（车辆工程专业论文）激光路面检测车技术集成与开发研究.pdfVIP

摘要 近年来，随藿我国高等级公路建设的飞速发展，公路建成后的管理与养护工 作也需要快速的# 良进：同时，高等级公路路面质量检控系统越来越完善，要求的 检测水平也越来越高。假是，当前我国高速公路管理与养护部门的公路检测设备 严重不足，检测手段依然是传统的人工梭测，这种枪测方法效率低、劳动强度大、 检测速度慢、误差也比较大，与高等级公路的发展极不协调。因此，高等级公路 路面的鑫动检测系统的研铡显得尤为追切。 本论文首先根据激光检测原理，对激光路面平整度以及牮辙检测方法进行了 研究；在此基础上，通过对激光路面检滚车技术集成的研究分析，提出检测车改 装的关键技术和具体设计要求，进一步对检测车进行选型和总布置设计，并对相 关的检测梳构遴行设计研割；通过游误差及数据处理方法的研究，分拆了误麓豹 来源及检测过程中各种因素对检测结果的影响，并进行适当的数据处理方法研究 以减少误差从箍保证捡测的精度要求；最后本文对激光传感器以及激光检测系统 进行了性能试验以及激光路面检测系统与水准仪测量、横断面尺测量的检测对比 试验，试验结巢表明激光路蘑检测系统整体结梅工作可靠、行车安全；捡测续采 与水准仪标定结果、横断面尺标定结果符合程度很好，误纛小，检测精度高，稳 定性、重复牲始，可以满足实际瘟周豹要求。 关键词：激光路面检测车辆改装总布置设计 a b s t r a c t l nr e c e n ty e a r s ，t h eh i g h w a yi s d e v e l o p i n gr a p i d l y ， a n ds ot h e m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c ej o bo ft h eh i g h w a ya l s on e e d st ok e e pu pw i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n s t r u c t i o n a tt h es a m et i m e ，t h eq u a l i t yc o n t r 0 1 s y s t e mo f 专h eh i g 魏w 8 yr o a d b e da n dp a v e m e n ti sb e c o m i n gm o r ec o m p l i c a t e d ， a n dt h er e q u e s tf o rt h em e a s u r e m e n ti sa l s om u c hs t r i c t e r a n di no u r c o u n t r y ，t h ep a v e m e n te v a l u a t i o ne q u i p m e n to ft h eh i g h w a ym a n a g o m e n ta n d 黼i n 专e n a n e ed e p a r t m e n ti ss e v e r e l yi n s u f f i c i e n c y ，a n d撙o s to ft h et i m e ， t h eq u a l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d sd e p e n d e do nm a n u a lm e t h o d t h i sm e t h o dh a s m a n yd i s a d v a n t a g e s ， s u c ha s i n e f f i c i e n c y ，t i r i n g ， s l o ws p e e do f e v a l u a t i o na n db i ga r t i f i c i a le r r o re t c a n ds ot h i ss i t u a t i o ni sh i g h l v o u to fk e e p i n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h w a y t h e r e f o r e ， t h e r e s e a r c h e so ft h ea u t o m a t i ce v a l u a t i o ns y s t e mo ft h eh i g h w a ya r es h o w i n g m u c hu r g e n t a tf i r s t ， a c c o r d i n gt ot h el a s e rd e t e c t i o np r i n c i p l e ， t h i sp a p e rh a 8 c o n d u c t e dt h er o s e a r c ht ot h e1 8 s e rp a v e m e n ts m o o t h n e s sa sw e l la st h e w h e e lr u td e t e e t i o nm e t h o d ：王nt h i sf o u n d a t i o n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so f 1 a s e rp a v e m e n td e t e c t i o nv e h i c l et e c h n 0 1 0 9 yi n t e g r a t i o nr e s e a r c h ， t h i s p a p e rp r o p o s e de s s e n t i a lt e c h n o l o g ya n dc o n c r e t ed e s i g nr e q u e s to ft h e v e h i c l er e e q u i p s ，a n dt h e nc a r r i e do ne h o o s i n gp r o p e rv e h i e l em o d e la 订d o v e r a l l1 a y o u td e s i g n i n gf o rt h ed e t e c t i o nv e h i c l e ，f u r t h e rm o r ec a r r i e d 0 nt h ed e s i g na n dr dt ot h er e l a t e dd e t e c t i o nm e c h a n i s m ：t h r o u g ht h e e r r o n e o u sa n dd a t ap r o c e s s i n gm e t h o dr e s e a r e h ，t h i sp a p e rh a s8 n a l y z e d jnt h ee r r o n e o u so r i g i na n dt h ei n f l u e n c eo fd e t e c t i o nr e s u l tc a u s e db v a 1 1k i n d so ff a e t o r s ， a n dc o n d u c t s t h es u i t a b l ed a t ap r o c e s s i n gm e t h o d r e s e 8 r c ht or e d u c et h ee r r o rt h u st og u a r a n t e ed e t e c t i o np r e c i s i o nr e q u e se f i n a l l yt h i sp a p o rh a sc a r r i e do nt h ed e t e c t i o nt h ep e r f o r m a n c et e s tt o t h e1 a s e rs e n s o ra n dt h el a s e rd e t e e t i o ns v s t e ma sw e l la st h ec o n t r a s t e x p e r i m e n tb e t w e e nt h el a s e rr o a ds u r f a c ed e t e c t i o ns v s t e ma n dt h el e v e l s u r v e y ，t h ec r o s 8s e c t i o n a ld i m e n s i o n ss u r v e y s ，t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e s 屯h a t1 a s e rp a v e m e n td e t e c t i o ns y s t e m so v e r a l lc o n s t r u e t i o nw a sr e l i a b 王e t h ee x a r n i n a t i o nr e s u l to fl a s e rp a v e i i 】e n td e t e c t i o ns y s t e mw a sc o m p l e t e l y c o n f o r mt ot h el e v e ld e i i l a r c a t er e s u l ta n dt h ec r o s ss e c t i o n a ld i m e n s i o n s d e 琢a t c a t e sr e s u l t b e s i d e s ， t h ee r r o rw a ss 翔a l l ， t h ee x a 撙i n a t i o n p r e c i s i o nw a sh i g h ，t h es t a b i l i t y ，t h ed u p l i c a t i o nw e r eg o o d ，c a ns a t i s f y t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n sr e q u i r e m e n t k e y w o r d ： l a s e r p a v e m e n td e t e c t i o n v e h i c l er e e q u i p s o v e r a ll l a y o u td e s i g n 2 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成祭。除论文中己经注明弓| 用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 采。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：锯摩壹。如菇年5 月j9 阿 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密豹论文在解密磊应遵守此趣定) 论文作者签名： 导师签名： 需泳专、 鸯也 。小占年6 月。日 z 。占年占月巴日 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着我国经济高速发展，作为国民经济基础之一的公路建设，已经持续了十 几年的高速发展，到2 0 0 4 年底，全国公路通车里程高达1 8 5 6 万公里，其中高 速公路通车里程已突破3 0 0 0 0 公里，高速公路通车里程跃居世界第二，并且今后 还将以较快的速度建设发展。 大量高等级公路的建成通车，在很大程度上缓解了我国交通瓶颈的制约，极 大地促进了国民经济的快速增长。与此同时，公路建设的迅速发展，必然伴随检 测养护维修高潮的来临，尤其是我国一些早期修建的高等级公路已经进入中修或 大修期。在养护维修之前，必须对路面状况进行快速、客观、准确的检测，为养 护维修提供真实的检测数据和评价结果。 为了保证通车路面安全、舒适、高效地运营，人们对高等级公路路面使用养 护管理的要求也越来越高。公路路面管理系统在全国的推广使用，为交通管理部 门客观评价运营路面的质量，科学决策路面养护资源的使用提供了科学分析方 法。在路面管理系统使用中，公路管理部门首先面临的重要任务之一，就是要对 路面各种质量指标进行调查和数据采集，其中主要包括：路面破损状况、路面结 构强度、路面平整度、路面抗滑性能等内容。同时，还要对道路的路基状况、桥 涵构造物状况、沿线设施状况等内容进行检测与评价。 l 、路面破损状况 路面破损状况的检测评价对沥青路面来讲，主要有以下内容： ( 1 ) 缝类，如龟裂、不规则裂缝、纵裂、横裂等； ( 2 ) 变形类，如沉陷、车辙、波浪、拥包、搓板等； ( 3 ) 松散类，坑槽、麻面、脱边、啃边、松散等； ( 4 ) 其它类，如泛油、磨光、冻胀、翻浆、修补损坏面积等。 路面破损状况的检测评价对水泥混凝土路面来讲，主要内容有： ( 1 ) 裂类，如纵向裂缝、横向裂缝、斜向裂缝、角隅断裂、交叉裂缝、断 裂板等； ( 2 ) 竖向位移类，如沉陷、胀起等； ( 3 ) 接缝类，如接缝填缝料损坏、纵向接缝张开、唧泥和板底脱空、错台、 接缝碎裂、拱起等； ( 4 ) 表层类，如磨损和漏骨、纹裂、网裂和起皮、坑洞等。 在路面破损检测评价中，要求记录破损的类型、大小、位置、严重程度等。 由此可以看出，路面破损检测是一项检测内容多、分类细、目前国内最费时费力 的检测项目。 2 、路面结构强度 路面结构强度检测与评价的主要内容是检测路面的弯沉值。 3 、路面平整度 路面平整度检测与评价的主要内容是根据检测出的路面纵断面凹凸不平情 况计算国际平整度指数( i r j ) ；或者是采用三米直尺检测路面的最大间隙；采用 多轮仪检测路面的均方差；采用颠簸累积仪检测路面的单向颠簸累积值等。其中 最大间隙、均方差、颠簸累积值三项指标在使用时必须与国际平整度指数( i r j ) 建立相关关系。 4 、路面抗滑性能 路面抗滑性能检测与评价的主要内容是检测路面的构造深度、抗滑值 ( b p n ) 、横向力系数( s f c ) 。 5 、路面其它指标 沥青路面的横坡度、水泥混凝土路面的相邻板高差及接缝填缝料凹凸值等。 6 、路基状况 路基状况的检测内容主要包括：路肩损坏、路基构造物损坏、路缘石缺损、 路基整体沉降等。 7 、桥涵构造物状况 桥涵构造物状况检测内容主要包括：桥头桥车、伸缩缝损坏、栏杆护栏损坏 等。 8 、沿线设施状况 沿线设施状况检测内容主要包括：防撞护栏缺损、隔离栅损坏、标志缺损等。 就以上检测评价内容而言，我国目前高等级路面的检测现状基本上可以归纳 为以下几点： ( 1 ) 现行检测规程、养护规范中推荐使用的检测技术、检测仪器大多数劳 动强度高、检测速度慢、效率低、精度差、对交通的干扰严重，且存在检测人员 人身安全问题。 ( 2 ) 传统的检测设备及方法落后，数据样本不足、可靠性差，检测结果及 评价指标与高等级公路的发展和实际状况不相适应。 ( 3 ) 我国高等级路面的整体检测技术水平和采用的检测仪器都还比较落后， 主要是采用人工检测方法，其检测效率低，检测费用高，难以实现对高等级路面 进行快速、客观、准确地检测与评价。 1 2 项目研究的必要性 1 、传统的公路路面检测技术及方法效率低、精度差，无法满足高等级公路大发 展的需求 在我国公路建设早期，公路里程少，路面等级低，使用传统的检测技术、检 测仪器和手工检测方法，基本可以满足路面使用状况的评价。但目前高等级公路 通车里程不断增加，路面检测养护维修的工作量越来越大，如果继续使用技术含 量低、检测效率不高、精度差的仪器设备进行路面检测，将会造成路面实际使用 状况与检测评价结果之间的巨大差别，最终导致路面养护维修无法做到科学合 理，造成养护资金的浪费、路面使用性能的下降和用户使用费用的上升。 2 、高等级公路的快速发展迫切需要高效和高精度路面检测装备 面对高等级公路的快速发展，要彻底改变传统落后的检测方法，适应现代化、 信息化、大规模、高速度、高质量的养护管理要求，迫切需要适合长距离、大范 围、可连续检测、精度高、可靠性好的路面检测技术激光检测技术。目前， 由于引进国外高速激光路面检测设备价格昂贵，国内大多数用户难以承受，因此 有必要对先进快速的激光成套检测装备进行研究与开发。 3 、对先进的激光路面检测技术及其应用研究不够 在研究开发具有自主知识产权和创新性的路面先进检测技术和检测仪器方 面，投入的资金、人力相对比较少，造成国内用户为提高路面检测水平必须投入 大量资金购置国外产品，最终将形成对国外技术和产品的依赖。 4 、开发具有自主知识产权的激光路面检测设备是公路现代化检测的必然要求 开发高等级路面多种质量指标的快速自动检测技术，特别是采用激光技术研 制具有自主知识产权高精度、快速的路面检测装备，不但在提高我国路面整体检 测与评价水平方面具有重要的社会意义和生产应用价值，而且还可以突破国外的 技术垄断，避免一代接一代地引进国外产品，最终摆脱对国外技术的依赖。 1 3 国内外路面检测技术研究及应用现状 高等级路面( 包括沥青路面和水泥混凝土路面) 在通车运营中，为了掌握路 面现状，选择相应的养护措施，制定养护政策，规划养护工程项目，编制养护计 划等都必须进行路面状况调查和评定。 路面状况调查和评定的主要内容包括：路面破损状况、路面结构承载力、路 面行驶质量、路面抗滑能力等。 1 、路面破损状况检测与评价的现状 路面破损状况检测与评价是目前路况调查和评定中最难检测的项目之一。路 面破损主要分为：裂缝类病害、变形类病害、沥青路面的松散类病害、水泥混凝 土路面的接缝类病害等，其中变形类病害对行车舒适性影响尤为严重，并且在很 大程度上还会加速其它类型病害的发展。 ( 1 )路面车辙 沥青路面的车辙被单独列出作为一项检测养护质量指标，这是因为路面车辙 的大小将直接影响行车舒适性及行车安全性。车辆在有车辙的路面上行驶，会降 低行车舒适性以及行车速度，在车辙深度超过1 0 1 3 唧的情况下，高速行驶的 车辆会因车辙内积水而出现侧滑，产生交通事故。所以，快速对路面车辙的大小、 分布情况进行检测是非常重要的。 在交通部发布的公路路基路面现场测试规程( j t j0 5 9 9 5 ) 中，规定用 于车辙检测的仪器设备主要包括：横梁接触式路面横断面仪，横断面尺，激光式 路况自动测定车等，前两种检测仪器简单，手工操作，后种检测仪器主要是指 国外的检测仪器如：美国的s h r p ( l t p p ) 全车道宽自动测定车，瑞典的激光自 动测定车，英国的自动测定车( h r m ) 等，但这几种检测设备的价格非常昂贵， 国内引进的不多。 目前，由于引进的快速检测仪器价格昂贵( 如激光横断面仪) ，我国公路养 护管理部门主要是采用手工检测路面车辙病害。 手工检测车辙是由检测人员，使用横断面尺，沿着被检测路面行走，每隔一 定间距如每2 0 米或5 0 米测量一次，记录车辙的深度、位置等信息。显然，手工 检测车辙病害速度慢，效率低，在检测行走过程中时常要封闭交通，对正常通行 造成影响。另外，手工检测结果受人为因素影响大，还存在检测人员人身安全问 题。 采用激光技术用于路面车辙变形类病害检测，是目前国内外路面检测的发展 方向。 激光检测技术的主要特点是：非接触、检测速度快、精度高。国外已研制出 了激光断面检测仪，激光路面检测仪。由于价格昂贵，且存在使用维护方面的问 题，国内引进不多。自主研制这些适用于长距离、大范围、精度高、价格低、并 且与高等级公路相关性较好的激光检测装备，一定会受到道路养护管理部门的欢 迎。 国外发达国家对路面车辙的检测与评价，主要采用了在横断面方向布设多个 激光探头的检测技术和最新研制开发的激光转镜扫描技术。多探头检测技术是在 横断面方向上布设7 9 个激光探头( 国内已有引进，不是全车道宽检测) 或据 报道的2 3 2 5 个激光探头( 路面检测宽度约为3 米，采样间隔一般为1 0 0 唧， 测量范围为1 0 0 m m ，车辙分辨率为：o 5 唧，检测速度为2 0 k m h 1 3 0 k m h ) 或 3 7 个超声探头( 全车道检测，路面检测宽度为3 7 5 米，分辨率为1 m 。) 用于检 测路面的横断面，另外装2 3 个加速度计和2 个陀螺仪用于检测路面的颠簸、 车辆振动等外界因素引起的误差。激光转镜扫描检测技术是将一束激光照射到一 个高速旋转的转镜( 6 个反射面) 上，激光束在路面横断面方向上高速来回扫描， 通过分析计算激光在路面上的散射光点到光电接收系统的距离，得到路面横断 面，检测宽度大于4 m ，分辨率为o 0 5 m m ，但目前还存在路面颠簸车辆振动的影 响。 目前，就国内外路面车辙检测与评价的实际应用情况来看，采用多探头激 光检测技术和激光转镜扫描检测技术都是可行的，前者结构复杂数据处理简单， 后者结构相对简单但实现技术较难。从路面车辙等变形类病害检测技术的发展趋 势和我国应用的实际情况来看，多探头激光检测技术是一种检测速度快、精度高、 可进行大量普查的先进检测技术。 ( 2 ) 路面变形类病害 除车辙外，路面变形类病害还包括沥青路面的沉陷、波浪、拥包、搓板、冻 胀等，水泥混凝土路面的沉陷、胀起、错台、拱起等。 对于这些变形病害的检测，目前国内主要是采用三米直尺或水准仪手工检 测，靠眼睛目视查看，当发现变形病害时，停下来测量记录变形的长度、宽度、 位置、类型等。 在实际检测中为了获得更多、更详细的路面变形信息，提高路面变形类病害 检测数据的准确性，必须在横断面方向上布设安装较多的激光探头，增加横断面 方向的采样密度，同时提高路面纵断面方向的采样频率，减小采样间距。一般来 讲，横断面方向上( 一个车道宽度，3 7 5 0 m m ) 的探头数目应该在3 0 个以上，平 均采样间距约为1 2 5 m ，纵断面方向的采样间距小于1 0 0 咖，在路表面上形成密 集采样，刁能比较准确地检测出路面各种变形病害。 目前，如何减小检测过程中行驶速度变化、路面颠簸、车辆振动等对检测结 果的影响，是多探头激光检测技术和激光转镜扫描检测技术都需要深入研究和解 决的问题，是国内外正在研究的课题，也是本项目重点研究和必须解决的技术 难点。 在本文中，将采用我校光电技术应用研究所对路面车辙及其它变形类病害激 光快速检测技术的研究成果，在行车道宽度3 7 5 0 m m 范围内，沿横断面方向布设 安装多达3 0 个以上的激光位移传感器探头进行路面车辙等变形类病害的检测， 在检测过程中，横梁上的激光探头同时向前移动，所有的探头每隔一定间距同时 采样。 ( 3 ) 路面裂缝类病害 路面裂缝类病害的检测内容主要有j 沥青路面的龟裂、不规则裂缝、纵裂、 横裂等；水泥混凝土路面的纵向裂缝、横向裂缝、斜向裂缝、角隅断裂、交叉裂 缝、断裂板等。 目前国内裂缝的检测方法与变形类病害的检测方法基本相同，由手工检测记 录。国外正在开发使用光电数字图像自动分析处理的方法检测路面裂缝，但由于 价格昂贵，国内引进很少。 ( 4 ) 路面其它病害 路面其它病害包括沥青路面的坑槽、麻面、脱边、啃边、松散、泛油、磨光、 翻浆、修补损坏面积等，水泥混凝土路面的接缝填缝料损坏、纵向接缝张开、唧 泥、接缝碎裂、磨损、漏骨、纹裂、网裂和起皮坑洞等。 对于这些病害，目前国内也还是采用手工调查记录，对一些较特殊很严重的 病害，采用照相记录存档。国外发达国家近年来相继开展了路面破损数字图像分 析方法研究，地探雷达快速检测技术研究，取得一定进展，开发的路面破损数字 图像检测产品据了解国内目前引进不多，实际检测效果也不尽如人意。 采用光电数字成像技术检测路面裂缝及其它病害，可以实现路面破损快速自 动检测。该方法将路面破损现场费时费力的人工检测转变为室内的计算机数字图 像自动分析处理，是比较先进的路面破损检测方法。 国外发达国家如美国、日本、法国、瑞士、加拿大等，在2 0 世纪9 0 年代， 纷纷开展了路面破损自动采集和计算机图像处理方面的研究工作，取得了较大进 展。近年来，美国、加拿大等国正致力于路面图像的获取和图像处理技术的研究， 其裂缝分辨率为l 哪，检测路面宽度3 7 m ，检测速度为8 0 k m h 。 我国近年来也开展了一些路面损坏自动检测的研究工作、如同济大学报道的 沥青路面开裂计算机识别研究、哈尔滨工业大学开展的路面图像处理算法研究、 吉林大学开展的路面破损图像识别研究、南京理工大学及武汉大学的路面破损检 测技术等。 2 、路面平整度检测与评价的现状 路面平整度检测与评价经历了由单一指标检测评价到多指标高精度检测评 价的发展过程。其检测手段由手工采集数据到半自动化、自动化数据采集；由肩 扛手推式的低速检测到牵引或车载式的高速检测：由触轮接触路面检测到采用激 光非接触检测。路面平整度检测的结果由给出三米直尺与路面之间的最大间隙、 连续式平整度检测仪的接地触轮上下移动值的均方差指标、颠簸累积仪的单向位 移累积值，到计算路面纵断面的国际平整度指数( i r i ) 及路面功率谱( p s d ) ， 同时还可给出反映路面真实情况的纵断面。 目前，我国用于平整度检测评价的仪器设备主要有： ( 1 ) 水准测量( 水准仪或精密水准仪) 这是一种最基本的检测方法，是路面平整度检测的基准，是其它各种检测方 法相关标定的基础。由于是手工操作，检测效率低，一般仅用于标定工作。 ( 2 ) 三米直尺( 主要是国产的各种型号) 三米直尺检测法直接检测直尺与路面之间的最大间隙，主要用于施工的质量 监控。不足之处是费时费工，检测结果受人为因素的影响。三米直尺的检测基准 是一个相对基准面，直尺的基准面随着直尺的移动，其基准面也在变化。 ( 3 ) 连续式平整度仪( 主要有西安公路研究所等厂家生产) 连续式平整度仪( 通常也称作多轮仪) 直接检测接地触轮的上下位移值，求 其均方差作为平整度指标。该仪器不足之处是受路面颠簸影响大，重复性不理想。 连续平整度仪是三米直尺的改进型，在检测时随着仪器的向前移动，其基准面在 不断变化。 三米直尺和多轮连续平整度仪的检测结果与基线长度( 直尺的长度、多轮仪 支架的长度) 有关。基线短，不能反映出路面的长波成分；基线长，操作又不方 便。当高速检测时，多轮仪的跳动、颠簸对检测结果影响较大，且重复性不好。 ( 4 ) 车载式颠簸累积仪( 主要有交通部公路科学研究所等生产) 车载式颠簸累积仪是一种动态反应类平整度仪( 近年来国外发达国家已逐渐 不再使用此类仪器) ，其检测原理是当车辆以一定速度行驶在不平整的路面上， 检测车辆后轴与车体之间的单向位移累积值。显然，这是一种间接检测，是从车 辆的角度反映路面的不平整度，检测结果随车辆系统参数、载荷、行驶速度的不 同而变化。为了克服反应类平整度仪的不足，需要经常对仪器标定，方法是选择 若干条平整度已知的标定路段( 通常采用水准仪测量路面的纵断面，依照世界银 行第4 5 号、4 6 号技术文件的定义和计算方法计算路面的国际平整度指数i r i ) ， 建立颠簸累积仪在标定路段上的测量结果，同该路段上已知的国际平整度指数 i r i 之间的回归曲线( 即标定曲线) 。标定过程必须严格按照规定的程序和步骤 进行。实际上，颠簸累积仪的标定工作是一项比较费时费力的工作。 ( 5 ) a r r b 手推式断面仪( 从澳大利亚公路运输研究所引进) 该仪器采用加速度传感器和陀螺仪，给出路面的断面，计算路面的国际平整 度指数i r i 。这是一种较先进的路面平整度检测仪器，不足之处是检测速度慢 ( 使用手册规定为5 0 0 米小时，采样间隔为：2 4 1 3 m ) ，对被测路面有一定的要 求，价格也不低。 ( 6 ) 激光平整度仪( 从丹麦、澳大利亚、英国等国引进) 该仪器采用加速度传感器测出车辆的颠簸，利用激光位移传感器测量车辆到 路面的距离，通过数据处理计算路面的国际平整度指数i r i ，目前引进的多为单 个激光探头，不足之处是由于采用加速度传感器，其检测结果受行车速度、车内 载荷、路面颠簸等因素的影响较大。所以，一般要求恒速且限定载荷，同时要定 期标定，且价格昂贵。 国外一些发达国家在过去已研制生产出多种平整度检测仪。前期，主要有各 种长度的连续平整度仪，英国运输和道路研究所( t r r l ) 研制的半自动化t r r l 梁 断面仪，美国通用汽车公司的g m r 断面仪，法国路桥中心试验室生产的a p l 惯 性断面仪。近年来主要有丹麦生产的激光路面平整度检测仪，澳大利亚生产的 a r r b 手推式断面仪，等等，由于其价格昂贵、使用维护等原因，这些产品国内 先后仅有少量引进。 纵观国内高等级路面检测现状及国内外研究发展趋势，需要对高等级路面激 光检测理论及传感技术进行更深入的研究，研究开发具有自主知识产权的不同类 型的高精度激光位移传感器，在此基础上，研究开发路面平整度、路面车辙、路 面变形类病害等激光路面检测技术及多功能激光路面集成检测技术，使我国高等 级路面检测技术和装备达到国际先进水平。 第2 章激光检测原理 2 1 激光位移传感器计算公式 如图2 1 所示，准直激光束照射在路表面上，成像镜头将散射激光点成像在 光电接收器上，像面上的光点位置与路表面的高低变化一一对应。 光电接收器( c c d ) 图2 1 激光位移传感器工作原理 如图2 1 所示，激光器发出的准直光束照射到路面上，路表面的散射光经光 学接收系统成像在光电器件c c d 上，路面的高低与像面c c d 上像点的位置一一 对应。根据光学系统的物像关系可得： n - 两怠瓮筹器而 眨t ， ( ( s - f ) x s i n w + f 2 ) c o s ( a l + a2 ) 一叫 ( 2 1 ) 式中 h ：路面相对于基准面的高度； f ：光学接收系统的焦距； 9 s ：系统工作距； x ：像点位置，x = n u ( u 为c c d 像元大小，n 为相对像元个数) ； a 1 ：光轴与基准面法线的夹角； a 2 ：激光束与基准面法线的夹角； u ：像面倾角。 从( 2 1 ) 式可以看出，由于各种因素的影响和加工误差的存在，激光探头在 加工、装配、调试完成后，每个激光探头的结构参数存在差异并对应一组结构参 数( f ，s ，o1 ，a2 ，( ) ) 。激光探头的对应参数可以通过精密标定方法给出。 当已知s 、a1 、q2 、m 、f ，读取x ，可通过( 2 1 ) 式可以计算出路面的高低变 化h 。 2 2 激光路面平整度检测原理 2 2 1 激光路面平整度检测原理 进行路面平整度检测与评价，就是要得到路面的国际平整度指数i r i ( i n t e r n a t i o n a lr o u 曲n e s si n d e x ) 。国际平整度指数i r i 是统一各种平整度评 价指标的国际标准。它采用假设的1 4 单轮车模型，在规定行驶速度情况下，建 立1 4 单轮车数学模型运动方程组。方程中各种参数均已设定，要求输入的参数 仅仅是路面相对断面坡度( 高差间距) ，应用状态转移矩阵法求解运动方程组， 计算结果以m k m 表示。 多探头激光路面平整度检测原理见下页图2 2 、图2 3 。在图2 2 、图2 3 中，5 个激光位移传感器安装固定在刚性检测梁上，6 为激光位移传感器1 和2 、 4 和5 之间的距离，1 和3 之间的距离为n6 ( n 为正整数，n 2 ) ，1 和5 之间的 距离为2 n6 。6 为小步长采样间距，n6 为大步长采样间距。在检测过程中，刚 性梁沿前进方向移动，5 路激光位移传感器同时检测路面的高度值。由图2 2 可 得： 昙g p + y p + 向+ y = + y 二 或y ；1 = 2 y 一y ：1 + 2 办1 1 1 一向：一办j 1 ( 2 2 ) 1 0 i | 性检测粱 f | i 性辁= | | | 粱 图2 2 大步长3 个激光位移传感器相对纵断面检测原理 嘲蛙检测粱蹦性检测粱激光探头 广欠鲥总广广天。 66 一j h ”一 j j _ _ _ _ _ - 。_ _ 。_ _ _ _ _ _ _ 俨h n l h “ 渤二、形刃锄歹乏 2h6 图2 3 小步长4 个激光位移传感器相对纵断面检测原理 当基准尺依次向前移动n 次大步长时，可得 = ( ”一1 ) 一( ”一2 ) + ( 疗一f + 1 ) ( 2 一俨一掣) ( 2 3 ) ( 2 3 ) 式中，力= y ，y = y 。 当选定。一x y 坐标系，使 拶= y f ”；o ，( 或其它数值) 由式( 2 3 ) 可得到被检测路面的相对纵断面形状。 在( 2 2 ) 、( 2 3 ) 式中，下标对应激光位移传感器序号，上标对应基准尺的移 动位置；h 1 、h 2 、h 3 、h 4 、h 5 分别为基准尺上1 、2 、3 、4 、5 处的激光位移传 感器到路面的距离，y 1 、y 2 、y 3 、y 4 、y 5 分别为准直激光束投射在路面上的光 点在直角坐标系。一x y 中的纵坐标。o x y 坐标系为任意选定的坐标系。 同理，由图2 3 可得到： 向斗y 卜( ：1 ) + y 5 1 ) ) 2 素( 矗 y 卜( 而f 1 ) + y 阳 ( 2 4 ) 厅卜y 卜( a p + y 陪等( 向 y 卜( 向p + y 拗 ( 2 5 ) 向”y 卜( 矗p + y p ) = 专( 向 y 卜( 厅+ y 拗 ( 2 6 ) 式( 2 4 ) 可改写为： y 磐貉y 卜嘉y 貉( 阶嘉( 邺跚( 2 ，) ( 2 7 ) 式中，最后一项为路面局部特征参数，反映路面小范围内的不平程度。 当基准尺依次向前移动6 ，求解( 2 3 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式，可得到n6 长 度范围内路面断面相对高差，进而可得到被测路面的相对纵断面。 2 2 2 国际平整度指数i r i 计算方法 在国际平整度指数i r i 的研究中，采用的数学模型为图2 4 所示的1 4 车辆 单轮数学模型。图2 4 中： 以为弹簧系数 岛为非弹簧系数 。为悬挂体的线性阻尼系数 y 御为路面的相对纵断面高程。 o 图2 4 国际平整度指数i r l 的1 4 车辆单轮数学模型 l 4 车辆单轮数学模型其运动方程为： 2 。+ c ( 2 ，+ 2 。) + 后：( 2 。一2 。) = 0 之，+ “2 。+ t z 。= 毛少 ( 2 8 ) ( 2 8 ) 式中 c 2 g 锄。= 6 0 0 ( s e c 。) “= m 加，= 0 15 0 也= 劬押，= 6 3 3 ( s e c 2 ) 七严尼砌，= 6 5 3 ( s e c 。2 ) 式( 2 8 ) 的解为一个递归方程，即： z f f = s t 木z “+ p r 木p f z l ( 曲，= 【五( 功，互”( 曲，乙( 功，乙”( 功f ，。、 少i = ) ，一m ) h ) 出 。 式乎? ) 中，z ( x ) 为当前位置的状态量，z ( x ) h 为前一位置的状态量， ，l “，为前点与后点之间的纵向坡度；d x 为采样间隔，t 为时间采样间隔，n 为 采样次数，e 为单位矩阵，字母上的撇点表示对距离的微分，字母上的圆点表示 对时间的微分。其它系数为： s t ：p m ：e + 争坠坐 鲁f ! p r = a 一1 ( 窖一e ) $ b b = o oo 七。“ 7 a = o 一尼2 0 后2 “ 1 一c 0 c t l o c 1 一c | u 国际平整度指数i r i 的计算公式定义为： 删2 者善( 阢_ z 。i ) ， 或删2 i 去善( i 记s 一纪u | ) ( 三为被检测路段距离 ( 2 1 0 ) ( 2 1 0 ) 式中，z ：、z j 分别为1 4 车辆单轮数学模型中的弹簧质量( 单轮所支撑 的车身质量) m s 、非弹簧质量( 车轮、轮胎和悬挂轴等的质量) m u 每行进一个 步长d x 的相对位移值，如图4 所示。由此可以看出，国际平整度指数i r j 表示 以标准速度8 0 1 ( n 1 1 1 行驶的1 4 车辆悬挂系统运动变化的累积值与行驶距离的比。 由( 2 1 0 ) 可知，计算某一路段的国际平整度指数i r i 的前提是必须测量出该 路段的相对纵断面高程y ( x ) 和采样间隔d x ，通过递归方程( 2 9 ) 求解z s 、z u ， 按照定义( 2 1 0 ) 式计算国际平整度指数i 砌。 由( 2 3 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式可知，多探头激光路面平整度检测方法可 以直接给出被测路面的相对纵断面高程和采样间隔，因此可以按照定义直接计算 国际平整度指数i r i 。 2 3 激光路面横断面车辙检测原理 2 3 1 激光路面横断面车辙检测原理 图2 5 是不同形状、不同程度的路面车辙示意图。从中可以看出，实际路面 车辙的形状和分布是比较复杂的，为了比较准确获得路面的横断形状进而计算出 4 甜。心o “ d 凡一 车辙的大小，有必要在横断面方向上布设较多的激光探头。 翻连热挑攫 测定茁瞧缱 。，上圭乡= 3 专疹 = 工= = = = ；广 ， 投f x 一弋= = 丁= = = 岁一 图2 5 不同形状、不同程度的路面车辙示意图 ( 图中1 w p 、0 w p 分别表示内侧、外侧轮迹带) 多探头激光路面车辙检测的方法是：在一个行车道宽的横断面上布设一定数 量的激光探头，每个激光探头检测出路面上对应点的高低变化，通过数据处理， 获得路面车辙大小和分布。 2 3 2 横断面车辙曲线计算方法 假设每个激光探头相对于选定的测量基准面的输出高度值分别为 h 0 1 ，h 0 2 ，h 。i ( - 1 ，2 ，3 1 ) 每个激光探头在测量实际路表面的输出高度值分别为： h 1 ，h 2 ，h i ( - 1 ，2 ，3 1 ) 则每个激光探头得到的相对于测量基准面的高度值为： y 1 2 h 1 一h 0 1 y 2 2 h 2 一h 0 2 d d d y 产h i h o i 由此可得( 2 1 1 ) 式 厂( x f ) = y f ( 滓1 ，2 ，3 1 ) ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 中，x 为横断面方向的坐标，对应于每个激光点在横断面方向上的位置。 显然，厂( x ，) 的图像，就是路面的横断面曲线图，曲线的外形反映路面横断面 的高低不平，从中可以比较准确地分析计算车辙的大小和位置。 从( 2 1 1 ) 式可以看出，为了提高路面车辙的检测精度，必须增加横断面方向 的采样密度，减小采样间隔，才能准确给出路面横断面曲线。 第3 章激光路面检测车总布置设计 3 1 激光路面检测车技术背景 目前，长安大学光电技术应用研究所取得的激光路面检测技术的研究成果在 路面检测的单项指标上已达到国内外先进水平。与传统的公路路面检测手段相比 较，其检测技术参数、检测效率、检测精度上均得到很大的改善。但是，在激光 路面检测技术的集成检测方面研究不够，无法对路面的多种质量指标同时检测， 进一步提高检测效率和精度；另外，现有的激光路面检测设备的操作人员的工作 环境一般都比较狭小拥挤，长时间工作疲劳；检测过程中的数据处理的及时性和 快速、高效、机动安全等方面，仍然与现代化、信息化和数字化的要求存在一定 差距，与高等级公路路面检测的实际需要仍有很大的差距。 表3 1 ：传统的检测方法与“激光路面检测车”的性能对比情况 传统的检测方法激光路面检测车 劳动强度高低 检测速度慢快 检测效率 低 高 检测精度差高 样本数据量不足充足 样本数据可靠性差 高 检测项目种类和功能单一，少齐全，多 检测人员的安全问题存在隐患不存在 检测人员的工作环境不舒适，较差舒适，好 对交通的干扰性严重无 因此，为改善现存检测技术的不足，满足现代化检测的要求，将激光路面检 测技术与现代车辆技术集成，并研制开发出能实时、高效地处理检测数据的现代 化、信息化和数字化激光路面检测车已成为所需，这同时也是对我国路面检测技 术现状的一次改进和提高。首先就要研究开发“激光路面检测车”的专用搭载车， 选定符合要求的合适车型作为搭载车并对搭载车车身进行改装研究，并进一步开 展总布置设计安装调试检测系统，最终完成激光路面检测车的开发。“激光路面 检测车”与已有的激光检测系统及传统路面检测方法之间的性能对比见表3 1 。 3 1 1 检测功能 将长安大学多年研究开发的激光路面检测技术与现代车辆技术进行有效的 集成，也就是将激光路面数据采集系统、路面数字坐标信息采集系统、路表面数 字信息采集系统、道路环境信息采集系统、数据传输系统、数据处理系统等，以 及供工作人员使用的安全、舒适的工作环境与现代化车辆融为一体，从而实现高 等级公路路面的高效、高精度检测与评价。检测车具体功能要求如下： ( 1 ) 实现路面破损状况检测及数据处理，激光检测车采用光电数字成像技 术检测路面裂缝及其它病害，可以实现路面破损快速自动检测。该方法将路面破 损现场费时费力检测转变为室内的计算机数字图象自动分析处理。 ( 2 ) 实现路面平整度检测及数据处理，激光路面检测车对路面平整度检测 与评价的主要内容是根据检测出的路面纵断面凸凹不平情况计算国际平整度指 数( iri ) 。 ( 3 ) 实现路面车辙检测及数据处理，沥青路面的车辙被单独列出作为一项 检测养护质量指标。这是因为路面车辙的大小将直接影响车辆的行使性能及行车 安全。激光路面检测车对路面车辙的检测与评价，主要采用了在横断面方向布设 多个激光探头用于检测路面横断面的检测技术。另外，安装加速度计和陀螺仪用 于检测路面的颠簸、车辆震动等外界因素引起的误差。 ( 4 ) 实现路面变形类病害检测及数据处理，激光路面检测车在车身后部安 装四部高速高精度数字摄像机，用于采集路表信息，通过自动伸缩机构控制其工 作状态。采用光电