CN110333037A - 基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统和方法，包括测距模块、动态检测模块和上位机合成模块；利用测距模块中检测轮的转数检测距离，利用动态检测模块中倾角传感器检测夹角，通过上位机合成模块计算高速公路护栏板的挠度，提高了检测的效率，检测结果稳定可靠，符合检测需求。

Description

基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统和方法

技术领域

本发明属于动态检测及维护技术领域，具体涉及基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统和方法。

背景技术

当车辆与护栏板发生碰撞时，护栏板会发生曲面延展、横向(垂直于道路的延伸方向)弯曲变形甚至断裂的现象，由此导致护栏板的挠度、倾斜角度不合规范。护栏板的挠度及其与铅垂方向的夹角，决定了护栏板在面对车辆碰撞时吸收冲击力的能力，当挠度和夹角超过安全数值范围时，如果不及时检测维修，护栏板吸收来自事故车辆撞击力的能力将会下降，以至于出现事故车辆卡在护栏板的断裂位置，甚至冲出路面的现象。

现有的挠度缺陷检测主要通过人眼观测进行，效率低下且不稳定，不能满足目前国内长距离、大规模检测的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统和方法，用于快速、准确检测高速公路护栏板的挠度和倾角。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统，包括测距模块、动态检测模块和上位机合成模块；测距模块包括测量装置，用于测量系统在当前高速公路护栏板处的行驶距离；动态检测模块用于检测高速公路护栏板的动态水平夹角；上位机合成模块通过不同的信号输入端分别与测距模块的信号输出端和动态检测模块的信号输出端连接，用于接收测距模块和动态检测模块输出的数据并计算高速公路护栏板的挠度。

按上述方案，所述的测量装置包括测距轮和光电开关传感器，测距轮用于在待测的高速公路护栏板对应的地面上滚动，光电开关传感器用于读取测距轮滚动的转数。

按上述方案，所述测距模块还包括归零装置，所述的归零装置包括激光光电传感器，用于检测系统所处的当前位置是否为高速公路护栏板的连接处，如处在高速公路护栏板的连接处将行驶距离清零，并使测量装置继续检测系统在下一块高速公路护栏板处的行驶距离。

按上述方案，所述的动态检测模块包括双轴动态倾角传感器，用于测量高速公路护栏板在水平面上与标准护栏板延伸方向的转角，以及在竖直面上倾斜护栏板的倾角。

基于倾角传感器的高速公路护栏板检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：清零行驶距离x_j并将系统置于待测高速公路护栏板的连接处开始测量；

步骤S2：测量行驶距离x_j；判断当前位置是否为高速公路护栏板的连接处，若是则跳转至步骤S5；若否则上报行驶距离x_j；

步骤S3：检测当前位置的高速公路护栏板的水平夹角Q_j，并上报数据；

步骤S4：根据步骤S2收到的行驶距离x_j和步骤S3收到的水平夹角Q_j，计算系统所处的当前位置对应的高速公路护栏板的位移y(x_j，Q_j)；从步骤S2开始循环；

步骤S5：比较步骤S4得到的高速公路护栏板的每个点的位移y(x_j，Q_j)，取最大值为高速公路护栏板的挠度。

进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：

步骤S21：将测量装置的测距轮置于待测的高速公路护栏板对应的地面上滚动，通过测量装置的光电开关传感器读取测距轮滚动的转数，根据测距轮的转数和直径计算系统的行驶距离x_j；

步骤S22：通过测距模块的归零装置判断系统所处的当前位置是否为高速公路护栏板的连接处，若是则清零行驶距离x_j并跳转至步骤S5；若否则将步骤S21得到的行驶距离上报给上位机合成模块。

进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：

步骤S31：动态检测模块检测高速公路护栏板在水平面上与标准护栏板延伸方向的转角Q_j，以及在竖直面上倾斜高速公路护栏板的倾角θ_j；

步骤S32：判断步骤S31得到的倾角θ_j是否超过预设值，若是则标记行驶距离x_j，并将行驶距离x_j、倾角θ_j和转角Q_j上报给上位机合成模块；若否则将转角Q_j上报给上位机合成模块。

进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：

步骤S41：在一块高速公路护栏板的检测过程中，设步骤S2收到的行驶距离x_j和步骤S3收到的水平夹角Q_j共有k组，设高速公路护栏板的挠度曲线为y，选取n维空间下的一组线性无关的幂函数g_j(x)为基函数，x_j是基函数g_j(x)的常系数，设A(x)为满足高速公路护栏板的连接处约束条件的函数，构造高速公路护栏板的变形曲线描绘函数y(x_j，Q_j)：

设高速公路护栏板的连接处位移为零，行驶距离为L，得到

A(x)＝x(x-L)，

对变形曲线描绘函数y(x_j，Q_j)求导，设A’(x)、g_j’(x)分别为A(x)、g_j(x)对x的一阶导数，得到

设A_j为系数，C_j(x)为系数A_j对应的函数项，得到

步骤S42：将行驶距离x_j和水平夹角Q_j代入步骤S41得到的公式，得到：

由于矩阵

是可逆的非奇异矩阵，所以将上述公式改写为如下形式：

设D_j(x)为系数A_j对应的函数项，得到高速公路护栏板的变形曲线描绘函数：

步骤S43：将步骤S2收到的行驶距离x_j代入步骤S42得到的高速公路护栏板的变形曲线描绘函数，计算高速公路护栏板各个点的位移；

步骤S44：从步骤S2开始循环。

本发明的有益效果为：

本发明的基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统和方法，利用检测轮的转数计算距离，利用倾角传感器计算夹角，通过上位机计算完成高速公路护栏板挠度检测的工作，提高了检测的效率，检测结果稳定可靠，符合检测需求。

附图说明

图1是本发明实施例的功能框图。

图2是本发明实施例的流程图。

图3是本发明实施例的高速公路护栏板受力模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统包括测距模块、动态检测模块和上位机合成模块。测距模块包括测量装置和归零装置；测量装置包括测距轮和光电开关传感器，测距轮用于在待测的高速公路护栏板对应的地面上滚动，光电开关传感器用于读取测距轮滚动的转数；归零装置包括激光光电传感器，在高速公路护栏板下方发射出垂直于高速公路护栏板的激光，用于检测系统所处的当前位置是否为高速公路护栏板的连接处；测距模块用于测量系统在当前高速公路护栏板处的行驶距离，在高速公路护栏板的连接处将行驶距离清零并检测系统在下一块高速公路护栏板处的行驶距离。动态检测模块包括双轴动态倾角传感器，用于测量高速公路护栏板在水平面上与标准护栏板延伸方向(水平方向)的转角Q_j，以及在竖直面上倾斜护栏板的倾角θ_j，从而得到高速公路护栏板的动态水平夹角；倾角θ_j超过许可值时由上位机合成模块上传并在跟踪定位区标出位置点以便后续查看维修。上位机合成模块通过不同的信号输入端分别与测距模块的信号输出端和动态检测模块的信号输出端连接，用于接收测距模块和动态检测模块输出的数据并计算高速公路护栏板的挠度。

高速公路护栏板是波形梁护栏。在事故中，波形梁护栏的受力过程是动态变化的，但在检测中得到的是静态变形量。为使理论值更接近测量值和简化计算，采用简支梁模型来分析高速公路护栏板在受力作用下的变形情况。在简支梁模型中，最大挠度值为模型中点处的挠度值。在结构力学中，不论简支梁受到什么荷载作用，只要挠曲线上无拐点，最大挠度值都可用梁跨中点处的挠度值来代替，其精确度能满足工程计算的需要。

参见图3，确定模型中的荷载作用位于高速公路护栏板的中点。检测护栏板的挠度时认为高速公路护栏板的变形形状为圆滑曲线，且限制其连接部分挠度为零，因此对不同高速公路护栏板的分别进行挠度检测。根据高速公路护栏板损坏的等级划分标准，高速公路护栏板最大挠度值大于或等于425mm时损坏等级为严重，按国家标准一块高速公路护栏板的长度为4m；若一块高速公路护栏板的最大挠度为425mm，计算得到此块护栏板的最大转角约为17°，对应的余弦值为0.96；故采用系统在高速公路护栏板的挠曲线上距高速公路护栏板连接处的行驶距离L_j代替在系统在基准线上的对应位置距高速公路护栏板连接处的距离x_j，计算结果的精确度能满足工程计算的需要。

参见图2，基于倾角传感器的高速公路护栏板检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：清零行驶距离x_j并将系统置于待测高速公路护栏板的连接处开始测量；

步骤S2：通过测距模块的测量装置测量行驶距离x_j；通过测距模块的归零装置判断系统所处的当前位置是否为高速公路护栏板的连接处，若是则清零行驶距离x_j并跳转至步骤S5；若否则将行驶距离x_j上报给上位机合成模块；

步骤S21：将测距轮置于待测的高速公路护栏板对应的地面上滚动，通过光电开关传感器读取测距轮滚动的转数，已知测距轮的直径，根据测距轮的转数计算系统的行驶距离x_j；

步骤S22：通过激光光电传感器判断系统所处的当前位置是否为高速公路护栏板的连接处，若是则清零行驶距离x_j并跳转至步骤S5；若否则将步骤S21得到的行驶距离上报给上位机合成模块。

步骤S3：通过动态检测模块检测系统所处的当前位置的高速公路护栏板的水平夹角Q_j，并将数据上报给上位机合成模块；

步骤S31：双轴动态倾角传感器检测高速公路护栏板在水平面上与标准护栏板延伸方向的转角Q_j，以及在竖直面上倾斜高速公路护栏板的倾角θ_j；

步骤S32：判断步骤S31得到的倾角θ_j是否超过预设值，若是则标记行驶距离x_j，并将行驶距离x_j、倾角θ_j和转角Q_j上报给上位机合成模块；若否则将转角Q_j上报给上位机合成模块。

步骤S4：上位机合成模块根据步骤S2收到的行驶距离x_j和步骤S3收到的水平夹角Q_j，计算系统所处的当前位置对应的高速公路护栏板的位移y(x_j，Q_j)；并从步骤S2开始循环；

步骤S41：在一块高速公路护栏板的检测过程中，设步骤S2收到的行驶距离x_j和步骤S3收到的水平夹角Q_j共有k组，设高速公路护栏板的挠度曲线为y，选取n维空间下的一组线性无关的幂函数g_j(x)为基函数，x_j是基函数g_j(x)的常系数，设A(x)为满足高速公路护栏板的连接处约束条件的函数，构造高速公路护栏板的变形曲线描绘函数y(x_j，Q_j)：

设高速公路护栏板的连接处位移为零，行驶距离为L，得到

A(x)＝x(x-L)，

对变形曲线描绘函数y(x_j，Q_j)求导，设A’(x)、g_j’(x)分别为A(x)、g_j(x)对x的一阶导数，得到

设A_j为系数，C_j(x)为系数A_j对应的函数项，得到

步骤S42：将行驶距离x_j和水平夹角Q_j代入步骤S41得到的公式，得到：

由于矩阵

是可逆的非奇异矩阵，所以将上述公式改写为如下形式：

即

A_j＝C_j(x)^-1tanQ_j，

设D_j(x)为系数A_j对应的函数项，用Cj(x)^-1tanQ_j替代得到高速公路护栏板的变形曲线描绘函数：

步骤S43：将步骤S2收到的行驶距离x_j和步骤S3收到的水平夹角Q_j代入步骤S42得到的高速公路护栏板的变形曲线描绘函数，计算高速公路护栏板各个点的位移；

步骤S44：从步骤S2开始循环。

步骤S5：上位机合成模块比较步骤S4得到的高速公路护栏板的每个点的位移y(x_j，Q_j)，取最大值为高速公路护栏板的挠度。

综上所述，本发明的基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统和方法利用测距模块中检测轮的转数检测距离，利用动态检测模块中倾角传感器检测夹角，通过上位机合成模块计算高速公路护栏板的挠度，提高了检测的效率，检测结果稳定可靠，符合检测需求。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统，其特征在于：包括测距模块、动态检测模块和上位机合成模块；测距模块包括测量装置，用于测量系统在当前高速公路护栏板处的行驶距离；动态检测模块用于检测高速公路护栏板的动态水平夹角；上位机合成模块通过不同的信号输入端分别与测距模块的信号输出端和动态检测模块的信号输出端连接，用于接收测距模块和动态检测模块输出的数据并计算高速公路护栏板的挠度。

2.根据权利要求1所述的基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统，其特征在于：所述的测量装置包括测距轮和光电开关传感器，测距轮用于在待测的高速公路护栏板对应的地面上滚动，光电开关传感器用于读取测距轮滚动的转数。

3.根据权利要求1所述的基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统，其特征在于：所述测距模块还包括归零装置，所述的归零装置包括激光光电传感器，用于检测系统所处的当前位置是否为高速公路护栏板的连接处，如处在高速公路护栏板的连接处将行驶距离清零，并使测量装置继续检测系统在下一块高速公路护栏板处的行驶距离。

4.根据权利要求1所述的基于倾角传感器的高速公路护栏板检测系统，其特征在于：所述的动态检测模块包括双轴动态倾角传感器，用于测量高速公路护栏板在水平面上与标准护栏板延伸方向的转角，以及在竖直面上倾斜护栏板的倾角。

5.基于倾角传感器的高速公路护栏板检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：清零行驶距离x_j并将系统置于待测高速公路护栏板的连接处开始测量；

步骤S2：测量行驶距离x_j；判断当前位置是否为高速公路护栏板的连接处，若是则跳转至步骤S5；若否则上报行驶距离x_j；

步骤S3：检测当前位置的高速公路护栏板的水平夹角Q_j，并上报数据；

步骤S4：根据步骤S2收到的行驶距离x_j和步骤S3收到的水平夹角Q_j，计算系统所处的当前位置对应的高速公路护栏板的位移y(x_j，Q_j)；从步骤S2开始循环；

步骤S5：比较步骤S4得到的高速公路护栏板的每个点的位移y(x_j，Q_j)，取最大值为高速公路护栏板的挠度。

6.根据权利要求5所述的基于倾角传感器的高速公路护栏板检测方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：

步骤S21：将测量装置的测距轮置于待测的高速公路护栏板对应的地面上滚动，通过测量装置的光电开关传感器读取测距轮滚动的转数，根据测距轮的转数和直径计算系统的行驶距离x_j；

步骤S22：通过测距模块的归零装置判断系统所处的当前位置是否为高速公路护栏板的连接处，若是则清零行驶距离x_j并跳转至步骤S5；若否则将步骤S21得到的行驶距离上报给上位机合成模块。

7.根据权利要求5所述的基于倾角传感器的高速公路护栏板检测方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：

步骤S31：动态检测模块检测高速公路护栏板在水平面上与标准护栏板延伸方向的转角Q_j，以及在竖直面上倾斜高速公路护栏板的倾角θ_j；

步骤S32：判断步骤S31得到的倾角θ_j是否超过预设值，若是则标记行驶距离x_j，并将行驶距离x_j、倾角θ_j和转角Q_j上报给上位机合成模块；若否则将转角Q_j上报给上位机合成模块。

8.根据权利要求5所述的基于倾角传感器的高速公路护栏板检测方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：

步骤S41：在一块高速公路护栏板的检测过程中，设步骤S2收到的行驶距离x_j和步骤S3收到的水平夹角Q_j共有k组，设高速公路护栏板的挠度曲线为y，选取n维空间下的一组线性无关的幂函数g_j(x)为基函数，x_j是基函数g_j(x)的常系数，设A(x)为满足高速公路护栏板的连接处约束条件的函数，构造高速公路护栏板的变形曲线描绘函数y(x_j，Q_j)：

设高速公路护栏板的连接处位移为零，行驶距离为L，得到

A(x)＝x(x-L)，

对变形曲线描绘函数y(x_j，Q_j)求导，设A’(x)、g_j’(x)分别为A(x)、g_j(x)对x的一阶导数，得到

设A_j为系数，C_j(x)为系数A_j对应的函数项，得到

步骤S42：将行驶距离x_j和水平夹角Q_j代入步骤S41得到的公式，得到：

由于矩阵

是可逆的非奇异矩阵，所以将上述公式改写为如下形式：

设D_j(x)为系数A_j对应的函数项，得到高速公路护栏板的变形曲线描绘函数：

步骤S43：将步骤S2收到的行驶距离x_j代入步骤S42得到的高速公路护栏板的变形曲线描绘函数，计算高速公路护栏板各个点的位移；

步骤S44：从步骤S2开始循环。