進行通信和控制。在最大車速72km/h的情況下，最短采樣間隔為12.05ms(行駛250mm用的時間)，而一次采樣所用的時間僅為0.01ms，中斷處理時間為0.2ms，傳送時間為0.5ms，上位機處理時間為0.1ms。所以該AD采集卡完全滿足使用條件，不會產(chǎn)生因車速過快而丟數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。
本發(fā)明的有益效果是采用基于超聲傳感器的車轍自動檢測和基于激光傳感器、加速度傳感器的平整度自動檢測；實現(xiàn)測量道路路面車轍和平整度。本道路斷面信息采集裝置對車轍和平整度測量精度均達到1mm。


圖1-1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)圖。
圖1-2是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是車轍測量用的橫梁圖。
圖3是車轍測量的超聲傳感器安裝示意圖。
圖4-1是實施例1平整度測量的激光傳感器和加速度傳感器安裝位置圖。
圖4-2是實施例2平整度測量的激光傳感器和加速度傳感器安裝位置圖。
圖5是光電編碼器安裝圖。
圖6是計數(shù)卡原理圖。
圖7是傳感器與AD采集卡的連接電路原理圖。
圖中1-為橫梁，2-車前保險杠，3-為激光傳感器和加速度傳感器封裝盒，4-光電編碼器(在車內(nèi))，5-傳動軟軸與車輪軸連接端，6-傳動軟軸，7-左展臂，8-右展臂，9-校準傳感器。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
實施例1如圖1-1、圖2、圖3、圖4-1、圖6、圖7所示，一種道路斷面信息采集裝置，它由上位機子系統(tǒng)、下位機子系統(tǒng)組成，上位機子系統(tǒng)由車載工控機(也稱為上位機)、第一通信卡(上位機CAN卡)組成，第一通信卡與車載工控機采用ISA總線連接，上位機子系統(tǒng)主要負責保存數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)和產(chǎn)生報表等操作；下位機子系統(tǒng)由嵌入式工控機(它采用基于IEEE P996.1兼容PC嵌入式模塊標準，通稱PC104工控機)、AD采集卡(負責采集傳感器信號，該卡采用PC104總線標準)、第二通信卡(下位機CAN卡，負責與上位機通信，傳送數(shù)據(jù)，也是采用PC104總線)、計數(shù)卡(根據(jù)光電編碼器脈沖信號產(chǎn)生中斷信號，控制AD采集卡)、光電編碼器(用于測量車速，其脈沖信號送往計數(shù)卡)、超聲傳感器(或稱超聲波傳感器，共26個)、激光傳感器(共2個)和加速度傳感器(共2個)組成，第二通信卡、AD采集卡、計數(shù)卡分別與嵌入式工控機采用PC-104總線連接，光電編碼器采用屏蔽雙絞線與計數(shù)卡連接，超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器均采用屏蔽雙絞線與AD采集卡連接；所述的超聲傳感器為26個，在信息采集車的前保險杠2前附加一橫梁1，在橫梁上垂直向下均勻排布25個超聲傳感器(間距為150mm)，第26個超聲傳感器(即校準傳感器9)橫向安裝于主橫梁上(如圖3所示，橫梁1由主橫梁、左展臂7、右展臂8構(gòu)成，左展臂7與右展臂8之間為主橫梁)，激光傳感器、加速度傳感器分別各為2個，并封裝在二個盒內(nèi)，一個盒內(nèi)為一個激光傳感器和一個加速度傳感器(即激光傳感器和加速度傳感器封裝盒3)，安裝于前保險桿的輪跡處的左右，盒子的下端面距地面高度為260mm；下位機子系統(tǒng)通過第二通信卡由CAN總線與上位機子系統(tǒng)的第一通信卡相連。如圖5所示，光電編碼器4位于車內(nèi)，標號5為傳動軟軸與車輪軸連接端，標號6為傳動軟軸。
實施例2如圖1-2、圖4-2所示，一種道路斷面信息采集裝置，它由上位機子系統(tǒng)、下位機子系統(tǒng)組成，上位機子系統(tǒng)由車載工控機(也稱為上位機)、第一通信卡(上位機CAN卡)、光電編碼器(用于測量車速，其脈沖信號送往計數(shù)卡)、計數(shù)卡(根據(jù)光電編碼器脈沖信號產(chǎn)生中斷信號，控制AD采集卡)組成，第一通信卡與車載工控機采用ISA總線連接，計數(shù)卡采用ISA總線與車載工控機連接，光電編碼器采用屏蔽雙絞線與計數(shù)卡連接，上位機子系統(tǒng)主要負責保存數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)和產(chǎn)生報表等操作；下位機子系統(tǒng)由嵌入式工控機(它采用基于IEEE P996.1兼容PC嵌入式模塊標準，通稱PC104工控機)、AD采集卡(負責采集傳感器信號，該卡采用PC104總線標準)、第二通信卡(下位機CAN卡，負責與上位機通信，傳送數(shù)據(jù)，也是采用PC104總線)、超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器組成，第二通信卡、AD采集卡分別與嵌入式工控機采用PC-104總線連接，超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器均采用屏蔽雙絞線與AD采集卡連接；所述的超聲傳感器為26個，在信息采集車的前保險杠前附加一橫梁，在橫梁上垂直向下均勻排布25個超聲傳感器(間距為150mm)，第26個超聲傳感器橫向安裝于主橫梁上(如圖3所示，橫梁1由主橫梁、左展臂7、右展臂8構(gòu)成，左展臂7與右展臂8之間為主橫梁)，激光傳感器、加速度傳感器分別各為2個，并封裝在二個盒內(nèi)，一個盒內(nèi)為一個激光傳感器和一個加速度傳感器，并安裝于前保險桿的輪跡處的左右，盒子的下端面距地面高度為260mm；下位機子系統(tǒng)通過第二通信卡由CAN總線與上位機子系統(tǒng)的第一通信卡相連。
路面車轍檢測的方法是在信息采集車的前保險杠前附加一橫梁，在橫梁上垂直向下均勻排布25個超聲傳感器(間距為150mm)，各超聲波傳感器同時檢測出對地距離，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可獲得路面車轍大小及橫斷面，如圖2所示。圖2中，主橫梁寬2m，左右展臂各寬0.9m，安裝了展臂后，可實現(xiàn)3.75m標準車道的車轍檢測。超聲傳感器共26只，按作用分為標定傳感器和檢測傳感器。標定傳感器(即校準傳感器)為1只，橫向安裝于主橫梁上，用于消除環(huán)境變化引起的誤差；檢測傳感器共25只，垂直安裝于主橫梁和左右展臂上。各傳感器測得如圖虛線所示距離，經(jīng)標定傳感器校正后即可得到公路橫斷面曲線，從而可進一步分析計算左右車轍的大小和位置。
激光傳感器、加速度傳感器封裝在一個盒內(nèi)，并安裝于前保險桿的輪跡處，裝有激光傳感器、加速度傳感器的盒下端面距地面高度約為260mm，左右分別裝一個。
準確采樣的關(guān)鍵是光電編碼器與計數(shù)卡配合產(chǎn)生中斷，光電編碼器脈沖數(shù)(P/2π)、車輪每周行駛距離(St)，車轍采樣間隔(SS)產(chǎn)生中斷信號的脈沖數(shù)(IP)存在如下關(guān)系IP＝PSS/St以IP設置計數(shù)卡的計數(shù)初值，可準確產(chǎn)生中斷信號。
注本道路斷面信息采集裝置所采用的主要部件如下1、超聲傳感器選用Honeywell產(chǎn)品，型號947-F4Y-2D-1CO-300E。
2、PC104低功耗嵌入式工控機選用深圳桑達信息技術(shù)有限公司產(chǎn)品，型號SED-486SV-II。
3、PC104 AD采集卡，選用北京鼎升力創(chuàng)公司產(chǎn)品，型號為PCM-5112。
4、激光傳感器選用LMI Technologics INC.產(chǎn)品，型號SLS5000系列；5、加速度傳感器選用SILICON DESIGNS，INC.產(chǎn)品，Model 1221；6、CAN通信卡選用研華公司產(chǎn)品，型號PCL-841。
權(quán)利要求
1.一種道路斷面信息采集裝置，其特征在于它由上位機子系統(tǒng)、下位機子系統(tǒng)組成，上位機子系統(tǒng)由車載工控機、第一通信卡組成，其中第一通信卡與車載工控機采用ISA總線連接；下位機子系統(tǒng)由嵌入式工控機、AD采集卡、第二通信卡、計數(shù)卡、光電編碼器、超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器組成，其中第二通信卡、AD采集卡、計數(shù)卡分別與嵌入式工控機采用PC-104總線連接，光電編碼器采用屏蔽雙絞線與計數(shù)卡連接，超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器均采用屏蔽雙絞線與AD采集卡連接；所述的超聲傳感器為26個，在信息采集車的前保險杠前附加一橫梁，在橫梁上垂直向下均勻排布25個超聲傳感器，第26個超聲傳感器橫向安裝于主橫梁上，激光傳感器、加速度傳感器分別各為2個，并封裝在二個盒內(nèi)，一個盒內(nèi)為一個激光傳感器和一個加速度傳感器，安裝于前保險桿的輪跡處，盒子的下端面距地面高度為260mm；下位機子系統(tǒng)通過第二通信卡由CAN總線與上位機子系統(tǒng)的第一通信卡相連。
2.一種道路斷面信息采集裝置，其特征在于它由上位機子系統(tǒng)、下位機子系統(tǒng)組成，上位機子系統(tǒng)由車載工控機、第一通信卡、光電編碼器、計數(shù)卡組成，其中第一通信卡與車載工控機采用ISA總線連接，計數(shù)卡采用ISA總線與車載工控機連接，光電編碼器采用屏蔽雙絞線與計數(shù)卡連接；下位機子系統(tǒng)由嵌入式工控機、AD采集卡、第二通信卡、超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器組成，其中第二通信卡、AD采集卡分別與嵌入式工控機采用PC-104總線連接，超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器均采用屏蔽雙絞線與AD采集卡連接；所述的超聲傳感器為26個，在信息采集車的前保險杠前附加一橫梁，在橫梁上垂直向下均勻排布25個超聲傳感器，第26個超聲傳感器橫向安裝于主橫梁上，激光傳感器、加速度傳感器分別各為2個，并封裝在二個盒內(nèi)，一個盒內(nèi)為一個激光傳感器和一個加速度傳感器，并安裝于前保險桿的輪跡處，盒子的下端面距地面高度為260mm；下位機子系統(tǒng)通過第二通信卡由CAN總線與上位機子系統(tǒng)的第一通信卡相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量道路路面車轍和平整度參數(shù)集成測量裝置。一種道路斷面信息采集裝置，其特征在于它由上位機子系統(tǒng)、下位機子系統(tǒng)組成，上位機子系統(tǒng)由車載工控機、第一通信卡組成，第一通信卡與車載工控機采用ISA總線連接；下位機子系統(tǒng)由嵌入式工控機、AD采集卡、第二通信卡、計數(shù)卡、光電編碼器、超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器組成，第二通信卡、AD采集卡、計數(shù)卡分別與嵌入式工控機采用PC－104總線連接，光電編碼器采用屏蔽雙絞線與計數(shù)卡連接，超聲傳感器、激光傳感器和加速度傳感器均采用屏蔽雙絞線與AD采集卡連接；下位機子系統(tǒng)通過第二通信卡由CAN總線與上位機子系統(tǒng)的第一通信卡相連。本發(fā)明能同時測量道路路面車轍和平整度。
文檔編號G08C19/16GK1959755SQ20061012516
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者嚴新平, 陳先橋, 初秀民, 陳明昭, 呂植勇, 陶靜峰, 郝靜濤, 汪軍 申請人:武漢理工大學