CN103758016B - 一种路面三维构造检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面三维构造检测装置，包括：具备X轴、Y轴、Z轴三维运动机械手的龙门架式装置；由激光测距传感器、2个24V直流无刷伺服电机、1个24V直流步进电机、PLC控制模块、触摸屏、微型计算机、储蓄电源及若干连接线组成的电气控制系统。本发明还公开了基于上述路面三维构造检测装置的检测方法，包括：系统启动；输入参数；激光测距传感器采集数据和软件处理数据；存储三维高程数据和计算几何参数。本发明采用激光测距技术获得被测路面的构造数据，提高了检测精度；同时，通过触摸屏控制激光测距传感器的运动姿态，方便获得被测路面的三维高程数据，降低了测量误差，提高了测量效率。

Description

一种路面三维构造检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及路面构造检测技术，具体涉及一种路面三维构造检测装置及其检测方法。

背景技术

随着路面交通量的增加，人们对路面交通安全问题越来越关注，路面构造检测技术也成为技术领域的研究热点。现有路面构造测量方法主要包括针描法与光纤法。前者直接与路面集料接触，虽然精度能够满足要求，但是容易造成触针磨损，检测装置生命周期短，成本高；后者虽有着较高的测量精度与范围，但是受集料颜色的影响较大。同时，上述二种方法仅能够还原路面二维构造曲线的高程情况，未能有效表征路面集料的三维构造特征，导致路面构造检测误差大、效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自动化程度高、操作方便、效率高、检测精确的路面三维构造检测装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是，一种路面三维构造检测装置，包括：具备X轴、Y轴、Z轴三维运动机械手的龙门架式装置；由激光测距传感器、2个24V直流无刷伺服电机、1个24V直流步进电机、PLC控制模块、触摸屏、微型计算机、储蓄电源及若干连接线组成的电气控制系统。

更具体的，2个24V直流无刷伺服电机分别设置在所述X轴和Y轴上，24V直流步进电机设置在所述Z轴上，通过PLC控制模块控制所述3个电机的转速与圈数，用于带动龙门架式装置的机械手三维运动。

更具体的，在所述Z轴的可移动滑块搭载所述激光测距传感器，用于发射激光和接收漫反射回的激光。

更具体的，所述触摸屏界面包括开始、复位、急停、X轴速度、Y轴速度、X轴行程、Y轴行程、Z轴上升、Z轴下降、点动界面和循环次数按钮。

更具体的，所述PLC控制模块接收所述触摸屏界面输入的参数，控制所述龙门架式装置的机械手带动所述激光测距传感器三维运动。

更具体的，所述激光测距传感器高程计算公式为：其中，ps为测点高程，count为激光测距传感器返回的计数值，sf为放大系数，dp为激光测距传感器点位参数。

更具体的，所述微型计算机为普通的PC，里面安装了激光测距传感器数据采集分析软件和为本发明专门开发的MATLAB软件。

更具体的，所述激光测距传感器数据采集分析软件是所述激光测距传感器固有的标准采集软件，而激光信号采用连续发射方式，数据采集的时间间隔则可以设定（如每0.2秒采集一数据点）；采用此方式可以测得固定尺寸的平面等间距高程数据点。

更具体的，所述MATLAB软件包括计算分形维数的MATLAB软件、计算构造曲线的几何参数及还原构造三维表面的MATLAB软件和当得到的高程数据超出量程时，能实现数据噪声去除的MATLAB软件。

本发明的目的还在于提供基于上述路面三维构造检测装置的检测方法，如图5所示，包括以下步骤：

步1，系统启动，打开微型计算机，启动激光测距传感器数据采集分析软件，接通所述电气控制系统各部分电源，确定参考基准面，所述参考基准面即为激光测距传感器读数为零的一个被测物测量起始位置，以保证每次测量都从被测物的同一点以及同一高度出发；

步2，从触摸屏输入所述X轴、Y轴、Z轴的高度、运动速度、运动距离及循环次数等参数；输入所述激光测距传感器的数据采集时间间隔参数；

步3，点击触摸屏开始按钮，搭载在龙门架式装置上的激光测距传感器按预定路径运动，同时连续发射激光到达被测路面，接收漫反射回的激光，激光测距传感器数据采集分析软件处理得到三维高程数据，直至完成本次预定路径运动任务；

激光测距传感器可以实现如下运动形式，如图4所示：1、X轴向前以Amm/s的速度移动Bmm；2、X轴停止；3、Y轴带动X轴侧移Cmm；4、Y轴停止；5、X轴向后以Amm/s的速度移动Bmm。如此往复N次，可以获得2N条间距为Cmm，长度为Bmm的微观构造曲线；

步4，存储文本文件格式的三维高程数据；

步5，通过MATLAB软件将所述三维高程数据进行线性拟合及三维表面拟合，计算所得曲线的几何参数；几何参数包括波峰间距、波峰数量、曲线的偏斜度、曲线的陡峭度或者曲线的分形维数。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

（1）本发明采用激光测距技术获得被测路面的构造数据，提高了检测精度。

（2）本发明通过触摸屏控制激光测距传感器的运动姿态，方便获得被测路面的三维高程数据，降低了测量误差，提高了测量效率。

附图说明

图1为本发明龙门架式装置结构示意图。

图2为本发明激光测距传感器测量原理图。

图3为本发明触摸屏界面示意图。

图4为本发明激光测距传感器的蛇形运动路线示意图。

图5为本发明检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不限于实施例表述的范围。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神及保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在权利要求书保护的范围内。

实施例

本实施例，一种路面三维构造检测装置，包括：具备X轴、Y轴、Z轴三维运动机械手的龙门架式装置，如图1所示；由激光测距传感器、2个24V直流无刷伺服电机、1个24V直流步进电机、PLC控制模块、触摸屏、微型计算机、储蓄电源及若干连接线组成的电气控制系统。2个24V直流无刷伺服电机1和5分别设置在所述X轴6和Y轴4上，24V直流步进电机2设置在所述Z轴3上，通过PLC控制模块控制所述3个电机的转速与圈数，用于带动龙门架式装置的机械手三维运动。在所述Z轴的可移动滑块7搭载所述激光测距传感器，用于发射激光和接收漫反射回的激光。所述触摸屏界面，如图3所示，包括开始、复位、急停、X轴速度、Y轴速度、X轴行程、Y轴行程、Z轴上升、Z轴下降、点动界面和循环次数按钮。

所述PLC控制模块接收所述触摸屏界面输入的参数，控制所述龙门架式装置的机械手带动所述激光测距传感器三维运动。

所述激光测距传感器高程计算公式为：其中，ps为测点高程，count为激光测距传感器返回的计数值，sf为放大系数，dp为激光测距传感器点位参数。其测量原理如图2所示，激光源发出入射光，经过准直透镜组，入射光到达被测物表面会发生漫反射，通过成像透镜组被传感器接收，从而可以读到高程数据的变换。

所述微型计算机为普通的PC，本实施例优选笔记本电脑，里面安装了激光测距传感器数据采集分析软件和为本发明专门开发的MATLAB软件。

所述激光测距传感器数据采集分析软件是所述激光测距传感器固有的标准采集软件，而激光信号采用连续发射方式，数据采集的时间间隔则设定为每0.5秒采集一数据点；采用此方式可以测得固定尺寸的平面等间距高程数据点。

所述MATLAB软件包括计算分形维数的MATLAB软件、计算构造曲线的几何参数及还原构造三维表面的MATLAB软件和当得到的高程数据超出量程时，能实现数据噪声去除的MATLAB软件。

本实施例激光测距传感器做如下运动形式：1、X轴向前以1mm/s的速度移动8mm；2、X轴停止；3、Y轴带动X轴侧移0.5mm；4、Y轴停止；5、X轴向后以1mm/s的速度移动8mm。如此往复4次，可以获得8条间距为0.5mm，长度为8mm的微观构造曲线。

根据本发明方法，为挑选合适的路面石料，做以下检测实验：

选取四种石料，粒径均为9.5～13.2mm；每种集料选择镀膜后的40个颗粒，每个颗粒长边测量1次，短边测量1次，对角线测量一次；使用计算分形维数的MATLAB程序计算分形维数；得到石料的分形维数由大至小依次为A（1.213）、B（1.199）、C（1.177）、D(1.176)；由物理学可知，路面及石料的构造越丰富，即石料的分形维数越大，其抗滑性能越好，从而认为石料A具有较优的抗滑性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种路面三维构造检测装置，其特征在于，包括：具备X轴、Y轴、Z轴三维运动机械手的龙门架式装置；由激光测距传感器、2个24V直流无刷伺服电机、1个24V直流步进电机、PLC控制模块、触摸屏、微型计算机、储蓄电源及若干连接线组成的电气控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种路面三维构造检测装置，其特征在于：在所述Z轴的可移动滑块搭载所述激光测距传感器，用于发射激光和接收漫反射回的激光。

3.根据权利要求1所述的一种路面三维构造检测装置，其特征在于：所述触摸屏界面包括开始、复位、急停、X轴速度、Y轴速度、X轴行程、Y轴行程、Z轴上升、Z轴下降、点动界面和循环次数按钮。

4.根据权利要求1所述的一种路面三维构造检测装置，其特征在于：所述PLC控制模块接收所述触摸屏界面输入的参数，控制所述龙门架式装置的机械手带动所述激光测距传感器三维运动。

5.根据权利要求1所述的一种路面三维构造检测装置，其特征在于：所述激光测距传感器高程计算公式为：其中，ps为测点高程，count为激光测距传感器返回的计数值，sf为放大系数，dp为激光测距传感器点位参数。

6.根据权利要求1所述的一种路面三维构造检测装置，其特征在于：所述微型计算机为普通的PC，里面安装了激光测距传感器数据采集分析软件和专门开发的MATLAB软件。

7.根据权利要求6所述的一种路面三维构造检测装置，其特征在于：所述激光测距传感器数据采集分析软件是所述激光测距传感器固有的标准采集软件，而激光信号采用连续发射方式，数据采集的时间间隔则可以设定。

8.根据权利要求6所述的一种路面三维构造检测装置，其特征在于：所述MATLAB软件包括计算分形维数的MATLAB软件、计算构造曲线的几何参数及还原构造三维表面的MATLAB软件和当得到的高程数据超出量程时，能实现数据噪声去除的MATLAB软件。

9.根据权利要求1‐8任一项所述的一种路面三维构造检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步1，系统启动，打开微型计算机，启动激光测距传感器数据采集分析软件，接通所述电气控制系统各部分电源，确定参考基准面，所述参考基准面即为激光测距传感器读数为零的一个被测物测量起始位置，以保证每次测量都从被测物的同一点以及同一高度出发；

步2，从触摸屏输入所述X轴、Y轴、Z轴的高度、运动速度、运动距离及循环次数等参数；输入所述激光测距传感器的数据采集时间间隔参数；

步3，点击触摸屏开始按钮，搭载在龙门架式装置上的激光测距传感器按预定路径运动，同时连续发射激光到达被测路面，接收漫反射回的激光，激光测距传感器数据采集分析软件处理得到三维高程数据，直至完成本次预定路径运动任务；

步4，存储文本文件格式的三维高程数据；

步5，通过MATLAB软件将所述三维高程数据进行线性拟合及三维表面拟合，计算所得曲线的几何参数；几何参数包括波峰间距、波峰数量、曲线的偏斜度、曲线的陡峭度或者曲线的分形维数。