CN106948247A - 一种沥青路面智能贴缝机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青路面智能贴缝机，属于道路养护和机械技术领域。所述的贴缝机包括全向轮、全向轮驱动电机、底盘、车架、工控机、存料辊、滑台D、摄像头、激光头、滑台A、滑台B、滑台C、导向轮、碾压轮、刀片和卷膜轮。所述的全向轮和全向轮驱动电机用于所述的贴缝机整体运动。所述的滑台D实现对摄像头和激光头的移动控制，所述的工控机连接摄像头。所述的滑台A、滑台B和滑台C实现对导向轮、碾压轮、刀片和卷膜轮的移动控制，实现移动智能贴缝。本发明实现了沥青路面贴缝胶的自动粘贴，提高的路面裂缝维修的工作效率，可以减少劳动力投入，降低养护成本和养护人员工作的安全风险；相较于加热式贴缝胶降低了施工时的污染。

Description

一种沥青路面智能贴缝机

技术领域

本发明属于道路养护和机械技术领域，具体涉及一种沥青路面裂缝修补用的智能贴缝机。

背景技术

随着公路建设事业的迅速发展，我国高速公路总里程及交通量不断增加。沥青公路在使用过程中由于车流量大、车辆超载及路面自身老化等原因，会出现各种形式的路面病害，其中裂缝是最为常见的病害之一。为防止路面裂缝发展成更加严重的道路破坏，需要进行路面养护，及时治理裂缝，保证车辆的正常行驶。

目前对路面裂缝的处理通常采用密封胶灌缝技术和贴缝胶贴缝技术等。

灌缝技术是首先根据路面状况和裂缝的特点进行开槽扩缝，然后利用专门的灌缝设备(灌缝机)将密封胶灌入槽中，以达到修补裂缝的目的。

贴缝技术是将专门的路面贴缝胶带人工沿裂缝粘贴的裂缝修补技术，包括热粘式贴缝胶和自粘式贴缝胶。热粘式贴缝胶在粘贴前需要将路面加热至一定温度，自粘式可直接粘贴使用。

灌缝机开槽灌缝的方法存在机械结构复杂、体积大、成本高、操作不便以及施工过程烟尘污染大等缺点。

贴缝胶贴缝目前大部分采用人工操作，工作效率低、不利于大面积裂缝修补，且裂缝的养护维修施工通常是在不封闭全线道路交通的条件下进行的，高速的交通流和复杂的现场作业环境给工人带来了巨大的安全隐患。热粘式贴缝胶还存在能耗大、污染大、施工不便等缺点。使用热粘式的手推式半自动贴缝设备施工时需要明火，安全性和简便性大大降低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种自动粘贴贴缝胶的沥青路面智能贴缝机，通过图像识别技术自动识别路面裂缝，并沿裂缝轨迹自动粘贴贴缝胶，达到修补沥青路面裂缝的效果。

本发明提供的沥青路面智能贴缝机，包括全向轮、全向轮驱动电机、底盘、车架、工控机、存料辊、滑台D、摄像头、激光头、滑台A、滑台B、滑台C、导向轮、碾压轮、刀片和卷膜轮。所述的全向轮和全向轮驱动电机设置在所述的底盘下表面，用去带动所述的贴缝机整体运动。所述的底盘上表面固定有车架，车架由四根立柱支撑上层板和下层板，所述的工控机位于上层板，所述的下层板用于安装中控电路。所述的存料辊位于下层板下方，固定在立柱上，存料辊轴线平行于导向轮轴线。所述的滑台D固定在底盘上一侧，滑台A固定在底盘上另一侧的两根立柱上，滑台D和滑台A平行。在所述的滑台D上通过滑块D固定摄像头和激光头，所述的滑块D可以在滑台D上沿长度方向滑动。所述的滑台A上通过滑块A连接滑台B，滑台B上通过滑块B连接滑台C，滑台C上设置滑块C，所述的导向轮卷膜轮均固定在所述的滑块C上，碾压轮通过步进电机固定在滑块C上，步进电机可以控制碾压轮在地面平面上的转动。所述的刀片位于碾压轮和卷膜轮之间，固定在碾压轮的轮架上。

所述的摄像头与工控机连接，所述的工控机与中控电路连接，中控电路与驱动碾压轮转动的步进电机相连。

所述的滑台A与滑台B长度方向垂直，形成的平面与地面平行。所述的滑台C长度方向与地面垂直。

本发明的优点在于：

(1)实现了沥青路面贴缝胶的自动粘贴，提高的路面裂缝维修的工作效率。

(2)贴缝胶人工粘贴一般需要2～3名工人组成一个工作班组，而本发明可由1名工人操控一台或同时操控多台贴缝机工作，减少劳动力投入，降低了养护成本。

(3)由贴缝机在出现裂缝的路面区域工作，工人位于道边较安全的位置，降低了养护人员工作的安全风险。

(4)使用自粘式贴缝胶为原料，相较于加热式贴缝胶降低了施工时的污染。

附图说明

图1为本发明的沥青路面智能贴缝机整体结构示意图。

图2为本发明中执行贴缝动作的机械结构局部示意图。

图3为本发明中线形激光探缝工作示意图。

图4为本发明的沥青路面智能贴缝机自动控制流程图。

图中：

1.全向轮； 2.底盘； 3.车架； 4.工控机；5.存料辊； 6.滑台D；

7.摄像头；8.激光头； 9.滑台A； 10.滑台B； 11.滑台C； 12.导向轮；

13.碾压轮；14.刀片；15.卷膜轮；16.全向轮驱动电机；17.连杆；

18.L形连杆；19.步进电机；20.滑块A；21.滑块B；22.滑块C；23.滑块D。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的沥青路面智能贴缝机进行详细说明。

本发明提供一种沥青路面智能贴缝机，能实现对沥青路面裂缝的识别和在裂缝上粘贴贴缝胶进行修补的功能。如图1所示，所述的沥青路面智能贴缝机包括全向轮1、全向轮驱动电机16、底盘2、车架3、工控机4、存料辊5、滑台D6、摄像头7、激光头8、滑台A9、滑台B10、滑台C11、导向轮12、碾压轮13、刀片14和卷膜轮15。所述的底盘2为正方形的铝合金板，中间开有正方形孔洞，正常工作状态时底盘2与地面平行。所述底盘2的下方固定四个全向轮驱动电机16和四个全向轮1，所述的四个全向轮驱动电机16位于四个角的位置，所述的四个全向轮1的安装中心在水平平面上位于同一圆周，分别由所述的四个全向轮驱动电机16带动转动。所述车架3安装在底盘2上表面，由四根立柱与上下两层层板组成。上层层板用于放置工控机4，下层层板用于存放中控电路的PCB电路板、锂电池和变压器等供电设备。所述存料辊5安装在所述车架3下层层板之下的两根立柱上，用于存放贴缝胶卷带。存料辊5的轴线方向与所述底盘2所在平面平行，并且平行于卷膜轮12的转轴。

所述全向轮驱动电机16由中控电路驱动。中控电路为一块PCB电路板，是本发明的控制枢纽，控制各部件的运动。

滑台D6固定安装在底盘2上表面，滑台D6长度方向与底盘2任意一轮廓边平行。如图2和图3，摄像头7通过第一连杆17滑动连接在滑台D6上，摄像头7镜头方向朝向地面，第一连杆17与滑台D6长度方向垂直且与底盘2平面平行，使第一连杆17沿滑台D6长度方向滑动时，第一连杆17可带动摄像头7沿第一方向(平行于滑台6长度方向)做直线运动。摄像头7与工控机4通过USB数据线连接。激光头8通过第二连杆18与滑台D6滑动连接，第二连杆18为L形，L形的两条边中，一条边与底盘2平面垂直并滑动连接在滑台D6上，与滑台D6长度方向垂直；另一边与滑台D6长度方向平行并在末端安装有激光头8。激光头8轴线方向与地面平面夹角30°，出光口指向所述摄像头7拍摄区域一侧。如图3所示，工作时，激光头8发射出一道一字线形激光L1至路面，激光L1的位置位于摄像头7的视野中，且一字线形激光L1长度方向与第一方向垂直。当路面存在裂缝时，激光L1不再是严格直线，在与裂缝相交处会产生变形，然后摄像头7拍摄图像并发送给工控机4进行处理。

所述的第一连杆17和第二连杆18均通过滑块D23滑动连接在所述的滑台D6上，实现二者在滑台D6上的同步滑动。

所述滑台D6为同步带直线滑台，摄像头7和激光头8可以沿滑台D6长度方向直线运动。

所述激光头8为一字线激光器，规格为Φ16×55mm发射光斑形状为一字线，一字线与所述滑台D6长度方向垂直。

所述工控机4、摄像头7、激光头8均连接至中控电路，进行自动控制及信号检测与处理。

摄像头7校正以保证摄像头7轴线方向与地面平面法向量垂直，然后摄像头7拍摄激光L1在地面上的变形图像通过USB数据线传送至工控机4进行算法处理，获得裂缝最深点，具体算法处理过程如下：

(1)提取成像红色通道，并做图像预处理，图像预处理分为滤波和阈值分割两个步骤。

首先对摄像头7拍摄的裂缝图像进行滤波处理：裂缝形态多样，周边环境复杂，摄像头7捕捉的裂缝图像轮廓很难满足后续的计算。采用高通滤波原理，利用滤波器的频率特性，滤去了低频率的波，留下高频率的波，实现了对图像的处理；锐化图像，来获得较清晰的裂缝轮廓。

随后对图像进行阈值分割：阈值分割，按图像的灰度特性将图像分成前景和后景两个图像，实现图像二值化。把裂缝的图像从路面的背景中提取出来。

(2)图像形态学运算。

在图像形态学运算中，先进行膨胀运算，再进行腐蚀运算，填充了裂缝内的细小空洞，有连接邻近物体和平滑边界的作用，以获得连续完整的裂缝图形。

(3)骨架提取。

首先获取一系列裂缝图像内“最大内切圆”的圆心点作为骨架点。最大内切圆是指在裂缝图像内以某点为圆心作的内切圆，如果该圆不被其他的任何内切圆包含，则此点为圆心做的内切圆为最大内切圆，此点为裂缝骨架点。将得到的一系列的骨架点连成线，即可得到裂缝的骨架，为下一步裂缝获取的实现提取交线做好准备工作。

(4)提取和判断激光L1变形，获得裂缝最深点。

激光头8在地面投射出的一字形激光L1也会出现在摄像头7拍摄的图像中，将一字形激光L1从图像中提取出来，如前所述，一字形激光L1与裂缝的交点处会产生变形，使一字形激光L1不再是严格的直线，将此交点称为“裂缝最深点”，参考图3。滑台D6带动摄像头7与激光头8沿直线移动，将拍摄的裂缝图像重复以上算法处理，可获得一系列的裂缝最深点，将这些点连成线，由此可获得最终的裂缝走向图，规划出碾压轮13的移动路线，并将碾轮13移动路线的控制指令传送至中控电路。

(5)所述的摄像头7与激光头8沿直线移动，摄像头7拍摄一系列的裂缝图像均重复以上算法处理(1)～(4)，可获得一系列的裂缝最深点，由此可获得最终的裂缝走向图，根据裂缝走向图，规划出碾压轮13的移动路线，并发送到中控电路。

参考图1和图2，滑台A9的两端安装在车架3位于下层层板之下的两个立柱上，且滑台A9位于存料辊5下方，滑台A9长度方向与第一方向(滑台D6长度方向)平行，即滑台A9长度方向与滑台D6长度方向平行，并且二者分别位于底盘2上的左右两侧。滑台A9上设置有滑块A20，滑台B10通过滑块20滑动连接在滑台A9上，且滑台B10长度方向与滑台A9长度方向垂直，滑块A20沿滑台A9长度方向运动时，滑台B10可跟随滑块A20沿第一方向运动，滑台A9和滑台B10的长度和运动区域能够覆盖底盘2上的正方形孔洞区域。滑台B10上设置有滑块B21，滑台C11通过滑块B21滑动连接于滑台B10上，且滑台C11长度方向与底盘2平面垂直，使滑块B21沿滑台B10长度方向运动时，滑台C11可跟随滑块B21沿第二方向(平行于滑台B10长度方向且垂直于滑台D6长度方向)运动。圆柱形的碾压轮13通过步进电机19固定在滑块C22，滑块C22滑动连接在滑台C11上，初始位置时，碾压轮13轴线方向与滑台B10长度方向平行。滑块C22沿滑台C11长度方向运动时，碾压轮13可跟随滑块C22沿第三方向(垂直于地面方向)运动，同时，碾压轮13可以在步进电机19的驱动绕第三方向转动。导向轮12固定连接在滑块C22上，可随滑块C22沿滑台C11长度方向滑动，实现导向轮12与碾压轮13在第三方向上的同步运动。导向轮12的轴线方向与碾压轮13轴线方向平行，导向轮12位于碾压轮13斜前上方，且由导向轮12轴线和碾压轮13轴线确定的平面与底盘2所在平面夹角θ₁＝60°。卷膜轮15固定连接在滑块C22上，卷膜轮15的轴线方向与碾压轮13轴线方向平行，卷膜轮15位于碾压轮13斜后上方，且由卷膜轮15轴线和碾压轮13轴线确定的平面与底盘2所在平面夹角θ₂＝60°，且θ₁和θ₂位于步进电机19轴线异侧。刀片14固定连接在碾压轮13的轮架上，位于卷膜轮15和碾压轮13之间，刀片14刀刃方向与碾压轮13平行。通过以上连接方式，滑块A20带动滑台B10沿滑台A9滑动，滑块B21带动滑台C11在滑台B10滑动，滑块C22带动导向轮12、卷膜轮15和碾压轮13在滑台C11上同步滑动。第一方向与第二方向相互垂直正交，构成的平面与地面水平面平行，通过两个方向运动的叠加可以使碾压轮13在滑台A9和滑台B10的长度范围内移动至平面任意位置，组合出裂缝的轨迹，实现沿裂缝发展方向运动。

存料辊5上贴缝胶宽约3cm，卷制成贴缝胶卷带，一面有黏性，另一面贴有塑料薄膜，不具有黏性。初始时，将存放在存料辊5上的贴缝胶引出，无黏性一面向前与导向轮12接触，用于张紧贴缝胶；接着贴缝胶从碾压轮13下方，即与地面接触的一侧穿过，无黏性一面与碾压轮13接触；之后将贴缝胶上黏附的塑料薄膜与贴缝胶剥离，塑料薄膜从刀片14的支架上方穿过，卷在后面的卷膜轮15上；剥掉塑料薄膜的贴缝胶位于刀片14下方。当工控机4判断地面存在裂缝并将规划出的碾压轮13的移动路线传送至中控电路时，中控电路控制滑块A20沿第一方向的运动和滑块B21沿第二方向的运动，使得碾压轮13位于裂缝起始位置的正上方；然后，中控电路控制滑台C11上的滑块C22沿第三方向向下运动，带动碾压轮13靠近地面，至贴缝胶与地面接触并压紧。中控电路控制卷膜轮15旋转，提供牵引贴缝胶的动力。配合卷膜轮15牵引贴缝胶及碾压轮13对贴缝胶的压力，贴缝胶沿裂缝轨迹粘贴在地面上。为了使贴缝胶的中线在粘贴过程中始终与裂缝重合，保证最好的粘贴效果，在裂缝轨迹存在不同的方向取向时，由步进电机19控制碾压轮13绕第三方向旋转到合适角度后，继续粘贴。如此可以实现在底盘上正方形孔洞范围内的所有裂缝的粘贴。当此区域内裂缝粘贴结束时，刀片14切断贴缝胶，中控电路控制滑块C22上升，准备移动到下一个区域工作。

所述的步进电机19与中控电路连接，根据中控电路的指令进行开启或停止工作。

完成一个区域内的裂缝粘贴工作后，贴缝机整体由全向轮1带动，向裂缝发展方向移动，重复裂缝识别、粘贴贴缝胶的工作步骤，直到完成对整条裂缝的粘贴。

所述的滑台A9、滑台B10和滑台C11均为滚珠丝杠滑台，由中控电路控制运动。

本发明中的全向轮驱动电机16、工控机4、滑块D23、滑块A20、滑块B21、滑块C22、步进电机19及卷膜轮15均由中控电路进行自动控制及信号检测与处理，如图4所示，本发明所述的沥青路面智能贴缝机的控制过程为：

首先，中控电路发送指令给全向轮驱动电机16，全向轮驱动电机16驱动全向轮1运动，所述的沥青路面智能贴缝机整体在地面上运动。

其次，中控电路控制滑块D23沿第一方向滑动，同时激光头8发射激光L1、摄像头7采集图像。

然后，摄像机7采集的图像在工控机4内进行算法处理，如果有裂缝，则可以得到碾压轮13的运动路线，并发送给中控电路；否则，持续采集图像并作算法处理。

最后，中控电路控制滑块A20、滑块B21、滑块C22、步进电机19及卷膜轮15，实现贴缝，具体为：

滑台A9上的滑块A20运动和滑台B10上的滑块B21运动，带动碾压轮13到底裂缝起始位置的正上方；滑台C11上的滑块C22运动，带动碾压轮13向下运动并压紧地面，卷膜轮15旋转牵引贴缝胶进行贴缝。根据需要，如果裂缝存在方向变化或转折等，由步进电机19驱动碾压轮13绕第三方向转动，保证碾压轮13上贴缝胶中线始终与裂缝重合，碾压轮13沿地面裂缝发展轨迹运动，实现所在区域内所有裂缝的粘贴工作。

Claims (9)

1.一种沥青路面智能贴缝机，其特征在于：包括全向轮、全向轮驱动电机、底盘、车架、工控机、存料辊、滑台D、摄像头、激光头、滑台A、滑台B、滑台C、导向轮、碾压轮、刀片和卷膜轮；所述的全向轮和全向轮驱动电机设置在所述的底盘下表面，所述的底盘上表面固定有车架，车架由四根立柱支撑上层板和下层板，所述的工控机位于上层板，所述的下层板用于安装中控电路；所述的存料辊位于下层板下方，固定在立柱上，存料辊轴线平行于导向轮轴线；所述的滑台D固定在底盘上一侧，滑台A固定在底盘上另一侧的两根立柱上，滑台D和滑台A平行；在所述的滑台D上通过滑块D固定摄像头和激光头，所述的滑块D可以带动摄像头和激光头在滑台D上沿长度方向滑动；所述的滑台A上通过滑块A连接滑台B，滑台B上通过滑块B连接滑台C，滑台C上设置滑块C，所述的导向轮卷膜轮均固定在所述的滑块C上，碾压轮通过步进电机固定在滑块C上，步进电机控制碾压轮在地面平面上的转动；所述的刀片位于碾压轮和卷膜轮之间，固定在碾压轮的轮架上；所述的摄像头与工控机连接，所述的工控机与中控电路连接，中控电路与驱动碾压轮转动的步进电机相连；所述的滑台A与滑台B长度方向垂直，形成的平面与地面平行；所述的滑台C长度方向与地面垂直；所述的底盘为正方形的铝合金板，中间开有正方形孔洞，正常工作状态时底盘与地面平行。

2.根据权利要求1所述的一种沥青路面智能贴缝机，其特征在于：所述的四个全向轮的安装中心在水平平面上位于同一圆周，分别由所述的四个全向轮驱动电机带动转动。

3.根据权利要求1所述的一种沥青路面智能贴缝机，其特征在于：激光头轴线方向与地面平面夹角30°，出光口指向所述摄像头拍摄区域一侧；工作时，激光头发射出一道一字线形激光L1至路面，激光L1的位置位于摄像头的视野中，且一字线形激光L1长度方向与第一方向垂直。

4.根据权利要求1所述的一种沥青路面智能贴缝机，其特征在于：所述激光头为一字线激光器，规格为Φ16×55mm发射光斑形状为一字线，一字线与所述滑台D长度方向垂直。

5.根据权利要求1所述的一种沥青路面智能贴缝机，其特征在于：摄像头拍摄激光L1在地面上变形的裂缝图像通过USB数据线传送至工控机进行算法处理，获得裂缝最深点；将这些点连成线，由此获得最终的裂缝走向图，规划出碾压轮的移动路线，并将碾轮移动路线的控制指令传送至中控电路。

6.根据权利要求5所述的一种沥青路面智能贴缝机，其特征在于：所述的工控机的算法处理过程如下：

(1)提取成像红色通道，并做图像预处理，图像预处理分为滤波和阈值分割两个步骤；

首先对摄像头拍摄的裂缝图像进行滤波处理，锐化图像，来获得清晰的裂缝轮廓；

随后对图像进行阈值分割，按图像的灰度特性将图像分成前景和后景两个图像，实现图像二值化，把裂缝的图像从路面的背景中提取出来；

(2)图像形态学运算；

在图像形态学运算中，先进行膨胀运算，再进行腐蚀运算，以获得连续完整的裂缝图形；

(3)骨架提取；

首先获取一系列裂缝图像内“最大内切圆”的圆心点作为骨架点；将得到的一系列的骨架点连成线，即可得到裂缝的骨架，为下一步裂缝获取的实现提取交线做好准备工作；最大内切圆是指在裂缝图像内以某点为圆心作的内切圆，如果该圆不被其他的任何内切圆包含，则此点为圆心做的内切圆为最大内切圆，此点为裂缝骨架点；

(4)提取和判断激光L1变形，获得裂缝最深点；

激光头在地面投射出的一字形激光L1也会出现在摄像头拍摄的图像中，将一字形激光L1从图像中提取出来，一字形激光L1与裂缝的交点处会产生变形，使一字形激光L1不再是严格的直线，将此交点称为“裂缝最深点”；

(5)滑台D带动摄像头与激光头沿直线移动，将拍摄的裂缝图像重复以上步骤(1)～(4)的算法处理，获得一系列的裂缝最深点。

7.根据权利要求1所述的一种沥青路面智能贴缝机，其特征在于：滑台A和滑台B的长度和运动区域能够覆盖底盘上的正方形孔洞区域。

8.根据权利要求1所述的一种沥青路面智能贴缝机，其特征在于：导向轮的轴线方向与碾压轮轴线方向平行，导向轮位于碾压轮斜前上方，且由导向轮轴线和碾压轮轴线确定的平面与底盘所在平面夹角θ₁＝60°；卷膜轮的轴线方向与碾压轮轴线方向平行，卷膜轮位于碾压轮斜后上方，且由卷膜轮轴线和碾压轮轴线确定的平面与底盘所在平面夹角θ₂＝60°，且θ₁和θ₂位于步进电机轴线异侧。

9.一种应用权利要求1所述的一种沥青路面智能贴缝机进行贴缝的方法，其特征在于：

首先，中控电路发送指令给全向轮驱动电机，全向轮驱动电机驱动全向轮运动，所述的沥青路面智能贴缝机整体在地面上运动；

其次，中控电路控制滑块D沿第一方向滑动，同时激光头发射激光L1、摄像头采集图像；

然后，摄像机采集的图像在工控机内进行算法处理，如果有裂缝，则得到碾压轮的运动路线，并发送给中控电路；否则，持续采集图像并作算法处理；

最后，中控电路控制滑块A、滑块B、滑块C、步进电机及卷膜轮，实现贴缝，具体为：

滑台A上的滑块A运动和滑台B上的滑块B运动，带动碾压轮到底裂缝起始位置的正上方；滑台C上的滑块C运动，带动碾压轮向下运动并压紧地面，卷膜轮旋转牵引贴缝胶进行贴缝；根据需要，由步进电机驱动碾压轮绕第三方向转动，保证碾压轮上贴缝胶中线始终与裂缝重合，碾压轮沿地面裂缝发展轨迹运动，实现所在区域内所有裂缝的粘贴工作。