CN113776467A - 基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统 - Google Patents

基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，包括无人机平台、路面损坏采集模块、路面平整度采集模块、组合惯导装置和上位机，路面损坏采集模块、路面平整度采集模块和组合惯导装置均安装固定于无人机平台上，上位机设置于地面上；方案基于无人机平台安装路面损坏采集模块和路面平整度采集模块，进行公路匝道检测后，即可返航回收，提高检测效率，减少消耗；检测系统的检测指标包括路面平整度、路面损坏，以及由此两者运算得到路面技术状况指数，通过路面损坏采集模块和路面平整度采集模块即可获得；无人机飞行作业高度4‑10米，不受地面上的障碍物影响，能够更好的进行公路匝道的检测。

Description

基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统
技术领域
本发明涉及路面技术状况检测技术领域，具体领域为基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统。
背景技术
路面破损总体上可以分两类：结构性破损和功能性破损，结构性破损导致路面结构承载力下降，以各种结构裂缝的形式表现出来。功能性破损则会影响行车质量和行车安全，表现为路面服务能力下降、平整度和抗滑性能降低，通常结构性破损增加到一定程度，同样也会出现功能性破损。
因此，需要定期对道路实现检测，而现有的检测方法通常是采用无破损检测，即无需损伤路面就能测量和检验诸如厚度、钢筋位置、内部缺陷，以及某些物理力学参数的测试方法，一般是用声学和电学原理以及放射性同位素并借助电子仪器进行。
为了方便路面损坏采集设备对道路进行检测，通常是把路面损坏采集设备安装在检测车上，使路面损坏采集设备随着检测车的行走，对路面进行持续性的检测，但是现有的车载路面损害采集设备，检测高速公路匝道和短距离路面时产生了高额的运输成本和时间成本，为了解决上述问题，我们提出了基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统。
发明内容
本发明的目的在于提供基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，包括无人机平台、路面损坏采集模块、路面平整度采集模块、组合惯导装置和上位机，所述路面损坏采集模块、路面平整度采集模块和组合惯导装置均安装固定于无人机平台上，所述上位机设置于地面上。
优选的，所述无人机平台由无人机主机、云台稳定器、供电模块、数据链路和控制链路组成，所述无人机主机底面滑动卡接有云台稳定器，所述供电模块、数据链路和控制链路均设置于无人机主机内，所述路面损坏采集模块和路面平整度采集模块均通过数据线与无人机主机电连接。
优选的，所述云台稳定器包括滑动卡接于无人机主机底面滑槽的滑块，所述滑块底面固定装配有转轴，所述转轴的下端固定装配有三轴陀螺仪平台。
优选的，所述三轴陀螺仪平台包括固定装配于转轴下端的滑轨，所述滑轨上滑动卡接有快装板，所述快装板上滑动卡接有碳纤维安装板，所述碳纤维安装板上固定装配有路面损坏采集模块和路面平整度采集模块。
优选的，所述路面损坏采集模块由工业高清面阵彩色相机和适配镜头组成，所述适配镜头安装在工业高清面阵彩色相机上，带有所述适配镜头的工业高清面阵彩色相机固定装配于碳纤维安装板上。
优选的，所述路面平整度采集模块由激光传感器、加速度计和采集卡组成，所述激光传感器和加速度计固定装配于碳纤维安装板上，所述采集卡固定装配于无人机主机底面上。
优选的，所述加速度计嵌入装配于激光传感器前壁上。
优选的，所述组合惯导装置由组合导航板卡和GNSS接收机天线组成，所述组合导航板卡和GNSS接收机天线均固定装配于无人机主机上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)方案基于无人机平台安装路面损坏采集模块和路面平整度采集模块，进行公路匝道检测后，即可返航回收，提高检测效率，减少消耗。
(2)检测系统的检测指标包括路面平整度、路面损坏，以及由此两者运算得到路面技术状况指数，通过路面损坏采集模块和路面平整度采集模块即可获得。
(3)无人机飞行作业高度4-10米，不受地面上的障碍物影响，能够更好的进行公路匝道的检测。
(4)方案中采用的三轴陀螺仪平台为现有技术，广泛的应用于镜头的安装，在无人机中也多有应用，通过三轴陀螺仪能够保证安装的工业高清面阵彩色相机、激光传感器和加速度计的平稳性，避免无人机的飞行姿态变化导致采集图像忽左忽右忽前忽后，避免激光传感器打向地面的角度不断发生变化。
(5)平整度采集模块的激光传感器和加速度计刚性连接，确保无相对运动；激光传感器垂直向下测距，用于测量无人机相对于地面的高度变化，加速度计用于测量无人机相对于水平面的高度变化，经坐标转化后，可得出地面相对于水平面的相对高程变化。
(6)工作时，无人机以自动式、半自主式或人工操控的方式飞行，地面上的上位机通过控制平整度采集模块和路面损坏图像采集模块采集数据和图像，通过上位机进行计算分析得出匝道路面技术状况。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的主视结构示意图；
图3为本发明的云台稳定器结构示意图；
图4为本发明的激光传感器和加速度计结构示意图。
图中：1-无人机主机、2-云台稳定器、21-滑块、22-转轴、23-三轴陀螺仪平台、231-滑轨、232-快装板、233-碳纤维安装板、3-工业高清面阵彩色相机、4-适配镜头、5-激光传感器、6-加速度计、7-采集卡、8-GNSS接收机天线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，包括无人机平台、路面损坏采集模块、路面平整度采集模块、组合惯导装置和上位机，路面损坏采集模块、路面平整度采集模块和组合惯导装置均安装固定于无人机平台上，上位机设置于地面上。
路面损坏采集模块和路面平整度采集模块构成系统采集模块，用于公路匝道路面技术状况检测，无人机平台作为系统采集模块在载体，用于承载设备和沿途以既定速度和轨迹飞行，上位机接收系统采集模块采集的路面信息，通过上位机进行计算分析得出匝道路面技术状况。
在无人机主机1中安装有机载工控机和无线上网卡，机载工控机通过USB接口与无线上网卡连接，当需要检测时，笔记本电脑通过网络远程连接到机载工控机，设置为检测路线信息和控制数据采集开始与停止。
具体而言，无人机平台由无人机主机1、云台稳定器2、供电模块、数据链路和控制链路组成，无人机主机1底面滑动卡接有云台稳定器2，供电模块、数据链路和控制链路均设置于无人机主机1内，路面损坏采集模块和路面平整度采集模块均通过数据线与无人机主机1电连接。
数据链路和控制链路组成飞行自动控制系统，飞行自动控制系统包括控制指令自动形成装置和传输操纵装置，指令自动形成装置包括自动驾驶仪和相关的传感器、导航设备；传输操纵装置包括从控制指令输出点到水平尾翼、副翼、方向舵等操纵面，用来传递操纵指令，改变飞行状态的所有装置；供电模块包括供电电路和电池，无人机主机1上的设备由无人机系统提供的供电接口提供，电池输出电压为DC-18V，将电压转为12VDC后供给采集系统使用，最大限度减少无人机负载重量。
具体而言，云台稳定器2包括滑动卡接于无人机主机1底面滑槽的滑块21，滑块21底面固定装配有转轴22，转轴22的下端固定装配有三轴陀螺仪平台23；云台稳定器2采用倒挂设计，其上方与无人机框架固定，下方为三轴陀螺仪平台23。
具体而言，三轴陀螺仪平台23包括固定装配于转轴22下端的滑轨231，滑轨231上滑动卡接有快装板232，快装板232上滑动卡接有碳纤维安装板233，碳纤维安装板233上固定装配有路面损坏采集模块和路面平整度采集模块，碳纤维安装板233以快拆连接的方式连接在云台稳定器2下方的三轴陀螺仪平台23上，各平台材料，可采用碳纤维材料或铝制材料，以减轻整机重量。
具体而言，路面损坏采集模块由工业高清面阵彩色相机3和适配镜头4组成，适配镜头4安装在工业高清面阵彩色相机3上，带有适配镜头4的工业高清面阵彩色相机3固定装配于碳纤维安装板233，用于路面损坏图像的采集。
具体而言，路面平整度采集模块由激光传感器5、加速度计6和采集卡7组成，激光传感器5和加速度计6固定装配于碳纤维安装板233上，采集卡7固定装配于无人机主机1底面上；路面平整度采集模块用于路面平整度及纵断面高程的采集。
具体而言，加速度计6嵌入装配于激光传感器5前壁上，激光传感器5和加速度计6刚性连接，确保无相对运动.
具体而言，组合惯导装置由组合导航板卡和GNSS接收机天线8组成，组合导航板卡和GNSS接收机天线8均固定装配于无人机主机1上；组合导航板卡和GNSS接收机天线8用于提供实时速度、姿态、距离等信号，
验证方案：
1、选择至少3段路面损坏严重程度不同的匝道，依次为好、中、差的路段；
2、采用道路路况综合检测系统进行检测后，得到路面行驶质量指数和国际平整度指数，按百米进行技术状况评定；
3、每条路检测5遍，以平均值作为基准数据；
4、采用基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统进行相同的检测后，得到路面行驶质量指数和国际平整度指数，按百米进行技术状况评定；
5、每条道路检测5遍，以平均值作为对比数据；
6、分别计算两种方法测得的路面行驶质量指数和国际平整度指数的一致性和相关性。
工作原理：本发明中路面损坏采集模块和路面平整度采集模块构成系统采集模块，用于公路匝道路面技术状况检测，无人机平台作为系统采集模块在载体，用于承载设备和沿途以既定速度和轨迹飞行，上位机接收系统采集模块采集的路面信息，通过上位机进行计算分析得出匝道路面技术状况，在无人机主机1中安装有机载工控机和无线上网卡，机载工控机通过USB接口与无线上网卡连接，当需要检测时，笔记本电脑通过网络远程连接到机载工控机，设置为检测路线信息和控制数据采集开始与停止。
基于无人机平台安装路面损坏采集模块和路面平整度采集模块，进行公路匝道检测后，即可返航回收，提高检测效率，减少消耗；检测系统的检测指标包括路面平整度、路面损坏，以及由此两者运算得到路面技术状况指数，通过路面损坏采集模块和路面平整度采集模块即可获得；无人机飞行作业高度4-10米，不受地面上的障碍物影响，能够更好的进行公路匝道的检测；采用的三轴陀螺仪平台23为现有技术，广泛的应用于镜头的安装，在无人机中也多有应用，通过三轴陀螺仪平台23能够保证安装的工业高清面阵彩色相机3、激光传感器5和加速度计6的平稳性，避免无人机的飞行姿态变化导致采集图像忽左忽右忽前忽后，避免激光传感器5打向地面的角度不断发生变化；三轴陀螺仪平台23设置为横滚和方向不随无人机姿态发生变化，而航向设置为跟随；平整度采集模块的激光传感器5和加速度计6刚性连接，确保无相对运动；激光传感器5垂直向下测距，用于测量无人机相对于地面的高度变化，加速度计6用于测量无人机相对于水平面的高度变化，经坐标转化后，可得出地面相对于水平面的相对高程变化；工作时，无人机以自动式、半自主式或人工操控的方式飞行，地面上的上位机通过控制平整度采集模块和路面损坏图像采集模块采集数据和图像，通过上位机进行计算分析得出匝道路面技术状况。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，其特征在于：包括无人机平台、路面损坏采集模块、路面平整度采集模块、组合惯导装置和上位机，所述路面损坏采集模块、路面平整度采集模块和组合惯导装置均安装固定于无人机平台上，所述上位机设置于地面上。
2.根据权利要求1所述的基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，其特征在于：所述无人机平台由无人机主机(1)、云台稳定器(2)、供电模块、数据链路和控制链路组成，所述无人机主机(1)底面滑动卡接有云台稳定器(2)，所述供电模块、数据链路和控制链路均设置于无人机主机(1)内，所述路面损坏采集模块和路面平整度采集模块均通过数据线与无人机主机(1)电连接。
3.根据权利要求2所述的基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，其特征在于：所述云台稳定器(2)包括滑动卡接于无人机主机(1)底面滑槽的滑块(21)，所述滑块(21)底面固定装配有转轴(22)，所述转轴(22)的下端固定装配有三轴陀螺仪平台(23)。
4.根据权利要求3所述的基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，其特征在于：所述三轴陀螺仪平台(23)包括固定装配于转轴(22)下端的滑轨(231)，所述滑轨(231)上滑动卡接有快装板(232)，所述快装板(232)上滑动卡接有碳纤维安装板(233)，所述碳纤维安装板(233)上固定装配有路面损坏采集模块和路面平整度采集模块。
5.根据权利要求4所述的基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，其特征在于：所述路面损坏采集模块由工业高清面阵彩色相机(3)和适配镜头(4)组成，所述适配镜头(4)安装在工业高清面阵彩色相机(3)上，带有所述适配镜头(4)的工业高清面阵彩色相机(3)固定装配于碳纤维安装板(233)上。
6.根据权利要求2或4所述的基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，其特征在于：所述路面平整度采集模块由激光传感器(5)、加速度计(6)和采集卡(7)组成，所述激光传感器(5)和加速度计(6)固定装配于碳纤维安装板(233)上，所述采集卡(7)固定装配于无人机主机(1)底面上。
7.根据权利要求6所述的基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，其特征在于：所述加速度计(6)嵌入装配于激光传感器(5)前壁上。
8.根据权利要求2所述的基于无人机平台的高速公路匝道路面技术状况检测系统，其特征在于：所述组合惯导装置由组合导航板卡和GNSS接收机天线(8)组成，所述组合导航板卡和GNSS接收机天线(8)均固定装配于无人机主机(1)上。
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