CN209102059U - 一种接触式路面高程测量装置 - Google Patents

Abstract

一种接触式路面高程测量装置，属于公路检测领域，包括机械结构和控制系统。机械结构包括主支架、高程测量设备、地面连接杆、测量轮；控制系统包括数据采集卡、RS232转TTL电平模块、陀螺仪、编码器、处理器；主支架与高程测量设备连接；主支架与和带编码器的测量轮机械连接；主支架上嵌入陀螺仪，高程测量设备的包括为两路光栅尺，光栅尺的滑动块连接地面连接杆，地面连接杆紧贴地面，两路光栅尺通过数据采集卡连接到RS232转TTL电平模块，RS232转TTL电平模块连接到处理器；带编码器的测量轮中的编码器连接到处理器，陀螺仪连接到处理器。本装置自动化程度高，可近距离追踪试件断裂点位置，成像更清晰，试验精度更高。

Description

一种接触式路面高程测量装置

技术领域

本实用新型属于交通运输领域。

背景技术

近几年，随着国家经济的快速发展，交通运输行业也随之快速发展起来，尤其是公路运输方式对国民经济的蓬勃发展起到了重要作用。大范围高速公路建成并实现通车，使得国民经济快速发展。但同时，出现了高速公路检测养护等问题，尤其是之前建成通车的高速公路路段，已出现明显的破损裂痕、路面不平整等现象，直接影响着公路使用寿命和车辆行驶安全。因此建立完善的公路路面养护管理对于科学高效地了解已通车路面状况是非常必要的。并且对已实现通车路段路面的平整度、路面裂缝、车辙大小等指标进行检测、评价与分析，对于科学评定公路建设等级、路面运行状况等具有重大的意义。平整度影响着车辆行驶安全、使用年限和乘客的舒适性。平整性差的公路路面，会对车辆行驶产生阻力，使车辆产生震动颠簸，妨碍了车辆的行驶安全，还会使局部产生积水，路面损害速度加快等。为了使车辆行驶安全，乘客感觉舒适，道路使用年限增长，路面平整度的检测尤为重要。路面平整度有多种检测方法和仪器，主要有：3米直尺、精密水准仪、车载式颠簸累积仪、八轮连续式平整度仪、激光断面仪等，不同的检测设备适用范围和检测精度各不相同。

在进行路面平整度检测时，非常重要的一个参数是路面高程值，本专利提出一种有效的接触式高程值测量方法。

(1)水准法

用水准仪或者全站仪测路面高程。此方法测量速度较慢，无法达到快速的目的。

(2)激光测距加惯性设备补偿法

常应用于激光平整度仪，该仪器一般包括非接触式高度传感器(如激光、红外线、可见光、超声波等)、加速度计和纵向距离传感器，分别测量非接触式高度传感器到路面的垂向距离、垂向加速度和沿断面纵向行驶距离，经过相应的计算公式计算可得到断面的高程数据，其工作过程为首先通过激光传感器测量设备到路面的竖向高程，然后采用加速度传感器测量设备在随承载车在行驶的过程中由于颠簸造成激光传感器在竖直方向上的绝对位移，从而校正激光传感器在测量的过程中因颠簸而产生的测量误差，得到真实的道路路面纵向高程信息。

(3)陀螺仪/角度传感器相对高程法

此方法通过机械机构，保证步长的精确控制，然后通过测角传感器或者高精度陀螺仪计算角度变化并转化为高程，通过累积的方法生成高程数列，测得本次相对于原测量点高程的相对高程值。也就是说，每次新的测量点的高程值都是通过上一次测量值通过下述原理公式折算得到。

主要原理以下公式：

h_i+1-h_i+l×sinθ

式中：j_i+1——新测量点的高程

h_i——原测量点的高程

——陀螺仪或角度传感器测得的倾角

l——步长

现有技术存在以下缺点：

1)水准法测量最传统，速度较慢，无法达到快速的目的；

2)激光测距加惯性设备补偿法这类设备的精度主要取决于激光器和加速度传感器，设备成本高，算法复杂；

3)陀螺仪/角度传感器高程法精度较好，但路面适应性差，对有明显低洼的路段，通过角度折算会有一定的误差。

发明内容

一种接触式路面高程测量装置，包括机械结构和控制系统两大部分。其特征在于：机械结构由主支架、高程测量设备、地面连接杆、测量轮组成。控制系统包括数据采集卡、RS232转TTL电平模块、陀螺仪、编码器、处理器。

主支架与高程测量设备连接；主支架与和带编码器的测量轮机械连接。主支架上嵌入陀螺仪，高程测量设备的包括为两路光栅尺，光栅尺的滑动块连接地面连接杆，地面连接杆紧贴地面，两路光栅尺通过数据采集卡连接到RS232转TTL电平模块，RS232转TTL电平模块连接到处理器；带编码器的测量轮中的编码器连接到处理器，陀螺仪连接到处理器。

应用所述装置的方法，其特征在于：

(1)对路面高程值测量之前，通过陀螺仪倾角数据进行设备水平校准，找到绝对平整的路面。

(2)调整光栅尺固定的两路地面连接杆和编码器测量轮，保证两路地面连接杆和编码器测量轮触地。

(3)启动设备进入测量模式。

(4)设备进行实时高程值的检测与存储。

(5)设备通过编码器进行移动距离的检测与存储。

(6)设备通过陀螺仪进行倾角角度的检测与存储到SD卡。

(7)陀螺仪将倾角数据送入处理器；两路光栅尺采集的数据通过数据采集卡将数据发送到RS232转TTL电平模块，转换为TTL电平输入处理器进行数据解析，得到地面的高程值；带编码器的测量轮与地面接触，通过轮子的旋转，与轮子耦合的编码器将电平编码数据传送到处理器中，进行编码计数，从而得到设备移动距离。

(1)本专利设备采用光栅尺加普通陀螺仪完成高程值的测量。

(2)不采用激光器非接触形式测量，采用光栅尺接触式方式进行测量，简化了算法难度，有效降低设备成本。

(3)在陀螺仪/角度传感器高程法基础上进行改进，保留相对高程法测量方式，提高了对路面的适应能力，对于明显低洼的路段，可以通过光栅尺完成对路面数据的测量；保留陀螺仪进行角度测量，可修正设备颠簸造成的测量误差。

按照以下理论公式进行计算：

h_i+1＝h₁+l₂-l₁-l×sinθ

式中：h_i+1——新测量点的高程；

h_i——原测量点的高程；

l₂——高程测量传感器2的示值；

l₁——高程测量传感器1的示值；

——陀螺仪测得的倾角；

l——两高程测量传感器之间的距离。

附图说明

图1是现有技术原理的示意图。

图2是本实用新型原理的示意图。

图3高程测量装置机械结构图

图4高程测量装置控制系统框图

具体实施方式

本专利所属装置包括机械结构和控制系统两大部分。机械结构由主支架、高程测量设备、地面连接杆、测量轮组成。控制系统包括光栅尺数据采集卡、RS232转TTL电平模块、陀螺仪、编码器、处理器(STM32控制器)和触摸屏。

主支架、高程测量设备和带编码器的测量轮机械连接。主支架上嵌入陀螺仪，测量设备的倾角，通过IIC/SPI协议，将倾角数据送入STM32；高程测量设备的主体结构为光栅尺1和光栅尺2，光栅尺滑动块连接地面连接杆，地面连接杆紧贴地面，两路光栅尺采集的数据通过数据采集卡将数据发送到RS232转TTL转换器，转换为TTL电平输入到STM32的串口中，通过处理器进行数据解析，得到地面的高程值；带编码器的测量轮与地面接触，通过轮子的旋转，与轮子耦合的编码器将电平编码数据传送到STM32中，进行编码计数，从而得到设备移动距离。

STM32采集光栅尺、陀螺仪和编码器的数据，对数据进行解析，在触摸屏上进行数据的显示，并能通过触摸屏进行控制系统配置。

(1)使用本装置对路面高程值测量之前，通过陀螺仪倾角数据进行设备水平校准，找到绝对平整的路面。

(2)调整光栅尺固定的两路地面连接杆和编码器测量轮，保证两部分充分触地。

(3)启动设备进入测量模式。

(4)设备进行实时高程值的检测，并进行高程值的存储到SD卡。

(5)设备通过编码器进行移动距离的检测，显示并存储到SD卡。

(6)设备通过陀螺仪进行倾角角度的检测并存储到SD卡。

(7)陀螺仪将倾角数据送入处理器；两路光栅尺采集的数据通过数据采集卡将数据发送到RS232转TTL电平模块，转换为TTL电平输入处理器进行数据解析，得到地面的高程值；带编码器的测量轮与地面接触，通过轮子的旋转，与轮子耦合的编码器将电平编码数据传送到处理器中，进行编码计数，从而得到设备移动距离。

可通过系统屏幕读取各个数值，也可通过PC机连接STM32的USB Slave接口读取SD卡内的高程值、移动距离和倾角数据。

Claims (1)

1.一种接触式路面高程测量装置，包括机械结构和控制系统两大部分；其特征在于：机械结构由主支架、高程测量设备、地面连接杆、测量轮组成；控制系统包括数据采集卡、RS232转TTL电平模块、陀螺仪、编码器、处理器；

主支架与高程测量设备连接；主支架与和带编码器的测量轮机械连接；主支架上嵌入陀螺仪，高程测量设备的包括为两路光栅尺，光栅尺的滑动块连接地面连接杆，地面连接杆紧贴地面，两路光栅尺通过数据采集卡连接到RS232转TTL电平模块，RS232转TTL电平模块连接到处理器；带编码器的测量轮中的编码器连接到处理器，陀螺仪连接到处理器。