CN113340239A - 一种基于无人机的路面跳车检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的路面跳车检测装置，包括点激光器、直流电源、工控机、无线数据传输模块、横杆、数据线、无人机和计算机，无人机中部搭载直流电源和工控机，无人机下方搭载一根横杆，横杆下方挂载点激光器，点激光器通过电源线与直流电源进行连接，所述直流电源与工控机进行连接，工控机通过数据线与点激光器进行数据传输，所述工控机上安装有无线数据传输模块，所述无线数据传输模块作为工控机与地面端的计算机进行通信的媒介；本发明的检测方法将无人机遥感与激光检测技术进行结合，根据点激光器测得的路面点高程数据，进行数据处理后判断路面跳车情况。本发明实现在较短的时间内完成公路路面跳车情况的检测，检测效率高。

Description

一种基于无人机的路面跳车检测装置与方法

技术领域

本发明涉及路面跳车检测装置与方法，尤其涉及一种基于无人机的路面跳车检测装置与方法。

背景技术

自上个世纪九十年代起，我国的公路建设进入快速发展阶段。根据交通运输部统计，截止2019年末全国高速公路里程达14.96万公里，公路总里程达到501.25万公里，公路密度52.21公里/百平方公里，公路养护里程495.31万公里，占公路总里程98.8％。在公路选线定线过程中会不可避免的经过河流、原有道路等路段，需要建设桥梁、涵洞、通道等构造物来进行部分路段的衔接。随着公路的运营，在桥涵等构造物与路面之间的过渡段时常出现的路面跳车问题引起了人们的关注。路面跳车现象是指由于路面异常突起或沉陷等损坏引起的车辆突然颠簸。导致路面跳车的主要原因是桥涵等刚性结构物与路堤的刚度不同，在连续行车荷载和自重作用下产生的沉降量不一样，较大的沉降差在连接处形成台阶，从而出现路面跳车病害。路面跳车会加剧公路的局部损坏，缩短公路使用寿命，影响行车舒适性，严重时会危及行车安全。

对于路面跳车的现有检测主要依靠人工，存在检测效率低、准确性差、危险系数高等问题。同时，对于路面跳车的判断受到车辆运行状态和车上人员主观因素的影响，这种判断标准无法准确和定量描述出路面跳车的严重程度。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种实现准确、安全检测公路路面跳车的基于无人机路面跳车检测装置与方法。

技术方案：本发明的路面跳车检测装置，包括点激光器、直流电源、工控机、无线数据传输模块、横杆、数据线、无人机和计算机；所述无人机中部搭载直流电源和工控机，所述无人机下方搭载一根横杆，所述横杆下方挂载点激光器；

所述点激光器采集路面信息；所述直流电源通过电源线分别与点激光器、工控机连接；所述工控机通过数据线与点激光器连接，实时记录点激光器采集的数据信息；所述无线数据传输模块安装在工控机上；所述计算机设于地面端，通过无线数据传输模块给工控机发送指令，控制点激光器的开机和关闭。

本发明的路面跳车检测方法，包括如下步骤：

(s1)制定无人机挂载点激光器的巡检方案；

(s2)利用无人机挂载点激光器对道路进行实际检测；

(s3)对点激光器采集的数据进行处理；

(s4)对路面跳车情况进行判断，通过被测路段最大高程与最小高程的差值，得到最终检测结果。

进一步，所述步骤(s1)中包括如下步骤：

(s11)设定路面跳车检测区域位于道路轮迹带处，采用一次飞行同时检测一条车道的两条轮迹带，实测车道主要轮迹带分布情况，并设定检测采用单侧轮迹带宽度；

(s12)根据轮迹带分布宽度，选用一横杆来挂载点激光器，采用四个点激光器来进行检测，横杆两侧各放置两个点激光器，调整每侧点激光器之间的距离，确保单侧点激光器覆盖轮迹带宽度；

(s13)对待检路段车流量、障碍物分布以及高度进行调查，根据障碍物高度和路线走向，制定无人机航线使无人机在车道上方飞行，同时在非机动车道上选择合适的起飞、降落位置；

(s14)无人机的巡检速度需要与点激光器的扫描频率进行配合，无人机飞行速度v的计算如下：

v＝s*γ*ρ

其中，s为无人机飞行距离；γ为点激光器的最大扫描频率；ρ为实际路面材料的反射率。

进一步，所述步骤(s2)包括如下步骤：

(s21)将点激光器按照步骤(s12)中要求利用绑带固定在横杆下面，将点激光器、直流电源、工控机和横杆挂载在无人机下方，连接点激光器、直流电源和工控机，调整路面跳车检测装置的重心，避免出现某个方向上的无人机旋翼负载过大；

(s22)将无人机放置在非机动车道上，连接检测装置，对检测装置进行测试，检验数据的有效性；

(s23)读取无人机GPS模块数据，将GPS坐标数据与点激光器测得的距离信息进行坐标匹配，通过飞行控制系统调整无人机起飞至15m高度，移动无人机至路面上方；在无人机保持15m恒定高度后，地面控制端远程遥控工控机开启点激光器进行距离测量，控制无人机飞行速度与点激光器的扫描频率相对应，记录距离数据；

(s24)利用GPS和气压计分别进行路面点绝对高程H的计算，计算公式为：

H＝H_abs-D_gro-d

H′＝H_rel-D_gro+H_giv-d′

其中，H为通过无人机绝对高度计算的路面点绝对高度；H_abs为无人机的绝对高度；D_gro为点激光器距离地面的高度；d为点激光器的激光发射点距离无人机GPS模块的垂直向距离；H′为通过无人机相对高度计算的路面点绝对高度；H_rel为无人机相对于初始起飞平面的相对高度；H_giv为无人机起飞点的绝对高度；d′为点激光器的激光发射点距离无人机气压计模块的垂直向距离；

(s25)对路面高程进行校正，当|H-H′|＞1cm时，调整无人机位置及姿态重新进行测量；否则，|H-H′|≤1cm时，取步骤(s24)中两种高度计算结果的算术平均值作为路面点的绝对高度H_i，计算公式为：

(s26)无人机挂载点激光器沿道路纵向飞行，在无人机飞行途中点激光器自动进行路面点高程测量；

(s27)结束测量阶段，无人机在15m高度悬停，地面控制端操作工控机停止数据采集，观察周边障碍物情况，将无人机降落至非机动车道上的指定地点。

进一步，所述步骤(s3)包括如下步骤：

(s31)计算点激光器测得的路面高程点沿道路纵向的距离，无人机从悬停状态至稳定飞行阶段，点激光器测得的路面点沿道路纵向的距离逐渐增大至10cm并保持恒定，无人机(7)减速阶段激光点间距从10cm逐渐减小至0，根据距离分布只保留纵向间距恒定阶段的激光点数据；

(s32)通过数据预处理，剔除桥梁伸缩缝等处可能存在的异常高程值、消除路面纵坡对路面纵断面高差计算的影响；

(s33)对数据有效情况进行判断，单侧两个点激光器测得的路面高差值大于等于2cm时，判断为无效数据；单侧两个点激光器测得的路面高差值小于2cm时，取检测数据的平均值作为该处路面的高程值；在出现无效数据时，需要对该10m路段重新进行检测。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、利用无人机挂载点激光器按照预先设定好的飞行参数精细化测量路面纵断面高程，在较短的时间内完成公路路面跳车情况的检测，检测效率高；2、提出了一种基于点激光器和无人机的路面跳车检测方法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中路面点绝对高程计算示意图；

图3为本发明的无人机飞行方案示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本发明所附权利要求所限定的范围。

本发明将无人机与激光传感器进行组合，进行道路病害检测，实现道路病害的快速检测与周期性巡查。点激光器是激光传感器中的一种，具有重量轻、测量范围较大等突出优点，其检测原理是通过激光发射与接收之间的时间差值来计算激光发射点与待测点的距离。利用无人机挂载点激光器能快速获取道路纵断面的高程数据，进而实现路面跳车检测。

如图1所示，本发明的无人机的路面跳车检测装置，包括点激光器1、直流电源2、工控机3、无线数据传输模块4、一根横杆5、数据线6、无人机7和计算机8。

点激光器1作为系统采集路面信息的唯一传感器，挂载在横杆下方按照一定的扫描频率计算与路面点之间的距离；直流电源2通过电源线连接点激光器1和工控机3，并进行供电；工控机3通过数据线6与点激光器1连接，实时记录点激光器采集的数据信息；计算机8和工控机3通过无线数据传输模块4进行通信；横杆5具有足够的长度和抗拉强度来挂载点激光器1；数据线6连接点激光器1和工控机3，进行数据传输；无人机7挂载所有检测设备；计算机8通过无线数据传输模块4给工控机3发送指令来控制点激光器1的开机和关闭。

本发明的无人机的路面跳车检测方法，实现步骤如下：

步骤1，制定无人机挂载点激光器的巡检方案，具体包括如下步骤：

S11，选定路面跳车检测区域位于道路轮迹带处，为提高检测效率，采用一次飞行同时检测一条车道的两条轮迹带，实测3.75m车道主要轮迹带分布情况，检测采用单侧轮迹带宽度为40cm。

S12，根据轮迹带分布宽度，选用一根2m长度的横杆5来挂载点激光器1，采用四件点激光器1来进行检测，横杆5两侧各放置两件点激光器1，调整点激光器1之间的距离，单侧点激光器间隔40cm可以覆盖轮迹带宽度。

S13，对待检路段车流量、障碍物分布以及高度进行调查，根据障碍物高度和路线走向制定无人,7航线，使无人,7在道路中线上方飞行，无人机7飞行高度选择15m，以避开道路周围绝大多数障碍物，起飞与降落位置选择在非机动车道上，使无人机7放置在非机动车道进行相关系统调试。

S14，无人机7巡检速度需要与点激光器的扫描频率进行配合，无人机7飞行速度v的计算公式如下：

v＝s*γ*ρ (1)

式(1)中，s为无人机飞行距离，根据规范要求每隔10cm测量一个路面绝对高程，s取定值0.1m；γ为点激光器的最大扫描频率；ρ为实际路面材料的反射率。

步骤2，利用无人机挂载点激光器对道路进行实际检测，具体包括如下步骤：

S21，将点激光器5按照S12利用绑带固定在横杆下面，将点激光器1、直流电源2、工控机3和横杆5挂载在无人机7下面，连接点激光器1、直流电源2和工控机3，调整路面跳车检测装置的重心，避免出现某个方向上的无人机7旋翼负载过大。

S22，将无人机7放置在非机动车道上的指定位置，连接所有检测设备，对检测设备进行测试检验数据的有效性。

S23，读取无人机7的GPS模块数据，将GPS坐标数据与点激光器1测得的距离信息进行坐标匹配，通过飞行控制系统调整无人机7起飞至15m高度，移动无人机7至路面上方，在无人机7搭载点激光器1等设备保持15m恒定高度后，地面控制端远程遥控工控机3开启点激光器1进行距离测量，无人机7的飞行速度采用5m/s，利用飞控实现飞行速度自动控制，记录点激光器1测得的距离数据。

S24，因无人机7飞行时需要对障碍物进行避让，高度无法一直保持恒定，实时高度有两种测量方式：一种是通过GPS测得的绝对高度，一种是通过无人机7自带的气压计测得的相对高度，其中气压计获得的相对高度是指无人机7距离起飞平面的实时高度。如图2所示，利用GPS和气压计两种方式分别进行路面点绝对高程H的计算，计算公式为：

H＝H_abs-D_gro-d (2)

H′＝H_rel-D_gro+H_giv-d′ (3)

式(2)中，H为通过无人机绝对高度计算的路面点绝对高度；H_abs为无人机的绝对高度；D_gro为点激光器距离地面的高度；d为点激光器的激光发射点距离无人机GPS模块的垂直向距离。

式(3)中，H′为通过无人机相对高度计算的路面点绝对高度；H_rel为无人机相对于初始起飞平面的相对高度；H_giv为无人机起飞点的绝对高度；d′为点激光器的激光发射点距离无人机气压计模块的垂直向距离。

S25，对路面高程进行校正，当|H-H′|＞1cm时，调整无人机位置及姿态重新进行测量；否则，|H-H′|≤1cm，取步骤S24中两种高度计算结果的算术平均值作为路面点的绝对高度H_i，计算公式为：

S26，无人机7挂载点激光器1沿道路纵向飞行，如图3所示；在无人机7飞行途中点激光器1自动进行路面点高程测量。

S27，结束测量阶段，无人机7首先保持在15m高度悬停，地面控制端操作工控机3停止数据采集，观察周边障碍物情况后将无人机7降落至非机动车道上的指定地点。

步骤3，对点激光器采集的数据进行处理，具体包括如下步骤：

S31，计算点激光器测得的路面高程点沿道路纵向的距离，无人机7从悬停状态至稳定飞行阶段，点激光器测得的路面点沿道路纵向的距离逐渐增大至10cm并保持恒定，无人机7减速阶段激光点间距从10cm逐渐减小至0，根据距离分布只保留纵向间距恒定阶段的激光点数据。

S32，通过数据预处理，剔除桥梁伸缩缝等处可能存在的异常高程值、消除路面纵坡对路面纵断面高差计算的影响。

S33，对数据有效情况进行判断，单侧两个点激光器测得的路面高差值大于等于2cm时，判断为无效数据；单侧两个点激光器测得的路面高差值小于2cm时，取检测数据的平均值作为该处路面的高程值。在某个检测单元出现无效数据时，需要对该10m路段重新进行检测。

步骤4，对路面跳车情况进行判断，两条轮迹带分开进行，一侧轮迹带出现路面跳车即判断该10m路段存在路面跳车问题，找出10m路段每隔10cm测得的路面点最大高程与最小高程，对最大高程max{h_i}与最小高程min{h_i}做差，计算公式如下：

Δ_h＝max{h_i}-min{h_i},1≤i≤100 (5)

依据《公路技术状况评定标准》JTG5210-2018中新增路面跳车的检测指标PB，在10m路段内每隔10cm测量路面点的高程值，计算10m路段中路面点最大高程与最小高程差，当差值大于2cm时可以判断该10m路段存在路面跳车问题。同时，按照高程差的不同来判断路面跳车的严重程度。

综上，根据式(5)判断结论如下：

Δ_h<2cm时，该路段不存在路面跳车现象；

2cm≤Δ_h<5cm时，该路段存在轻度跳车现象；

5cm≤Δ_h<8cm时，该路段存在中度跳车现象；

8cm≤Δ_h时，该路段存在重度跳车现象。

Claims (5)

1.一种基于无人机的路面跳车检测装置，其特征在于，包括点激光器(1)、直流电源(2)、工控机(3)、无线数据传输模块(4)、横杆(5)、数据线(6)、无人机(7)和计算机(8)；所述无人机(7)中部搭载直流电源(2)和工控机(3)，所述无人机(7)下方搭载一根横杆(5)，所述横杆(5)下方挂载点激光器(1)；

所述点激光器(1)采集路面信息；所述直流电源(2)通过电源线分别与点激光器(1)、工控机(3)连接；所述工控机(3)通过数据线(6)与点激光器(1)连接，实时记录点激光器(1)采集的数据信息；所述无线数据传输模块(4)安装在工控机(3)上；所述计算机(8)设于地面端，通过无线数据传输模块(4)给工控机(3)发送指令，控制点激光器(1)的开机和关闭。

2.一种基于无人机的路面跳车检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(s1)制定无人机(7)挂载点激光器(1)的巡检方案；

(s2)利用无人机(7)挂载点激光器(1)对道路进行实际检测；

(s3)对点激光器采集的数据进行处理；

(s4)对路面跳车情况进行判断，通过被测路段最大高程与最小高程的差值，得到最终检测结果。

3.根据权利要求2所述的基于无人机的路面跳车检测方法，其特征在于，所述步骤(s1)中包括如下步骤：

(s11)设定路面跳车检测区域位于道路轮迹带处，采用一次飞行同时检测一条车道的两条轮迹带，实测车道主要轮迹带分布情况，并设定检测采用单侧轮迹带宽度；

(s12)根据轮迹带分布宽度，选用一横杆(5)来挂载点激光器(1)，采用四个点激光器(1)来进行检测，横杆(5)两侧各放置两个点激光器(1)，调整每侧点激光器(1)之间的距离，确保单侧点激光器覆盖轮迹带宽度；

(s13)对待检路段车流量、障碍物分布以及高度进行调查，根据障碍物高度和路线走向，制定无人机航线使无人机(7)在车道上方飞行，同时在非机动车道上选择合适的起飞、降落位置；

(s14)无人机(7)的巡检速度需要与点激光器(1)的扫描频率进行配合，无人机飞行速度v的计算如下：

v＝s*γ*ρ

其中，s为无人机飞行距离；γ为点激光器的最大扫描频率；ρ为实际路面材料的反射率。

4.根据权利要求2所述的基于无人机的路面跳车检测方法，其特征在于，所述步骤(s2)包括如下步骤：

(s21)将点激光器(1)按照步骤(s12)中要求利用绑带固定在横杆下面，将点激光器(1)、直流电源(2)、工控机(3)和横杆(5)挂载在无人机(7)下方，连接点激光器(1)、直流电源(2)和工控机(3)，路面跳车检测装置的重心，避免出现某个方向上的无人机旋翼负载过大；

(s22)将无人机(7)放置在非机动车道上，连接检测装置，对检测装置进行测试，检验数据的有效性；

(s23)读取无人机GPS模块数据，将GPS坐标数据与点激光器(1)测得的距离信息进行坐标匹配，通过飞行控制系统调整无人机(7)起飞至15m高度，移动无人机至路面上方；在无人机(7)保持15m恒定高度后，地面控制端远程遥控工控机(3)开启点激光器(1)进行距离测量，控制无人机(7)飞行速度与点激光器(1)的扫描频率相对应，记录距离数据；

(s24)利用GPS和气压计分别进行路面点绝对高程H的计算，计算公式为：

H＝H_abs-D_gro-d

H′＝H_rel-D_gro+H_giv-d′

其中，H为通过无人机绝对高度计算的路面点绝对高度；H_abs为无人机的绝对高度；D_gro为点激光器距离地面的高度；d为点激光器的激光发射点距离无人机GPS模块的垂直向距离；H′为通过无人机相对高度计算的路面点绝对高度；H_rel为无人机相对于初始起飞平面的相对高度；H_giv为无人机起飞点的绝对高度；d′为点激光器的激光发射点距离无人机气压计模块的垂直向距离；

(s25)对路面高程进行校正，当|H-H′|＞1cm时，调整无人机位置及姿态重新进行测量；否则，|H-H′|≤1cm时，取步骤(s24)中两种高度计算结果的算术平均值作为路面点的绝对高度H_i，计算公式为：

(s26)无人机(7)挂载点激光器(1)沿道路纵向飞行，在无人机(7)飞行途中点激光器(1)自动进行路面点高程测量；

(s27)结束测量阶段，无人机(7)在15m高度悬停，地面控制端操作工控机(3)停止数据采集，观察周边障碍物情况，将无人机(7)降落至非机动车道上的指定地点。

5.根据权利要求2所述的基于无人机的路面跳车检测方法，其特征在于：所述步骤(s3)包括如下步骤：

(s31)计算点激光器测得的路面高程点沿道路纵向的距离，无人机(7)从悬停状态至稳定飞行阶段，点激光器测得的路面点沿道路纵向的距离逐渐增大至10cm并保持恒定，无人机(7)减速阶段激光点间距从10cm逐渐减小至0，根据距离分布只保留纵向间距恒定阶段的激光点数据；

(s32)通过数据预处理，剔除桥梁伸缩缝等处可能存在的异常高程值、消除路面纵坡对路面纵断面高差计算的影响；

(s33)对数据有效情况进行判断，单侧两个点激光器测得的路面高差值大于等于2cm时，判断为无效数据；单侧两个点激光器测得的路面高差值小于2cm时，取检测数据的平均值作为该处路面的高程值；在出现无效数据时，需要对该10m路段重新进行检测。

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