CN111733673A - 基于移动平台的路面不平度非接触测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于移动平台的路面不平度非接触测量方法及其装置，属于车辆动力学仿真技术领域。本发明提供了一种路面不平度的测量方法及装置，通过测距传感器和三维摄像装置的双数据采集融合，非接触式测量方式，在计算机系统内重建平度数字模型。首先，采用密集排布的测距传感器组成矩阵形式，形成“面”，采用“以面测面”的方法，即以测距传感器矩阵面测量路面，改进了“以点测面”的缺陷，具有非接触式测量、不损坏路面形状、使用方便灵活等优点。其次，测量方法中，同时采用三维摄像装置拍摄被采集路面，测距传感器和三维摄像装置采集数据进行比对综合，形成数字模型，相较于单纯凭借三维摄像装置空拍和测距，更加准确可靠。

Description

基于移动平台的路面不平度非接触测量方法及其装置

技术领域

本发明属于车辆动力学仿真技术领域，具体涉及一种基于移动平台的路面不平度非接触测量方法及其装置。

背景技术

路面不平度在车辆设计、试验室模拟实际道路等研究方面具有非常重要的实用价值。在车辆设计过程中，需要将车辆可能行驶的各种路面不平度作为设计的输入激励，进行动力学仿真分析，获得机械零部件受到的载荷，并进行零部件的设计及强度校核；在对整车进行振动试验时，需要将各种路面不平度输入到振动试验台计算机中，通过液压缸模拟实际道路的平度，液压缸与车轮接触，使试验台上车辆能够产生与在路面行驶时等效的振动效果，获得车辆振动参数，用于动力学仿真分析和设计。

专利《一种基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法》(申请号：201810566297.6)，其方法是：在标定路面上，测量标定汽车的振动响应，通过已知标定路面的垂直向幅度和振动响应，获得标定汽车回归模型；在待测路面，测量标定汽车振动响应，根据标定汽车的回归模型和振动响应，计算获得待测路面的高低幅度。专利《一种基于汽车振动响应在线识别路面不平度信息的方法》所述测量方法，只能测定标定汽车车轮下的路面垂直向幅度，对于一个路面，从俯视角度看，是一个二维平面，对于普通车辆，四个车轮相当于四个点，用四个点来测量一个二维平面，相当于“以点测面”，其难度较大。此外，由于汽车模型是一个非线性模型，虽然能通过回归模型在一定程度上近似代替，但是其误差精度不可控。

专利《一种公路路面三维检测系统的制作方法》，该专利采用线性激光扫描传感器、及加速度传感器、数据采集卡、位置感知系统和计算机单元，全部设备安装于车辆上，线性激光扫描传感器、初步连续获取路面的横断面高程信息，加速度传感器获取车辆行驶过程中的各方向三维加速度信息。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何涉及一种路面不平度非接触测量方法及其装置。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于移动平台的路面不平度非接触测量装置，包括：移动平台、测距传感器矩阵、三维摄像装置、数据存储单元及通讯单元、地面遥控装置、地面数据通讯装置、路面形状数据处理装置、移动平台同步传感器阵列、测距传感器矩阵稳定调节器、上支架、中央铰接件、测距传感器矩阵支架、万向连接器；

所述移动平台在路面的两侧移动，实施路面形状采集过程时候，两个移动平台分别放置于路面两侧；所述测距传感器矩阵由多个独立的测距传感器组成，每个测距传感器之间的横向和纵向距离相等，测距传感器矩阵位于两个移动平台中间，路面之上；所述地面数据通讯装置用于获得移动平台同步传感器阵列回传的传感器数据，该传感器数据输入给地面遥控装置，所述地面遥控装置用于控制移动平台同步地并排向前移动，当两个移动平台是一前一后向前移动，移动平台同步传感器阵列检测到其中一个移动平台反馈信号相对另一个移动平台有相对位移，地面遥控装置通过地面数据通讯装置获得该相对位移信号，调整两个移动平台的相对速度，保证两个移动平台能够并行前进；所述测距传感器矩阵和移动平台同时向前移动，所述移动平台同步传感器阵列位于移动平台上面，所述数据存储单元及通讯单元用于实时存储测距传感器矩阵、三维摄像装置以及移动平台同步传感器阵列采集到的数据信息；所述路面形状数据处理装置用于对数据存储单元及通讯单元存储的三维摄像装置、测距传感器矩阵、移动平台同步传感器阵列的实时数据进行处理，实现路面数据比对及路面数据融合，构建路面形状，获得路面形状的数字模型；所述测距传感器矩阵稳定调节器用于调节测距传感器矩阵平行于路面，以保证测距传感器矩阵的发射界面与地面垂直；

两个移动平台分别通过一个万向连接器与上支架连接，上支架通过中央铰接件和两个测距传感器矩阵稳定调节器与测距传感器矩阵支架连接，测距传感器矩阵与测距传感器矩阵支架连接，三维摄像装置与测距传感器矩阵支架连接。

优选地，所述移动平台为无人机，测距传感器矩阵包括激光测距传感器，超声波测距传感器。

优选地，两个移动平台与上支架之间连接处的万向连接器的连接方式不同，连接后，其中一个移动平台可向前进方向摆动，另一个移动平台可向侧面摆动，这样两个移动平台可分别控制测距传感器矩阵在侧向和前向的角度。

本发明还提供了一种基于所述的装置实现的路面不平度非接触测量方法，包括以下步骤；

步骤101：地面遥控装置控制两个移动平台并行前进；

步骤201：路面形状数据处理装置进行有效区域的确定，将三维摄像装置3获得的三维数据与测距传感器矩阵获得的数据进行比对，确定测量有效范围边界；

步骤202，路面形状数据处理装置进行基于步骤201确保测距传感器矩阵2中测距传感器与路面保持平行；

步骤203，路面形状数据处理装置进行基于步骤202进行测距传感器矩阵的多维面数据测量；

步骤204：路面形状数据处理装置进行基于步骤203进行测距传感器矩阵的多维面数据和三维摄像装置的数据的异构数据融合。

优选地，步骤201中，测量有效范围边界中的外框为测距传感器矩阵的测量范围，初步确定外框的边界，然后再确定一个内框所围区域为有效区域，舍弃外框和内框之间的区域，保证所有测量都能覆盖到内框范围；

假设路面是由有限点组成，每个点之间具有相对位置，每个点具有自己形状，根据三维摄像装置测量获得的3D路面形状的数据，设定内框所围区域，作为测量参考区域，并设定参考点，用于确定测距传感器矩阵的测量值在路面上的相对位置。

优选地，步骤202中，

通过公式(1)，将测距传感器矩阵的测量值换算成，测距传感器矩阵与水平基准面平行时，测距传感器矩阵到路面的距离，公式(1)考虑了当测距传感器矩阵与路面不平行，有一定角度α时的情况，当角度α为零时，测距传感器矩阵平行于同一个水平基准面，其中，角度值来自于固定于测距传感器矩阵上的陀螺仪数据，由积分运算获得，或者从其他高精度角度测量传感器获得，公式(2)是路面相对于水平基准面的高度，即路面不平度；

z＝h(1-sign(α)cos(α)) (1)

q＝C-z (2)

其中，z为在测距传感器矩阵与基准水平面平行时，测距传感器矩阵到路面的距离；h为测距传感器矩阵的测量值，测距传感器矩阵在于基准水平面不平行时，测距传感器矩阵到路面之间的距离；α为测距传感器矩阵与水平面夹角，逆时针为正；sign(α)为符号函数，定义为：α>0,sign(α)＝1；α＝0,sign(α)＝0；α<0,sign(α)＝-1；q为路面到水平基准面的距离，即路面不平度；C为测距传感器矩阵支架的重心位置到水平基准面的距离。

优选地，步骤203中，多维面是指，路面本身为三维数据，由于要多次测量，每次测量的结果不同，即每次测量是一个数据面，因此形成多维面数据；

首先，假设路面形状在测量获取期间内是不改变的，其次，测距传感器矩阵是固定在测距传感器矩阵支架上的，测距传感器矩阵中的各个测距传感器之间的相对位置保持不变；

测距传感器矩阵进行多次测量得到数据，测量数据的比对，记为“比对A”，将三维摄像装置的图像数据与测距传感器矩阵的测量数据比对，记为“比对B”，三维摄像装置获得的3D路面数据用于设定测量有效区域、设定参考点，确定测距传感器矩阵测量值在路面上的相对位置；

定义变量h，表示测距传感器矩阵测量的路面与测距传感器矩阵之间的高度，考虑到测距传感器矩阵与路面有一定的角度，根据公式(1)，将实际测量值h变换成z，保证测距传感器矩阵上每个传感器的测量值是基于平行于水平基准面的水平面，在公式(3)中，x和y分别表示路面平面的横坐标和纵坐标，路面与传感器水平距离z和横坐标x和纵坐标y的关系函数；

z＝z(x,y) (3)

其中，x为路面的横坐标；y为路面的纵坐标；

具体算法如下：

测距传感器矩阵中的每个测距传感器在每次测量中采集到的是路面上不同点，即不同的(x,y)位置处的高度，每次测量的结果是公式(4)：

表示第i行和第j列的传感器在第k次测量的路面高度；

从测距传感器矩阵2的M*N个测距传感器中任选四个相邻的测距传感器；

假定路面在一定时间内不会变形的，第k次测距传感器矩阵测量的路面位置为11,12,21,22，第k+1次测量测距传感器矩阵测量的路面位置为11’,12’,21’,22’，给定误差公式(5)：

当误差公式(5)的计算结果小于给定的一个预设阈值e时，认为第k次测量和第k+1次测量的是路面的同一个位置或者很接近；

如果偏差大于阈值e，说明两次测量的路面位置不是同一个位置，假设x向偏差是L2和y向偏差是L3，那么就得到上次测量没有测量到的位置，通过一定次数的测量，认为测量采集到的路面上的点足够稠密，多次测量的结果是测距传感器矩阵与路面之间的距离，即公式(1)中h，通过公式(1)将h转换成z，并选取水平基准面，根据公式(2)，换算成路面不平度q，作为最后的结果输出，然后计算多次测量的路面在有效范围内的路面不平度的均值和标准差。

优选地，步骤204中，通过三维摄像装置获得的路面相对传感器的高度，如公式(6)所示，用d^k表示，即，三维摄像装置3在第k次测量的路面相对传感器的高度。

d^k＝d^k(x,y) (6)

然后，平移第k次测量矩阵，计算误差公式(7)，反复迭代，迭代结束标准是，当误差计算公式(7)的计算结果达到阈值e时。从而确定三维摄像装置3和测距传感器矩阵2之间的对应点；

其中，

表示测距传感器矩阵第k次测量的路面高度，n是由测距传感器矩阵在第k次测量整个路面后得到的数据个数；

通过误差公式(7)，根据路面形状在测量期间具有不变性，可以获得三维摄像装置测量值与测距传感器矩阵测量值之间的对应关系，获得测距传感器矩阵测量值在路面上的相对位置，并对两种不同传感器来源的计算结果进行综合，公式(8)是测距传感器矩阵第i行、第j列传感器在m次测量中的均值，公式(9)是三维摄像装置在m次测量中的均值；公式(10)是三维摄像装置3和测距传感器矩阵综合计算获得传感器到路面的距离，再选定水平基准面，根据公式(2)，换算成路面相对于水平基准面的距离，即路面相对水平基准面的不平度；

其中，a，b依次是测距传感器矩阵、三维摄像装置这两种传感器的比重系数，均小于1。

优选地，在步骤101中，通过以下方式保证两个移动平台同步前进：

当移动平台B上的移动平台同步传感器阵列向移动平台A发送信号时，如果移动平台A与移动平台B处于同一平面内，移动平台A会在UA接收到该信号；

当移动平台B上的移动平台同步传感器阵列向移动平台A发送信号时，如果移动平台A与移动平台B不是处于同一平面内，那么移动平台A将在另一个位置VA接收到该信号；

通过布置在两个移动平台上面的移动平台同步传感器阵列，互相发射信号和接收信号，当两个移动平台，处于并行前进的同一个平面内，接收到的对方移动平台同步传感器阵列发送的信号会较多，理想情况是对方移动平台上的发送信号会全部接收到，如果当两个移动平台不处于并行前进的同一个平面内，即有一个移动平台在前，一个移动平台在后，有部分传感器信号，不能够被对方移动平台接收到，根据这个特点，判断对方移动平台是否在与自己并行前进，或者知道对方移动平台与自身处于不在同一个平面的程度，地面数据通讯装置接收移动平台同步传感器阵列的数据，通过地面遥控装置，控制两个移动平台能够并行前进。

本发明还提供了一种所述的方法在车辆动力学仿真技术领域中的应用。

(三)有益效果

本发明提供了一种路面不平度的测量方法及装置，通过测距传感器和三维摄像装置的双数据采集融合，非接触式测量方式，在计算机系统内重建平度数字模型。首先，采用密集排布的测距传感器组成矩阵形式，形成“面”，采用“以面测面”的方法，即以测距传感器矩阵面测量路面，改进了“以点测面”的缺陷，具有非接触式测量、不损坏路面形状、使用方便灵活等优点。其次，测量方法中，同时采用三维摄像装置拍摄被采集路面，测距传感器和三维摄像装置采集数据进行比对综合，形成数字模型，相较于单纯凭借三维摄像装置空拍和测距，更加准确可靠。

附图说明

图1为本发明中路面不平度测量装置及工作原理示意图；

图2为本发明中路面不平度测量装置总成示意图；

图3为本发明中移动平台示意图；

图4为本发明中测距传感器矩阵支架、测距传感器矩阵及三维摄像装置示意图；

图5为本发明中测距传感器矩阵支架示意图(带有凹槽，用于固定三维摄像装置)；

图6为本发明中路面不平度测量装置确定有效范围算法示意图；

图7为本发明中路面不平度测量装置运动状态示意图(垂直纸面向内为前进方向)；

图8为本发明中传感器与路面保持平行的调整方法示意图，其中a为上支架和测距传感器矩阵支架与路面基准面平行的状态，b为上支架与路面基准不平行状态；

图9为本发明中测距传感器测量点阵示意图，其中a为第一次测量点；b中圆点代表第一次测量点，方块表示第二次测量点；

图10为本发明中测距传感器矩阵不同测量位置示意图，其中a为上次测量和下次测量位置不同的情况，b为上次测量和下次测量位置有重合或部分重合的情况；

图11为本发明中路面不平度测量装置向前运动状态图(垂直纸面向内为俯视地面方向)；

图12为本发明中移动平台前进时，相互之间位置同步示意图；其中a是两个移动平台处于同一平面的情况，b是两个移动平台不是处于同一平面的情况；

图13为本发明中移动平台前进时，移动平台传感器阵列相对位置示意图(俯视图)，其中a是两个移动平台处于同一平面的情况，b是两个移动平台不是处于同一平面的情况。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种基于移动平台的路面不平度非接触测量装置包括：移动平台1、测距传感器矩阵2、三维摄像装置3、数据存储单元及通讯单元、地面遥控装置、地面数据通讯装置、路面形状数据处理装置、移动平台同步传感器阵列、测距传感器矩阵稳定调节器9、上支架10、中央铰接件11、测距传感器矩阵支架12、万向连接器13；

移动平台1(例如两台无人机或者车辆)，在路面的两侧移动。实施路面形状采集过程时候，将两个移动平台1分别放置于路面两侧，测距传感器矩阵2是由M*N个独立的测距传感器组成，每个测距传感器之间的横向和纵向距离相等，测距传感器矩阵2位于两个移动平台1中间，路面之上；地面数据通讯装置用于获得移动平台同步传感器阵列回传的传感器数据，该传感器数据输入给地面遥控装置，地面遥控装置控制移动平台1尽量地同步地向前移动(即两个移动平台1并排向前移动)。当两个移动平台1是一前一后向前移动，移动平台同步传感器阵列检测到其中一个移动平台1反馈信号相对另一个移动平台1有相对位移，地面遥控装置通过地面数据通讯装置获得该相对位移信号，调整两个移动平台1的相对速度，保证两个移动平台1能够并行前进；测距传感器矩阵2和移动平台1同时向前以较低速度移动，移动平台同步传感器阵列位于移动平台1上面，数据存储单元及通讯单元用于实时存储测距传感器矩阵2、三维摄像装置3以及移动平台同步传感器阵列等传感器采集到的数据信息。路面形状数据处理装置用于对数据存储单元及通讯单元存储的三维摄像装置3、测距传感器矩阵2、移动平台同步传感器阵列的实时数据进行处理，实现路面数据比对及路面数据融合，构建路面形状，获得路面形状的数字模型。测距传感器矩阵稳定调节器9用于调节测距传感器矩阵2平行于路面，以保证测距传感器矩阵2的发射界面与地面垂直；

移动平台1为两台无人机，测距传感器矩阵2包括激光测距传感器，超声波测距传感器。

两个移动平台1分别通过一个万向连接器13与上支架10连接，上支架10通过中央铰接件11和两个测距传感器矩阵稳定调节器9与测距传感器矩阵支架12连接，测距传感器矩阵2与测距传感器矩阵支架12连接，三维摄像装置3与测距传感器矩阵支架12连接；

两个移动平台1与上支架10之间连接处的万向连接器13的连接方式不同，如图1所示，连接后，其中一个移动平台1可以向前进方向摆动，另一个移动平台1可以向侧面摆动。这样两个移动平台1可以分别控制测距传感器矩阵2在侧向和前向的角度，保证在测量装置向前移动时，更容易调整方位角。

基于上述装置实现的方法包括以下步骤；

步骤101：地面遥控装置控制两个移动平台1并行前进；

步骤201：路面形状数据处理装置进行有效区域的确定，将三维摄像装置3获得的三维数据与测距传感器矩阵2获得的数据进行比对，确定测量有效范围边界；

如图6中，外框所示范围为测距传感器矩阵2的测量范围，由于移动平台1不能保证每次测量的范围都完全覆盖外框所围区域，因此需要根据实际测量范围，初步确定外框边界，然后再确定一个内框所围区域为有效区域，舍弃外框和内框之间的区域，保证所有测量都能覆盖到内框范围。

对于在一定时间段内的路面，可以假设具有不变性，即刚性。并假设路面是由有限点组成，每个点之间具有相对位置，每个点具有自己形状。根据三维摄像装置3测量获得的3D路面形状的数据，设定内框所围区域，作为测量参考区域，并设定参考点，用于确定测距传感器矩阵2的测量值在路面上的相对位置(坐标)。

步骤202，路面形状数据处理装置进行基于步骤201确保测距传感器矩阵2中传感器与路面保持平行

由于使用测距传感器矩阵2，在移动过程中，如图7所示，其传感器平面不可能完全是平行于水平基准面；为了保证所有数据是测距传感器矩阵2基于同一个水平基准面进行测量的，需要通过公式(1)，将测量值换算成，测距传感器矩阵2与水平基准面平行时，测距传感器矩阵2到路面的距离，公式(1)主要考虑了当测距传感器矩阵2与路面不平行，有一定角度α时的计算公式，当角度α为零时，测距传感器矩阵2平行于同一个水平基准面。其中，角度值来自于固定于测距传感器矩阵2上的陀螺仪数据，积分运算获得，或者从其他高精度角度测量传感器获得。公式(2)是路面相对于水平基准面的高度，即路面不平度。

z＝h(1-sign(α)cos(α)) (1)

q＝C-z (2)

z为在测距传感器矩阵2与基准水平面平行时，测距传感器矩阵2到路面的距离；

h为测距传感器矩阵2的测量值，测距传感器矩阵2在于基准水平面不平行时，测距传感器矩阵2到路面之间的距离；

α为测距传感器矩阵2与水平面夹角，逆时针为正；

sign(α)，符号函数，定义如下：

α>0,sign(α)＝1；α＝0,sign(α)＝0；α<0,sign(α)＝-1；

q为路面到水平基准面的距离，即路面不平度；

C为测距传感器矩阵支架12的重心位置到水平基准面的距离。

传感器与路面保持平行的调整方法，如图8(左图)所示，测距传感器矩阵稳定调节装置9对测距传感器矩阵支架12的两端点进行拉伸和压缩，从而使测距传感器矩阵支架12与路面基准处于平行。该装置的作用是，当上支架10与路面水平不平行时，如图8(右图)所示，由于两个移动平台1不能时刻保持平行，导致上支架10与路面基准有一个逆时针的β角度，这时候，通过位于测距传感器矩阵支架12的两个端点处的测距传感器矩阵稳定调节装置9，可以调节使测距传感器矩阵支架12与路面基准水平。

步骤203，路面形状数据处理装置进行基于步骤202进行测距传感器矩阵2多维面数据测量

多维面是指，路面本身为三维数据，由于要多次测量，每次测量的结果会不同，即每次测量是一个数据面，因此形成多维面数据；又由于有测距传感器矩阵2和三维摄像装置3，这两种传感器(三维摄像装置3和测距传感器矩阵2)获得的数据会有差异，涉及到异构数据的融合。

首先，假设路面形状在测量获取期间内是不改变的，其次，测距传感器矩阵2是固定在测距传感器矩阵支架12上的，测距传感器矩阵2中的各个测距传感器之间的相对位置保持不变，如图4所示。

测距传感器矩阵2测量的数据是主要数据，也是主要依据，实际中，测距传感器矩阵2需要多次测量，测量数据的比对，记为“比对A”，多次测量可以减小一次测量的偶然误差，三维摄像装置3的图像数据与测距传感器矩阵2的测量数据比对，记为“比对B”，三维摄像装置3获得的3D路面数据主要用于设定测量有效区域、设定参考点，确定测距传感器矩阵2测量值在路面上的相对位置(坐标)。

对于多次测量，测距传感器矩阵2不可能覆盖同一块路面区域，如图9(右图)所示，圆点表示测距传感器矩阵2第一次测量，方块表示第二次测量。

从图9中可以看出两次测量点位置不同。从图10中可以看出，多次测量有几种可能的情况，如图10(左图)所示，两次测量位置不同，没有重合点，如图10(右图)所示，两次测量有重合点或者部分重合。定义变量h，表示测距传感器矩阵2测量的路面与测距传感器矩阵2之间的高度，考虑到测距传感器矩阵2与路面有一定的角度，根据公式(1)，将实际测量值h变换成z，保证测距传感器矩阵2上每个传感器的测量值是基于平行于水平基准面的水平面。在公式(3)中，x和y分别表示路面平面的横坐标和纵坐标，路面与传感器水平距离z和横坐标x和纵坐标y的关系函数。

z＝z(x,y) (3)

x为路面的横坐标；

y为路面的纵坐标；

具体算法如下：

测距传感器矩阵2中的每个测距传感器在每次测量中采集到的是路面上不同点，即不同的(x,y)位置处的高度，每次测量的结果是公式(4)所示。

表示第i行和第j列的传感器在第k次测量的路面高度。

如图10(左图)所示，为了叙述方便，从测距传感器矩阵2的M*N个测距传感器中任选四个相邻的测距传感器，举例说明。

根据假定路面在一定时间内是不会变形的，第k次测距传感器矩阵2测量的路面位置为11,12,21,22，第k+1次测量测距传感器矩阵2测量的路面位置为11’,12’,21’,22’，给定误差公式(5)：

当误差公式(5)的计算结果小于给定的一个阈值e时，将认为第k次测量和第k+1次测量的是路面的同一个位置或者很接近，如图10(右图)所示。

如果偏差大于我们给定的阈值e，如图9(右图)和图10(右图)中所示，说明两次测量的路面位置不是同一个位置，假设x向偏差是L2和y向偏差是L3，那么就得到上次测量没有测量到的位置。通过一定次数的测量，可以认为，测量采集到的路面上的点足够稠密。多次测量的结果是测距传感器矩阵2与路面之间的距离，即公式(1)中h，需要通过公式(1)将h转换成z，并选取水平基准面，根据公式(2)，换算成路面不平度q，作为最后的结果输出，然后计算多次测量的路面在有效范围内的路面不平度的均值和标准差。每次测量的路面高度数值是一个矩阵，但是不知道每次测量获得的矩阵和路面哪个点是对应的,路面同一个位置的高度值应该是不变的，因此，通过误差计算，将相差很少的点，认为三维测量的和矩阵传感器测量的点是同一个点，这样通过两种途径获得数据相互印证，可以把测距传感器矩阵2每次测量值和路面的实际点对应起来。

需要说明的是，根据测量要求，测距传感器矩阵2之间的间距不能过大，这样才能保证测得的路面高度形成一个光滑连续的曲面，还原真实路面。

步骤204：路面形状数据处理装置进行基于步骤203进行测距传感器矩阵2多维面数据和三维摄像装置3数据的异构数据融合

通过三维摄像装置3获得的路面相对传感器的高度，如公式(6)所示，用d^k表示，即，三维摄像装置3在第k次测量的路面相对传感器的高度。

d^k＝d^k(x,y) (6)

然后，平移第k次测量矩阵，计算误差公式(7)，反复迭代。迭代结束标准是，当误差计算公式(7)的计算结果达到给定一个阈值e时。从而确定三维摄像装置3和测距传感器矩阵2之间的对应点。

其中，

表示测距传感器矩阵2第k次测量的路面高度。n是由测距传感器矩阵2在第k次测量整个路面后得到的数据个数。

通过误差公式(7)，根据路面形状在测量期间具有不变性，可以获得三维摄像装置3测量值与测距传感器矩阵2测量值之间的对应关系，获得测距传感器矩阵2测量值在路面上的相对位置(坐标)，并对两种不同传感器来源的计算结果进行综合，公式(8)是测距传感器矩阵2第i行、第j列传感器在m次测量中的均值，公式(9)是三维摄像装置3在m次测量中的均值。公式(10)是三维摄像装置3和测距传感器矩阵2综合计算获得传感器到路面的距离，再选定水平基准面，根据公式(2)，换算成路面相对于水平基准面的距离，即路面相对水平基准面的不平度。

其中，a，b依次是测距传感器矩阵2、三维摄像装置3这两种传感器的比重系数，均小于1。

在步骤101中，通过以下方式保证两个移动平台1同步前进

向前移动过程中，测距传感器矩阵支架12也不可能完全的与前进方向垂直，如图11、图6中的点划线所示。点划线表示测距传感器矩阵2测量数据与路面的对应关系。

如图11和图12(a)所示，当移动平台B上的移动平台同步传感器阵列向移动平台A发送信号时，如果移动平台A与移动平台B处于同一平面内，移动平台A会在UA接收到该信号；

如图12(b)所示，当移动平台B上的移动平台同步传感器阵列向移动平台A发送信号时，如果移动平台A与移动平台B不是处于同一平面内，那么移动平台A将在另一个位置VA接收到该信号。

本发明的方法是通过布置在两个移动平台1上面的移动平台同步传感器阵列，互相发射信号和接受信号，当两个移动平台1，处于并行前进的同一个平面内，如图13(a)，接收到的对方移动平台同步传感器阵列发送的信号会较多，理想情况是对方移动平台1上的发送信号会全部接收到。如果当两个移动平台1，不处于并行前进的同一个平面内，即有一个移动平台1在前，一个移动平台1在后，如图13(b)所示，有部分传感器信号，不能够被对方移动平台接收到，根据这个特点，判断对方移动平台1是否在与自己并行前进，或者知道对方移动平台1与自身处于不在同一个平面的程度，地面数据通讯装置接收移动平台同步传感器阵列的数据，通过地面遥控装置，控制两个移动平台1(如两台无人机或车辆)能够并行前进，也可以将这个同步过程的控制程序安放在移动平台1上的控制器中。

综上，上述技术方案所提供的一种路面形状构建方法及其装置，具有以下优点：

(1)通过三维摄像装置获得路面三维图像，确定参考区域和参考点，并利用测距传感器矩阵获得相对基准高度数据，对测距传感器矩阵多次测量数据、以及图像3D数据进行比对计算，相较于单纯通过三维图像识别或者单纯使用接触测距方法，能够实现路面形状的定位和更准确的测量；

(2)在使用飞行移动平台、非接触式测距传感器和三维摄像装置情况下，使得测试设备和路面没有直接接触，该路面形状测量方法及装置具有经济灵活、方便准确等优点，降低了路面形状测试的难度。

(3)该测量装置也可以视情况使用地面移动平台，替换飞行移动平台，如待测路面有效面积较小等，不考虑地面移动平台对区域外路面形状的破坏等情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于移动平台的路面不平度非接触测量装置，其特征在于，包括：移动平台、测距传感器矩阵、三维摄像装置、数据存储单元及通讯单元、地面遥控装置、地面数据通讯装置、路面形状数据处理装置、移动平台同步传感器阵列、测距传感器矩阵稳定调节器、上支架、中央铰接件、测距传感器矩阵支架、万向连接器；

所述移动平台在路面的两侧移动，实施路面形状采集过程时候，两个移动平台分别放置于路面两侧；所述测距传感器矩阵由多个独立的测距传感器组成，每个测距传感器之间的横向和纵向距离相等，测距传感器矩阵位于两个移动平台中间，路面之上；所述地面数据通讯装置用于获得移动平台同步传感器阵列回传的传感器数据，该传感器数据输入给地面遥控装置，所述地面遥控装置用于控制移动平台同步地并排向前移动，当两个移动平台是一前一后向前移动，移动平台同步传感器阵列检测到其中一个移动平台反馈信号相对另一个移动平台有相对位移，地面遥控装置通过地面数据通讯装置获得该相对位移信号，调整两个移动平台的相对速度，保证两个移动平台能够并行前进；所述测距传感器矩阵和移动平台同时向前移动，所述移动平台同步传感器阵列位于移动平台上面，所述数据存储单元及通讯单元用于实时存储测距传感器矩阵、三维摄像装置以及移动平台同步传感器阵列采集到的数据信息；所述路面形状数据处理装置用于对数据存储单元及通讯单元存储的三维摄像装置、测距传感器矩阵、移动平台同步传感器阵列的实时数据进行处理，实现路面数据比对及路面数据融合，构建路面形状，获得路面形状的数字模型；所述测距传感器矩阵稳定调节器用于调节测距传感器矩阵平行于路面，以保证测距传感器矩阵的发射界面与地面垂直；

两个移动平台分别通过一个万向连接器与上支架连接，上支架通过中央铰接件和两个测距传感器矩阵稳定调节器与测距传感器矩阵支架连接，测距传感器矩阵与测距传感器矩阵支架连接，三维摄像装置与测距传感器矩阵支架连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述移动平台为无人机，测距传感器矩阵包括激光测距传感器，超声波测距传感器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，两个移动平台与上支架之间连接处的万向连接器的连接方式不同，连接后，其中一个移动平台可向前进方向摆动，另一个移动平台可向侧面摆动，这样两个移动平台可分别控制测距传感器矩阵在侧向和前向的角度。

4.一种基于如权利要求1或2或3所述的装置实现的路面不平度非接触测量方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤101：地面遥控装置控制两个移动平台并行前进；

步骤201：路面形状数据处理装置进行有效区域的确定，将三维摄像装置3获得的三维数据与测距传感器矩阵获得的数据进行比对，确定测量有效范围边界；

步骤202，路面形状数据处理装置进行基于步骤201确保测距传感器矩阵2中测距传感器与路面保持平行；

步骤203，路面形状数据处理装置进行基于步骤202进行测距传感器矩阵的多维面数据测量；

步骤204：路面形状数据处理装置进行基于步骤203进行测距传感器矩阵的多维面数据和三维摄像装置的数据的异构数据融合。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤201中，测量有效范围边界中的外框为测距传感器矩阵的测量范围，初步确定外框的边界，然后再确定一个内框所围区域为有效区域，舍弃外框和内框之间的区域，保证所有测量都能覆盖到内框范围；

假设路面是由有限点组成，每个点之间具有相对位置，每个点具有自己形状，根据三维摄像装置测量获得的3D路面形状的数据，设定内框所围区域，作为测量参考区域，并设定参考点，用于确定测距传感器矩阵的测量值在路面上的相对位置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤202中，

通过公式(1)，将测距传感器矩阵的测量值换算成，测距传感器矩阵与水平基准面平行时，测距传感器矩阵到路面的距离，公式(1)考虑了当测距传感器矩阵与路面不平行，有一定角度α时的情况，当角度α为零时，测距传感器矩阵平行于同一个水平基准面，其中，角度值来自于固定于测距传感器矩阵上的陀螺仪数据，由积分运算获得，或者从其他高精度角度测量传感器获得，公式(2)是路面相对于水平基准面的高度，即路面不平度；

z＝h(1-sign(α)cos(α)) (1)

q＝C-z (2)

其中，z为在测距传感器矩阵与基准水平面平行时，测距传感器矩阵到路面的距离；h为测距传感器矩阵的测量值，测距传感器矩阵在于基准水平面不平行时，测距传感器矩阵到路面之间的距离；α为测距传感器矩阵与水平面夹角，逆时针为正；sign(α)为符号函数，定义为：α>0,sign(α)＝1；α＝0,sign(α)＝0；α<0,sign(α)＝-1；q为路面到水平基准面的距离，即路面不平度；C为测距传感器矩阵支架的重心位置到水平基准面的距离。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤203中，多维面是指，路面本身为三维数据，由于要多次测量，每次测量的结果不同，即每次测量是一个数据面，因此形成多维面数据；

首先，假设路面形状在测量获取期间内是不改变的，其次，测距传感器矩阵是固定在测距传感器矩阵支架上的，测距传感器矩阵中的各个测距传感器之间的相对位置保持不变；

测距传感器矩阵进行多次测量得到数据，测量数据的比对，记为“比对A”，将三维摄像装置的图像数据与测距传感器矩阵的测量数据比对，记为“比对B”，三维摄像装置获得的3D路面数据用于设定测量有效区域、设定参考点，确定测距传感器矩阵测量值在路面上的相对位置；

定义变量h，表示测距传感器矩阵测量的路面与测距传感器矩阵之间的高度，考虑到测距传感器矩阵与路面有一定的角度，根据公式(1)，将实际测量值h变换成z，保证测距传感器矩阵上每个传感器的测量值是基于平行于水平基准面的水平面，在公式(3)中，x和y分别表示路面平面的横坐标和纵坐标，路面与传感器水平距离z和横坐标x和纵坐标y的关系函数；

z＝z(x,y) (3)

其中，x为路面的横坐标；y为路面的纵坐标；

具体算法如下：

测距传感器矩阵中的每个测距传感器在每次测量中采集到的是路面上不同点，即不同的(x,y)位置处的高度，每次测量的结果是公式(4)：

表示第i行和第j列的传感器在第k次测量的路面高度；

从测距传感器矩阵2的M*N个测距传感器中任选四个相邻的测距传感器；

假定路面在一定时间内不会变形的，第k次测距传感器矩阵测量的路面位置为11,12,21,22，第k+1次测量测距传感器矩阵测量的路面位置为11’,12’,21’,22’，给定误差公式(5)：

当误差公式(5)的计算结果小于给定的一个预设阈值e时，认为第k次测量和第k+1次测量的是路面的同一个位置或者很接近；

如果偏差大于阈值e，说明两次测量的路面位置不是同一个位置，假设x向偏差是L2和y向偏差是L3，那么就得到上次测量没有测量到的位置，通过一定次数的测量，认为测量采集到的路面上的点足够稠密，多次测量的结果是测距传感器矩阵与路面之间的距离，即公式(1)中h，通过公式(1)将h转换成z，并选取水平基准面，根据公式(2)，换算成路面不平度q，作为最后的结果输出，然后计算多次测量的路面在有效范围内的路面不平度的均值和标准差。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤204中，通过三维摄像装置获得的路面相对传感器的高度，如公式(6)所示，用d^k表示，即，三维摄像装置3在第k次测量的路面相对传感器的高度。

d^k＝d^k(x,y) (6)

然后，平移第k次测量矩阵，计算误差公式(7)，反复迭代，迭代结束标准是，当误差计算公式(7)的计算结果达到阈值e时。从而确定三维摄像装置3和测距传感器矩阵2之间的对应点；

其中，

表示测距传感器矩阵第k次测量的路面高度，n是由测距传感器矩阵在第k次测量整个路面后得到的数据个数；

通过误差公式(7)，根据路面形状在测量期间具有不变性，可以获得三维摄像装置测量值与测距传感器矩阵测量值之间的对应关系，获得测距传感器矩阵测量值在路面上的相对位置，并对两种不同传感器来源的计算结果进行综合，公式(8)是测距传感器矩阵第i行、第j列传感器在m次测量中的均值，公式(9)是三维摄像装置在m次测量中的均值；公式(10)是三维摄像装置3和测距传感器矩阵综合计算获得传感器到路面的距离，再选定水平基准面，根据公式(2)，换算成路面相对于水平基准面的距离，即路面相对水平基准面的不平度；

其中，a，b依次是测距传感器矩阵、三维摄像装置这两种传感器的比重系数，均小于1。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤101中，通过以下方式保证两个移动平台同步前进：

当移动平台B上的移动平台同步传感器阵列向移动平台A发送信号时，如果移动平台A与移动平台B处于同一平面内，移动平台A会在UA接收到该信号；

当移动平台B上的移动平台同步传感器阵列向移动平台A发送信号时，如果移动平台A与移动平台B不是处于同一平面内，那么移动平台A将在另一个位置VA接收到该信号；

通过布置在两个移动平台上面的移动平台同步传感器阵列，互相发射信号和接收信号，当两个移动平台，处于并行前进的同一个平面内，接收到的对方移动平台同步传感器阵列发送的信号会较多，理想情况是对方移动平台上的发送信号会全部接收到，如果当两个移动平台不处于并行前进的同一个平面内，即有一个移动平台在前，一个移动平台在后，有部分传感器信号，不能够被对方移动平台接收到，根据这个特点，判断对方移动平台是否在与自己并行前进，或者知道对方移动平台与自身处于不在同一个平面的程度，地面数据通讯装置接收移动平台同步传感器阵列的数据，通过地面遥控装置，控制两个移动平台能够并行前进。

10.一种如权利要求4至9中任一项所述的方法在车辆动力学仿真技术领域中的应用。

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