CN101694084A - 地面车载移动检测系统 - Google Patents

Abstract

一种地面车载移动检测系统，其包括：一路面图像采集控制单元，其用于高质量连续拍摄路面的真实图像；一车辙测量控制单元，其通过对路面进行扫描，得出车辙的测量结果；一平整度测量控制单元，其用于计算路面的平整度；一景观图像控制单元，其用于对路面景观进行监控；一车轮编码器，其用于产生车轮编码信号；一GPS模块，其用于建立系统的时间基准；一同步控制器，其与所述的车轮编码器及所述的GPS模块相连，并产生相应的脉冲控制所述路面图像采集控制单元、所述的车辙测量控制单元、所述平整度测量控制单元及所述的景观图像控制单元，使其协同工作，完成对地面的检测。

Description

地面车载移动检测系统

技术领域

本发明涉及道路检测技术领域，特别涉及一种地面车载移动检测系统。

背景技术

随着城市化进程的加快，城市规模越来越大，经济的快速发展，城市道路承受的交通压力越来越大。为缓解城市交通的压力，城市的管理者通过不断修建新的道路、改扩建现有公路以及优化路网的方式来改善城市交通。近些年来，已环线为代表的城市快速道路建设得到蓬勃发展。所以，随着城市的发展，城市道路的等级将越来越高、里程将急剧增长。但是我国很多单位在实际道路检测中仍然使用落后的仪器设备。在道路平整度和车辙深度测量方面，三米直尺和水准仪仍然是主要测量工具；在路面破损和沿线设施调查方面，人工徒步调查依然是主要方式。显然，这种测量与调查方式，远不能满足现代道路检测的需要。

现有的路面检测车，其检测系统并没有实现全部的路面平整度、车辙、纹理深度、路面病害及沿线设施的快速检测与测量，只是将其中的部分检测功能实现，其检测精度和后处理数据的能力也各不相同。

首先现有的路面检测车，其定位方式基本上都是单一的GPS/DMI，定位精度一般都在5m，在城市高楼区、林荫道、涵洞、隧道等，常出现GPS卫星信号遮挡问题，GPS信号容易丢失，跟踪轨迹易发生漂移。

其次，有些检测车只能在无雨的白天做检测，其路面病害检测分辨率为面扫描，辅助照明为大灯阵列或闪光灯，采集效率低下和精度差等瓶颈问题。路面采集数据后期处理，多为人工识别，处理速度慢效率低。

总之，现有技术具有如下缺点：

1、不能提高路面检测的效率和精度。

2、人工徒步测量，存在安全隐患，在检测过程中对交通业造成一定的影响。

3、在有人工参与的道路检测中，容易出错。

4、人工检测道路的单一性，不能从几何属性、路面状况、交通标志标线、道路附属设施以及桥梁设施等城市交通基础设施的各种静态和动态信息多个方面反映道路状况。

5、无统一数据系统支持，对后期道路的养护造成困难。

因此，如何将上述现有技术存在的问题加以解决，即为本领域技术人员所欲研究的方向所在。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种地面车载移动检测系统，其通过同步控制器协同控制各个部件，以更好的对地面进行检测，以克服上述现有技术存在的问题。

本发明的次要目的是提供一种地面车载移动检测系统，其通过GPS模块及车轮编码器组成的导航系统，解决了GPS模块的定位精度较低的问题，其可通过车轮编码器在一定距离内的高精度改善GPS定位的精度。

本发明的再一目的是提供一种地面车载移动检测系统，其通过GPS模块及航位推算模块组成的导航系统，解决了GPS信号的遮挡问题，同时也避免了单元的航位推算模块随着时间的积累导致误差增大。

为了达到上述目的，本发明提供一种地面车载移动检测系统，其包括：

一路面图像采集控制单元，其用于高质量连续拍摄路面的真实图像；

一车辙测量控制单元，其通过对路面进行扫描，得出车辙的测量结果；

一平整度测量控制单元，其用于计算路面的平整度；

一景观图像控制单元，其用于对路面景观进行监控；

一车轮编码器，其用于产生车轮编码信号；

一GPS模块，其用于建立系统的时间基准；

一同步控制器，其与所述的车轮编码器及所述的GPS模块相连，并产生相应的脉冲控制所述路面图像采集控制单元、所述的车辙测量控制单元、所述平整度测量控制单元及所述的景观图像控制单元，使所述路面图像采集控制单元、所述的车辙测量控制单元、所述平整度测量控制单元及所述的景观图像控制单元协同工作，完成对地面的检测。

较佳的实施方式中，还包括一航位推算模块，其与所述的同步控制器相连，用于推算车辆的瞬时位置，并产生相应的同步数据，控制所述的路面图像采集控制单元、所述车辙测量控制单元、所述平整度测量控制单元及所述景观图像控制单元。

较佳的实施方式中，所述的航位推算模块包括一激光陀螺仪及一速度传感器。

较佳的实施方式中，还包括一温度传感控制器，其与所述的同步控制器相连，所述的温度传感控制器感测各部件的温度，并使各部件的的温度控制在一定范围内。

较佳的实施方式中，还包括一液晶显示器，所述的液晶显示器与所述的同步控制器相连，用于显示测量数据。

较佳的实施方式中，还包括一触摸屏，所述的触摸屏作为输入设备与所述的同步控制器相连。

较佳的实施方式中，所述的路面图像采集控制单元包括：

一线阵CCD相机，所述的线阵CCD相机接收所述同步控制器的曝光脉冲，用于连续拍摄路面；

一图像采集卡，其与所述的线阵CCD相机相连，用于采集所述线阵CCD相机所拍摄的图像；

一图像采集工作站，其接收所述同步控制器的同步数据并与所述的图像采集卡相连，对采集到的图像进行处理；

一图像识别处理模块，其与所述的图像采集工作站相连，用于对采集后的图像进行识别处理；

一图像分析模块，其与所述的图像识别处理模块相连，对处理后图像进行分类统计和程度判别，给出分类统计报表。

较佳的实施方式中，所述的线阵CCD相机每两次曝光空间间隔等于一个像素所对应的路面实际空间距离。

较佳的实施方式中，所述的图像采集工作站为一工控机。

较佳的实施方式中，所述的车辙测量控制单元包括一激光器及一高速CCD相机，所述的车轮编码器将车辆行驶距离变换为距离脉冲信号传输给所述的同步控制器，所述的同步控制器发出控制脉冲控制所述激光器及所述高速CCD相机曝光，得到一图像，经激光中心提取后，得到一车辙深度。

较佳的实施方式中，所述的激光器是线结构激光器。

较佳的实施方式中，所述的线结构激光器为出瞳功率2.5W、波长532nm的线结构激光器。

较佳的实施方式中，所述的平整度测量控制单元包括：

两台高速激光测距机及两只加速度计，其用于检测路面平整度状况，连续测量左、右两个轮迹上的纵断面数据；

一数据采集卡，其接收所述同步控制器的曝光脉冲，并采集所述两台高速激光测距机及所述两只加速度计测量的数据；

一平整度采集工作站，其接收所述同步控制器的同步数据并与所述的数据采集卡相连，对采集到的数据进行处理，得到一左右平整度值。

较佳的实施方式中，所述的景观图像控制单元包括：

多个CCD相机，其接收所述同步控制器的曝光脉冲，并采集路面前方的状况；

一图像采集卡，其与所述的多个CCD相机相连，将所述CCD相机拍摄到的图像进行采集；

一图像采集工作站，其接收所述同步控制器的同步数据并与所述的图像采集卡相连，对采集到的图像进行处理；

一图像识别处理模块，其与所述的图像采集工作站相连，用于对采集后的图像进行识别处理，得到一道路沿线设施养护的状况。

较佳的实施方式中，所述的同步控制器选用ARM7或者ARM9为核心的微处理器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

GPS/DR组合导航系统将GPS定位系统和自主式的DR系统有机结合起来，通过综合每一种导航系统的特点，互相取长补短，能够获得较高的车辆定位精度及可靠性。当DR系统的定位误差积累至较大时，可以利用GPS的精确定位结果对其校正和标定，而当GPS卫星信号丢失，GPS导航系统无法正常工作时，能够利用DR系统的自主定位结果，得以维持正常导航。

此外，当GPS系统的定位精度较低时，还可以利用DR系统在一定距离内的高精度改善GPS的定位精度。

附图说明

图1为本发明地面车载移动检测系统组成框图；

图2为本发明路面图像采集控制单元组成框图；

图3为本发明车辙测量控制单元组成框图；

图4本发明平整度测量控制单元组成框图；

图5为本发明景观图像控制单元组成框图；

图6为本发明地面车载移动测量一组成示意图。

附图标记说明：10-路面图像采集控制单元；101-线阵CCD相机；102-图像采集卡；103-图像采集工作站；104-图像识别处理模块；105-图像分析模块；20-车辙测量控制单元；201-激光器；202-高速CCD相机；30-平整度测量控制单元；3011、3012-高速激光测距机；3021、3022-加速度计；302-数据采集卡；303-平整度采集工作站；40-景观图像控制单元；401-CCD相机；402-图像采集卡；403-图像采集工作站；404-图像识别处理模块；50-车轮编码器；60-GPS模块；70-同步控制器；80-航位推算模块；90-温度传感控制器；501-液晶显示器；502-触摸屏。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1所示，为本发明地面车载移动检测系统组成框图，本发明的地面车载移动检测系统包括一路面图像采集控制单元10、一车辙测量控制单元20、一平整度测量控制单元30、一景观图像控制单元40、一车轮编码器50、一GPS模块60及一同步控制器70，其中，所述的路面图像采集控制单元10用于高质量连续拍摄路面的真实图像；所述的车辙测量控制单元20是通过对路面进行扫描，得出车辙的测量结果；所述的平整度测量控制单元30是用于计算路面的平整度；所述的观图像控制模块40用于对路面景观进行监控；所述车轮编码器50用于产生车轮编码信号；所述的GPS模块60是用于建立系统的时间基准；所述的同步控制器70，其与所述的车轮编码器50及所述的GPS模块60相连，并产生相应的脉冲控制所述路面图像采集控制单元10、所述的车辙测量控制单元20、所述平整度测量控制单元30及所述的景观图像控制单元40，使所述路面图像采集控制单元10、所述的车辙测量控制单元20、所述平整度测量控制单元30及所述的景观图像控制单元40协同工作，完成对地面的检测。

所述的车轮编码器50是将车辆行驶距离变换为距离脉冲信号传输给同步控制器70，同步控制器70按照一定的规则发出控制脉冲，由于车轮的周长是固定的，车轮转一圈，车轮编码器50可以根据自由设定的值输出脉冲，其一周的脉冲数最高可以达到8192个，由里程计的脉冲可计算出车辆的行驶距离，结合车辆的行驶方向和距离，则可确定车辆的相对于起始点的位置。

如图2所示，为本发明路面图像采集控制单元组成框图，所述的路面图像采集控制单元10，其包括一线阵CCD相机101、一图像采集卡102、一图像采集工作站103、一图像识别处理模块104及一图像分析模块105。

所述的路面图像采集控制单元10的功能是高质量连续拍摄路面真实的图像，并对所拍摄的图像进行分析处理，其通过一线阵CCD相机101拍摄路面状态，所述的线阵CCD相机101接收同步控制器70的曝光脉冲，所述的线阵CCD相机101的工作原理是一次曝光获得一行图像数据，为了获得连续清晰的路面图像，则需要线阵CCD相机101按照一定的间隔距离(一行图像所对应的路面宽度)连续拍摄路面，然后将这些一行一行的图像按照一定数量大小进行拼接，即可得到一幅完整的路面图像。为保证路面图像的完整性，必须确保线阵CCD相机101每两次曝光空间间隔等于一个像素所对应的路面实际空间距离。所述的图像采集卡102将所述线阵CCD相机101拍摄的清晰图像进行采集，然后进入所述图像采集工作站103进行处理，所述的图像采集工作站103可为一工控机，其接收所述同步控制器70的同步脉冲及所述图像采集卡102采集的图像，并送入图像识别处理模块104进行识别处理，所述的图像识别处理模块104可识别图像中的裂缝类(横缝、纵缝、龟裂、块裂)、松散类(坑槽、松散)和其他类(泛油、修补不良)病害的图像，并对各种病害的长度(横缝、纵缝)、宽度(横缝、纵缝)、面积(横缝、纵缝；龟裂、块裂、坑槽、松散、泛油、修补不良)进行测量，然后利用图像分析模块105对上述图像进行分类统计和程度判别，给出分类统计报表。

如图3所示，为本发明车辙测量控制单元组成框图，所述的车辙测量控制单元20包括一激光器201、一高速CCD相机202，通过所述的激光器201、高速CCD相机202组成一测量传感器，在车辆行驶的过程中，车轮编码器50将车辆行驶距离变换为距离脉冲信号传输给同步控制器70，同步控制器70按照一定的规则发出控制脉冲用于同步控制所述激光器201和高速CCD相机202曝光，所述的高速CCD相机202获得脉冲线激光在路面上的投影并传输到处理计算机，经过激光中心提取和空间变换还原计算后，可获得道路的横端面数据并可立即计算出车辙深度。

由于激光器201和高速CCD相机202是受到同步控制器70发出的控制脉冲而同步工作的，所以激光器201并不是连续发光的，而是一种类似于闪光灯的工作方式，这样只有在车辆行驶的过程中或者人为控制条件下，激光器201才发射激光进行测量。

本发明中采用的激光器201是出瞳功率2.5W、波长532nm的线结构激光器，配合合适的滤光器件，可以克服太阳光灯环境光的干扰；采用的高速CCD相机202的帧频率从60Hz-110Hz，使得断面测量频率最高达到110Hz，即在100km/h的条件下，采样间隔小于20cm。

所述车辙测量控制单元20通过线结构激光器高速连续扫描路面的高程数据，通过数据处理软件生成路面的数字高程模型(DEM)，并可计算出车辙的长度、深度和面积，波浪拥包的高差和面积，沉陷的深度和面积，坑槽的深度和面积等，给出相应的报表。

如图4所示，为本发明平整度测量控制单元组成框图，所述的平整度测量控制单元30包括两台高速激光测距机3011、3012和两只加速度计3021、3022，一数据采集卡302、一平整度采集工作站303。

所述的高速激光测距机3011、3012和两只加速度计3021、3022用于监测路面平整度状况，连续测量左(left)右(right)两个轮迹上的纵断面数据，通过数据采集卡31对数据进行采集，同步控制器70按照一定的规则发出控制脉冲给所述的数据采集卡302，同时同步控制器70发送同步数据给所述的平整度采集工作站303，然后通过平整度采集工作站303进行平整度计算，得出一左右平整度值。

这种通过路面纵断面的数据得到的平整度测量的方法是基于IRI的定义来计算的，IRI是国际道路不平度指数(International Roughness Index)的缩写。IRI评价指标以四分子一车辆为数学计算模型，得到位移、速度、加速度关系的两阶微分方程，由此方程得到一个四维方程组。在此方程组中，变量就是路面的高程值(或相对高程值)。这样既具备了动态系统的优点，又避免了实际动态测量特性随时间变化的缺陷。该指标几乎与世界上所有的不平度仪的测量都是可以换算或兼容。

所述激光测距机3011、3012进行平整度测定是一种与路面无接触的测定方法，测试速度快，精度高。它还可以同时进行纵断面。它克服了八轮仪速度慢和受路面杂物干扰的缺点。在已通车的公里上，用它进行检测优点突出。其组合达到很高的测量精度要求，满足国际银行定级的一级标准。

如图5所示，为本发明景观图像控制单元组成框图，所述的景观图像控制单元40包括多个CCD相机401，其用于采集路面前方的状况，一图像采集卡402，其用于将CCD相机401拍摄到的图像进行采集，将图像采集卡402采集到的图像送入图像采集工作站403进行处理，所述的图像采集工作站403可为一工控机，其接收所述同步控制器70的同步脉冲及所述图像采集卡402采集的图像，并送入图像识别处理模块404进行识别处理，然后得知一道路沿线设施养护的状况。其中所述的同步控制器70接收编码器40发出的编码信号，产生曝光脉冲给所述的CCD相机，同时也产生同步数据控制所述图像采集工作站403进行工作。

所述的景观图像控制单元40是通过多台高分辨率彩色数字CCD相机以一定的间隔采集前方道路图像，根据近景测量原理，使得图像清晰不失真，所有拍摄图像数字化存于大容量数字存储介质，以供实时或后台软件处理。

如图6所示，为本发明地面车载移动检测系统一组成示意图，如图所示，本系统还包括一航位推算模块80，其与所述的同步控制器70相连，用于推算车辆下一个时刻的坐标位置。该航位推算模块80，其是一种自助式的导航系统，其包括一激光陀螺仪及一速度传感器，完全依靠车轮编码器自主完成导航任务，不易受周围环境的干扰和影响。

本系统还包括一温度传感控制器90、一液晶显示器501、一触摸屏502，所述的温度传感控制器与所述的同步控制器70相连，所述的温度传感控制器90感测系统中各部件的温度，并使各部件的的温度控制在一定范围内，防止温度过高或者过低，使系统中的器件失效，影响测量。当温度传感控制器90检测温度超过某一值或者第一某一值时，可将温度控制在一定的范围内，并发出报警。

所述的液晶显示器501与所述的同步控制器70相连，用于显示测量数据、当前速度等信息。

所述的触摸屏502作为输入设备与所述的同步控制器相连，可通过通过触摸屏502输入一些信息控制该系统。

所述的同步控制器70可选用ARM7或者ARM9为核心的微处理器。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用GPS和车轮编码器组合定位的方式来采集高速公路数据，以高精度的GPS定位信号为主，一旦发现失去GPS定位信号，则用车轮编码器定位信号来补充，并且在两个里程之间，可以用车轮编码器来定位。一方面，GPS系统可以弥补航位推算系统的累积误差随时间增加的不足；另一方面，在GPS信号暂时失效的情况下，或者在短距离的相对定位上，车轮编码器可以发挥补充作用或者是短途高精度的作用。将两者有效结合起来，可以实现连续、准确的定位，保证公路数据采集系统测量数据的高精度和可靠性。

本发明采用车轮编码器、GPS模块及航位推算模块组成的检测系统，避免了GPS信号的遮挡问题，也避免了单一航位推算(DR-Dead Reckoning)，随着时间的累积导致误差增大。本系统将GPS定位系统和自主式航位推算系统有机结合起来，通过综合每一种导航系统的特点，互相取长补短，能够获得较高的车辆定位精度及可靠性。当航位推算系统的定位误差积累至较大时，可以利用GPS的精确定位结果对其校正和标定，而当GPS卫星信号丢失，GPS导航系统无法正常工作时，能够利用DR系统的自主定位结果，得以维持正常导航。此外，当GPS系统的定位精度较低时，还可以利用航位推算系统在一定距离内的高精度改善GPS的定位精度。

本发明采用高性能的车载计算机配合各种传感器采集与储存数据，完全实现数据采集的自动化，消除手动操作的人为误差，提高了检测准确性；检测采集速度可达120km/h，提高了工作效率；不影响道路正常交通，减少因交通封闭或交通堵塞造成的经济损失；降低了人工测量的劳动强度和作业的危险性。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种地面车载移动检测系统，其特征在于：其包括：

一路面图像采集控制单元，其用于高质量连续拍摄路面的真实图像；

一车辙测量控制单元，其通过对路面进行扫描，得出车辙的测量结果；

一平整度测量控制单元，其用于计算路面的平整度；

一景观图像控制单元，其用于对路面景观进行监控；

一车轮编码器，其用于产生车轮编码信号；

一GPS模块，其用于建立系统的时间基准；

一同步控制器，其与所述的车轮编码器及所述的GPS模块相连，并产生相应的脉冲控制所述路面图像采集控制单元、所述的车辙测量控制单元、所述平整度测量控制单元及所述的景观图像控制单元，使所述路面图像采集控制单元、所述的车辙测量控制单元、所述平整度测量控制单元及所述的景观图像控制单元协同工作，完成对地面的检测。

2.根据权利要求1所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，还包括一航位推算模块，其与所述的同步控制器相连，用于推算车辆的瞬时位置，并产生相应的同步数据，控制所述的路面图像采集控制单元、所述车辙测量控制单元、所述平整度测量控制单元及所述景观图像控制单元。

3.根据权利要求2所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，所述的航位推算模块包括一激光陀螺仪及一速度传感器。

4.根据权利要求1或2所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，还包括一温度传感控制器，其与所述的同步控制器相连，所述的温度传感控制器感测各部件的温度，并使各部件的的温度控制在一定范围内。

5.根据权利要求1或2所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，还包括一液晶显示器，所述的液晶显示器与所述的同步控制器相连，用于显示测量数据。

6.根据权利要求1或2所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，还包括一触摸屏，所述的触摸屏作为输入设备与所述的同步控制器相连。

7.根据权利要求1所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，所述的路面图像采集控制单元包括：

一线阵CCD相机，所述的线阵CCD相机接收所述同步控制器的曝光脉冲，用于连续拍摄路面；

一图像采集卡，其与所述的线阵CCD相机相连，用于采集所述线阵CCD相机所拍摄的图像；

一图像采集工作站，其接收所述同步控制器的同步数据并与所述的图像采集卡相连，对采集到的图像进行处理；

一图像识别处理模块，其与所述的图像采集工作站相连，用于对采集后的图像进行识别处理；

一图像分析模块，其与所述的图像识别处理模块相连，对处理后图像进行分类统计和程度判别，给出分类统计报表。

8.根据权利要求7所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，所述的线阵CCD相机每两次曝光空间间隔等于一个像素所对应的路面实际空间距离。

9.根据权利要求7所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，所述的图像采集工作站为一工控机。

10.根据权利要求1所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，所述的车辙测量控制单元包括一激光器及一高速CCD相机，所述的车轮编码器将车辆行驶距离变换为距离脉冲信号传输给所述的同步控制器，所述的同步控制器发出控制脉冲控制所述激光器及所述高速CCD相机曝光，得到一图像，经激光中心提取后，得到一车辙深度。

11.根据权利要求10所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，所述的激光器是线结构激光器。

12.根据权利要求11所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，所述的线结构激光器为出瞳功率2.5W、波长532nm的线结构激光器。

13.根据权利要求11所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，所述的平整度测量控制单元包括：

两台高速激光测距机及两只加速度计，其用于检测路面平整度状况，连续测量左、右两个轮迹上的纵断面数据；

一数据采集卡，其接收所述同步控制器的曝光脉冲，并采集所述两台高速激光测距机及所述两只加速度计测量的数据；

一平整度采集工作站，其接收所述同步控制器的同步数据并与所述的数据采集卡相连，对采集到的数据进行处理，得到一左右平整度值。

14.根据权利要求1所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，所述的景观图像控制单元包括：

多个CCD相机，其接收所述同步控制器的曝光脉冲，并采集路面前方的状况；

一图像采集卡，其与所述的多个CCD相机相连，将所述CCD相机拍摄到的图像进行采集；

一图像采集工作站，其接收所述同步控制器的同步数据并与所述的图像采集卡相连，对采集到的图像进行处理；

一图像识别处理模块，其与所述的图像采集工作站相连，用于对采集后的图像进行识别处理，得到一道路沿线设施养护的状况。

15.根据权利要求1所述的地面车载移动检测系统，其特征在于，所述的同步控制器选用ARM7或者ARM9为核心的微处理器。

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