CN102277823A - 一种基于惯性测量单元和激光测距仪的车载路面检测系统 - Google Patents

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一种基于惯性测量单元和激光测距仪的车载路面检测系统，由惯性测量单元、GPS模块、PC104计算机、里程仪、激光路面测距仪和数据采集板组成，惯性测量单元和GPS模块用于测量车辆运动信息；激光路面测距仪用于测量车辆到路面的距离；里程仪用于测量车辆的行驶距离，并作为数据采集板的触发信号；数据采集板采集惯性测量单元以及激光测距仪的角速度和加速度信号，发送到PC104计算机；PC104计算机接收信号，依次进行惯性测量单元误差补偿、导航解算和信息融合滤波，最后将导航结果与激光测距仪的信息融合，计算得到路面平整度信息。本发明精度高、集成度高、抗振动、操作简便，用于城市道路及高速公路的路面测量。

Description

一种基于惯性测量单元和激光测距仪的车载路面检测系统
技术领域
本发明涉及一种基于惯性测量单元和激光测距仪的车载路面检测系统，适用于城市道路及高速公路的路面测量。
背景技术
道路路面平整度是影响路面行驶质量的主要因素，是路面使用性能最重要的指标之一，是检验城市道路和高速公路施工质量的主要指标之一。
目前国内用于检测这一指标的设备主要有：3m直尺，连续式平整度仪，车载式颠簸累积仪。这几种设备应用广泛，但是缺点明显。其中，3m直尺测量精度低、检测效率低且检测时需低头弯腰、工作量大；连续式平整度仪的仪器机械性能对数据的精度影响较大，测试速度对于实际行车速度较快的高等级公路的大面积检测仍受限制；车载式颠簸累积仪时间稳定性差、转换性差、不能给出路面的真实断面近年来，随着对公路服务质量要求的不断提高及路面管理系统(PMS)的不断发展，路面平整度的快速、准确测试方法便成为道路工程中最为关注的问题之一。
光学路面检测设备是目前路面测量设备的主流发展方向，这种测量设备具有快捷、可靠、成本低、易实施、自动化程度高等优点。国内外多个厂家已研制出多种相关产品。这些产品中多数采用了光学仪器对路面扫描，采用单加速度计或双加速度计对测量时车辆自身的颠簸起伏进行运动误差补偿，这类检测设备的缺点在于：一方面使用时限制较多，如要求车辆测量时保持一定速度且不能有较大的车体姿态变化，另一方面测量精度较差，在车体有明显水平姿态变化的情况下，量测的高程运动信息中包含有较大“假”运动信息，增大了系统量测误差。
发明内容
本发明的技术解决的问题是：克服现有技术的不足，提供一种精度高、集成度高、抗振动、操作简便的基于惯性测量单元和激光测距仪的车载路面检测系统。
本发明的技术解决方案是：一种基于惯性测量单元和激光测距仪的车载路面检测系统，由惯性测量单元、GPS模块、PC104计算机、里程仪、激光路面测距仪和数据采集板组成，惯性测量单元和GPS模块用于测量车辆运动信息；激光路面测距仪测量车辆到路面的距离；里程仪测量车辆的行驶距离，并作为数据采集板的触发信号；数据采集板采集惯性测量单元以及激光测距仪的角速度和加速度信号，发送到PC104计算机；PC104计算机接收信号，依次进行惯性测量单元误差补偿、导航解算和信息融合滤波，最后将导航结果与激光测距仪的信息融合，计算得到路面平整度信息。
其中所述的惯性测量单元主要由结构体、三支陀螺仪，三支加速度计组成，其中，三支陀螺仪正交安装，三支加速度计正交安装，三支陀螺仪敏感惯性测量单元的转动角速度，三支加速度计敏感惯性测量单元的运动加速度。
其中所述的激光路面测距仪主要包括并排安置于汽车前置横梁上的多个激光测距仪。
本发明的原理是：将三支陀螺仪和三支加速度计组成惯性测量单元，利用三支陀螺仪测量车体的运动角速度，利用三支加速度计测量车体的运动加速度，利用GPS测量车体的位置和速度，采集卡采集三支陀螺仪信息和三支加速度计信息，PC104接收采集卡采集到的陀螺仪信息、加速度计信息和GPS接收机信息，对信息进行处理，处理过程中，首先利用IMU误差模型对陀螺仪信息和加速度计信息进行误差补偿，再利用惯性导航原理进行捷联解算得到车体的运动角速度和运动加速度，然后利用信息融合原理对捷联解算结果和GPS信息进行组合滤波，然后通过数字滤波方法和平滑算法计算得到车体的位置、姿态信息，最后将车体位置、姿态信息作为运动补偿信息与激光路面测距仪测量的道路起伏和纹理信息融合，补偿激光路面测距仪量测信息中的运动误差，根据国际平整度IRI标准统计方法统计得到路面平整度信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用了惯性测量单元对车辆进行运动测量，提高了运动补偿的精度；采用了GPS模块和里程仪对运动测量进行修正，克服了惯性测量单元导航发散的问题；最终构建了车载路面检测系统，实现了快速、自动化的高精度路面测量，大大减小了路面测量的成本，提高了路面测量的精度。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图；
图2为本发明的惯性测量单元结构体的上下二等角轴测图；
图3为本发明的惯性测量单元结构体的前视图。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要由惯性测量单元1、GPS模块2、PC104计算机3、里程仪4、激光路面测距仪5和数据采集板6组成；惯性测量单元1由结构体、三支陀螺仪11、三支加速度计12组成，三支陀螺仪11采用正交安装方式，用来敏感车体的转动角速度，三支加速度计12采用正交安装方式，用来敏感车体的运动加速度，数据采集板6采集三支陀螺仪11和三支加速度计12的角速度和加速度信号；GPS模块2用于测量车辆的位置和速度，测量信息通过USB信号线传入PC104计算机3；激光路面测距仪5用于测量车辆到路面的距离，数据采集板6采集激光路面测距仪5的距离信号并传入PC104计算机3；里程仪4用于测量车辆的行驶距离，测量信息传入数据采集板6的信号输入口，同时里程仪4还为数据采集板6提供触发信号；数据采集板6采集三支陀螺仪11、三支加速度计12的角速度、加速度信号以及激光测距模块51的距离信号，传入PC104计算机3；PC104计算机3接收数据采集板6和GPS模块2的信息，用来承担系统的运算功能和通信功能，进行惯性测量单元1的误差补偿运算、惯性导航解算和惯性/GPS信息融合滤波运算，最后将惯性/GPS信息融合结果与激光测距仪的信息融合，计算得到路面平整度信息。
本发明工作时，首先启动车载路面检测系统，进行系统初始对准和激光传感器标定，对准和标定过程中，数据采集板6采集三支陀螺仪11、三支加速度计12的角速度、加速度信号和激光路面测距仪5的距离信号，将信号送入PC104计算机3进行初始对准运算和标定运算；然后车辆进入测区，系统开始测量，测量过程中，数据采集板6实时采集三支陀螺仪11、三支加速度计12的角速度、加速度信号和激光路面测距仪5的距离信号，送入PC104计算机3进行捷联解算和信息融合运算，得到稳定、准确的导航信息，将导航信息与激光测量得到的位移信息融合，通过滤波提取有效信息，计算得到路面平整度指数。
如图2、图3所示，惯性测量单元的结构体呈“回字型”，在结构体内，三支陀螺仪11分别安装于结构体内侧壁、结构体外侧壁、结构体底面上，三支加速度计12分别安装于结构体内侧壁、结构体底面上，PC104计算机3安装于结构体内侧壁，数据采集板6安装于结构体外侧壁；结构体底座的底面与四个侧面共同作为整个光纤惯性测量单元的安装基准，同时安装有陀螺仪和加速度计的面也是光纤惯性测量单元的基准面。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于惯性测量单元和激光测距仪的车载路面检测系统，其特征在于：主要由惯性测量单元(1)、GPS模块(2)、PC104计算机(3)、里程仪(4)、激光路面测距仪(5)和数据采集板(6)组成；惯性测量单元(1)与数据采集板(6)连接，由结构体、三支陀螺仪(11)、三支加速度计(12)组成，用于测量车辆的角速度和加速度，该信息由数据采集板(6)进行采集；GPS模块(2)用于测量车辆的位置和速度，该信息由PC104计算机(3)进行采集；激光路面测距仪(5)用于测量车辆到路面的距离，该信息由数据采集板(6)进行采集；里程仪(4)用于测量车辆的行驶距离，该信息由数据采集板(6)进行采集，同时里程仪(4)为数据采集板(6)提供触发信号；数据采集板(6)所采集信息进入PC104计算机(3)进行处理；PC104计算机(3)将数据采集板(6)和GPS模块(2)的信息进行误差补偿、惯性导航解算和惯性/GPS信息融合滤波，最后将惯性/GPS信息融合结果与激光测距仪的信息融合解算，得到路面平整度信息。
2.根据权利要求1所述的基于惯性测量单元和激光测距仪的车载路面检测系统，其特征在于：所述的里程仪(4)随车轮旋转产生出频率与行驶速度成正比的脉冲信号，触发数据采集板采集当前时刻的三支陀螺仪(11)和三支加速度计(12)的角速度和加速度信号，同时为系统组件间的时间对齐提供时间基准。
3.根据权利要求1所述的基于惯性测量单元和激光测距仪的车载路面检测系统，其特征在于：所述的惯性测量单元(1)的结构体呈“回字型”；在结构体内，三支陀螺仪(11)分别安装于结构体内侧壁、外侧壁和底面上，三支加速度计(12)分别安装于结构体内侧壁、结构体底面上，PC104计算机(3)安装于结构体内侧壁，数据采集板(6)安装于结构体外侧壁；结构体底座的底面与四个侧面共同作为整个光纤惯性测量单元的安装基准，同时安装有陀螺仪和加速度计的面也是光纤惯性测量单元的基准面。
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