CN219016588U - 一种公路路面裂缝的定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种公路路面裂缝的定位装置，安装在检测车辆上，包括：裂缝识别模块，用于采集公路的路面图像，并对路面图像中的裂缝进行识别，获取并储存路面裂缝时空图像，再将路面裂缝时空图像发送给信息处理模块；定位模块，用于获取车辆空间属性信息，并根据车辆空间属性信息融合计算车辆时空定位信息，再将车辆时空定位信息发送给信息处理模块；信息处理模块，用于根据获取到的路面裂缝时空图像、车辆时空定位信息，以相同时间戳进行路面裂缝时空图像与车辆时空定位信息的匹配，计算并储存裂缝在路面上的坐标位置。本定位装置无需参考外界参照物即可实现对公路裂缝实时精确定位，并获取公路中裂缝的位置分布情况，裂缝定位效率高。

Description

一种公路路面裂缝的定位装置

技术领域

本实用新型属于道路检测技术领域，具体涉及一种公路路面裂缝的定位装置。

背景技术

裂缝是公路路面安全检测和维护的重要内容，目前其检测定位主要采用人工方法，存在效率差、劳动强度大、安全性低等诸多问题；仪器检测的方法容易受钢构件材质影响，要求使用人员具备专业的分析能力，才能胜任，需要对其进行专业的系统的培养，无形中增加了负担。尤其是对于裂缝检测后的位置确定，定位不方便，获取不到直观简洁的裂缝位置分布图，本实用新型一定程度上解决了检测路面裂缝位置的自动化手段，提高了对公路路面裂缝监测的效率。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种公路路面裂缝的定位装置，能够解决现有技术的不足，无需参考外界参照物即可实现对公路裂缝实时的精确定位，并获取公路中裂缝的位置分布情况，可替代人工标记定位，裂缝定位效率高。

为解决上述的技术问题，本实用新型所采取的技术方案如下。

一种公路路面裂缝的定位装置，安装在检测车辆上，其包括：

裂缝识别模块，用于采集公路的路面图像，并对所述路面图像中的裂缝进行识别，获取并储存路面裂缝时空图像，再将路面裂缝时空图像发送给信息处理模块；

定位模块，用于获取车辆空间属性信息，并根据车辆空间属性信息融合计算车辆时空定位信息，再将车辆时空定位信息发送给信息处理模块；

信息处理模块，用于根据获取到的路面裂缝时空图像、车辆时空定位信息，以相同时间戳进行路面裂缝时空图像与车辆时空定位信息的匹配，计算并储存裂缝在路面上的坐标位置。

优选地，所述裂缝识别模块包括图像采集模块和嵌入式设备，所述嵌入式设备集成路面裂缝检测深度学习模型，能够实时、识别图像采集模块采集的公路的路面图像的裂缝生成路面裂缝时空图像并发送给信息处理模块。

优选地，所述定位装置还包括显示模块，所述显示模块能够接收所述信息处理模块输出的裂缝在路面上的坐标位置，并将裂缝位置信息进行可视化。

优选地，所述定位模块包括GPS模块、OBD模块、测量模块和单片机，所述车辆空间属性信息包括所述GPS模块同步采集的车辆大地经纬度坐标、所述OBD模块同步获取车辆行驶信息以及所述测量模块同步获取车辆位姿信息；所述单片机内置有扩展卡尔曼滤波算法模型，能够将同步获取的车辆空间属性信息进行融合计算，得到车辆时空定位信息。

优选地，所述测量模块包括内部集成加速度计和陀螺仪的惯性测量MPU6050模块，所述惯性测量MPU6050模块同步获取车辆的位姿信息，所述位姿信息包括车辆的三轴加速度值和三轴角速度值，并采用I2C通讯协议与单片机进行数据传输。

本实用新型公路路面裂缝的定位装置能够通过由定位模块采集并获取实时精准至毫秒级的车辆时空定位信息后；并由裂缝识别模块识别到含有裂缝的路面图像与时间信息即路面裂缝时空图像；再由信息处理模块对上述采集到的所有信息按照时间戳进行匹配处理，从而能够通过采集到的裂缝图像、车辆位置信息与时间信息计算出含有裂缝的路面图像中裂缝距离位置，也就得到了含有路面图像中的裂缝在路面上的实际位置。

本实用新型通过将先进的传感器、嵌入式设备及内置有扩展卡尔曼滤波算法模型进行融合计算的单片机等进行结合，从而可以获得裂缝检测车辆的毫秒级的裂缝经纬度位置分布图信息，并可视化显示。

因此，采用本装置定位，可以摆脱车辆外界参照物辅助定位，高效、准确地对路面裂缝进行定位。该装置体积小、功耗低，精度高，具有直观的显示界面，可以实现对公路路面病害的精准定位并获得分布情况，定位全程无需人工操作和干预。

附图说明

图1是本实用新型一个具体实施方式的原理示意图；

图2是本实用新型一个具体装置结构的安装示意图。

图中：

裂缝识别模块1，定位模块2，信息处理模块3，显示模块4，图像采集模块11，嵌入式设备12，GPS模块21，测量模块22，OBD模块23，单片机24。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种公路路面裂缝的定位装置，包括：

裂缝识别模块1，用于采集公路的路面图像，并对所述路面图像中的裂缝进行识别，获取并储存路面裂缝时空图像，再将路面裂缝时空图像发送给信息处理模块3；

定位模块2，用于获取车辆空间属性信息，并根据车辆空间属性信息融合计算车辆时空定位信息，再将车辆时空定位信息发送给信息处理模块3；

信息处理模块3，用于根据获取到的路面裂缝时空图像、车辆时空定位信息，以相同时间戳进行路面裂缝时空图像与车辆时空定位信息的匹配，计算并储存裂缝在路面上的坐标位置；

显示模块4，能够接收所述信息处理模块3输出的裂缝在路面上的坐标位置，并将裂缝位置信息进行可视化。

为使本装置的发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型装置进一步详细说明。

参见图1，该定位装置包括裂缝识别模块1、定位模块2、信息处理模块3与显示模块4，且该定位装置是安装在路面检测车上的，其中，裂缝识别模块1包括图像采集模块11与嵌入式设备12，其中图像采集模块11，用于实时采集一定车速下的路面图像，并将路面图像发送到嵌入式设备12。由于路面检测车的车速一般为60-80千米/小时(km/h)左右，图像采集模块的帧率为25帧/秒，因此，每经过1s，图像采集模块11就会采集到多幅路面图像。嵌入式设备12，对图像采集模块11发送来的路面图像进行实时处理，并对每一帧的路面图像进行裂缝检测识别，得到路面裂缝图像与时间信息即路面裂缝时空图像，并发送至信息处理模块3进行处理。

定位模块2，用于获取车辆时空定位信息。具体地，定位模块2包括GPS模块21、测量模块22、OBD模块23与单片机24，其中，GPS模块21每1s采集一次检测车的大地经纬度位置信息，也即每秒对车辆进行空间定位一次，得到间隔1s的时间差的裂缝检测车的两个相邻的位置信息p1和p2，将采集到的位置信息发送至内置有扩展卡尔曼滤波算法模型的单片机24进行融合计算。测量模块23，测量三轴加速度值和三轴角速度值并将其发送至单片机24进行车辆位置的精准融合计算，得到间隔1s的时间差的毫秒级的检测车辆的经纬度信息。OBD模块23用于采集检测车辆行驶的各种信息，至少包括车辆速度与时间信息，并发送至单片机24进行数据融合处理。单片机24，用于接收检测车在一定时间内(例如间隔1s的时间差)的上述两个相邻位置、加速度、速度与时间信息，根据GPS模块21、测量模块22与OBD模块23采集到的间隔1s的时间差的速度、加速度与经纬度信息进行数据融合，再由插值法计算间隔1s的时间差的毫秒级的裂缝检测车的相对位置，因此，定位模块2通过单片机24的内置的扩展卡尔曼滤波算法模型所融合计算获得的车辆时空定位信息为裂缝检测车辆的毫秒级的经纬度位置信息，将时间取倒数后送入单片机的定时器中，即可得到脉冲信号。且单片机24的具体工作原理已为现有技术，这里不再赘述。

信息处理模块3，用于根据获取到的时间信息、车辆定位信息与路面裂缝图像，以相同时间戳进行定位信息与裂缝图像信息的匹配，因裂缝识别模块1与定位模块2位置固定，因此含有裂缝的路面图像的位置是固定且容易得到的，进而得到裂缝的定位信息。通过相机标定原理计算得到大地坐标。为方便计算，这里将GPS模块21放置到图像采集模块11大地坐标原点处，进而计算出含有裂缝的图像在路面上的位置，标记裂缝位置并发送至显示模块4。需要说明的是，在本装置中，车辆精准位置信息即是采集且测量得到的实时精准的车辆位置信息，至少包括车辆的经纬度信息与时间信息。

需要说明的是，在本装置中，裂缝识别模块1主要用于通过特定的图像处理与识别算法识别出所有路面图像中含有裂缝的路面图像、含有裂缝的路面图像的裂缝种类、长度、宽度和面积等信息，具体如何识别出含有裂缝的路面图像为现有处理基础，这里不在赘述。其在识别路面裂缝图像的同时，还需对所述采集到的路面图像中含有裂缝的图像进行时间戳的标记发送至信息处理模块3。

信息处理模块3，用于根据所述的路面图像中的裂缝图像与车辆位置、时间信息进行匹配，以相同时间戳进行裂缝图像位置的确定。这里需要说明的是由于图像采集模块11位置固定，同时将GPS模块21放置到图像采集模块11大地坐标原点处，进而通过相机标定原理将含有裂缝图像的裂缝像素进行大地坐标的转换，因每张图像中的任意位置是固定可计算的，即每张含有裂缝的路面图像中的像素点的坐标关系是容易得到的，从而得到路面裂缝图像中裂缝的位置信息，进一步可在电子地图中进行标记，发送至显示模块4进行裂缝位置的可视化显示。

图2采用本实用新型的路面裂缝定位装置在检测车辆上的位置安装连接示意图。

如图2所示，将裂缝识别模块1的图像采集模块11固定在检测车后备箱上方，固定支架，通过支架与图像采集模块11相连接并以车载电源进行供电，通过视频接口usb连接到嵌入式设备12；嵌入式设备12识别路面裂缝图像，通过串口将带有时间戳的路面裂缝图像即路面裂缝时空图像输出到信息处理模块3；将定位模块2固定在车顶特定位置，例如车顶中央，进行数据融合后，采用插值法获取实时的精确到毫秒级的车辆位置信息，经串口连接到信息处理模块3；信息处理模块3可使用直流供电，进行上述的信息处理，包括将路面裂缝图像以相同时间戳为基准与车辆实时精准的位置信息进行匹配，通过固定的变换关系获取到路面裂缝图像的裂缝位置，最后通过HDMI接口输出到显示模块4，将路面裂缝位置可视化。

本实施方式中，作为优选，图像采集模块11选用大疆灵眸OAICH高清运动相机，配置相机的帧率可调、分辨率为4096pixel×2160pixel；嵌入式设备12采用NVIDIA JSSTONTX2作为路面图像的裂缝识别设备，拥有6个CPU核心和一个GPU，其CPU集群由双核Denver2处理器和四核ARM Cortex-A57组成，有低功耗(标准)模式(7.5w)和高功耗模式(15w)，为路面裂缝定位装置的运作和高效的检测提供了强有力的保障。

本实施方式中，作为优选，定位模块2中的单片机24采用STM32系列的32位微处理器STM32F407VET6芯片，其中，电源电路、复位电路、晶振时钟电路和SWD下载电路为已为现有技术，电源电路包括SPX1117M3-L-3-3/TR COPY降压芯片、保护电路、限流电路也均为已为现有技术，这里不再赘述。

本实施方式中，作为优选，定位模块2中的GPS模块21为中科微电子公司米级定位精度的ATGM336H-5N31卫星导航模块，定位精度小于2.5米，具有GPS和北斗双模定位方式；测量模块22包括惯性测量MPU6050模块，用于实时获取车辆的位姿信息，内部集成加速度计和陀螺仪，可以输出三轴加速度及三轴角速度值，采用I2C通讯协议与单片机24进行数据传输。OBD模块23以主控芯片的触发脉冲为基准接收车辆行驶数据，无额外要求。

本实施方式中，作为优选，信息处理模块3为东田工控开发的DTB-3049-H3110工控机，能够获取定位模块2采集的车辆位置信息和时间信息，由于定位模块2的各模块位置关系固定，因此，可以计算得到路面裂缝图像中裂缝的具体位置，通过相机标定原理转换为大地坐标进行裂缝标记，进一步通过编程软件生成路面裂缝分布地图，并将其接收的信息和处理后的结果发送到显示模块4进行同步显示；显示模块4为斯波兰公司的便携式4K高清显示器，能够同步、同时显示目标检测结果、图像分割结果和路面缺陷分布地图。

本实用新型的定位方法步骤如下。

定位装置在进行公路路面裂缝的定位时，首先，配置裂缝定位装置。将图像采集模块11设置在检测车辆的后备厢上方，以便采集车尾后方的路面图像，将裂缝识别模块1的嵌入式设备12设置在车辆的后备厢中用于接收图像采集模块实时传输的路面图像；将定位模块2固定在车辆中特定位置，其中，GPS模块21设置在检测车辆的车顶中部，测量模块22的惯性测量MPU6050模块Y轴设置成与车头方向平行、固定在车辆车顶中间位置；显示模块4设置在车辆副驾驶位置；信息处理模块3设置在车辆中定位模块2的下方。

GPS模块采集的经纬度数据通过串口发送到单片机24进行数据预处理，进行高斯投影坐标变换，将经度和纬度转换为高斯平面直角坐标，直接使用高斯投影转换的电算公式，选择1975年国际椭球参数代入计算。

第二步，初始化裂缝定位装置。对裂缝定位装置各模块上电，进行初始化，运行各个线程。对单片机24的定时器进行初始化；定时器开始计时之后判断主控芯片是否接收到OBD数据，如果定时时间达到2s，说明车辆熄火，单片机休眠；如果接收到OBD数据，定时器复位，对得到数据进行预处理。配置时钟，开启实时时钟RTC(Real_Time Clock)，确保各个模块开始工作时，信息采集同步、同时。

第三步，载有裂缝定位装置的检测车辆驶入公路，图像采集模块11采集公路的路面图像并实时发送给嵌入式设备12、识别路面裂缝，并分割、标记得到路面裂缝时空图像，所述路面裂缝时空图像同步记录裂缝对应的空间位置信息与图像采集的时间信息，因此，路面裂缝时空图像包含裂缝图像与对应的时间信息。

与此同时，定位模块2通过GPS模块21同步采集车辆的大地经纬度坐标，获取检测车辆在公路上行进的运动轨迹图像即车辆空间属性信息，OBD模块23同步获取车辆行驶信息，测量模块22的惯性测量MPU6050模块实时测量检测车辆的三轴加速度值和三轴角速度值，同步获取行驶中的车辆位姿信息；单片机24将同步获取的车辆行驶信息、车辆空间属性信息与车辆位姿信息进行融合，采用扩展卡尔曼滤波算法模型作为运动模型预测的车辆状态向量和测量模块检测到车辆的状态向量，计算得到新的测量车辆位置，其中扩展卡尔曼滤波测量算法包括状态向量方程和状态向量协方差方程，扩展卡尔曼滤波算法公式为现有技术，这里不再赘述。在更新方程中，将处理后的GPS模块数据、OBD模块数据与预测值进行加权运算可得到融合后的数据。因为测量模块、GPS模块和OBD模块的输出信号频率不同，所以要分两种情形进行计算：(1)在只有测量模块数据时，测量数据经过恒定转率和速度模型，得到预测状态，然后预测状态传送回运动模型继续进行下一步预测；(2)当有GPS模块数据、OBD模块数据产生时，上一时刻产生的预测状态将会和接收到的GPS模块数据、OBD模块数据进行数据融合，得到更新后的状态向量，然后再传回运动模型，进行下一周期的运算。

以车辆起点处建立坐标系，以车辆GPS模块作为坐标原点，车身右侧为x轴的正半轴，车头的朝向为y轴的正半轴，θ为车辆在当前坐标系下与x轴的夹角，逆时针方向为正，取值范围是[0,2π)。车辆在平面直角坐标系下行驶，因此目标的状态向量为车辆驶出距离的x轴分量和y轴分量、车辆的速度v和车辆的偏航角θ。首先设置状态向量并建立各矩阵，对状态向量和各个矩阵进行初始化。之后获取GPS模块传回的经纬度数据和测量模块采集的Y轴加速度和偏航角数据并进行相应的处理，使用测量模块数据和恒定转率和速度模型预测车辆下一时刻的状态向量和状态向量协方差，使用预测的状态向量和GPS模块数据进行加权运算，输出融合后的状态向量和状态向量协方差矩阵，将融合后状态向量中的位置信息输出，得到精确位置，然后测量模块循环预测，直到接收到OBD模块数据。当接收到OBD模块的数据时，对接收到的车辆OBD模块采集的车辆行驶速度和测量模块传回的Y轴加速度和偏航角数据进行相应的处理，按照上述过程进行二次融合。然后一直循环测量计算车辆的位置，直到车辆停止行驶。以车辆出发点为原点，车头朝向为Y轴正方向又建立了一个坐标系，纬度和经度的变化是车辆在这个坐标系行驶的距离的变化，因此高斯投影面坐标原点不需要平移，直接使用高斯投影转换的电算公式，选择1975年国际椭球参数代入。测量计算车辆经纬度坐标转换为平面直角坐标系下的数据得到车辆时空定位信息。

第四步，由于定位模块2、裂缝识别模块1均固定安装在车辆上，因此，实时获取的路面裂缝时空图像与车辆时空定位信息在空间位置和距离关系上是基本固定的，所以信息处理模块3在计算裂缝图像中裂缝的大地经纬度位置坐标，可以通过获取的路面裂缝时空图像、对应时间的车辆位置实时精准信息即车辆时空定位信息、车辆与路面距离关系即车辆位姿信息，由信息处理模块3以相同时间戳进行路面裂缝时空图像与车辆时空定位信息进行匹配，根据间隔1s的时间差的相邻的两次车辆位置信息p1,p2，结合测量模块使用插值法得到间隔1s的时间差的毫秒级的检测车辆相对位置，再由固定的空间位置和距离关系计算得到路面裂缝图像中裂缝的具体位置，通过相机标定原理转换为大地坐标进行裂缝标记。

采用上述技术方案进行公路路面裂缝定位，所带来的有益效果在于：本实用新型将先进的传感器、嵌入式设备及内置有扩展卡尔曼滤波算法模型进行融合计算的单片机等进行结合，实时获取路面裂缝时空图像与车辆时空定位信息，以相同的时间戳对裂缝进行检测与位置定位并可视化显示，同时获得裂缝检测车辆的毫秒级的裂缝经纬度位置信息。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本申请的限制。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种公路路面裂缝的定位装置，安装在检测车辆上，其特征在于，其包括：

裂缝识别模块，用于采集公路的路面图像，并对所述路面图像中的裂缝进行识别，获取并储存路面裂缝时空图像，再将路面裂缝时空图像发送给信息处理模块；

定位模块，用于获取车辆空间属性信息，并根据车辆空间属性信息融合计算车辆时空定位信息，再将车辆时空定位信息发送给信息处理模块；

信息处理模块，用于根据获取到的路面裂缝时空图像、车辆时空定位信息，以相同时间戳进行路面裂缝时空图像与车辆时空定位信息的匹配，计算并储存裂缝在路面上的坐标位置。

2.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述裂缝识别模块包括图像采集模块和嵌入式设备，所述嵌入式设备集成路面裂缝检测深度学习模型，能够实时、识别图像采集模块采集的公路的路面图像的裂缝生成路面裂缝时空图像并发送给信息处理模块。

3.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述定位装置还包括显示模块，所述显示模块能够接收所述信息处理模块输出的裂缝在路面上的坐标位置，并将裂缝位置信息进行可视化。

4.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述定位模块包括GPS模块、OBD模块、测量模块和单片机，所述车辆空间属性信息包括所述GPS模块同步采集的车辆大地经纬度坐标、所述OBD模块同步获取车辆行驶信息以及所述测量模块同步获取车辆位姿信息；所述单片机内置有扩展卡尔曼滤波算法模型，能够将同步获取的车辆空间属性信息进行融合计算，得到车辆时空定位信息。

5.根据权利要求4所述的定位装置，其特征在于，所述测量模块包括内部集成加速度计和陀螺仪的惯性测量MPU6050模块，所述惯性测量MPU6050模块同步获取车辆的位姿信息，所述位姿信息包括车辆的三轴加速度值和三轴角速度值，并采用I2C通讯协议与单片机进行数据传输。

6.根据权利要求2所述的定位装置，其特征在于，所述图像采集模块选用高清运动相机，配置相机的帧率可调、分辨率为4096pixel×2160pixel。

7.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述定位模块中的单片机采用STM32系列的32位微处理器STM32F407VET6芯片。

8.根据权利要求4所述的定位装置，其特征在于，所述GPS模块为ATGM336H-5N31卫星导航模块。

9.根据权利要求3所述的定位装置，其特征在于，所述显示模块为便携式4K高清显示器，能够同步、同时显示目标检测结果、图像识别结果和路面缺陷分布地图。

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