車載式道路檢測與測量技術(shù)研究

車載式道路檢測與測量技術(shù)研究

改革開放30年來，中國的公共交通事業(yè)顯著發(fā)展。高速公路從無到有,通車?yán)锍踢_(dá)到世界第二。截止到2007年底,我國高速公路通車?yán)锍桃淹黄?.3萬km。路面是公路的重要組成部分,其使用性能直接關(guān)系到道路為用戶提供的舒適性、安全性、快捷性等服務(wù)的水平,關(guān)系到道路本身的使用壽命。因此,必須加強(qiáng)對路面的養(yǎng)護(hù)管理,確保提供可接受的服務(wù)水平。因此,本研究對提高路面檢測的效率和精度,減少安全隱患,提高養(yǎng)護(hù)管理水平,為領(lǐng)導(dǎo)科學(xué)決策提供詳盡、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料,對于促進(jìn)公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)又快又好的發(fā)展,增強(qiáng)公路服務(wù)能力具有重要意義。1多傳感器集成技術(shù)車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)作為一個多傳感器集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),為完成預(yù)定的道路檢測與測量任務(wù),必須使得參與任務(wù)的多個傳感器協(xié)調(diào)統(tǒng)一的工作,其集成是一個關(guān)鍵,包含有系統(tǒng)同步技術(shù)、系統(tǒng)檢校技術(shù)與GPS/INS以及GPS/DR集成技術(shù)。1.1建立系統(tǒng)基準(zhǔn)車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)的各傳感器按照各自的采樣間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)的輸入頻率各不相同,時間精度也各不相同。要想把每個傳感器的測量數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,必然涉及到基準(zhǔn)的問題。在車載移動測量系統(tǒng)中有2個基準(zhǔn):空間基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)。對于空間基準(zhǔn),首先建立一系統(tǒng)坐標(biāo)系,其起點(diǎn)為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的零點(diǎn),盡可能地通過陀螺軸,將每種傳感器的零點(diǎn)如GPS接收機(jī)的相位中心、激光測距儀的零標(biāo)志點(diǎn)均歸算到該系統(tǒng)坐標(biāo)系中。為了實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合集成處理,整個系統(tǒng)的傳感器采集的數(shù)據(jù)必須建立在同一時間坐標(biāo)軸上,以實(shí)現(xiàn)任意數(shù)據(jù)的集成處理。1.2系統(tǒng)的組成和原理在車載道路檢測與測量系統(tǒng)中,定位系統(tǒng)僅提供了行車軌跡和姿態(tài)變化,而空間信息是通過攝影測量和激光測量系統(tǒng)得到的。攝影測量系統(tǒng)的多臺相機(jī)構(gòu)成一個相對于車輛坐標(biāo)系的攝影測量系統(tǒng)。激光測量系統(tǒng)由多臺激光測距儀或激光掃描儀組成,它們之間以及它們與車輛之間的位置和姿態(tài)保持不變。為保證測量得到的空間信息的統(tǒng)一性,必須將攝影測量和激光測量的相對坐標(biāo)系納入到統(tǒng)一的全球定位坐標(biāo)系中來,檢校的過程就是建立由定位系統(tǒng)和姿態(tài)系統(tǒng)的定位定姿數(shù)據(jù),將攝影測量的相對坐標(biāo)系和激光測量的相對坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到全球定位坐標(biāo)系。1.3gps模糊度搜索GPS/INS組合定位定姿系統(tǒng)比單獨(dú)的慣導(dǎo)系統(tǒng)或GPS更有優(yōu)點(diǎn)。GPS能提供高精度和穩(wěn)定性的位置信息,能連續(xù)地檢測慣導(dǎo)系統(tǒng)的累積誤差。而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)則可補(bǔ)償GPS信號因遮擋而中斷等問題,提供連續(xù)的姿態(tài)角,改正計(jì)算GPS模糊度搜索方法。因此INS與GPS組合,能充分發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢并取長補(bǔ)短,利用GPS長期定位的穩(wěn)定性與適中精度來彌補(bǔ)INS的誤差隨時間累積的缺點(diǎn),利用INS的短期高精度來彌補(bǔ)GPS接收機(jī)在受干擾時誤差增大或不能定位等缺點(diǎn),并借助慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)信息和角速度信息,提高GPS接收機(jī)天線的定向性能。同時借助GPS連續(xù)提供的高精度位置信息和速度信息,估計(jì)并校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置誤差、速度誤差和系統(tǒng)其它誤差參數(shù),實(shí)現(xiàn)對其空中傳遞對準(zhǔn)和標(biāo)定,從而可放寬對其精度提出的要求,使得整個組合制導(dǎo)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化,具有較高的性價比。GPS/INS兩者組合的關(guān)鍵器件是作為兩者的接口并起數(shù)據(jù)融合作用的卡爾曼濾波器。圖1是一種緊耦合GPS/INS組合卡爾曼濾波器框架圖。2系統(tǒng)組成和系統(tǒng)組成基于三維測量系統(tǒng)的電子測量車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)由平整度測量系統(tǒng)、車轍測量系統(tǒng)、紋理深度測量系統(tǒng)、路面病害檢測系統(tǒng)、沿線設(shè)施檢測系統(tǒng)和激光三維測量系統(tǒng)6大功能性子系統(tǒng)以及集成定位控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理與管理信息系統(tǒng)兩大支撐子系統(tǒng)組成,如圖2所示。2.1車輛動態(tài)響應(yīng)計(jì)算路面平整度主要反映的是路面縱斷面剖面曲線的平整性,在當(dāng)今的路面平整度測量中,主要的平整度指標(biāo)為國際平整度指標(biāo)(internationalroughnessindex,IRI)。國際平整度指標(biāo)IRI的計(jì)算是基于1/4車輛仿真模型,如圖3所示。1/4車輛仿真模型用于模擬車輛機(jī)械系統(tǒng)在路面縱斷面曲線輸入的激勵下的動態(tài)響應(yīng)。通過1/4車輛仿真模型計(jì)算模型車車輛懸掛系統(tǒng)的單向位移量,將各次計(jì)算的單向位移值累加(單位為m)并與路段長度相除(單位為km),即可得到國際平整度指標(biāo)IRI,其單位為m/km?；趹T性補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量系統(tǒng)主要依靠激光測距和加速度計(jì)補(bǔ)償技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對平整度的精確測量。基于慣性補(bǔ)償?shù)募す馄秸葴y量是使用高精度高頻率的激光測距機(jī)測量出測試公路縱斷面上任意一點(diǎn)車體與地面的垂直距離,但此激光測量值是公路縱斷面平整度信息和車體的顛簸的綜合。所以,測量時還需要使用加速度計(jì)測量出車體在顛簸偏時的移量。這樣,對測得的激光測距值和加速度值進(jìn)行有效融合,就可以得到國際平整度指數(shù)值。該激光平整度測量系統(tǒng)的標(biāo)定和測試(每路段測5次)結(jié)果如表1所列。該激光平整度測量系統(tǒng)的測值與標(biāo)準(zhǔn)IRI相關(guān)分析結(jié)果如圖4,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9932,超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定的0.98的要求。2.2激光紋理構(gòu)造深度測量系統(tǒng)標(biāo)定及測試結(jié)果路面紋理反映的是路面的偏差。路面上某一區(qū)域內(nèi)某一點(diǎn)的紋理構(gòu)造深度表示這一點(diǎn)到這個區(qū)域最高基準(zhǔn)面之間的垂直距離,如圖5所示。激光紋理構(gòu)造深度測量系統(tǒng)主要是利用激光三角測量技術(shù)獲得公路縱斷面剖面曲線上不同位置上的縱斷面構(gòu)造深度(PD)的原始數(shù)據(jù)信息,在通過有效的濾波技術(shù)消除掉因車體顛簸,路面坑槽過深,路面信號反射率不理想等原因引起的過高或過低的雜波噪聲,最后通過數(shù)據(jù)處理中心的有效軟件工具進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算得到平均縱斷面構(gòu)造深度(MPD),從而得到估計(jì)紋理構(gòu)造深度(ETD)。該激光紋理構(gòu)造深度測量系統(tǒng)的標(biāo)定和測試(每段路測5次),結(jié)果如表2所列。該激光紋理構(gòu)造深度測量系統(tǒng)測值與鋪砂法測值相關(guān)性分析結(jié)果如圖6所示。2.3道路斷面檢測數(shù)據(jù)處理路面車轍及變形子系統(tǒng)的功能是通過激光線結(jié)構(gòu)光掃描儀高速連續(xù)掃描路面的高程數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理軟件生成路面的高程數(shù)據(jù),并可計(jì)算出車轍的長度、深度和面積,波浪擁包的高差和面積,沉陷的深度和面積,坑槽的深度和面積等,給出相應(yīng)的報表。如圖7所示,脈沖式激光線結(jié)構(gòu)光道路斷面儀采用線結(jié)構(gòu)光三角測量原理對道路橫斷面高程進(jìn)行連續(xù)式測量,獲得道路密集的斷面數(shù)據(jù),從而計(jì)算出道路的車轍深度以及分析擁包、沉陷等路面變形病害信息。該激光車轍測量系統(tǒng)的標(biāo)定和測試(每段路測5次),結(jié)果如表3所列。該激光車轍測量系統(tǒng)測值與手工車轍測值相關(guān)性分析結(jié)果如圖8所示:2.4路面圖像的獲取路面圖像采集與處理子系統(tǒng)的功能是高質(zhì)量地連續(xù)拍攝路面真實(shí)圖像,通過智能識別軟件識別圖像中的裂縫、坑槽與其它病害,進(jìn)行對各種病害的長度、寬度、面積等參數(shù)進(jìn)行測量,并分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和程度判別,給出分類統(tǒng)計(jì)報表。系統(tǒng)采用線陣CCD相機(jī)來獲取路面圖像。線陣CCD相機(jī)的工作原理是一次曝光獲得一行圖像數(shù)據(jù),為了獲得連續(xù)清晰的路面圖像,則需要相機(jī)按照一定的間隔距離(一行圖像所對應(yīng)的路面寬度)連續(xù)拍攝路面,最后將這些一行一行的圖像按照一定數(shù)量大小進(jìn)行拼接,即可得到一幅完整的路面圖像。然后利用智能圖像處理軟件對路面的各種病害進(jìn)行識別與分類,并融合定位信息,加入到CPMS的動態(tài)數(shù)據(jù)中。圖9為病害識別過程示意圖。3車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)在道路車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)采用高性能的車載計(jì)算機(jī)配合各種傳感器采集與儲存數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動化,消除手動操作的人為誤差,提高了檢測準(zhǔn)確性;檢測采集速度可達(dá)80km/h,提高了工作效率;不影響道路正常交通,減少因交通封閉或交通堵塞造成的經(jīng)濟(jì)損失;降低了人工測量的勞動強(qiáng)度和作業(yè)的危險性。所以車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)在道路路面、交通標(biāo)志標(biāo)線、橋涵構(gòu)造