CN114739312B - 一种手持式路面构造深度激光测定装置 - Google Patents
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Abstract
一种手持式路面构造深度激光测定装置，包括有外壳，以及安装在外壳内的手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统、系统控制及数据实时显示子系统和内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统。本发明通过手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统发射的激光面，在待测路面上交叠形成一块交叠核心区域，然后通过内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统对手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统采集的路表纹理高程数据进行处理，得到交叠核心区域内的平均构造深度。本发明结构小巧能够随身携带进行实时测试，而且单手即可操作，测试时完成后经过多个子系统测试效率高，价格适宜的沥青路面构造深度测定设备。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程现场测试以及三维立体检测，移动计算与信号处理领域，尤其涉及一种手持式路面构造深度激光测定装置。
背景技术
随着公路等级与建设里程的增长，行车速度与交通流量也越来越大，交通安全问题愈加得到重视，大量资料表明路面抗滑性能不足是引发交通事故的重要原因之一，因此，对沥青的路面进行抗滑性能进行实时检定对于保证路面的抗滑性能及交通安全具有重要意义。
沥青路面的抗滑性能主要由路表的纹理构造决定，构造深度是反应路表抗滑性能的最为重要的指标之一，该指标也是各主流路面规范中强制要求进行测试的指标，广泛使用于各级道路设计，施工，监理，管养等部门。但是目前国内外常用的构造深度测试主要以传统的手工铺沙法，电动铺砂法以及新兴的CT扫描法，车载激光扫描，近景图像识别处理等方式为主，其中铺砂法耗时长，测试效率低下，而新兴的CT扫描法，车载激光扫描，近景图像识别处理这些方法虽然能提升测试效率但是也面临种种问题，例如：测试设备体积过大难以随身携带以便进行即时测试、对于使用人员的要求较高(需要掌握图像处理，信号系统等多类别知识)、与传统铺沙法的测试结果的差异性大、设备操作复杂，价格昂贵且难以采购等。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种携带更加方便的手持式路面构造深度激光测定装置。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种手持式路面构造深度激光测定装置，包括有外壳，以及安装在外壳内的手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统、系统控制及数据实时显示子系统和内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统；系统控制及数据实时显示子系统包括有嵌入式主控模块，以及与嵌入式主控模块连接的第一高速通信模块、人机交互模块、数据存储模块和电源管理模块；嵌入式主控模块用于调度第一高速通信模块、人机交互模块、数据存储模块和电源管理模块，统一协调采集数据，实现对数据的采集、A\D转换、预处理、计算、无线通信、标准化数据存储的管理与控制；第一高速通信模块用与计算机端展开历史数据交换和内嵌软件的升级；人机交互模块包括有液晶显示屏和输入按键，用于向用户提供友好的可视化信息与服务、显示平均构造深度测试结果、并接收来自用户的输入的系统设定；内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统包括路面纹理数据存储与管理模块、纹理深度后处理模块、平均构造深度计算模块、第二高速通信模块；路面纹理数据存储与管理模块为面向激光扫描的主题数据库，用于对扫描路面临时点云数据进行存储更新；纹理深度后处理模块用于对路面纹理数据存储与管理模块中存储的临时点云数据进行三维坐标转换、点云重建和配准技术将临时点云数据生成标准化的路面三维高程点云数据；平均构造深度计算模块利用标准化的路面三维点云高程数据计算测试面域内的平均构造深度；第二高速通信模块用于将纹理深度后处理模块中计算得到的平均构造深度计算结果传入系统控制及数据实时显示子系统中的数据存储模块进行储存并通过人机交互模块输出给使用者。
进一步地，手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统包括有测量路面纹理高程数据的若干处多线激光测量模块，每处多线激光测量模块均包括有若干个激光发射单元和若干个接收单元，若干个激光发射单元发射激光线形成激光面，若干激光发射模块发射出的激光面在待测路面上交叠形成一块交叠核心区域。
进一步地，多线激光测量模块设置有三处，三处多线激光测量模块呈三角形分布，且安装在同一平面上。
进一步地，若干个激光发射单元呈圆周分布，每个激光发射单元发射的激光线与安装平面所成的角度相同，位于同一多线激光测量模块中的激光发射单元发射的激光线形成激光环面。
进一步地，所第一高速通信模块采用有线或无线传输的方法实现与计算机端的数据交换和内嵌软件的升级；人机交互模块包括有触控或非触控的液晶显示屏及其输入按键，支持嵌入式轻型图形用户界面，负责向用户提供友好的可视化信息与服务、显示平均构造深度测试结果、并接收来自用户的输入的系统设定；数据存储模块采用嵌入式存储技术实现对扫描路面平均构造深度的连续存储；电源管理模块包括有电源控制器和埋电池组。
进一步地，电源管理模块中，使用分级供电架构，分级供电架构是将手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统、系统控制及数据显示子系统、内嵌式路面纹理分析及构造深度计算子系统的各功能部件按照能量消耗从高到低分成A、B、C三个等级；多线激光测量模块为A级，嵌入式主控模块、纹理深度后处理模块、平均构造深度计算模块为B级，路面纹理数据存储于管理模块、第一高速通信模块、第二高速通信模块、人机交互模块、数据储存模块、电源管理模块为C级，管理模块根据上述能耗分级需求配置相应的电源调理模块，实现对系统各功能模块的按需供电。
进一步地，纹理深度后处理模块对所采集的路表纹理高程数据进行处理的方法步骤如下：
S1：通过三维坐标转换与插补对三个多线激光测量模块测量得到的三组路面纹理高程数据进行叠加拓扑优化形成扫描区域内的临时点云数据；
S2：对临时点云数据内的畸变数据进行筛除并保留半径为150mm的交叠核心区域内的临时点云数据，作为标准化路面三维高程数据；
S3：检验被保留的交叠核心区域的临时点云数据密度是否大于每平方毫米2500个，若校验后的交叠核心区域内的临时点云数据密度小于每平方毫米2500个，提示用户重新进行路面纹理激光扫描并重复S1和S2；反之，若校验后的交叠核心区域内的临时点云数据密度大于每平方毫米2500个，平均构造深度计算模块利用创建好的标准化路面三维高程数据通过下式计算交叠核心区域内的平均构造深度；
上述公式中，Z0为测试道路表面上的空间平面，Z(x，y)为标准化路面三维高程点形成的区域面；D为积分区域，即保留下来的核心区域；V为平面Z0与区域面Z(x，y)所包络的体积，单位mm3；A为区域D的面积，单位mm2；MTD为平均构造深度，单位mm。
本发明的有益效果为：本发明通过手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统发射的激光面，在待测路面上交叠形成一块交叠核心区域，然后通过内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统对手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统采集的路表纹理高程数据进行处理，得到交叠核心区域内的平均构造深度。本发明的手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统、系统控制及数据实时显示子系统和内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统安装在同一支撑框架内，可代替现有的铺砂测量构造深度方法进行路面纹理的扫描分析并实时储存和输出路面的构造深度值。本发明结构小巧能够随身携带进行实时测试，而且单手即可操作，测试时完成后经过多个子系统测试效率高，价格适宜的沥青路面构造深度测定设备。
附图说明
图1为本发明的方框结构示意图；
图2为本发明中纹理深度后处理模块的处理流程图；
图3为本发明的工作示意图一；
图4为本发明的工作示意图二；
图5为本发明的整体外壳示意图一；
图6为本发明的整体外壳示意图二；
图7为本发明中多线激光测量模块的示意图；
图中主要部件符号说明如下：
1、多线激光测量模块；2、液晶显示屏；3、输入按键；4、外壳；5激光发射单元；6、激光接收单元；7、交叠核心区域。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、5和6所示，一种手持式路面构造深度激光测定装置，包括有外壳4，以及安装在外壳4内的手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统、系统控制及数据实时显示子系统和内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统。
系统控制及数据实时显示子系统包括有嵌入式主控模块，以及与嵌入式主控模块连接的第一高速通信模块、人机交互模块、数据存储模块和电源管理模块；嵌入式主控模块用于综合调度第一高速通信模块、人机交互模块、数据存储模块和电源管理模块，统一协调采集数据，A\D转换、预处理、计算、无线通信、标准化数据存储的管理与控制，嵌入式主控模块的型号优选为STM32f103cbt6；第一高速通信模块用与计算机端展开历史数据交换(标准化点云数据和历史平均构造深度记录)和内嵌软件的升级，优选型号为ME3630-W；人机交互模块包括有液晶显示屏2和输入按键3，用于向用户提供友好的可视化信息与服务、显示平均构造深度测试结果，时间、路面温度、连续测试模式、构造深度值、电量及其储存文档编号，并显示来自用户的输入的系统设定，液晶显示屏的型号优选为G1601FP102GG-001(自发光)；数据存储模块的型号优选为Socket2M.2-128GB，用于记录完成测试的路面激光点云数据、构造深度测试结果、测试信息等用于储存记录路面纹理激光扫描数据采集子系统扫描记录的临时点云数据；电源管理模块包括电池电源管理芯片和锂电池，主要用于手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统、系统控制及数据实时显示子系统和内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统中各个模块的按需供电，电池电源管理芯片的优选型号为MWCT1013VLH，锂电池的优选型号为TAIYANG553759-8000mAh。
手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统包括有测量路面纹理高程数据的若干处多线激光测量模块，每处多线激光测量模块均包括有若干个激光发射单元5和若干个接收单元6，若干个激光发射单元5发射激光线形成激光面，若干激光发射模块发射出的激光面在待测路面上交叠形成一块交叠核心区域7。激光发射单元的型号优选为MicroLaser-40，激光接收单元的型号优选为RecLS-100。多线激光测量模块设置有三处，三处多线激光测量模块呈等边三角形分布，且安装在同一平面上。若干个激光发射单元呈圆周分布，每个激光发射单元5发射的激光线与安装平面所成的角度相同，位于同一多线激光测量模块中的激光发射单元5发射的激光线形成激光环面。
内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统包括路面纹理数据存储与管理模块、纹理深度后处理模块、平均构造深度计算模块、第二高速通信模块；其中，路面纹理数据存储与管理模块为面向激光扫描的主题数据库，用于对扫描路面纹理临时点云数据进行存储与更新；纹理深度后处理模块型号优选为AT24C02，用于对路面纹理数据存储与管理模块中存储的临时点云数据进行三维坐标转换、点云重建和配准技术将临时点云数据生成标准化的路面三维高程点云数据，优选型号为MT6750V/WB；平均构造深度计算模块利用标准化的路面三维点云高程数据计算测试面域内的平均构造深度，平均构造深度计算模块的优选型号为MT6750V/WB；第二高速通信模块用于将纹理深度后处理模块中计算得到的平均构造深度计算结果传入系统控制及数据实时显示子系统中的数据存储模块进行储存并通过人机交互模块输出给使用者，第二高速通信模块的型号优选为AD9220。
电源管理模块中，使用分级供电架构，分级供电架构是将手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统、系统控制及数据显示子系统、内嵌式路面纹理分析及构造深度计算子系统的各功能部件按照能量消耗从高到低分成A、B、C三个等级；多线激光测量模块为A级，嵌入式主控模块、纹理深度后处理模块、平均构造深度计算模块为B级，路面纹理数据存储于管理模块、第一高速通信模块、第二高速通信模块、人机交互模块、数据储存模块、电源管理模块为C级，管理模块根据上述能耗分级需求配置相应的电源调理模块，实现对系统各功能模块的按需供电。
如图2所示，纹理深度后处理模块对所采集的路表纹理高程数据进行处理的方法步骤如下：
S1：通过三维坐标转换与插补对三个多线激光测量模块测量得到的三组路面纹理高程数据进行叠加拓扑优化形成扫描区域内的临时点云数据；
S2：对点云数据内的畸变数据进行筛除并保留半径为150mm的交叠核心区域内的点云数据作为标准化路面三维高程数据；
S3：检验被保留的交叠核心区域的临时点云数据密度是否大于每平方毫米2500个，若校验后的交叠核心区域内的临时点云数据密度小于每平方毫米2500个，提示用户重新进行路面纹理激光扫描并重复S1和S2；反之，若校验后的核心区域内的临时点云数据密度大于每平方毫米2500个，所述平均构造深度计算模块利用创建好的标准化路面三维高程数据通过下式计算核心区域内的平均构造深度；
上述公式中，Z0为测试道路表面上的空间平面，Z(x，y)为标准化路面三维高程点形成的区域面；D为积分区域，即保留下来的核心区域；V为平面Z0与区域面Z(x，y)所包络的体积，单位mm3；A为区域D的面积，单位mm2；MTD为平均构造深度，单位mm。
在本实施例中，手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统包括有三处呈等边三角形放置的多线激光测量模块1，每个多线激光测量模块优选为由12～18个线状激光发射单元5组成的环形列阵，以及设置在环形列阵内的接收单元6，如图7所示。如图3和4所示；三个呈等边三角形放置的多线激光测量模块发出的激光面在测量路面上，交叠形成一块核心区域7，手持式路面构造深度激光测定装置处于最优测试高度(离地面约40-50cm时)，该交叠核心区域7的直径应该在150mm左右。
Claims (4)
1.一种手持式路面构造深度激光测定装置，其特征在于：包括有外壳，以及安装在外壳内的手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统、系统控制及数据实时显示子系统和内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统；
所述系统控制及数据实时显示子系统包括有嵌入式主控模块，以及与嵌入式主控模块连接的第一高速通信模块、人机交互模块、数据存储模块和电源管理模块；所述嵌入式主控模块用于调度第一高速通信模块、人机交互模块、数据存储模块和电源管理模块，统一协调采集数据，实现对数据的采集、A\D转换、预处理、计算、无线通信、标准化数据存储的管理与控制；第一高速通信模块用与计算机端展开历史数据交换和内嵌软件的升级；所述人机交互模块包括有液晶显示屏和输入按键，用于向用户提供友好的可视化信息与服务、显示平均构造深度测试结果、并接收来自用户的输入的系统设定；
所述内嵌式路面点云拟合及构造深度计算子系统包括路面纹理数据存储与管理模块、纹理深度后处理模块、平均构造深度计算模块、第二高速通信模块；所述路面纹理数据存储与管理模块为面向激光扫描的主题数据库，用于对扫描路面临时点云数据进行存储更新；所述纹理深度后处理模块用于对路面纹理数据存储与管理模块中存储的临时点云数据进行三维坐标转换、点云重建和配准技术将临时点云数据生成标准化的路面三维高程点云数据；所述平均构造深度计算模块利用标准化的路面三维点云高程数据计算测试面域内的平均构造深度；所述第二高速通信模块用于将纹理深度后处理模块中计算得到的平均构造深度计算结果传入系统控制及数据实时显示子系统中的数据存储模块进行储存并通过人机交互模块输出给使用者；
所述手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统包括有测量路面纹理高程数据的若干处多线激光测量模块，每处所述多线激光测量模块均包括有若干个激光发射单元和若干个接收单元，若干个所述激光发射单元发射激光线形成激光面，若干所述激光测量模块发射出的激光面在待测路面上交叠形成一块交叠核心区域；
所述多线激光测量模块设置有三处，三处所述多线激光测量模块呈三角形分布，且安装在同一平面上；
若干个所述激光发射单元呈圆周分布，每个所述激光发射单元发射的激光线与安装平面所成的角度相同，位于同一所述多线激光测量模块中的所述激光发射单元发射的激光线形成激光环面。
2.如权利要求1所述一种手持式路面构造深度激光测定装置，其特征在于，所第一高速通信模块采用有线或无线传输的方法实现与计算机端的数据交换和内嵌软件的升级；所述人机交互模块包括有触控或非触控的液晶显示屏及其输入按键，支持嵌入式轻型图形用户界面，负责向用户提供友好的可视化信息与服务、显示平均构造深度测试结果、并接收来自用户的输入的系统设定；所述数据存储模块采用嵌入式存储技术实现对扫描路面平均构造深度的连续存储；所述电源管理模块包括有电源控制器和埋电池组。
3.如权利要求1所述一种手持式路面构造深度激光测定装置，其特征在于，所述电源管理模块中，使用分级供电架构，所述分级供电架构是将手持式路面纹理激光扫描数据采集子系统、系统控制及数据显示子系统、内嵌式路面纹理分析及构造深度计算子系统的各功能部件按照能量消耗从高到低分成A、B、C三个等级；多线激光测量模块为A级，嵌入式主控模块、纹理深度后处理模块、平均构造深度计算模块为B级，所述路面纹理数据存储于管理模块、第一高速通信模块、第二高速通信模块、人机交互模块、数据储存模块、电源管理模块为C级，所述管理模块根据上述能耗分级需求配置相应的电源调理模块，实现对系统各功能模块的按需供电。
4.如权利要求1所述一种手持式路面构造深度激光测定装置，其特征在于，所述纹理深度后处理模块对所采集的路表纹理高程数据进行处理的方法步骤如下：
S1：通过三维坐标转换与插补对三个多线激光测量模块测量得到的三组路面纹理高程数据进行叠加拓扑优化形成扫描区域内的临时点云数据；
S2：对临时点云数据内的畸变数据进行筛除并保留半径为150mm的交叠核心区域内的临时点云数据，作为标准化路面三维高程数据；
S3：检验被保留的交叠核心区域的临时点云数据密度是否大于每平方毫米2500个，若校验后的交叠核心区域内的临时点云数据密度小于每平方毫米2500个，提示用户重新进行路面纹理激光扫描并重复S1和S2；反之，若校验后的交叠核心区域内的临时点云数据密度大于每平方毫米2500个，所述平均构造深度计算模块利用创建好的标准化路面三维高程数据通过下式计算交叠核心区域内的平均构造深度；
上述公式中，Z0为测试道路表面上的空间平面，Z(x，y)为标准化路面三维高程点形成的区域面；D为积分区域，即保留下来的核心区域；V为平面Z0与区域面Z(x，y)所包络的体积，单位mm3；A为区域D的面积，单位mm2；MTD为平均构造深度，单位mm。
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