专利名称：路面平整度自动检测装置及检测方法
技术领域：
本发明涉及一种路面平整度检测领域，具体涉及一种适合完成公路路面、 尤其是高等级公路路面的平整度自动检测装置及检测方法。
技术背景随着我国交通事业的快速发展，公路通车里程数在急剧增加。路面平整 度是评价公路质量最重要的指标之一，对车辆行驶的安全性、舒适性及运行 费用等指标有直接的影响，在公路养护中占有十分重要的地位。因此，如何 对公路平整度指标进行高效、准确的检测和评价， 一直是公路部门十分关注 的问题。在公路发展过程中，己开发了多种检测仪器与技术，并制定了相应 的检测规程。目前，现有的路面平整度自动检测仪器主要存在以下不足(1) 误差源多，现有常用的路面平整度检测仪器多采用距离传感器的输出 结果减去加速度传感器及角度传感器的输出以获得一次高程测量值。误差源 多，实现复杂，精度低。(2) 效率低， 一般每次测量只能得到一个路面高程，因此，测量仪器数据 获取的效率低。(3) 没有进行信号防混叠处理。计算国际平整度指数(IRI)，要求输入间 隔250mm的路面高程差。而常用的平整度检测仪器多是每隔250mm测量一 次高程，测量精度只考虑高程单次的测量精度。事实上数据容易受到裂缝等 路面其他病害的影响，即会发生信号混叠现象。现有的平整度检测仪器均未 对数据进行信号防混叠处理。(4) 无法较好解决车辆颠簸的问题。车辆颠簸对公路路面检测的影响很大， 它不仅包括车辆的上下振动，而且包括车体的前后、左右倾斜。常见的测量 仪器一般只针对车辆的上下振动进行处理，处理的方法主要有(a)采用基 准传递原理测量路面平整度，虽然理论上可以消除车辆颠簸的影响，但由于 是离散式多点测量，测量精度难以保证。另外，使用中难以保持基准的稳定。(b)用二次差分原理的共梁双精密高程测量方法解决，如专利号为00240679 的"激光断面高程仪"，这种方法误差源多，所解决的车辆振动只是上下振动， 无法解决车体倾斜的影响。由以上可以看出，现有的平整度自动检测仪器普 遍具有如下缺点误差源多，测量效率低，信号混叠，无法解决车体倾斜的 影响，因而精度低，重复性差。 发明内容本发明是为了解决现有的平整度检测仪器普遍存在误差源多、测量效率 低、信号混叠、无法解决车体倾斜影响的缺点而导致的精度低，重复性差的 问题，而提出一种路面平整度自动检测装置及检测方法。本发明由处理系统2和三维结构光视觉检测组件3组成，三维结构光视 觉检测组件3横向排列在车体1底部的横截面上，三维结构光视觉检测组件 3包括结构光激光器3-2和面阵CCD3-1，其特征在于结构光激光器3-2发出 的结构光条覆盖纵向路面，面阵CCD3-1的摄像头朝向结构光激光器3-2的 下方路面4，以拍摄结构光激光器3-2投射到路面4处覆盖纵向路面的光条图 像；三维结构光视觉检测组件3还包括角度传感器3-3;三维结构光视觉检测 组件3的输出端分别连接在处理系统2的输入端；处理系统2位于车体1内。本发明的方法有以下步骤实现步骤一车体1在行进中，结构光激光器3-2发出的结构光条投射到待 检测路面4上，该结构光条被路面三维信息调制后在面阵CCD3-1上成像， 从而获取路面数据信息，同时通过角度传感器3-3采集车体1的颠簸信息； 根据标定确定的CCD 二维图像坐标系和世界三维坐标系之间的关系矩阵，通 过处理系统2计算出路面光条位置的三维信息，再利用采集的车体l的颠簸 信息对路面光条位置的三维信息进行补偿；步骤二在得到路面光条位置的三维信息的基础上，采用滤波的方法， 消除裂缝、凸起、坑洼的影响，得到路面纵向轮廓曲线；步骤三在得到的路面纵向轮廓曲线上，以间距250mm的距离取离散高程点，代入标准的IRI计算程序，得到该段路面的IRI指标； 步骤四数据存储、分析和显示。工作原理本发明的目的是提供一种新型的公路路面平整度自动测量系统，它能精确快速测量公路路面的国际平整度指数，满足相关行业的需要。 本发明根据结构光三维检测原理设计而成。检测时，每次测量均可获取近似 连续的路面三维坐标，它具体取决于激光照射的光条范围。检测时车体的上 下振动不影响高程差的计算，只需利用角度传感器对测得的数据进行补偿， 即可有效消除车辆颠簸的影响。误差源少，测量精度高，同时检测效率亦高。 数据处理软件根据采样数据特点，首先去除裂缝等路面变形的影响，对路面纵向轮廓进行防混叠滤波，并由此可以计算出国际平整度指数(IRI)。本发明具有如下的优点(1)误差源少，测量误差小。(2)更好的消 除了车辆颠簸的影响。目前的平整度检测方法为了消除车辆颠簸，多采用通 过距离传感器的测量结果减去加速度传感器测量结果的积分的方法和基于基 准传递原理的测量方法等，但这些方法只试图消除车辆的上下振动，未考虑 车辆倾斜的影响。我们为了消除车辆颠簸的影响，通过直接计算高程差和采 用角度传感器来保证测量的基准来实现，不仅车辆的上下振动不影响测量结果，而且还能够对车辆的倾斜进行补偿。(3)检测效率高。(4)有效消除信号混叠的影响，测量的精度与重复性高。
图1是本发明的结构示意图；图2是实施方式四的示意图；图3是三维 结构光视觉检测组件分布示意图；图4是本发明图像采集原理示意图；图5 是利用角度传感器进行数据补偿的坐标系示意图。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1 图5说明本实施方式，本实施方式由处理系统2和三维结构光视觉检测组件3组成，三维结构光视觉检测组件3横向 排列在车体1底部的横截面上，三维结构光视觉检测组件3包括结构光激光 器3-2和面阵CCD3-1，其特征在于结构光激光器3-2发出的结构光条覆盖纵 向路面，面阵CCD3-1的摄像头朝向结构光激光器3-2的下方路面4，以拍摄 结构光激光器3-2投射到路面4处覆盖纵向路面的光条图像；三维结构光视 觉检测组件3还包括角度传感器3-3;三维结构光视觉检测组件3的输出端分 别连接在处理系统2的输入端；处理系统2位于车体1内。
具体实施方式
二结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同点在于处理系统2由图像采集卡2-1、数据采集卡2-3和计算机2-2 组成；面阵CCD3-1的输出端连接图像采集卡2-l的输入端，图像采集卡2-l 连接于计算机2-2内部，角度传感器3-3的输出端连接数据采集卡2-3的输入 端，数据采集卡2-3的输出端连接于计算机2-2内部。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。图像采集卡2-l采用北京嘉恒中自的OK一M20A,数据 采集卡2-3采用台湾研华的PCI-1710L，计算机2-3采用台湾研华工控机。
具体实施方式
三结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式一不同点在于角度传感器3-3设置在结构光激光器3-2和面阵CCD3-l之间 的位置；其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式一不同点在于车底部1的横向水平面上有至少一个三维结构光视觉检测组 件3，以采集多条路面纵向轮廓的信息数据；其它组成和连接方式与具体实 施方式一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一不同点在于三维结构光 视觉检测组件3放置在车体1的中部、前部或后部。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式的步骤如下步骤一车体1在行进中，结构光激光器3-2发出的结构光条投射到待检测路面4上，该结构光条被路面三维信息调制后在面阵CCD3-1上成像，从而获取路面数据信息，同时通过角度传感器3-3采集车体1的颠簸信息；根据标定确定的CCD 二维图像坐标系和世界三维坐标系之间的关系矩阵，通 过处理系统2计算出路面光条位置的三维信息，再利用采集的车体l的颠簸信息对路面光条位置的三维信息进行补偿；步骤二在得到路面光条位置的三维信息的基础上，采用滤波的方法， 消除裂缝、凸起、坑洼的影响，得到路面纵向轮廓曲线；步骤三在得到的路面纵向轮廓曲线上，以间距250mm的距离取离散高 程点，代入标准的IRI计算程序，得到该段路面的IRI指标； 步骤四数据存储、分析和显示。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
六不同点在于步骤一中确定CCD 二维图像坐标系和世界三维坐标系之间的关系是线性关系；首先设定 空间三维坐标点的齐次坐标M-(兀KZ,/f，其对应的二维图像点齐次坐标 m=(x，>U)T;其次面阵CCD3-1为理想的小孔成像模型；则根据下述关系式， 可以确定CCD 二维光条图像坐标和其对应的世界三维坐标之间的关系aX + bY + cZ + d = 0 . ①Am = =乖r)M ② 公式①为光平面方程；公式②中的义，P代表任意比例因子，即射影深度；(及,7)称为摄像机的外部参数，/ 是旋转矩阵，r是平移矩阵；」称为摄像机的内部参数；计算出路面三维信息；其它步骤与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
六不同点在于步骤一中确定CCD 二维图像坐标系和世界三维坐标系之间的关系是非线性关系；其它步骤与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
九结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
六不同点在于利用角度传感器3-3对数据进行补偿时，为了便于分析，我们定义了如下坐标系，车体l沿y轴正向行驶，测量颠簸时， 左右倾斜xoz平面旋转了"角，逆时针为正(从y轴正向看)， 前后倾斜yoz平面旋转了/ 角，逆时针为正(从x轴正向看)，上下颠簸坐标原点沿Z轴移动的距离为zO，沿Z轴正向移动为正；三种车辆颠簸情况，<formula>formula see original document page 8</formula>
我们可以得出如下结论当车辆只发生以上三种情况中的一种运动时，我们直接利用上面对应的公式就能够实现左边的变换; 然而，实际中车辆经常发生多种运动。此时，我们可以利用上述情况的复合运动来实现坐标的变换。由以上推倒可得新旧坐标之间的转换关系<formula>formula see original document page 9</formula>(x,y，z)为点在未发生颠簸时坐标系(路面坐标系)中的坐标，(x',y，，z，)为 点在发生颠簸后坐标系(CCD坐标系)中的坐标。a角为xoz平面旋转的角 度(逆时针为正，从y轴正向看)，-角为yoz平面旋转的角度，(逆时针为 正，从x轴正向看)，z0为O'相对于O移动的距离(沿z轴正向移动为正)，(0， 0， z0)是新坐标原点在原坐标系下的坐标，采用此公式进行路面光条 位置的三维信息进行补偿。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
六不同点在于步骤二中滤 波方法为线性和非线性滤波相结合的方法，其目的是消除噪声和其他路面病 害数据的影响。其它步骤与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
十不同点在于线性和非 线性滤波相结合的方法采用小波变换和中值滤波相结合。其它步骤与具体实 施方式九相同。
权利要求
1、路面平整度自动检测装置，由处理系统(2)和三维结构光视觉检测组件(3)组成，三维结构光视觉检测组件(3)横向排列在车体(1)底部的横截面上，三维结构光视觉检测组件(3)包括结构光激光器(3-2)和面阵CCD(3-1)，其特征在于结构光激光器(3-2)发出的结构光条覆盖纵向路面，面阵CCD(3-1)的摄像头朝向结构光激光器(3-2)的下方路面(4)，以拍摄结构光激光器(3-2)投射到路面(4)处覆盖纵向路面的光条图像；三维结构光视觉检测组件(3)还包括角度传感器(3-3)；三维结构光视觉检测组件(3)的输出端分别连接在处理系统(2)的输入端；处理系统(2)位于车体(1)内。
全文摘要
路面平整度自动检测装置及检测方法，它涉及路面平整度检测领域，它针对现有技术信息不准确，误差源多，结构复杂，无法解决车体倾斜影响的缺点，它的三维结构光视觉检测组件还包括角度传感器；三维结构光视觉检测组件输出端连处理系统输入端；结构光激光器发出的结构光条覆盖纵向路面，处理系统位于车体内。其方法是一、结构光激光器的结构光条被路面三维信息调制后，在面阵CCD上成像，同时采集车体颠簸信息，通过计算得出三维信息；二、滤波去除病害影响；三、以间隔250mm的距离计算路面高程差，并计算相应路段的IRI结果；四、数据存储、分析和显示。其优点是提取的纵向轮廓完整准确，结构简单，消除车辆颠簸的影响。
文档编号G01B11/30GK101246000SQ200810064158
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月21日 优先权日2008年3月21日
发明者刘宛予, 凯 谢, 黄建平 申请人:哈尔滨工业大学