（信号与信息处理专业论文）对称式多点准直激光路面车辙检测技术研究.pdf

摘要 随着我国高速公路的不断发展，路面养护工作也越来越重要。其中，车辙检测是路 面养护中一项重要内容。传统的手工检测方法已不适应现代化发展，急需自动化、高精 度的检测设备对路面车辙进行快速、准确的检测与评价。 本文通过使用多点准直激光检测技术进行路面车辙检测。多点准直激光车辙检测技 术具有非接触、检测精度高、设备使用寿命长等特点。在进行车辙检测时，由于车辆行 驶颠簸或路表纵向凸凹不平导致检测时激光束与路面夹角发生变化，影响车辙计算结果 和精度。为此，本文提出了对称式多点准直激光路面车辙检测方法，能满足车辙检测精 度要求。论文主要进行了以下几方面的研究： ( 1 ) 依据激光三角法原理，深入研究了多点准直激光车辙检测技术，分析了横断 面上激光点个数与检测精度的关系，在此基础上，提出了对称式多点准直激光车辙检测 方法。该方法可有效减小由于车辆颠簸及路面不平导致的误差，提高车辙检测精度。 ( 2 ) 研究了对称式多点准直激光车辙检测的一些关键技术。包括系统标定技术、 车辙图像处理技术和标定图像的角点检测技术。系统标定采用最小二乘法解算超定方程 来求得物像平面的坐标关系。图像处理技术通过对车辙图像的预处理获取像平面光斑的 中心坐标。角点检测采用h a r r i s 法来提取控制点的角点坐标。 ( 3 ) 研究了对称式多点准直激光车辙检测系统的总体设计方案。 ( 4 ) 通过实验，验证文中提出的对称式多点准直激光车辙检测方法。 通过以上研究，证明了采用对称式多点准直激光车辙检测技术可实现高等级公路路 面车辙快速、准确的检测。 关键词：多点准直激光，对称式，车辙检测，系统标定，光斑中心提取 a b s t r a c t w i t l lt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc h i n a sh i g h w a y , r o a dm a i n t e n a n c ew o r kh a s b e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t r u td e t e c t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to fr o a dm a i n t e n a n c e t h e t r a d i t i o n a lm a n u a ld e t e c t i o nw a sn o ts u i t e d t om o d e mr o a d d e v e l o p m e n t ，t h e a u t o m a t i o n ，h i g h - p r e c i s i o nt e s t i n ge q u i p m e n t s a r er e q u i r e dt or e s e a r c ha n dd e s i g nf o r f a s t ，a c c u r a t ed e t e c t i o na n de v a l u a t i o n t h em u l t i c o l l i m a t e dl a s e rr u td e t e c t i o nt e c h n i q u ei sg i v e ni nt h ep a p e rt om e e tt h e r e q m r e m e n t sf o r t h ep a v e m e n tt e s t i n g t h em u l t i - c o l l i m a t e dl a s e rd e t e c t i o nt e c h n i q u eh a s n o n c o n t a c ta n dh i g hp r e c i s i o nt r a i t s ，a n dt h ee q u i p m e n th a sl o n gs e r v i c el i f e d u r i n g t h ed e t e c t i o n , b e c a u s eo fv e h i c l eb u m p so ru n e v e na n dl o n g i t u d i n a lr o a ds u r f a c ec a u s e st h e a n g l eo fl a s e rb e a ma n dt h es u r f a c ec h a n g e ，t h i sw i l la f f e c tt h er e s u l t sa n d t h ea c c u r a c yo fr u t f o rt h i sr e a s o n ，t h es y m m e t r i c a lm u l t i c o l l i m a t e dl a s e rr u td e t e c t i o nt e c h n i q u ei sp r o p o s e db y t h ep a p e rt om e e tp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t s t h ep a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fl a s e rt r i a n g u l a t i o n ，t h em u l t i c o l l i m a t e dl a s e rr u td e t e c t i o n t e c h n i q u ei si n d e p t hs t u d i e d ，a n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h en u m b e ro fl a s e rp o i n t sa n d d e t e c t i o na c c u r a c y o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rp r o p o s e dt h es y m m e t r i c a lm u l t i - c o l l i m a t e dl a s e r r u td e t e c t i o nt e c h n i q u e t h em e t h o dc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ee r r o rw h i c hc a u s e db y v e h i c l eb u m p sa n du n e v e np a v e m e n t ( 2 ) t h es y m m e t r i c a l m u l t i - c o l l i m a t e dl a s e rr u td e t e c t i o nt e c h n i q u eo fs o m ek e y t e c h n o l o g i e si s s t u d i e d t h et e c h n o l o g i e si n c l u d es y s t e mc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y , r u ti m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dc a l i b r a t i o ni m a g ec o m e r d e t e c t i o nt e c h n o l o g y s y s t e mc a l i b r a t i o n u s i n gl e a s ts q u a r em e t h o dr e s o l v eo v e r d e t e r m i n e de q u a t i o nt oa c q u i r eo b j e c tp l a n ea n di m a g e p l a n ec o o r d i n a t er e l a t i o n s i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yu s et h er u t si m a g ep r e p r o c e s s i n gt o g e tt h es p o tc e n t e ro ft h ei m a g ep l a n ec o o r d i n a t e s h a r r i sc o m e rd e t e c t i o nm e t h o d u s e dt o e x t r a c tt h ec o n t r o lp o i n t so ft h ec o m e rc o o r d i n a t e s ( 3 ) t h es y m m e t r i c a lm u l t i - c o l l i m a t e d l a s e rr u td e t e c t i o ns y s t e mg e n e r a ld e s i g ni s s t u d i e d ( 4 ) t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，v e r i f yt h es y m m e t r i c a lm u l t i c o l l i m a t e dl a s e rr u td e t e c t i o n i i i m e t h o dw h i c hp r o p o s e db yt h ep a p e r t h ea b o v es t u d i e sp r o v e dt h a tu s i n gs y m m e t r i c a lm u l t i - c o l l i m a t e dl a s e rr u td e t e c t i o nc a n m a k et h er u t so nh i g h w a ya c q u i r er a p i d ，a c c u r a t ed e t e c t i o n k e yw o r d s ：m u l t i - c o l l i m a t e dl a s e r , s y m m e t r i c a l ，r u td e t e c t i o n ，s y s t e mc a l i b r a t i o n ， s p o tc e n t e re x t r a c t i o n i v 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 “十一五 时期我国公路运输事业蓬勃发展i ，在速度、质量和服务水平上都有 显著提高。经过多年的不断发展，缓解了我国公路交通运输的紧张状况，基础设施规模 迅速扩大，运输服务水平稳步提升，安全保障能力明显增强。截至2 0 1 0 年底1 2 1 ，全国公 路网总里程达到3 9 8 4 万千米，5 年增加6 3 9 万千米。“十一五”期间公路的快速发展， 为扩大内需、拉动经济增长做出了突出贡献。“十二五 计划已经开始1 3 ，我国正努力建 设高速公路网主架，预计“十二五”结束时，我国将赶超美国成为高速公路通车里程第 一的国家。 随着大量公路的建成通车，特别是高等级公路的快速发展，在很大程度上促进了国 民经济的发展。与此同时，为了迸一步提高公路交通的经济社会效益，我国在公路交通 迅速发展的同时，对公路交通的运营管理、路面养护和服务水平也越来越重视。在我卧 的公路运营中，为了确保行车的安全舒适，人们对于路面养护及管理的要求也越来越高。 在建设道路的同时，为了提高使用年限，路面养护也成了重中之重。高等级公路路面的 质量指标如路面车辙、平整度、构造深度、路面破损情况等的检测及评价，是工程施工、 质量验收、运营管理及养护的一项非常重要的内容。 在交通运输部颁发的行业标准公路路基路面现场测试规程( j t ge 6 0 2 0 0 8 ) 、公 路工程质量检验评定标准( j t gf 8 0 1 2 0 0 4 ) 等0 7 1 4 , 5 】，明确指出了沥青路面及水泥混 凝土路面的质量指标、检测内容、检测方法、采用的检测仪器设备、数据处理的评价方 法等，大力提倡使用先进的路面检测技术。在公路水泥混凝土路面养护技术规范( j t j 0 7 3 1 2 0 0 1 ) 和公路技术状况评定标准( j t gh 2 0 2 0 0 7 ) 等行业标准中【6 ，7 1 ，对路面 的定期检测内容和养护均提出了更高的要求，对检测仪器设备要求使用先进的激光路面 检测技术和数字图像检测技术等。 对于高等级公路路面的养护和检测评价，路面车辙指标是其重要内犁引。目前如何 快速、准确地实现路面车辙的检测与评价，国内外许多科研机构和检测部门都极其重视， 开展了大量的研究开发与应用工作，并且取得了多项研究成果。本文是在现有的车辙检 测的科研成果基础上，研究路面车辙激光检测技术和实现方法，目的是提高车辙检测精 度，攻克目前公路路面车辙检测中的一些关键技术。 第一章绪论 1 2 路面车辙的分类 车辙形成的原因主要分为四种： 压密性车辙。为了增加路面的结实程度和减小外界环境的影响，在结构设计阶段 和施工阶段通常采用不同材料分层铺设。而压密性车辙正是由于沥青层压密性导致，此 类车辙可以在施工时避免产生，可忽略不计。 磨损性车辙。磨损性车辙也和路表材料有关，产生原因是车辆轮胎与路面接触时 来回摩擦，导致路面表层材料脱落。此外，在冬季，有时为了防滑和除雪，会向路面撒 放大量的化学材料，也加速了路面表层材料的脱落和腐蚀。此类车辙显然是不可避免的， 而且产生时间比较长，属于路面老化的自然现象，也可忽略不计。 结构性车辙。结构性车辙主要是由大型货车和超载车造成的，这些车辆在行驶过 程中速度越慢，产生的形变量越大，在车轮与地面接触时路表产生形变而永久下陷。结 构性车辙多产生于一些变速车道和高速公路收费路口，此时行驶车辆突然由高速状态变 为低速状态，负载增大，导致路表接触处深陷。 失稳性车辙。这类车辙主要由天气状况造成。在高温情况下，路面材料会发生变 形，当车辆碾压时，轮迹带下的路面会凹陷，迫使两侧路面材料向外溢出，产生突起。 路面由于产生车辙的原因多种多样，导致路面实际车辙曲线也较为复杂。路面车辙 病害曲线如图1 1 所示【4 l 。 - _ 瑞黧；鲁蕃；= = 烹若；一 一警雾箩矗= 盏訇砷 由4 专三；i 委= e p 弋= 1 ：= = 芝= 岳罗高” i 峰，i 牵嗫赢j 喧桀 = 撩h 参镳 园l 鼍足小。离爱 、通程4 ：轻 一蚌。中轧氍一边高馥车罐 掰峰，l 葛颤。j 2 c j 高板车疆 b = = = j = = = = = = = = 工7 荦瞳中托低蚝边菇。硬毒二璇 “置珥 - _ 气= = = = = 兰= 三= = 拳一 没垮乎车强 1 3 课题研究目的及意义 图1 1 路面车辙病害曲线示意图 随着我国经济实力的不断增强，越来越多的单位、个人选择购买汽车来代步出行或 2 长安大学硕士学位论文 从事交通运输等。大量的汽车涌上街头给城市交通带来巨大压力，也使多数路面由于不 堪重负而严重损坏，路面车辙病害尤为突出。车辙主要出现在沥青路面，产生的原因当 然多种多样，比如周围环境因素、天气情况、车辆超载及路面材料本身的结实程度等。 路面车辙大多数是永久性形变，如不及时进行维修处理，将会进一步导致路面环境状况 继续恶化，造成严重的交通事故，威胁生命安全【9 j 。下雨时，车辙凹陷处会积累大量积 水，此时若车辆急速行驶并转弯，将会产生侧滑并因其失去平衡而发生事故。积水结冰 更会导致轮胎与路面摩擦力变小，车辆产生漂移，不受驾驶员控制。所以进行路面车辙 检测及其相关检测装置的研制成为重中之重，也成为我国公路养护方面亟待解决的一项 难题，具有重要的社会意义。采用人工检测浪费人力物力，不适应我国道路飞速发展的 总趋势。长期以来我国的道路检测设备( 包括车辙、平整度、路面破损) 依赖外国进口， 采用国外技术的弊端就是国外的路面养护指标及其技术参数与国内存在差异，运用时会 产生语言及技术转换等难题。此外，国外的检测设备价格普遍偏高，国内购置的单位不 多，在全国推广普及也是非常困难的。研究开发具有自主知识产权的路面检测技术和设。 备将是我国公路交通事业方面实力的显现，便于设备维修和运输，节约资金成本，避免 对国外技术的依赖，符合我国公路交通事业发展的大趋势。 总之，不管是公路的建设、运营管理，还是公路的养护维修，都需要对路面的平整 度、车辙、路面状况、道路环境状况等进行检测与评价，采用传统的检测设备和落后的 手工检测方法已无法满足实际需求，急需采用先进、快速、高精度的检测技术。因此， 研制激光和数字图像相结合的检测技术及成套检测设备，对公路施工质量进行监控、验 收，对运营公路的状况进行检测、评价，已是我国公路建设与管理养护的迫切需求。 1 4 路面车辙检测技术的发展情况 随着科技水平的不断发展，车辙检测技术也从早期的接触式路面检测技术发展到现 在的非接触式路面检测技术。接触式检测就是通过检测工具与路面相接触来算出路面最 高点与最低点的高度差来计算车辙。接触式检测方法诞生于早期，主要是由于当时生产 力水平低下，技术发展不成熟导致。一般是在待测车辙上依附横断面尺或是传感器来达 到测量效果。此方法技术水平低，对于长距离的路面车辙检测需检测人员拿着检测设备 四处奔走，劳动强度过大且效率也十分低。为了保证检测人员的人身安全和检测方便， 需要将待测路段进行人工封堵，这会给行车人员带来出行不便，周边道路交通也会受到 影响。由于此方法的种种不利因素，目前已经很少使用。非接触式检测技术现在是路面 3 第一章绪论 车辙检测技术的主流方法。此方法不需要检测设备与路面接触，通过超声波传感器或激 光位移传感器达到无损测量，避免了接触式检测中检测设备与路面相接触的弊端，提高 了设备的使用年限。进行非接触式检测时，检测设备一般外挂或是内嵌在检测车辆上， 检测人员通过启动检测车辆，在待测路面行驶时观看车内计算机显示的检测数据，这样 达到了信息的实时处理要求，检测人员也不必四处奔走，适合长距离检测。目前，车辙 检测装置的研究方向主要是非接触式检测设备的研发和生产。 1 4 1 路面车辙手工直尺检测技术 手工直尺路面车辙检测技术主要是通过路面横断面尺，如图1 2 所示。为了达到横 向测量宽度，要求横断面尺的测量范围大于等于一个车道的宽度。尺子要求平整光滑、 刻度清晰。为了方便挪动，尺子上端安装有两个把手。尺子底端两个支脚具有一定的高 度，并可调整到一个水平线上，这样有利于准确检测。检测时需要卡尺或是钢板尺进行 辅助测量，在移动时还需少量粉笔进行标记。 把 支脚 图1 2 横断面尺纵向示意图 横断面尺车辙检测需要注意以下几个方面： 面尺 路面 确定测量宽度不小于一个车道，把横断面尺放在待测路段上并确保其稳定安放。 观察车辙具体位置和形状，寻找其最低点和最高点，目测不准时用粉笔进行标记。 拿出卡尺测定最低点和最高点距离，要求卡尺最小刻度精确到1 m m 。在测量高度时， 不便用尺子测量的地方可改用绳子代替，通过间接测量绳子长度来获得所需数值。 由于人为目测时会产生误差，所以测量时应尽量选取更多的点来达到精度要求。 顺着横断面尺每隔一段距离进行记录( 距离越短越好) ，量出各个点相对于路面的距离 后，绘制路面车辙横断面曲线，进行车辙计算。 横断面尺检测属于手工检测范畴，由于科技水平不发达导致检测效率不高。支脚与 路面长时间接触造成磨损使其不能水平放置，检测时会产生误差，测量时人为目测数据 也会导致误差的进一步产生。检测时需封闭待测路段以保证检测人员人身安全【l0 1 。为了 4 长安大学硕：t 学位论文 尽快完成测量，检测人员需要大强度奔走，效率低下。手工直尺检测技术除y 4 , 范围实 验测量，目前已经很少使用了。 1 4 2 路面车辙横断面仪检测技术 横断面仪检测方法来源于手工横断面尺检测方法，属于半自动检测范畴，仪器如图 1 3 所示。 图1 3 路面横断面仪不惫图 从图1 3 可以看出横断面仪也有两个固定支脚构成，与横断面尺不同的是仪器中间 有一个传感装置，能自动记录路面车辙情况，不需要人为干预，减少了人为误差和劳动 强度。 用横断面仪检测车辙时需要遵循以下步骤： 确定检测宽度大于等于一个车道宽度。 确保横断面仪两个支脚处在同一个水平线上，使其能稳定放置。将仪器平稳的放 在待测路面上并与路面纵向中心线垂直。 为了方便日后处理数据，横断面仪移动时需记录路面两侧的桩号。 移动横断面仪进行车辙检测，测量时高度传感器需达到1 n u n 的精度标准。 记录数据、绘制车辙曲线。 路面横断面仪因为是半自动化检测，相对于手工横断面尺检测其效率已经明显提 高。但是也存在一些缺点：为了保证检测人员安全，需戛暂时进行交通管制，给交通运 输带来压力；相对于横断面尺，横断面仪更加笨重，给检测人员移动器械带来困难，不 适宜长距离检测。横断面仪目前也只是小范围检测，有时也进行路面平整度检测，只有 丹麦和国内少数机构进行研制。 1 4 3 路面车辙超声波检测技术 超声波车辙检测技术是非接触式主动检测技术，属于自动检测范畴。超声波传感器 的测量原理如图1 4 所示。 5 第一章绪论 圜、 超声俦感器 l路表蚕 一、 。 图1 4 超声波传感器测量原理图 超声波测量车辙深度是采用超声波反射原理。超声波属于机械波范畴，频率很高， 一般在2 0 k h z 以上，人耳很难分辨。超声波传感器发出的声波投射到车辙横断面上，反 射后传回，根据时间差来判定距离长短。由于超声波传播单一且方向性好，目前国内外 有几个厂家和单位进行超声路面车辙检测设备的研制开发。 国外研制超声波车辙检测设备现主要是加拿大公司在研制。加拿大的路德威公司主 要从事路面数据采集等一些工作。超声波车辙检测设备搭载在改装后的检测车上。检测 车名为r u t b a r ，如图1 5 所示，是自动车辙检测设备。检测时主要功能有： 车上配有软件实时处理系统，在进行车辙数据采集时，针对路面车辙实际情况生 成图形及曲线，自动生成路面报表供工作人员观看。 车辆的行驶路线对测量精度没有影响，可弯曲行驶。 独创的微处理器能使数据采集系统高精度的工作。 车辆前端的检测梁上有多个传感器【】，主梁上1 9 个，梁两端共1 8 个均匀分布。 理论上能覆盖3 6 m 的车道。 雾二蚤鲁 。羟 k 。霉著零一要 。一一一荔一一。薹“+ 一f 棼戳一i ：二确e ji 缈 图1 5 路德威公司的超声波车辙检测车辆 国内超声波车辙检测技术起步比较晚，研制单位以武大卓越公司和武汉理工大学为 主。图1 6 为武大卓越公司研制的超声波车辙检测车z o y o n r t m 。可以看出固定超声 波传感器的横梁在检测时超出车体宽度，造成车辆行驶危险，且检测范围不足一个车道。 6 长安大学硕士学位论文 图1 6z o y o n - r t m 检测车 图1 7 为武汉理工大学生产的基于超车波的车辙检测车，光电脉冲信号由光电编码 器产生，采样卡不断的进行采样以实现车辆的自动检测。不足之处就是为了达到一个车 道的检测，内置超声波传感器的横梁左右会超出车体一大部分，这会给行车安全带来极 大危险，为了检测只能暂时对交通进行安全管制。此外虽然检测车辆进行了去噪声处理， 但超声波传感器输出的电压信号不恒定，导致噪声不能完全处理。 i ；l 翟蠢意传蕃嚣 ：姻速度转够嚣 3 ：锰翻苇 一羲鼻佳蓐嚣 ：强承辫 6 ：鼹德聚繁乍 7 ：攫强舒爱嚣 - ；工控帆 9 ：最线电漩 1 0 ，1 1 墅传蓦磊 t 电动早咎音 图1 7 武汉理工大学的超声波车辙检测车 超声波传感器具有诸多优点，如超声波方向性好，传播方向单一，价钱相比于激光 位移传感器便宜许多。但是也存在缺点：首先，超声波位移传感器受环境因素影响很大， 噪声的导入会影响检测精度。其次，检测横梁内安装位移传感器的时候需正确无误的放 置，否则会导致没有回接信号。最后，检测时为了达到覆盖整个车道，检测横梁超出车 体正常宽度，这不利于行车安全和检测方便。 1 4 4 路面车辙激光检测技术 激光车辙检测主要分为多探头激光车辙检测和线激光车辙检测，属于非接触式的自 动检测技术。由于其检测精度高，不易受环境影响等因素，普遍被人们所采用。 通过线激光车辙检测系统计算路面车辙深度比较准确，但激光器发出的光束功率 强。当路面存在车辙时，根据透视原理，线激光产生形变并在路面形成车辙曲线。通过 高分辨率的c c d 相机可以对这一形变进行拍摄处理，图像通过系统的图像采集卡进行 7 第一幸绪论 采集。由于线激光检测时信息量存储巨大，需要提取图片中关键点的像素坐标来进行系 统标定，求出路面车辙关键点的实际空间坐标来进行曲线拟合，进而求出路面实际的车 辙深度。 线激光车辙检测产品国外主要有： 加拿大路得威公司生产的路面车辙测试予系统l a s e r x v p ，检测精度较高，如图 1 8 所示，车辆上部装有高分辨率的数字相机，中部设置两个大功率的激光器且要求其 同步。检测时两个大功率的线激光器与路面相交，形成车辙条纹，高分辨率的相机同时 对车辙条纹进行拍摄，车内实时处理系统对拍摄的图片进行处理以算出车辙深度。缺点 是成本造价很高，国内不多引用。 美国i c c 的多功能道路检测车，如图1 9 所示。检测时测量范围可覆盖整个车道， 达4 m 。车上装载两个高精度的数字相机，检测速度可达9 5 千米d , 时，主板处理数据 时实施双通道的图像捕捉。线激光器照射路面的时候，相机自动摄像、归档并存储在移 动硬盘上。 图1 8 路德威公司生产的线激光检测车 图1 9 美国i c c 的线激光检测车 国内的线激光车辙检测设备比较多： 江苏省宁沪高速公路股份有限公司的生产的线激光路面检测车，如图1 1 0 所示。 车上装有高精度的相机和数字图像处理设备。时速可达7 0 千米d , 时，车辙精度可达 1 m m 。 哈工大交通学院与哈尔滨国畅智能交通技术有限公司研制的多功能道路检测车， 8 长安大学硕士学位论文 如图1 1 l 所示。此车采用红外激光测距技术，能自动识别路面车辙，并可全车道检测。 武汉大学空间信息与网络通信技术研发中心生产的车载智能路面检测系统，如图 1 1 2 所示。采样间距为2 m ，测量精度可达l m m 。检测车上包括c c d 摄像机，数字图 像处理设备可供实时检测。 图1 1 0 江苏省宁沪高速公路股份有限公司的生产的线激光路面检测车 图1 1 l 哈工大道路检测车 图1 1 2 武汉大学生产的车载路面智能检测车 在进行线激光车辙检测时，检测宽度可覆盖整个车道，检测横梁宽度一般不超车体 j 强 。 宽度。车辆进行检测时，不必封闭交通，比较适合我国现代化道路检测的要求。其不足 之处是：第一，车辆行驶时，相机需要以一定的频率进行车辙图像拍摄，存储装置需存 储大量图片，此时若不能及时处理，很可能造成系统死机。第二，在光线比较强的路面， 激光车辙曲线被强光中和，导致拍摄相片模糊不清，车辙计算困难。第三，线激光车辙 9 。i，曩黪0_一黛 第一章绪论 检测使用大功率激光器( 一般激光器的功率在3 5 w ) ，设备寿命短。第四，在使用时， 检测人员和非工作人员都必须认真注意眼睛的保护，避免强光对人眼的伤害。第五，激 光器固定后，在车辆颠簸行驶时激光束会发生角度变化，对检测精度造成影响。 采用多个激光探头来检测路面车辙。多个激光探头经过参数校正后内嵌于横梁中， 光束照射在车辙断面上，形成多个光斑，平滑的连接起来就是横断面的车辙曲线。 国内外许多厂家相继推出多种多探头激光车辙检测系统。每个探头实为一个激光位 移传感器，内部含有准直激光器和成像镜头。通过激光位移传感器测得路面高差即可获 得路面高低信息。 国外的主要生产厂家有： 丹麦生产的多功能道路检测车g r e e n w o o d ，如图1 1 3 所示。该检测车能检测 包括车辙等的路面病害。激光探头布局合理，兼容性强，可依据客户要求达到不同精度 范围，使用加速度计和陀螺仪测量由于车辆颠簸引起的角度变化。激光探头采用军用激 光传感器s e l c o m ，寿命较一般的激光探头长。车内处理软件采用中文版且主控器中有大 量内存，便于升级使用。 澳大利亚公路研究所研制的h a w k e y e 2 0 0 0 路网检测车1 1 2 】，如图1 1 4 所示，车辆 前段含有五个激光探头，可以鉴别不同方位的车辙。图像处理采取压缩图片格式，存储 较快。 英国的m r m 一3 路面检测车，如图1 1 5 所示，该车自动检测轮迹带断面，检测 精度小于等于0 0 5 m m ，含有图像处理模块和自动分析系统，检测宽度为3 4 m ，略小于 标准全车道宽度。 图1 1 3 丹麦的多功能道路检测车g r e e n w o o d 1 0 长安大学硕士学位论文 图1 1 4 澳大利亚h a w k e y e2 0 0 0 s e r i e s 检测车 图1 1 5 英国生产道路检测车 国内生产厂家主要有： 长安大学。长安大学多年来从事了多探头激光车辙检测设备及其成套检测装置的 研究，其各项技术指标均己达到国际先进水平，其检测装置在国内多个省份畅销。一般 检测车辆只安装3 7 个激光检测探头，这对路面车辙检测精度将产生较大影响。激光探 头射到路面测量出的路面最高点和最低点难以和路面的真实高低点相符，给后续车辙曲 线拟合带来影响。为了提高检测精度，长安大学研究开发了在横梁上布设2 1 3 1 个激光 传感器探头，相对于其它多探头激光车辙检测装置具有更好检测效果。特别是对复杂路 面，能达到很好的检测精度。图1 1 6 图1 1 8 为长安大学开发的多种路面车辙检测车， 分为内嵌式和外挂式。 东南大学研究的自动化路面车辙检测与分析仪：a p r e s ，如图1 1 9 所示。此车辙 检测装置含1 3 个激光探头，可自动化检测并实时处理路面车辙，检测精度小于l m m 。 第一章绪论 图1 1 6 长安大学外捧式2 1 个激光樱婆枪涮车 图1 1 7 长安大学嵌入式2 3 个激光探头检测车 图1 1 8 长安大学嵌入式3 1 个激光探头检测车 图1 1 9a p r e s 检测车 多探头激光车辙检测技术数据存储量小。多探头激光车辙检测把大功率的线激光分 散为多个小功率的点激光，使用起来简单方便，避免了线激光器由于功率过大易对检测 人员眼睛造成的不可挽救的伤害。当然，多探头激光检测也存在其缺点。当激光点个数 过少时，很难正确的提取横断面车辙曲线的最高点和最低点，即使曲线拟合也会造成较 大误差。为了减小误差需要增加激光探头的个数，导致检测装置整体造价抬高且多个探 1 2 长安大学硕士学位论文 头激光器安装在一个横梁上也增大了技术难度。 本课题通过分析比较线激光车辙检测技术和多探头激光车辙检测技术的优点和不 足，提出了多点准直激光车辙检测方法，在此基础上又提出了对称式多点准直激光车辙 检测方法i ， “ 1 5 课题来源及本文主要内容 1 5 1 课题来源 本项目来源于“高等级路面激光检测技术及成套检测装备研究”，属交通部西部项 目，编号为：2 0 0 43 1 88 1 2 1 3 。本项目主要进行激光路面平整度检测、车辙检测、构造 深度检测和弯沉检测及其成套检测装备的研究。同时项目还进行了路面损坏和道路沿线 设施的数字图像检测理论。在理论和技术研究的基础上，进行了多功能集成检测系统的 研究开发及其应用研究。取得的有关成果已经纳入了公路路基路面现场测试规程( j t g e 6 0 2 0 0 8 ) 中。 相比于发达国家，我国的多功能集成检测系统比较落后，故应积极开发属于我国的 路面集成检测系统和仪器。本项目在实施以来，通过几年的研究开发，取得了多项技术 成果，产生了良好的经济效益。 1 5 2 论文内容 目前，我国公路建设里程已经达到3 9 8 4 万千米，在不断建设的同时，路面养护任 务也越来越重。车辙是路面病害中的重要一项，传统的手工检测已经不能满足检测精度 的要求且效率低下，有必要研究路面车辙的自动化检测技术。本论文对此提出了对称式 多点准直激光路面车辙检测技术，能满足公路路面车辙检测指标的精度要求。论文主要 分为以下六个部分。 第一章绪论。本章描述了“十一五”到“十二五 期间我国高速公路的不断建成 通车，大量路面急需检测、维修和养护，传统手工检测已经不能满足检测要求。车辙作 为路面养护中一项重要的指标需及时的进行处理，以减小其对道路交通带来的危害。对 此，提出了研究车辙检测的重要意义。此外还介绍了传统和现代的车辙检溅技术，对国 内外车辙检测研究进行了概述。 第二章对称式多点准直激光车辙检测技术方法研究。本章先从多点激光车辙检测 原理激光三角法入手，介绍了多点准直激光车辙检测的原理，对由于点激光器个数 1 3 第一章绪论 过少导致的路面车辙深度信息的漏测、误测给出了解决办法，对误差进行了系统仿真和 分析。最后对车辆颠簸行驶或路表纵向凹凸不平等环境状况导致的车辙检测误差做了理 论上的分析，证明了其对检测精度的影响。对此，提出了解决方法一对称式多点准直 激光车辙检测理论，证明了此方法能提高路面车辙的检测精度且实现起来简单方便。 第三章对称式多点准直激光车辙检测关键技术研究。本章分析了进行对称式车辙 检测的关键性问题：物像空间转换的光学成像理论：最d x - - 乘法提高精度理论；车辙图 像处理技术；角点检测方法。在光学成像理论中推导了摄影测量学中的共线方程，并给 出了物像转换方程。路面车辙检测属于二维成像转换，通过解算出8 个标定系数 ( 待1 ，2 ，8 ) 得出路面车辙的坐标。为了提高检测精度，运用最小二乘法代入事先标 定好的多个物、像坐标来寻求最优解。在对采集后的图像进行预处理时，采用最大类间 方差法进行图像处理，之后通过高斯加权重心法提取光斑中心像素坐标值，采用h a r r i s 法检测标定图像的控制点坐标。 第四章对称式多点准直激光车辙检测系统总体设计方案。本章分析了车辙检测的 要求和实现方法，给出了系统设计的总体方案。方案中包括六个模块：距离测量与定位 系统；自动检测系统；图像数据处理系统；车辙计算系统；数据库系统；报表系统。提 出了每一个系统需要实现的基本功能。 第五章室内实验分析。在室内搭设车辙检测的实验平台，进行车辙检测的模拟实 验。首先，为了得到精确的车辙检测结果，需准确的进行系统标定和图像预处理。其次， 验证多点准直激光车辙检测系统能够对路面车辙进行正确的检测，检测精度与点激光器 的个数有关。最后，验证论文提出的对称式检测结构，证明其通过误差补偿原理能起到 提高检测精度的作用。 总结与展望。对全文进行总结性概括，说明论文原理的正确性，提出不足并给出课 题的今后发展方向。 1 4 长安大学硕士学位论文 第二章对称式多点准直激光车辙检测技术方法研究 2 1 激光三角测量原理 激光三角法是一种比较常见的非接触式测量方法，它检测精度高，结构简单，是激 光车辙检测技术的理论依据。通过调整仪器的结构参数，可以得到需要的精度和分辨率。 它的检测频率高，可满足一些运动物体的检测。在路面检测中，车辙检测装置都是搭载 在检测车上，这样当车辆行驶时，依据激光三角测量原理即可得到待测路面的位移变化。 因此，激光三角法在路面检测的车辙、平整度和构造深度上广泛应用。激光三角法检测 的原理图如图2 1 所示。 光电接收器( c c d ) 图2 1 激光三角法检测原理图 激光器和相机均以一定的角度放置。激光器发出的光束投射到路面上，当路表凸凹 不平时，光点就会发生偏移，反应在成像面上就是像点位置产生一定的变化。图2 1 中 【1 4 1 ，s 为物距，h 为路面车辙深度，n l 为激光器光轴与路面法线的夹角，a 2 为相机光轴 与路面法线的夹角，f 为相机焦距，x 为像点偏移，为像面偏角。 根据以上各个已知条件，得到路面车辙h 的计算公式【1 4 】，如式( 2 1 ) 。 日：! 旦! 垡! 兰皇粤竺! 兰二! ：( 2 1 ) c o s ( 仅1 + a2 ) ( f 2+xs i n ( s 一厂) ) 上式为斜射式车辙计算公式。所谓斜射式即为激光光束与路表法线成一定的角度。 斜射式有很多优点【1 5 】：它对路表环境要求不高，路面可平滑可粗糙，分辨率较高。缺点 1 5 第二章对称式多点准直激光车辙检测技术方法研究 是检测范围比较小【1 6 1 ，结构设计时体积会很大。 令上式的仅l 为零，此时激光器垂直照射路面，为直射式车辙计算公式。 ；肚c o sa 考掣x 坠s i n 籍丽 眨2 ， 2 ( 厂2 +( s 一厂) ) 直射式也有较多优点【1 5 1 ：检测范围比较大，体积小巧。缺点是对路面环境要求过高， 需为比较粗糙的时候才能检测出路表车辙变化。 激光车辙检测技术依据三角测量原理，主要分为多点激光位移检测和线激光位移检 测，多点激光检测分为多探头激光位移检测和多点准直激光位移检测。 2 2 多探头激光车辙检测原理 多探头车辙检测原理图如图2 2 所示。 1 2 线 准线 图2 2 多探头车辙检测原理图 多探头激光位移检测技术是在一个钢性检测梁上均匀安装i ( i = l n ) 个激光位移传 感器，传感器的间距为d 。每个传感器内都含有一个成像镜头和准直激光器。依据激光。? 三角测量原理，通过传感器的输出值即可获得路面车辙信息，检测精度与激光位移传菇 器的数目有关。 ；墨 2 3 线激光车辙检测原理 图2 3 为线激光位移检测原理图，当线激光束倾斜照射到路面上时，由于路袭： 1 6 长安大学硕士学位论文 凸不平，激光束与路面相交后变成一条曲线。通过相机拍摄这一发生形变的曲线，即可 获得路面车辙信息。单台线激光器的发射功率比较大，可采用2 台功率相对较小的线激 光器代替。 暖 图2 3 线激光位移检测原理图 线激光车辙检测的理论基础是激光三角测量原理。本文中为了提高路面车辙检测精 度并适应周围环境变化，选择了斜射式方案。为了简化系统设计，相机垂直照射路面。 原理图如图2 4 所示。 成像镜头 激光器 u 图2 4 线激光车辙检测的三角测量原理 图中当激光器以一定的倾斜角度a 照射路面上一点p 。若此时路面存在车辙深度h ， 光点就会通过p 点射到q 点。两点通过相机镜头成像，产生位移x 。此时像面位移x 是 和车辙的斜边长度p q 是一一对应的，得到了p q 的值，通过三角关系即可用斜边的正 弦求出车辙的深度h 【1 7 ，1 引。 1 7 第二章对称式多点准直激光车辙检测技术方法研究 2 4 多点准直激光车辙检测原理及误差分析 多点准直激光投射到被测路面，多个点激光束与路表面相交形成多个光斑，车辙形 状即是路面上多个激光点的集合。由于被测路面状况高低起伏，相机对路面光斑进行拍 摄成像后，通过对像片进行图像处理，计算分析得到被则物体表面的凹凸状况。多点准 直激光车辙检测实际上是线激光车辙检测的一个特例，即把线划分为多个点。采用多点 准直激光进行车辙检测的方法可以避免线激光车辙检测中必须采用大功率激光器的弊 端，提高了激光器的使用寿命，降低了检测成本且避免了强线激光对人眼部的伤害。 2 4 1 多点准直激光车辙检测原理 采用多点准直激光技术进行高等级公路路面检测的基本原理是：将多束准直激光照 射到被检测的路面上，通过架设好的高分辨率的数码相机对激光在路表面上的散射光斑 成像，这样每个准直激光都会测到对应点位置的高低变化，进而可以获得路表面的位移 信息或高低不平的面形信息。图2 5 为多点准直激光检测车辙原理图。 i i 数字相机 多个准直激光束倾斜照射 图2 5 多点准直激光检测车辙原理 由于在横断面方向上放置的点激光器数量有限，采样点的最高值和最低值很难与实 际路面的峰值和谷值重合，因此将产生测量误差。 2 4 2 多点准直激光车辙检测误差分析 采用多点准直激光检测车辙时，激光点个数与检测精度之间存在着直接联系。需要 分析在横断面上安装布设多少个准直激光器才能满足检测精度要求，使采样点的最高值 与最低值与实际路面的峰值、谷值尽量接近。 实际路面的横断面形状多种多样，为了分析方便假设横断面的形状为双余弦分布。 l8 长安大学硕士学位论文 其它形式的横断面形状分布同样可以进行类似的分析。图2 6 为多点准直激光照射路表 面检测车辙大小的原理图。 准直激光束 d 厂 叶! li ：i 被测路表面 图2 6 多点准直激光照射路表面检测车辙大小原理图 图2 6 中，在横断面方向上1 1 9 】，假设有n 个准直激光束垂直照射，照射点之间的间 距为d ，假设准直激光束照射点处的路表面高差输出为厅o 。( f = 1 ，2 ，3 埘) ，n 为准直激 光束均匀照射的个数。设实际横断面相对高程为路面宽度x ( o x 3 7 5 0 m m ) 的函数 f ( x ) 。 设路面曲线为： f ( x ) = 4 c o s ( 4 万x 3 7 5 0 ) ( 2 3 ) 式中a 为车辙的最大值，3 7 5 0 为一个车道宽度。为计算简便，可对路面车辙曲线 函数进行归一化处理。( 2 3 ) 式可转化为： 1 f ( x ) = - ；( c o s ( 4 z c x 3 7 5 0 ) + 1 ) ( 2 4 ) 二 实际路面的车辙的最大值为： 气。= m a x ( f ( x ) ) - m i n ( f ( x ) ) ( 2 5 ) 从图2 6 可以看出，通过激光照射点检测的最高点和最低点与实际路面的最高点和 最低点不重合引起的最大误差为： 、 一=