CN1959755A

CN1959755A - 一种道路断面信息采集装置

Info

Publication number: CN1959755A
Application number: CN 200610125164
Authority: CN
Inventors: 严新平; 陈先桥; 初秀民; 陈明昭; 吕植勇; 陶静峰; 郝静涛; 汪军
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: CN100419810C

Abstract

本发明涉及一种测量道路路面车辙和平整度参数集成测量装置。一种道路断面信息采集装置，其特征在于它由上位机子系统、下位机子系统组成，上位机子系统由车载工控机、第一通信卡组成，第一通信卡与车载工控机采用ISA总线连接；下位机子系统由嵌入式工控机、AD采集卡、第二通信卡、计数卡、光电编码器、超声传感器、激光传感器和加速度传感器组成，第二通信卡、AD采集卡、计数卡分别与嵌入式工控机采用PC－104总线连接，光电编码器采用屏蔽双绞线与计数卡连接，超声传感器、激光传感器和加速度传感器均采用屏蔽双绞线与AD采集卡连接；下位机子系统通过第二通信卡由CAN总线与上位机子系统的第一通信卡相连。本发明能同时测量道路路面车辙和平整度。

Description

一种道路断面信息采集装置

技术领域

本发明涉及一种由车辆行驶速度控制的自动精确测量道路断面信息采集装置，尤其是测量道路路面车辙和平整度参数集成测量装置。

背景技术

目前，美国ICC公司、South Dakota DOT、澳大利亚ARRB等均能生产快速可靠的车载式车辙自动检测仪。这类仪器可进行高速、连续的检测，具有可靠性高、操作安全、不影响车辆的正常通行等优点，在国外已得到广泛应用。

加拿大的Roadware公司生产的自动路面检测车具有多种功能。其车辙检定是基于超声反射波测距原理的。它的特点如下：

1)传感器探头数量多，共有37个探头，其中主框架上安装了19个，两翼上各安装了9个。

2)采样点密集，它的两个相邻探头之间的距离是100mm，当安装了两翼的探头后，可以覆盖整个3.75米的标准车道。其采样点多的优势是可以找到更准确的车辙值，而且在数据处理上，能使用更好的插值函数和过滤掉不合理的某些探头获得的数据。

3)测量精度高，其单个探头的测量精度为1mm，车辙深度累计测量误差为1.5mm。

4)汽车变速运行不影响检测。

我国在路面车辙检测方面大部分仍停留在人工检测阶段，研究工作开展很少。对车辙的检测局限于对典型断面的检测，而典型断面的选取随意性大，受主观因素影响多，致使评价方法不准确、不科学，并且这种检测手段落后、速度慢、危险性大。目前有些研究机构如东南大学研发的亚普勒斯车辙仪(APRES)——自动化路面车辙检测与分析仪尚处在成果推广阶段。

而在平整度测量方面，国外近来采用较先进的检测仪器包括：

1)各种激光平整度仪：丹麦、英国、美国的激光平整度仪等；

2)其他类型的平整度检测仪：英国的颠簸累积仪(BI)，澳大利亚的手推断面仪等。

目前，国内用于平整度检测与评价的仪器设备主要有以下几种类型：

1)水准测量(水准仪或精密水准仪)；

2)3m直尺(主要是国产的型号)；

3)连续式平整度仪(主要由西安公路研究所等生产)；

4)车载式颠簸累积仪(主要由交通部公路科学研究所等生产)；

5)ARRB手推式断面仪(从澳大利亚公路运输研究所引进)；

6)ARAN多功能道路测试车(从加拿大ROADWARE公司引进)；

7)激光平整度仪(从丹麦、澳大利亚、英国等国引进)；

8)路面智能检测车(由南京理工大学、南京路达基础工程新技术研究所共同完成)；

9)SINC-RTM车载智能路面自动检测系统(由武汉大学空间信息与网络通信技术研发中心自主研发并产业化)。

我国过去使用较多的仪器有三米直尺和连续式平整度仪等，这些仪器受长度和速度的限制，难以反映较高车速下路面较长波长的颠簸和起伏。另外连续式平整度仪在使用中还存在测试效率低、速度慢、机械配置庞大而笨重、测定精度差、再现性差等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同时测量道路路面车辙和平整度的道路断面信息采集装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案为下述二种之一：

方案一：一种道路断面信息采集装置，其特征在于它由上位机子系统、下位机子系统组成，上位机子系统由车载工控机、第一通信卡组成，其中第一通信卡与车载工控机采用ISA总线连接；下位机子系统由嵌入式工控机、AD采集卡、第二通信卡、计数卡、光电编码器、超声传感器、激光传感器和加速度传感器组成，其中第二通信卡、AD采集卡、计数卡分别与嵌入式工控机采用PC-104总线连接，光电编码器采用屏蔽双绞线与计数卡连接，超声传感器、激光传感器和加速度传感器均采用屏蔽双绞线与AD采集卡连接；所述的超声传感器为26个，在信息采集车的前保险杠前附加一横梁，在横梁上垂直向下均匀排布25个超声传感器，第26个超声传感器横向安装于主横梁上，激光传感器、加速度传感器分别各为2个，并封装在二个盒内，一个盒内为一个激光传感器和一个加速度传感器，安装于前保险杆的轮迹处，盒子的下端面距地面高度为260mm；下位机子系统通过第二通信卡由CAN总线与上位机子系统的第一通信卡相连。

方案二：一种道路断面信息采集装置，其特征在于它由上位机子系统、下位机子系统组成，上位机子系统由车载工控机、第一通信卡、光电编码器、计数卡组成，其中第一通信卡与车载工控机采用ISA总线连接，计数卡采用ISA总线与车载工控机连接，光电编码器采用屏蔽双绞线与计数卡连接；下位机子系统由嵌入式工控机、AD采集卡、第二通信卡、超声传感器、激光传感器和加速度传感器组成，其中第二通信卡、AD采集卡分别与嵌入式工控机采用PC-104总线连接，超声传感器、激光传感器和加速度传感器均采用屏蔽双绞线与AD采集卡连接；所述的超声传感器为26个，在信息采集车的前保险杠前附加一横梁，在横梁上垂直向下均匀排布25个超声传感器，第26个超声传感器横向安装于主横梁上，激光传感器、加速度传感器分别各为2个，并封装在二个盒内，一个盒内为一个激光传感器和一个加速度传感器，并安装于前保险杆的轮迹处，盒子的下端面距地面高度为260mm；下位机子系统通过第二通信卡由CAN总线与上位机子系统的第一通信卡相连。

本发明是一种非接触式动态纵断面自动检测装置，它是随着检测车的运行，将车速信息通过光电编码器转变为连续的脉冲信息，道路路面车辙测量是由经过计数卡分频可变为每隔4m产生一个脉冲，该脉冲作为A/D采集的外触发信号，通过中断方式向AD采集卡(信号采集模块)提出中断请求，AD采集卡立即响应该请求，开始采样，并实时将采集到的超声传感器所测出的路面车辙原始参数，经通信卡上传给上位机，再由上位机对所得数据进行软件数字滤波去除干扰，后存入数据库。

道路路面平整度测量是由经过计数卡对光电编码器脉冲信号进行分频，每隔250mm产生一个脉冲，该脉冲作为A/D采集的外触发信号，通过中断方式向AD采集卡提出中断请求，AD采集卡立即响应该请求，实时采集激光传感器和加速度传感器所测出的路面不平度原始参数，每次采集可连续采集若干个数据，经软件数字滤波去干扰，得到一个不平度测试值D′和车辆垂直方向加速度a。由于测试是在运动中进行的，车辆振动难以避免，由此而引入的测试误差将远远大于激光传感器的测试精度，因此，设计中加入了加速度传感器。该传感器测得的是测试车垂直方向的加速度变值，根据物理学公式，对时间作两次积分，便可得到车辆垂直方向的振动量D″。再作Y＝D′-D″计算，则Y即为剔除车辆振动后所得的路面不平度参数。

本发明一种道路断面信息采集装置的上位机子系统与下位机子系统通信采用现场总线CAN(Controller Area Network控制器局域网络)，它的最大的优点在于它的实时性很高，由于它采用位仲裁方式进行网络分配，因此可以最大限度的保证道路断面信息采集装置对紧急事件的响应，另外一个优点是具有很高的可靠性，它有五种方法判断和纠正数据在传输中可能发生的错误。

CAN的信号传输采用短祯结构，每一祯的有效字节数为8个，因而传输的时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该结点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。通信速率最高可达1Mbp/40m，直接传输距离最远可达10km/5kbp。可挂接设备数最多可达110个。下位机子系统的CAN卡采用PC-104总线，上位机子系统的CAN卡采用ISA总线。

所选用的AD采集卡的输入端最多可接收32个通道的单端模拟输入，并将这些模拟输入量变成12位数字量，然后传送到上位机子系统的工控机的存储器；输入电压的量程为单端极性0-10伏。AD变换是一个12位的逐次逼近式的变换器来完成的，具有采样保持功能，12位变换的分辨率为2.441毫伏，吞吐量每秒100,000个样本。AD采集卡与嵌入式工控机采用PC-104总线进行通信和控制。在最大车速72km/h的情况下，最短采样间隔为12.05ms(行驶250mm用的时间)，而一次采样所用的时间仅为0.01ms，中断处理时间为0.2ms，传送时间为0.5ms，上位机处理时间为0.1ms。所以该AD采集卡完全满足使用条件，不会产生因车速过快而丢数据的现象。

本发明的有益效果是：采用基于超声传感器的车辙自动检测和基于激光传感器、加速度传感器的平整度自动检测；实现测量道路路面车辙和平整度。本道路断面信息采集装置对车辙和平整度测量精度均达到1mm。

附图说明

图1-1是本发明实施例1的结构图。

图1-2是本发明实施例2的结构图。

图2是车辙测量用的横梁图。

图3是车辙测量的超声传感器安装示意图。

图4-1是实施例1平整度测量的激光传感器和加速度传感器安装位置图。

图4-2是实施例2平整度测量的激光传感器和加速度传感器安装位置图。

图5是光电编码器安装图。

图6是计数卡原理图。

图7是传感器与AD采集卡的连接电路原理图。

图中：1-为横梁，2-车前保险杠，3-为激光传感器和加速度传感器封装盒，4-光电编码器(在车内)，5-传动软轴与车轮轴连接端，6-传动软轴，7-左展臂，8-右展臂，9-校准传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1-1、图2、图3、图4-1、图6、图7所示，一种道路断面信息采集装置，它由上位机子系统、下位机子系统组成，上位机子系统由车载工控机(也称为上位机)、第一通信卡(上位机CAN卡)组成，第一通信卡与车载工控机采用ISA总线连接，上位机子系统主要负责保存数据、计算数据和产生报表等操作；下位机子系统由嵌入式工控机(它采用基于IEEE P996.1兼容PC嵌入式模块标准，通称PC104工控机)、AD采集卡(负责采集传感器信号，该卡采用PC104总线标准)、第二通信卡(下位机CAN卡，负责与上位机通信，传送数据，也是采用PC104总线)、计数卡(根据光电编码器脉冲信号产生中断信号，控制AD采集卡)、光电编码器(用于测量车速，其脉冲信号送往计数卡)、超声传感器(或称超声波传感器，共26个)、激光传感器(共2个)和加速度传感器(共2个)组成，第二通信卡、AD采集卡、计数卡分别与嵌入式工控机采用PC-104总线连接，光电编码器采用屏蔽双绞线与计数卡连接，超声传感器、激光传感器和加速度传感器均采用屏蔽双绞线与AD采集卡连接；所述的超声传感器为26个，在信息采集车的前保险杠2前附加一横梁1，在横梁上垂直向下均匀排布25个超声传感器(间距为150mm)，第26个超声传感器(即校准传感器9)横向安装于主横梁上(如图3所示，横梁1由主横梁、左展臂7、右展臂8构成，左展臂7与右展臂8之间为主横梁)，激光传感器、加速度传感器分别各为2个，并封装在二个盒内，一个盒内为一个激光传感器和一个加速度传感器(即激光传感器和加速度传感器封装盒3)，安装于前保险杆的轮迹处的左右，盒子的下端面距地面高度为260mm；下位机子系统通过第二通信卡由CAN总线与上位机子系统的第一通信卡相连。如图5所示，光电编码器4位于车内，标号5为传动软轴与车轮轴连接端，标号6为传动软轴。

实施例2：

如图1-2、图4-2所示，一种道路断面信息采集装置，它由上位机子系统、下位机子系统组成，上位机子系统由车载工控机(也称为上位机)、第一通信卡(上位机CAN卡)、光电编码器(用于测量车速，其脉冲信号送往计数卡)、计数卡(根据光电编码器脉冲信号产生中断信号，控制AD采集卡)组成，第一通信卡与车载工控机采用ISA总线连接，计数卡采用ISA总线与车载工控机连接，光电编码器采用屏蔽双绞线与计数卡连接，上位机子系统主要负责保存数据、计算数据和产生报表等操作；下位机子系统由嵌入式工控机(它采用基于IEEE P996.1兼容PC嵌入式模块标准，通称PC104工控机)、AD采集卡(负责采集传感器信号，该卡采用PC104总线标准)、第二通信卡(下位机CAN卡，负责与上位机通信，传送数据，也是采用PC104总线)、超声传感器、激光传感器和加速度传感器组成，第二通信卡、AD采集卡分别与嵌入式工控机采用PC-104总线连接，超声传感器、激光传感器和加速度传感器均采用屏蔽双绞线与AD采集卡连接；所述的超声传感器为26个，在信息采集车的前保险杠前附加一横梁，在横梁上垂直向下均匀排布25个超声传感器(间距为150mm)，第26个超声传感器横向安装于主横梁上(如图3所示，横梁1由主横梁、左展臂7、右展臂8构成，左展臂7与右展臂8之间为主横梁)，激光传感器、加速度传感器分别各为2个，并封装在二个盒内，一个盒内为一个激光传感器和一个加速度传感器，并安装于前保险杆的轮迹处的左右，盒子的下端面距地面高度为260mm；下位机子系统通过第二通信卡由CAN总线与上位机子系统的第一通信卡相连。

路面车辙检测的方法是：在信息采集车的前保险杠前附加一横梁，在横梁上垂直向下均匀排布25个超声传感器(间距为150mm)，各超声波传感器同时检测出对地距离，经过数据处理，可获得路面车辙大小及横断面，如图2所示。图2中，主横梁宽2m，左右展臂各宽0.9m，安装了展臂后，可实现3.75m标准车道的车辙检测。超声传感器共26只，按作用分为标定传感器和检测传感器。标定传感器(即校准传感器)为1只，横向安装于主横梁上，用于消除环境变化引起的误差；检测传感器共25只，垂直安装于主横梁和左右展臂上。各传感器测得如图虚线所示距离，经标定传感器校正后即可得到公路横断面曲线，从而可进一步分析计算左右车辙的大小和位置。

激光传感器、加速度传感器封装在一个盒内，并安装于前保险杆的轮迹处，装有激光传感器、加速度传感器的盒下端面距地面高度约为260mm，左右分别装一个。

准确采样的关键是光电编码器与计数卡配合产生中断，光电编码器脉冲数(P/2π)、车轮每周行驶距离(S_t)，车辙采样间隔(S_S)产生中断信号的脉冲数(I_P)存在如下关系：

I_P＝PS_S/S_t

以I_P设置计数卡的计数初值，可准确产生中断信号。

注：本道路断面信息采集装置所采用的主要部件如下：

1、超声传感器选用Honeywell产品，型号：947-F4Y-2D-1CO-300E。

2、PC104低功耗嵌入式工控机选用深圳桑达信息技术有限公司产品，型号：SED-486SV-II。

3、PC104 AD采集卡，选用北京鼎升力创公司产品，型号为PCM-5112。

4、激光传感器选用LMI Technologics INC.产品，型号：SLS5000系列；

5、加速度传感器选用SILICON DESIGNS，INC.产品，Model 1221；

6、CAN通信卡选用研华公司产品，型号：PCL-841。

Claims

1.一种道路断面信息采集装置，其特征在于它由上位机子系统、下位机子系统组成，上位机子系统由车载工控机、第一通信卡组成，其中第一通信卡与车载工控机采用ISA总线连接；下位机子系统由嵌入式工控机、AD采集卡、第二通信卡、计数卡、光电编码器、超声传感器、激光传感器和加速度传感器组成，其中第二通信卡、AD采集卡、计数卡分别与嵌入式工控机采用PC-104总线连接，光电编码器采用屏蔽双绞线与计数卡连接，超声传感器、激光传感器和加速度传感器均采用屏蔽双绞线与AD采集卡连接；所述的超声传感器为26个，在信息采集车的前保险杠前附加一横梁，在横梁上垂直向下均匀排布25个超声传感器，第26个超声传感器横向安装于主横梁上，激光传感器、加速度传感器分别各为2个，并封装在二个盒内，一个盒内为一个激光传感器和一个加速度传感器，安装于前保险杆的轮迹处，盒子的下端面距地面高度为260mm；下位机子系统通过第二通信卡由CAN总线与上位机子系统的第一通信卡相连。

2.一种道路断面信息采集装置，其特征在于它由上位机子系统、下位机子系统组成，上位机子系统由车载工控机、第一通信卡、光电编码器、计数卡组成，其中第一通信卡与车载工控机采用ISA总线连接，计数卡采用ISA总线与车载工控机连接，光电编码器采用屏蔽双绞线与计数卡连接；下位机子系统由嵌入式工控机、AD采集卡、第二通信卡、超声传感器、激光传感器和加速度传感器组成，其中第二通信卡、AD采集卡分别与嵌入式工控机采用PC-104总线连接，超声传感器、激光传感器和加速度传感器均采用屏蔽双绞线与AD采集卡连接；所述的超声传感器为26个，在信息采集车的前保险杠前附加一横梁，在横梁上垂直向下均匀排布25个超声传感器，第26个超声传感器横向安装于主横梁上，激光传感器、加速度传感器分别各为2个，并封装在二个盒内，一个盒内为一个激光传感器和一个加速度传感器，并安装于前保险杆的轮迹处，盒子的下端面距地面高度为260mm；下位机子系统通过第二通信卡由CAN总线与上位机子系统的第一通信卡相连。