CN116815591A - 一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备和方法，包括感知部分，由包含路面纹理三维扫描模块、摄像头、减震模块和定位器所组成；数据分析部分，具备图像定位、图像拼接、时间同步、基于纹理特征的压实程度指标计算等功能；控制策略部分，根据压实程度指标的面域分布情况，进行压实次数的控制。与现有技术相比，本发明为路面压实引入了新的信息源和评价依据，可以实现压实程度的动态实时监测和反馈控制，提升道路工程施工质量，实现基于三维扫描和图像感知实现压实度的监测。
Description
技术领域
本发明涉及路面监测技术领域，尤其是涉及一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备和方法。
背景技术
在沥青路面施工过程中，压实是其中的重要环节和重要影响因素之一，将直接影响沥青路面的强度、刚度、路用性能和耐久性。施工过程中，沥青路面必须达到有效压实，方能保证足够的强度和刚度，确保路面具有良好的平整度和耐久性。在沥青面层压实过程中，《沥青路面施工及验收标准》对于施工工艺、施工指标、验收指标提出了严格的要求。沥青面层的压实质量与路面早期破坏紧密相关，压实质量不佳是面早期破坏的主要原因之一。
沥青路面传统压实质量检测方法主要以事后验收为主，包括有损采样法和无损采样法。有损采样法主要为钻芯取样法，检测过程费时费力，工序繁琐，且会对路面造成破坏，效率极低。无损采样法主要为核子密度仪法和无核密度仪法，只能针对压实度进行监测，且为抽样检测法，难以准确代表整体面层的压实质量。事后验收的不足在于无法实时、准确和完整地反映沥青路面实际压实情况，，导致施工现场往往存在欠压或过压的现象，并无法在施工过程中实时进行调整。
国内外近年来一直在积极探索更为实时、有效沥青路面压实控制和质量检测方法。智能压实主要是基于压实机械，进行压实质量控制，可以用于各层道路筑路材料的压实质量控制，包括路基，基层和面层材料等。目前的应用主要聚焦于压实过程中的，振动频率、加速度、位移、应变和应力等压实参数。然而对于压实过程中路面纹理形态的监测，目前还不够成熟。
中国专利申请号CN202021556134.9提供了一种公路工程路基路面压实监测装置，包括压实传感器、红外温度传感器、定位装置和压实控制器；若干压实传感器设置在压路机振动轮上，红外温度传感器设置在压路机底部，压路机顶部设置有定位装置，压实控制器设置在压路机机体上；压实传感器、红外温度传感器和定位装置均通过通信电缆连接到压实控制器。
上述申请能够反馈压实和温度参数，为操作员提供压实信息和指导。但是，上述申请并无法实现对压实过程中路面纹理形态的监测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备和方法，以基于三维扫描和图像感知实现压实度的监测。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的一个方面，提供了一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备，设置在压路机上，用于监测压实过程中路面纹理形态，所述压实监测设备包括：
减震模块，设置在所述压路机上；
控制终端，与所述减震模块连接；
三维扫描模块，分别与所述减震模块和所述控制终端连接，用于采集路面的三维纹理数据；
摄像头，分别与所述减震模块和所述控制终端连接，用于采集三维扫描过程中扫描区域的图像数据并通过图像匹配进行精细定位；
定位器，用于采集位置数据。
作为优选的技术方案，所述的减震模块包括稳定云台。
作为优选的技术方案，所述的三维扫描模块包括激光器和立体相机。
作为优选的技术方案，所述的控制终端设置并连接在所述减震模块的一端上，所述的摄像头和所述的三维扫描模块设置并连接在所述减震模块同一端的延长段上，所述的减震模块的另一端与所述压路机固定连接。
作为优选的技术方案，所述的控制终端、三维扫描模块和摄像头设置在同一直线上。
作为优选的技术方案，所述的控制终端、三维扫描模块和摄像头形成的组合体的重心落在所述减震模块的水平投影面上。
作为优选的技术方案，所述的定位器与所述控制终端连接，用于采集所述压路机的位置数据。
作为优选的技术方案，以所述的压路机的行进方向为前向，所述的压实监测设备设置在所述压路机的后侧。
本发明的另一个方面，提供了一种应用于如上述融合三维扫描和图像感知的压实监测设备的压实监测方法，包括如下步骤：
分别从三维扫描模块、摄像头和定位器采集三维纹理数据、图像数据和位置数据；
基于所述位置数据对压路机所在位置进行粗定位，在首次作业时，利用所述图像数据进行全域的拼接，在重复压实的过程中利用所述图像数据提取图像特征并进行匹配，实现精细定位；
基于所述三维纹理数据计算路面平均轮廓深度，作为压实度指标，通过时间同步与定位结果相关联，实时反映指标状况。
作为优选的技术方案，还包括如下步骤：
基于压实充分情况下的指标阈值，进行压实次数控制。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)实现基于三维扫描和图像感知实现压实度的监测：不同于已有方案使用压实传感器对压实质量进行评价，本申请在压路机设备上设置了三维扫描模块，能够对压实过程中路面纹理形态的监测，在已有的压实度评判的基础上能够更加清晰地反映压实的结果。通过设置摄像头能够通过图像匹配对当前压路机所在位置进行精确定位，能够更加准确地将定位结果和压实度关联。
(2)采集数据准确度高：本申请额外设置了减震模块，减震模块包括稳定云台或调谐质量阻尼器，能够降低振动对传感器的影响，同时，为了避免结构重心偏移导致避震效果变差甚至失效的问题，通过调整控制终端、三维扫描模块和摄像头的相对位置，使三者形成的组合体的重心落在减震模块的水平投影面上。
附图说明
图1为实施例中融合三维扫描和图像感知的智能压实设备的组成示意图；
图2为实施例中融合三维扫描和图像感知的智能压实设备部署示意图；
图3为实施例中融合三维扫描和图像感知的智能压实设备的设计架构图；
图4路面平均轮廓深度计算示意图；
图5压实程度指标收敛规律，
其中，1、压路机，2、减震模块，3、控制终端，4、三维扫描模块，401、激光器，402、立体相机，5、摄像头，6、定位器。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
针对以上背景技术存在的缺点，本发明提供了一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备和方法，用于解决现有技术中的问题。
参见图1，本发明包含以下三部分：
(1)感知部分，感知部分包含路面纹理三维扫描模块、摄像头，并配备减震模块、定位器。
感知部分部署于压路机的后端，在压路机作业过程中，沿着行进方向采集数据。其采集的数据连接至控制终端，控制终端部署了数据分析和控制策略的软件模块，进行数据的存储、处理和压实策略的控制，控制策略在控制终端界面显示，辅助作业人员行进压实次数的决策。感知部分部署于压路机的后端，在压路机作业过程中，沿着行进方向采集数据。其各模块的功能和关联如附图3所示。
三维扫描模块可随着压路机的移动，宜采用三角激光测距原理，利用线激光和立体相机，实现路面三维点云的获取，动态获取高分辨率的带有x,y,z坐标信息的路面纹理三维信息，将编码器与车辆接通，获取车辆行进距离，以此控制激光线的读取速率。三维扫描模块能获取路面宏观纹理，波长范围为0.5mm～50mm，数据横纵采样间隔应小于0.5mm，深度采样精度小于0.5mm。
摄像头以俯视视角实现较大范围的路面区域的拍摄，图像中仅包含路面，不出现其他物体，图像分辨率需满足可辨认路面粒料形态特征的需求。
减震模块可以包括减震阻尼、稳定云台等部分，可以有效的减缓压路机作业时车辆自身的抖动，减少三维扫描的误差。
定位器可以动态获取经纬度定位信息，定位精度不小于2米。
(2)数据分析部分，数据分析部分包含图像定位、图像拼接、时间同步、基于纹理特征的压实程度指标计算。
数据分析部分利用定位器进行粗定位，利用图像数据在首次作业时进行全域的拼接，在压路机行进车轮上加装编码器使得摄像头不重复地拍摄图像，并且利用编码器，将连续的图像进行拼接实现采集区域。
数据分析部分在重复压实的过程中利用图像特征匹配进行精细定位。首先利用定位数据初筛，通过时间同步将定位信息与三维扫描数据进行关联。
数据分析部分基于纹理特征的压实程度指标计算，利用三维扫描数据进行解析，得到反映路面纹理特征的压实程度指标。
数据分析部分基于纹理特征的压实程度指标计算，指标为可以反映纹理表观特性的参数，参数包括但不限于路面平均构造深度MTD、路面平均轮廓深度MPD、平均高度Ra、均方根高度Rq、算术平均斜率Da、均方根斜率Dq、算数平均波长La、均方根波长Lq、偏斜度Ssk、峭度Sku、最大峰高Sp、最大谷深Sv。
本实施例中，数据分析部分基于纹理特征的压实程度指标计算选用路面平均轮廓深度MPD。MPD是对每一个断面的轮廓线进行计算，将每个轮廓线平均分成两段，求两段的峰值的均值与两段的均值之差，将每条轮廓线的结果平均起来即为MPD，计算示意图如图4所示，其计算公式为：
式中，MPD为平均轮廓深度；h1为轮廓线前半段峰值高度；h2为轮廓线前半段峰值高度；h为轮廓线整段的平均高度；n为轮廓线数量。
(3)控制策略部分，控制策略部分根据压实程度指标的面域分布情况，进行压实次数的控制。
控制策略部分根据压实区域的基于纹理特征的压实程度指标分布情况，提取压实路面指标的均值、极值、标准差等统计指标进行分析。
控制策略部分实时反映指标状况，结合压实充分情况下的基于纹理特征的指标阈值，进行压实次数控制。
其中，压实充分情况下的指标阈值是基于实验获得，在路面压实过程中，采集相应的数据，随着压实次数的累积，观测指标的变化规律，根据传统压实次数的经验和基于纹理特征的压实指标收敛状况，确定基于纹理特征的压实指标的控制阈值。
参见图2为本实施例融合三维扫描和图像感知的压实监测设备的具体结构示意图，以压路机1的行进方向为前向，融合三维扫描和图像感知的压实监测设备设置在压路机1的后侧，压实监测设备包括：
减震模块2，设置在压路机1上，可以有效的减缓压路机作业时车辆自身的抖动，减少三维扫描的误差；
控制终端3，与减震模块2连接；
三维扫描模块4，分别与减震模块2和控制终端3连接，用于采集路面的三维纹理数据，三维扫描模块4包括激光器401和立体相机402；
摄像头5，分别与减震模块2和控制终端3连接，用于采集三维扫描过程中扫描区域的图像数据；
定位器6，与控制终端3连接，用于采集压路机1的位置数据。
控制终端3设置并连接在减震模块2的一端上，摄像头5和三维扫描模块4设置并连接在减震模块2同一端的延长段上，减震模块2的另一端与压路机1固定连接。
控制终端3、三维扫描模块4和摄像头5设置在同一直线上，且三者形成的组合体的重心落在减震模块2的水平投影面上。减震模块2的延长段、摄像头5和三维扫描模块4的总质量小于定位器6与控制终端3组合体的质量，通过调整个部件的相对位置能够使控制终端3、三维扫描模块4和摄像头5的重心落在减震模块的水平投影面上。重心距离减震模块的顶部的距离不应过大，否则容易发生摇晃。
当减震模块2采用调谐质量阻尼器时，阻尼器包括质块，弹簧与由四个阻尼器构成的阻尼系统，阻尼器围成矩形，且通过调整控制终端、三维扫描模块和摄像头的相对位置，使三者形成的组合体的重心落在调谐质量阻尼器的水平投影面上，以克服结构重心偏移导致避震效果变差甚至失效的问题。重心距离减震模块的顶部的距离不宜过大，且阻尼器的阻尼系数应合理选择以防止发生摇晃。
当减震模块2采用稳定云台时，利用压路机1自带的电源为其供电，保证三维扫描模块4和摄像头5与地面之间的距离固定。
参见图3，压实监测方法包括如下步骤：
步骤S1，分别从三维扫描模块、摄像头和定位器采集三维纹理数据、图像数据和位置数据；
步骤S2，基于位置数据对压路机所在位置进行粗定位，在首次作业时，利用图像数据进行全域的拼接，在重复压实的过程中利用图像数据提取图像特征并进行匹配，实现精细定位；
步骤S3，基于三维纹理数据计算路面平均轮廓深度，作为压实度指标，通过时间同步与定位结果相关联，实时反映指标状况，基于压实充分情况下的指标阈值，进行压实次数控制。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明的方法基于压实阶段沥青面层的表观纹理变化，提出了一种压实过程实时监测和控制的设备和系统，有效地将压实施工管理从事后检验转移到过程控制。
(2)本发明的提供的系统的装备轻量便捷，可实现压实阶段沥青面层的快速无损扫描，有助于推动道路施工数字化发展。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备，其特征在于，设置在压路机(1)上，用于监测压实过程中路面纹理形态，所述压实监测设备包括：
减震模块(2)，设置在所述压路机(1)上；
控制终端(3)，与所述减震模块(2)连接；
三维扫描模块(4)，分别与所述减震模块(2)和所述控制终端(3)连接，用于采集路面的三维纹理数据；
摄像头(5)，分别与所述减震模块(2)和所述控制终端(3)连接，用于采集三维扫描过程中扫描区域的图像数据并通过图像匹配进行精细定位；
定位器(6)，用于采集位置数据。
2.根据权利要求1所述的一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备，其特征在于，所述的减震模块(2)包括稳定云台。
3.根据权利要求1所述的一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备，其特征在于，所述的三维扫描模块(4)包括激光器(401)和立体相机(402)。
4.根据权利要求1所述的一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备，其特征在于，所述的控制终端(3)设置并连接在所述减震模块(2)的一端上，所述的摄像头(5)和所述的三维扫描模块(4)设置并连接在所述减震模块(2)同一端的延长段上，所述的减震模块(2)的另一端与所述压路机(1)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备，其特征在于，所述的控制终端(3)、三维扫描模块(4)和摄像头(5)设置在同一直线上。
6.根据权利要求1所述的一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备，其特征在于，所述的控制终端(3)、三维扫描模块(4)和摄像头(5)形成的组合体的重心落在所述减震模块(2)的水平投影面上。
7.根据权利要求1所述的一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备，其特征在于，所述的定位器(6)与所述控制终端(3)连接，用于采集所述压路机(1)的位置数据。
8.根据权利要求1所述的一种融合三维扫描和图像感知的压实监测设备，其特征在于，以所述的压路机(1)的行进方向为前向，所述的压实监测设备设置在所述压路机(1)的后侧。
9.一种应用于如权利要求1-8任一所述融合三维扫描和图像感知的压实监测设备的压实监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
分别从三维扫描模块(4)、摄像头(5)和定位器(6)采集三维纹理数据、图像数据和位置数据；
基于所述位置数据对压路机(1)所在位置进行粗定位，在首次作业时，利用所述图像数据进行全域的拼接，在重复压实的过程中利用所述图像数据提取图像特征并进行匹配，实现精细定位；
基于所述三维纹理数据计算路面平均轮廓深度，作为压实度指标，通过时间同步与定位结果相关联，实时反映指标状况。
10.根据权利要求9所述的融合三维扫描和图像感知的压实监测设备的压实监测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
基于压实充分情况下的指标阈值，进行压实次数控制。
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| CN117368199A (zh) * | 2023-12-04 | 2024-01-09 | 清华大学 | 一种实时检测填筑工程压实状态的装置及检测方法 |
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| CN117368199B (zh) * | 2023-12-04 | 2024-03-19 | 清华大学 | 一种实时检测填筑工程压实状态的装置及检测方法 |
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