CN108803312B - 一种新型道路损坏检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型道路损坏检测系统，包括主控制器模块、北斗定位模块、超声波检测模块、图像采集模块、人机交互模块和网络传输模块；主控制器模块通过超声波检测模块检测到道路损坏时，同步控制图像采集模块采集道路损坏图像，以及控制北斗定位模块采集道路损坏处的厘米级坐标，通过人机交互模块监测超声波采集的波形和波速、北斗坐标定位数据，网络传输模块用于传输道路损坏数据至远程服务器。本发明通过超声波检测模块可检测道路损坏现象，可实现无损自动检测，北斗定位模块定位的坐标可精确到厘米级，并且主控制器采用模糊控制算法，检测精度高效率快，实用价值高，可大大节省人力和物力。

Description

一种新型道路损坏检测系统
技术领域
本发明涉及交通道路检测领域，具体涉及一种新型道路损坏检测系统。
背景技术
随着交通量的增加，以及交通荷载、环境等因素的影响，路面逐渐产生了各种病害，甚至一些高速公路沥青路面开放交通2～3年就出现坑槽、开裂、车辙、表面功能不足等破坏现象，使路面使用性能大大降低，严重影响路面的使用质量和服务寿命，不仅造成巨大的经济损失，而且产生恶劣的负面社会影响。
据交通运输行业发展统计公报分析，公路行业将从大规模建设周期逐步过渡到大规模养护周期。大规模的养护给路面快速检测技术带来了更高的挑战，也为路面快速检测技术发展和养护业务模式改变提供了巨大机遇，因此，有必要设计快速路面检测系统，为大规模养护检测提供技术支持。
目前市场现有检测方案中，人工检测效率很低，并且现有检测仪器对于平整度、裂缝、车辙等损坏基本上采用相对独立的技术路线，意味着检测设备需要根据检测指标的增减而进行调整，导致系统复杂度高、集成度低，维护性和可靠性差，造价高。此外，市场上大多数采用图像检测，但是其无法检测路面内部病害，而且传统采用的GPS定位模块的定位误差高达十米，精度差，效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型道路损坏检测系统，解决传统道路检测系统效率低，功能单一，造价高，定位精度差且不能检测道路内部隐患病害的问题。
实现本发明目的的技术方案为：一种新型道路损坏检测系统，包括主控制器模块、北斗定位模块、超声波检测模块、图像采集模块、人机交互模块和网络传输模块；
所述主控制器模块根据超声波检测模块检测结果，基于模糊控制算法判断道路是否损坏；当检测到道路损坏时，主控制器模块同步控制图像采集模块采集道路损坏图像，以及控制北斗定位模块采集道路损坏处的厘米级坐标，通过人机交互模块监测超声波采集的波形和波速、北斗坐标定位数据，网络传输模块用于传输道路损坏数据至远程服务器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用超声波检测技术，相比传统的图像识别检测以及激光检测，不仅可以检测到道路表面的裂缝，而且可探测到道路内部的隐藏的空洞等损伤，可以做到提前检测提前防护，防止道路损坏变大；(2)本发明采用北斗卫星高精度模块，其采用实时动态载波相位差分技术，定位精度可精确到厘米级，而现有的GPS导航定位模块误差达到十米；即使检测车在高速行驶状态，也能准确抓取到道路损伤的准确位置坐标，适合长距离高速连续检测，大大提高了检测效率；(3)本发明采用高速摄像头进行图像采集，它能够以很高的频率记录图像，高速摄像机一般可以每秒1000～10000帧的速度记录，即使检测车在高速形式也能抓取到道路表面的损坏情况，后期维护人员能够根据道路损坏的图像判断道路损坏的程度；(4)主控制器算法利用模糊控制算法，可根据利用经验知识来确定道路是否损伤的可能性，而不需要建立超声波检测系统的精确模型，而且其模型复杂很难建立，在提高检测精度和效率的基础上又解决了超生波检测系统模型难以建立的问题。
附图说明
图1是本发明的新型道路损坏检测系统结构示意图。
图2是本发明的新型道路损坏检测系统框架图。
图3是超声波检测模块示意图。
图4是模糊控制算法框图。
图5是模糊控制输入量e、de/dt和输出量u的隶属度函数图。
图6是道路检测系统软件设计和现场维护流程图。
具体实施方式
结合图1、图2，一种新型道路损坏检测系统，包括主控制器模块1、北斗定位模块2、超声波检测模块3、图像采集模块4、人机交互模块5和网络传输模块6；
所述主控制器模块1根据超声波检测模块3检测结果，基于模糊控制算法判断道路是否损坏；当检测到道路损坏时，主控制器模块1同步控制图像采集模块4采集道路损坏图像，以及控制北斗定位模块2采集道路损坏处的厘米级坐标，通过人机交互模块5监测超声波采集的波形和波速、北斗坐标定位数据，网络传输模块6用于传输道路损坏数据至远程服务器。
所述主控制器模块1的控制算法为模糊控制算法，根据现场操作人员的经验和相关专家的知识编写控制算法，在设计中不需要建立超声波检测系统复杂的数学模型，自动判别道路是否损坏，提高后期道路维护人员的效率。该模糊控制算法采用两输入单输出结构，将正常道路测量的超声波波速值与超声波检测模块3实时收到的超声波波速值之间的误差e及误差的变化率de/dt作为输入量，将模糊判断结果u作为输出量；如图4所示，模糊控制算法具体设计过程如下：
(1)将超声波波速的误差e及误差的变化率de/dt和模糊判断结果u进行模糊化，误差e、误差的变化率de/dt语言值的模糊子集均为{负大，负小，零，正小，正大}，记为{NB，NS，ZO，PS，PB}，将其量化为5个等级{-10，-5，0，+5，+10}；将模糊判断结果u的语言值的模糊子集为{没有损坏，较小可能损坏，可能损坏，较大可能损坏，肯定损坏}，记为{ZO，PS，PM，PB，PP}，将其量化为5个等级{0，0.25，0.5，0.75，1}来表示道路损坏的可能性；
(2)采用三角函数建立输入量和输出量的隶属度函数；
(3)根据多次测量经验编写的模糊规则库进行模糊推理，采用“if条件，then结果”的形式，组成25条模糊控制规则；
(4)采用加权平均法进行解模糊化，加权平均算法公式为
Figure BDA0001634180130000031
其中ui为模糊值，μ(ui)为模糊值的隶属度，u0为评估结果。
所述北斗定位模块2的天线安装于车顶处来接收信号。该模块采用RTK实时差分技术，具备厘米级的精确定位能力，即使检测车在高速行驶中，也能准确得到道路损坏处的厘米级坐标。
结合图3，所述超声波检测模块3包括1个超声波发射探头7和1个超声波接收探头8，分别安装于车前部两侧，两个探头的距离为整个车道。当超声波发射探头7发射超声波穿过非均匀的沥青混凝土，遇到空洞、裂纹等损伤时会发生绕射、透射、反射等现象，导致波速下降，波时延长，波形变化，超声波能量损失，因此可以根据超声波波速的变化来判断道路的损伤情况。
所述图像采集模块4采用高速摄像机，安装于车前部，照射角度为向下45°，可拍摄整个车道，当超声波检测模块3检测到道路损坏时，立即触发高速摄像机拍摄道路损坏情况图像，以给后期道路维护人员更直观的图像数据。
所述人机交互模块5包括LCD显示器、操作键盘和鼠标。所述网络传输模块6利用4G通信系统进行数据传输至远端服务器。
本发明通过超声波检测模块可检测道路损坏现象，当检测到道路损坏时，控制器将同步控制高速摄像机拍摄道路损坏处图像，触发北斗高精度定位模块记录道路损坏位置的精确坐标，并将数据上传至云端服务器，这样，后期道路维护人员可根据图像确定道路损坏程度，根据精确坐标准确及时找到道路损坏位置。本发明可实现无损自动检测，北斗定位模块定位的坐标可精确到厘米级，并且主控制器采用模糊控制算法，检测精度高效率快，实用价值高，可大大节省人力和物力
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1、图2所示，一种新型道路损坏检测系统，包括主控制器模块1、北斗定位模块2、超声波检测模块3、图像采集模块4、人机交互模块5和网络传输模块6；
主控制模块采用芯片为32位的STM32模块，由于控制算法采用模糊控制算法，根据超声波检测模块采集的超声波波速，利用现场工作人员或相关专家多次测试的经验编写算法，可检测裂缝、推移、坑槽、沉陷、内部空洞等多种类别，并将传输至远端数据库进行处理，提高后期维护人员的效率。
如图3所示，超声波检测模块采用1个超声波发射探头安装于车前左侧，用于发射超声波，1个超声波接受探头安装于车前右侧，用于接收超声波，两个探头的距离覆盖整个车道。如图3所示。超声波检测模块3采用500KHz的超声波发射探头7，垂直向下45°朝向地面并置于检测车左侧，超声波接受探头8垂直向下45°朝向地面并置于检测车右侧，两者检测距离能够覆盖整个车道宽度，本实施例中车道宽度为3.75m。
图像采集模块采用高速摄像机，向下45°照射，安装于车前，可拍摄超声波检测模块检测的整个车道。
北斗高精度定位模块的天线放在车顶处，用于接受北斗卫星的信号。
超声波波波形和波速、道路损坏图像、北斗高精度定位坐标数据将传输给主控制器进行处理，主控制器将根据设定的模糊控制算法判断道路是否损坏的可能性，并将图像和坐标通过网络传输模块传输给远程的服务器。
网络传输模块采用4G模块，可远程传输大容量的图像。
所述模糊控制算法，采用两输入单输出结构，将正常道路测量的超声波波速值与超声波传感器实时收到的超声波波速值之间的误差e及误差的变化率de/dt作为输入量，将模糊判断结果u作为输出量。如图4所示，模糊控制算法具体设计过程如下：
(1)将超声波波速的误差e及误差的变化率de/dt和模糊判断结果u进行模糊化，误差e、误差的变化率de/dt语言值的模糊子集都为{负大，负小，零，正小，正大}，记为{NB，NS，ZO，PS，PB}，将其量化为5个等级{-10，-5，0，+5，+10}。将模糊判断结果u的语言值的模糊子集为{没有损坏，较小可能损坏，可能损坏，较大可能损坏，肯定损坏}，记为{ZO，PS，PM，PB，PP}，将其量化为5个等级{0，0.25，0.5，0.75，1}来表示道路损坏的可能性结果。
(2)采用三角函数建立输入量和输出量的隶属度函数，其输入量和输出量的隶属度函数如图5所示。
(3)根据多次测量经验编写的模糊规则库进行模糊推理，其模糊规则表如表1所示，采用“if条件，then结果”的形式，可组成25条模糊控制规则。
表1模糊规则表
Figure BDA0001634180130000051
(4)采用加权平均法进行解模糊化，加权平均算法公式为
Figure BDA0001634180130000052
其中ui是模糊值，μ(ui)是模糊值的隶属度，u0是评估结果，也就是得到的检测结果来判断道路是否损坏的可能性。
所述超声波传感器选用较低频率的超声波，频率为500KHz，这主要是因为沥青混凝土为非均匀材料，散射作用使材料对声波的衰减较大，方向性差，频率越高，传播距离越小，绕过颗粒的能力越差。
所述超声波传感器，由于材料的强度愈高，穿过它的超声波波速值就愈高，反之，则愈低。沥青混凝土是多组分的集合体，各组分有不同的物理特性，当沥青混凝土中出现损伤时，沥青超声波在各组分界面和损伤处发生杂乱无章的反射、折射、透射、绕射等，使得能量不断损失，导致接收声学参数异常，正是这些异常声学参数为道路损伤检测提供了依据。本发明是根据超声波在正常路面和有缺陷的路面中的波速不同，判断道路是否损坏，超声波传感器模块发射和接收超声波示意图如图3所示。
所述北斗高精度定位模块采用实时动态载波相位差分技术。该系统由1台基准站北斗接收机和若干流动站北斗定位接收机组成，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集北斗观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位坐标。
所述图像采集模块采用高速摄像机，当超声波检测模块检测到道路损坏时，将立即触发高速摄像机抓拍路面损坏图像，给后期维护者更加直观的数据图像。
所述用户交互模块包括LCD显示屏以及操作键盘和鼠标，LCD显示屏将实时显示收到的超声波波形和波速数据、北斗高精度定位实时坐标以及高速摄像机采集的图像，操作键盘和鼠标可用来调节LCD的显示。人机交互模块及主控制器模块放在车内，以供道路检测人员进行调试和检测来进行人机交互。
道路检测系统工作流程如图6所示，检测车出发开始检测时系统开机，超声波检测模块开始检测道路损坏情况，北斗高精度定位模块开始定位，主控制器将根据模糊控制规则通过判断收到的超声波的波速是否异常来检测道路是否损坏。当检测到道路损坏时，立即触发高速摄像机拍摄道路损坏图像，并记录北斗高精度定位的位置坐标。网络传输模块将图像信息和北斗模块定位的高精度位置坐标发送至远程服务器。至此，系统完成了一次道路损坏检测。
道路维护人员下载服务器的图像和坐标信息，并据此确认道路损坏的程度，然后根据北斗系统定位的精确坐标到现场维护损坏的道路，至此，完成了整个的道路检测、定位及维护。
本发明利用超声波和北斗高精度定位，做到了多种道路病害的检测，并且北斗定位模块精度达到厘米级，精度高，具有重要的经济和社会意义。

Claims (7)

1.一种新型道路损坏检测系统，其特征在于，包括主控制器模块(1)、北斗定位模块(2)、超声波检测模块(3)、图像采集模块(4)、人机交互模块(5)和网络传输模块(6)；
所述主控制器模块(1)根据超声波检测模块(3)检测结果，基于模糊控制算法判断道路是否损坏；当检测到道路损坏时，主控制器模块(1)同步控制图像采集模块(4)采集道路损坏图像，以及控制北斗定位模块(2)采集道路损坏处的厘米级坐标，通过人机交互模块(5)监测超声波采集的波形和波速、北斗坐标定位数据，网络传输模块(6)用于传输道路损坏数据至远程服务器；
所述模糊控制算法采用两输入单输出结构，将正常道路测量的超声波波速值与超声波检测模块实时收到的超声波波速值之间的误差e及误差的变化率de/dt作为输入量，将模糊判断结果u作为输出量；模糊控制算法具体设计过程如下：
(1)将超声波波速的误差e及误差的变化率de/dt和模糊判断结果u进行模糊化，误差e、误差的变化率de/dt语言值的模糊子集均为{负大，负小，零，正小，正大}，记为{NB，NS，ZO，PS，PB}，将其量化为5个等级{-10，-5，0，+5，+10}；将模糊判断结果u的语言值的模糊子集{没有损坏，较小可能损坏，可能损坏，较大可能损坏，肯定损坏}，记为{ZO，PS，PM，PB，PP}，将其量化为5个等级{0，0.25，0.5，0.75，1}来表示道路损坏的可能性结果；
(2)采用三角函数建立输入量和输出量的隶属度函数；
(3)根据多次测量经验编写的模糊规则库进行模糊推理，组成25条模糊控制规则；
(4)采用加权平均法进行解模糊化，加权平均算法公式为
Figure FDA0002960443700000011
其中μi为模糊值，μ(μi)为模糊值的隶属度，μ0为评估结果。
2.根据权利要求1所述的新型道路损坏检测系统，其特征在于，所述北斗定位模块(2)的天线安装于车顶处来接收信号。
3.根据权利要求1所述的新型道路损坏检测系统，其特征在于，所述超声波检测模块(3)包括1个超声波发射探头(7)和1个超声波接收探头(8)，分别安装于车前部两侧，两个探头的距离为整个车道。
4.根据权利要求1所述的新型道路损坏检测系统，其特征在于，所述超声波检测模块(3)采用500KHz的超声波发射探头。
5.根据权利要求1所述的新型道路损坏检测系统，其特征在于，所述图像采集模块(4)采用高速摄像机，安装于车前部，照射角度为向下45°，可拍摄整个车道，当超声波检测模块(3)检测到道路损坏时，立即触发高速摄像机拍摄道路损坏情况图像。
6.根据权利要求1所述的新型道路损坏检测系统，其特征在于，所述人机交互模块(5)包括LCD显示器、操作键盘和鼠标。
7.根据权利要求1所述的新型道路损坏检测系统，其特征在于，所述网络传输模块(6)利用4G通信系统进行数据传输至远端服务器。
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