RO122929B1 - Echipament mobil pentru prelevarea video automată a suprafeţei arterelor rutiere - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un echipament mobil pentru prelevarea video automată a suprafeţei arterelor rutiere, cu marcarea laser, simultană, a două secţiuni transversale, distincte, de drum. Echipamentul conform invenţiei are în componenţă sa o cameră video (E.V.) de tip "area scan", respectiv, cu scanare la nivel de arie sau suprafaţă, şi a cărei axă optică este orientată vertical, spre suprafaţa pavimentului supus testării, cameră video (E.V.) al cărei câmp de vedere (C.V.), proiectat pe suprafaţa drumului testat, are o formă dreptunghiulară, care este alungită pe direcţia transversală a drumului, cu ajutorul unui obiectiv optic (L.A.), de tip anamorfotic, ce prezintă valori diferite pentru distanţele focale ale celor două axe plane ale sale, iar pentru marcarea laser a drumului testat, utilizează două surse laser (S.LI şi S.LII), cu emisie continuă, orientate vertical, spre suprafaţa pavimentului supus testării, şi dispuse în linie, de o parte şi de cealaltă a camerei video (E.V.), la distanţe egale faţă de camera video (E.V.), surse laser (S.LI şi S.LII) care proiectează câte un fascicul (F.LI şi F.LII) perpendicular pe un plan orizontal al drumului şi orientat dupădirecţia transversală a acestuia, astfel încât să realizeze, fiecare, acoperirea câte unei întregi secţiuni transversale de drum, în condiţiile în care cele două surse laser (S.LI şi S.LII) sunt montate la o înălţime convenabilă, pe un vehicul laborator (V.L.).

Description

Prezenta invenție se referă la un echipament mobil pentru prelevarea video automată a suprafeței arterelor rutiere, prin marcarea simultană a două secțiuni, transversale, distincte, de drum, cu fasciculele plane emise, în mod continuu, de două surse laser, prin preluarea cu o cameră video de înaltă rezoluție a imaginii acestor secțiuni marcate și prin procesarea imaginilor digitale obținute, în scopul extragerii din acestea a unor date numerice care să permită detectarea unor eventuale defecțiuni ale pavimentului, așa cum sunt șanțurile, fisurile și crăpăturile.

Șanțurile (făgașurile) constituie deformații permanente ale structurii pavimentului. Acestea reprezintă un indicator al integrității structurale a pavimentului și totodată au un impact important asupra siguranței utilizatorilor de drumuri. Pentru aceste motive, cele mai multe agenții de control al drumurilor monitorizează, în mod regulat, nivelele adâncimilor șanțurilor de pe pavimentele lor.

în mod tradițional, adâncimile șanțurilor erau măsurate manual prin utilizarea unei rigle drepte și a unei pene de control. Cu toate că este simplu de aplicat, această metodă furnizează rezultate neconcordante pentru măsurătorile efectuate la intervale mari de timp, iar în mod uzual, eșantionarea manuală a unei întregi rețele de drumuri nu este practicabilă. Apariția echipamentelor de măsurare fără contact care utilizează senzori cu ultrasunete sau cu laseri a avut drept efect considerarea metodei manuale drept învechite, în multe țări. Noile metode se bazează pe măsurarea profilului transversal al pavimentului și apoi pe procesarea datelor, achiziționate în vederea calculării adâncimii șanțurilor, de sub o riglă de control, simulată prin calcul.

Făgășuirea este procesată în concordanță cu o metodă standard de test pentru măsurarea adâncimii șanțurilor ale suprafeței pavimentului, prin utilizarea unei rigle de control conform standardului ASTM E 1703/E1703M - Standard TestMethod forMeasuring Rut-Depth of Pavement Surface using a Straightedge. Operația de procesare simulează metoda riglei de control în determinarea distanței perpendiculare maxime măsurate între suprafața inferioara a referinței calculate drepf'rigla de control și zona de contact a laserilor cu pavimentul într-o locație specifică.

în conformitate cu acest standard, făgășuirea este definită drept lungimea, exprimată în metri, a unei căi (urme) individuale de roată, în condițiile în care aceasta făgășuire (urma roții) are o adâncime care depășește 30 mm. Se consideră că adâncimea făgașelor se măsoară în raport cu marginea dreaptă a unei linii, în lungime de 2 m, care ar fi așezată în direcție transversală deasupra urmei unei roți. Sunt luate în considerare numai lungimile în cadrul cărora făgășuirea depășește valoarea de 30 mm.

După cum rezultă din lucrarea Harmonising Automated Rut Depth Measurements Land TransportNewZealandResearch Report277 (ISBN 0-478-25388-5; ISSN1177-0600), autori Raj Mallela și Hanqing Wang, ©, 2006, Land Transport New Zealand, pentru calcularea adâncimii șanțurilor sunt utilizați trei algoritmi de bază:

- modelul riglă dreaptă (straight-edge) care, pentru a furniza valoareaadâncimii șanțurilor” (rut depth) simulează metoda manuală de plasare a unei rigle drepte și a unei pene de control de-a lungul pavimentului. Conform acestui model, adâncimea șanțurilor este determinată pe baza distanțelor măsurate pe direcție verticală între profilul transversal construit pe baza măsurătorilor individuale ale elevației și o linie de control definită de utilizator. Această linie dreaptă de control este poziționată succesiv în diferite locații de-a lungul profilului și sunt determinate în acest fel punctele ridicate și cele joase ale acestuia. Pe această bază se calculează făgășuirea, operație care se realizează separat pentru fiecare cale de rulare.

RO 122929 Β1

- modelul fir (wire) care cunoaște o largă utilizare datorită faptului că operațiile de 1 calcul pe care le implică se pot realiza mult mai ușor și mai repede. Aceasta se datorează faptului că, spre deosebire de modelul riglei drepte, modelul fir definește adâncimea 3 șanțurilor pe baza unui firîntins deasupra punctelor înalte șl este calculată distanța de la fir până la paviment, iar valorile cele mai mari constituie adâncimea șanțului. 5

- modelul pseudo-șanturilor (pseudo-ruts) care constituie un indice al făgășuirii bazat pe diferența dintre adâncimea medie a două căi de rulare (de roată) și înălțimea 7 maximă a profilului dintre aceste căi de rulare; acest model este utilizat în special de către echipamentele care dispun numai de un număr limitat de senzori de măsurare (minimum trei 9 senzori).

Conform acestui model, pseudo-șantul se calculează prin stabilirea punctului pro- 11 filului de drum care este cel mai apropiat de bara cu senzori (adică punctul superior A) și, respectiv, a punctelor cele mai îndepărtate de această bară (adică punctele joase, B și C), 13 pentru fiecare cale de rulare.

Pe aceasta baza, valoareapseudo-șantului se calculează cu relația: 15 (B+C)/2 - A.

După cum s-a mai menționat, adâncimile șanțurilor pot fi măsurate fie manual, fie prin 17 utilizarea unor tehnici de măsurare automată, fără contact. Acestea din urmă implică utilizarea unui vehicul laborator care se deplasează pe o secțiune a drumului și care utilizează 19 tehnici bazate pe senzori cu ultrasunete sau cu laseri pentru a preleva profilul transversal al pavimentului, urmând, ca pe această bază, să fie estimate apoi adâncimile șanțurilor. 21

Pentru prelevarea profilelor transversale ale drumurilor sunt utilizate în general patru tehnologii de măsurare automată: 23

Tehnologia ultrasonică.

Senzorii cu ultrasunete sunt senzorii cei mai ieftini și sunt utilizați în unele echi- 25 pamente, precum sunt ROMDAS (ROadMeasurement Data Acquisition System) sau ARAN (Automated Road ANalyser). 27

Astfel, echipamentul ROMDAS®, realizat de către Data Collection Ltd., Auckland,

Noua Zeelandă, dispune de un înregistrator al profilelor transversale (TPL - Transverse 29 Profite Logger) prevăzut cu senzori cu ultrasunete. Acești senzori cu ultrasunete, care împreună cu circuitele lor electronice, reprezintă rețeaua sistemului de măsurare cu ultra- 31 sunete (UMSA - Ultrasonic Measurement System Array) - sunt amplasați, în grupuri de câte cinci senzori, într-o carcasă pentru protecția împotriva acțiunii factorilor mediului ambiant. 33 Secțiunea, centrală, principală, a echipamentului ROMDAS® conține patru unități UMSA, în timp ce părțile laterale ale echipamentului mai conțin, fiecare, cîte o unitate UMSA, astfel că 35 se dispune de un total de 30 de senzori, atunci când sunt utilizate atât secțiunea principală, cât și părțile laterale ale echipamentului. în acest montaj, senzorii sunt dispuși în linie, la 37 intervale de câte 100 mm, unul față de celălalt, astfel că lungimea profilului transversal de drum, prelevată la o trecere a vehiculului laborator, ajunge la 3,0 m. Precizia cu care fiecare 39 senzor cu ultrasunete măsoară distanța până la paviment este evaluată la ±1,0 mm.

Trebuie menționat însă faptul că pentru a elimina posibilitatea oricărei interferențe 41 între semnalele acustice ale senzorilor adiacenți, acești senzorii nu sunt declanșați simultan, ci în mod secvențial, câte un senzor al fiecărei unități UMSA în cadrul unei secvențe, astfel 43 că declanșarea tuturor senzorilor din toate unitățile UMSA durează aproximativ 0,125 s. Aceasta are drept rezultat faptul că declanșarea senzorilor se produce în condițiile în care 45 vehiculul laborator parcurge, în mod obișnuit, o distanță de 1 - 2 m, astfel că profilul transversal rezultat nu are ca bază același punct în spațiu, ci este un profil compozit, format 47 pe baza celor cinci secvențe de declanșare succesivă a senzorilor, ale căror semnale sunt apoi combinate, pentru a se stabili profilul general al drumului testat. 49

RO 122929 Β1 în mod asemănător, echipamentul complex ARAN (Automated Road ANalyser) realizat de societatea canadiană Roadware Corp, dispune și de o componentă smart rutbar care constituie un sistem inteligent, sub formă de bară, pentru măsurarea adâncimii șanțurilor, care se efectuează în puncte multiple (multi-point rut measurement system). Componenta smart rutbar a echipamentului ARAN, montată și aceasta pe un vehicul laborator, utilizează senzori cu ultrasunete pentru a măsura, cu precizie, secțiunea transversală a unui drum. Ca și în cazul echipamentului ROMDAS (ROad Measurement Data Acquisition System), menționat, acești senzori sunt dispuși la distanțe, tot de câte 100 mm, unul față de celălalt, independent de lățimea selectată pentru profilul de drum măsurat. Sunt utilizați până la 37 de senzori pentru a acoperi lățimea unei benzi întregi de drum de 3,6 m: 19 senzori sunt dispuși în bara principală și câte 9 senzori în fiecare dintre cele două aripi, telescopice, ale echipamentului. Precizia senzorilor individuali este de 1,0 mm, iar măsurările adâncimii șanțurilor se realizează cu o precizie generală de 1,5 mm.

O caracteristică comună a profilometrelorcu ultrasunete, precum sunt echipamentele ROMDAS și ARAN, este constituită, însă, de utilizarea de către acestea a eșantionării progresive, avându-se în vedere faptul că atunci când senzorii cu ultrasunete nu sunt plasați la intervale de cel puțin 300-500 mm, unul față de celalalt, vor exista interferențe de la semnalele sonore ale senzorilor adiacenți. Efectul eșantionării progresive este acela că profilul transversal, utilizat în analize, este unprofil compozit care este construit pe baza măsurătorilor efectuate de senzorii individuali în secvențe succesive de timp. Totodată, trebuie menționat că profilul obținut este influențat atât de viteza cu care sunt declanșați senzorii, cât și de viteza vehiculului laborator. în mod tipic, pentru profilul transversal, aceasta înseamnă distanțe de 3-5 m la viteze de 70 km/h și de până la 10 m, la viteze mai ridicate.

Tehnologia laserilor de măsurare punctuală.

Ca și senzorii cu ultrasunete, laserii de tip punctual determină valoarea distanței până la punctul de pe paviment care se află în fața sa, în respectivul moment. Datorită costului lor, numărul senzorilor laser, de acest tip, care este adoptat de profilometrele uzuale este, de regulă, mai redus decât cel întâlnit la profilometrele cu ultrasunete, în legătură cu aceasta fiind menționat faptul că profilometrul laser punctual WDM® realizat de către societatea WDM Ltd. Bristol, GB, utilizează 16 senzori laseri, iar profilometrul laser punctual ARRB realizat de către societatea ARRB TR Ltd. (Australian Road Research Board Transport Research) Vermont South, AU, utilizează treisprezece senzori laseri, ambele profilometre fiind utilizate pentru evaluarea calității suprafețelor arterelor rutiere, de către Societatea Drumurilor Publice (The State Highway) din Noua Zeelandă, în perioada 19972000 și, respectiv, 1994-1996, conform studiului Evaluating the Quality of Road Survey Data. Transfund New Zeeland Research Report', 2001, pag.41, autor Christopher R. Bennett. Mult mai rapizi decât senzorii ultrasonici, senzorii laser de tip punctual permit ca înregistrarea profilelor transversale să se efectueze la intervale de eșantionare care pot să ajungă până la 10 mm în lungul drumului testat. Datorită, însă, numărului relativ redus de senzori laser punctuali cu care sunt prevăzute aceste tipuri de profilometre, acestea nu sunt, în general, în măsură să asigure o rezoluție de măsurare suficientă pentru detectarea șanțurilor de dimensiuni mai reduse.

Tehnologia sistemelor optice.

Sistemele optice achiziționează imagini digitizate ale profilelor transversale, profile care sunt utilizate apoi, în continuare, la estimarea adâncimii șanțurilor. Aceste imagini pot fi obținute prin utilizarea unortehnici fotografice, care sunt de multe ori prevăzute suplimentar cu laseri. Un exemplu de acest gen este și sistemul cu laser pentru măsurarea șanțurilor LRMS (Laser Rut Measurement System) realizat de Institutul Național de Optoelectronică (INO) din Canada. Sistemul LRMS se bazează pe utilizarea a două profilometre care conțin

RO 122929 Β1 câte o sursă laser modulată de mare putere cu care se asigură operarea sistemului, indepen- 1 dent de gradul de iluminare ambientală și cu care se proiectează câte o linie luminoasă transversală pe suprafața pavimentului. Fiecare scaner conține și câte o cameră video 3 specială cu defocalizare optică cu ajutorul căreia se asigură posibilitatea efectuării măsurătorilorîn 3D ale deformațiilorde drum preluate de linia laser. Cele două scanere laser asigură 5 împreună o lățime de eșantionare a profilelor transversale de 4 m, la o frecvență de eșantionare de 25 profile/secundă. în aceste condiții rezoluția transversală a măsurătorilor asigurată 7 de sistem este de 1280 puncte/profil, iar precizia de măsurare a adâncimii șanțurilor este de +1 mm. 9

Tot Institutul Național de Optoelectronică (INO) din Canada a realizat și un sistem cu laser de producere a semnalelor-imagine a drumurilor LRIS (Laser Road Imaging System) 11 care, pentru achiziționarea imaginilor profilelor transversale de drum, utilizează două camere video cu scanare în linie (de tip line scan) de înaltă rezoluție și frecvență de eșantionare, 13 precum și două surse laser de putere. Particularitatea sistemului constă în aceea că fiecare sursă laser proiectează câte un fascicul în planul transversal în direcție înclinată, astfel că 15 acesta iluminează partea opusă a jumătății de drum deasupra căreia este situată. Câmpul de vedere al fiecărei camere video este orientat pe verticală spre paviment, iar respectiva 17 cameră este dispusă în același plan cu câte una dintre sursele laser și în așa fel încât să preia zona de paviment iluminată de cealaltă sursă laser. Prin aceasta dispunere încrucișată 19 a elementelor sistemului se urmărește punerea în evidență și a celor mai mici defecțiuni ale pavimentului, prin umbrele acestor defecțiuni obținute prin înclinarea față de verticală a 21 surselor laser a căror putere poate ajunge la 250 W. Caracteristicile componentelor sistemului LRIS asigură acestuia o rezoluție de 4096 pixeli/linie și o frecvență de eșantionare 23 de 28.000 linii /secundă.

O altă societate canadiană, G.I.E. Technologies, pentru prelevarea profilelor trans- 25 versale de drum, a realizat sistemul cu laseri Laser Vision System, sistem care utilizează camere video cu defocalizare realizate conform tehnologiei BIRIS de vizualizare în 3D. 27

Tehnologia BIRIS (Bi-lris) aplicată de aceeași societate și la sistemul său LaserVISION asigură pentru determinările efectuate, un anumit grad de independență față de mișcările 29 proprii perturbatoare ale vehiculului laborator. Pe această bază, Laser Vision System este capabil să măsoare elevațiile a 1024 puncte de-a lungul unei lățimi complete (12 ft; cca 31 3,5 m) a unei benzi de circulație, fără a fi nevoie ca în acest scop să se mărească lățimea vehiculului laborator. Totodată, datorită faptului că achiziția datelor se realizează la frecvențe 33 de până la 60 Hz, sistemul este capabil să măsoare profilele transversale la intervale, pe direcția longitudinală a drumului, nu mai mari de 0,5 m la viteze de deplasare de până la 35 100 km/oră.

Principalul dezavantaj al acestor sisteme optice de achiziționare a imaginilor profilelor37 transversale de drum este constituit de costul lor deosebit de ridicat. Așa după cum se arată în studiul Data Collection Technologies for Road Management întocmit în aprilie 200539 pentru Banca Mondială, datorită utilizării camerelor video de mare rezoluție și frecvență de scanare în special cele de tip area scan”, costul unui asemenea echipament poate să atingă41

50.000 USD, iar dacă se recurge și la metoda iluminării suplimentare, atunci costul acestor echipamente poate să depășească și 200.000 USD.43

Tehnologia scanării cu laser.

Motivația dezvoltării acestei tehnologii a constituit-o necesitatea, atât de a îmbunătăți,45 în mod substanțial, rezoluția imaginilor achiziționate pentru profilele de drum, cât și de a reduce numărul camerelor video, de mare rezoluție, și viteza de declanșare, cu preț de cost 47 ridicat, care sunt utilizate, de regulă, în tehnologiile optice de control al suprafețelor de drum.

RO 122929 Β1

Un exemplu tipic al unui astfel de echipament care, utilizând tehnologia scanării cu laser, încearcă să obțină o rezolvare pentru problemele susmenționate, este descris în brevetul de invenție US 4.653.316 / 31.03.1987, având titlulApparatusMountedon Vehicles forDetecting Road Surface Conditions”. Aparatul, conform documentului citat, utilizează o oglindă rotativă, poligonală, pentru a proiecta un fascicul laser, mobil pe o direcție, transversală, a drumului testat. Pentru prelevarea secțiunilor transversale, marcate cu fasciculul laser mobil, se utilizează două camere video montate fix în partea frontală a vehiculului purtător și orientate într-o direcție înclinată cu un unghi de până la 60°, față de planul vertical al fasciculul laser. Cele două camere video, de tip”area scan, sunt dispuse în linie, în așa fel încât să cuprindă, în câmpul lor de vedere, întreaga lățime a drumului. Chiar și în aceste condiții, se impun condiții deosebite pentru performanțele funcționale ale acestor camere video, atât în ceea ce privește frecvența de achiziție a imaginilor, cât și, mai ales, rezoluția cadrelor video necesară unei definiri corespunzătoare a profilelor de drum.

Problema referitoare la rezoluția camerei video este rezolvată de către soluția descrisă în brevetul de invenție US 4.878.754 / 07.11.1989, având titlul Method of and Apparatus for Measuring Irregularities of Road Surface, prin faptul că spotul fasciculului laser proiectat pe suprafața drumului este detectat de către un senzor CCD (charge-coupled device), unidimensional, aparatul de măsurarea denivelărilor suprafeței rutiere fiind prevăzut cu un număr mare de senzori CCD dispuși pe o singură linie, situată astfel încât să preia imaginea elevației într-un punct al profilului de drum. Atât senzorul CCD, cât și sursa fasciculului laser sunt montate împreună pe un cărucior mobil cu role care este deplasat, cu ajutorul unui servomotor, pe un ansamblu de șine, pe o direcție transversală față de drum, astfel încât odată cu deplasarea căruciorului mobil sunt măsurate, punct cu punct, elevațiile profilului transversal, în condițiile în care vehiculul purtător stă pe loc. După deplasarea vehiculului pe distanța de eșantionare propusă pentru profilele transversale, se redeclanșează succesiunea de măsurare punct cu punct a elevațiilor, prin deplasarea căruciorului mobil purtător al blocului de măsurare. Funcționarea în modul prezentat nu conferă însă acestui echipament o productivitate satisfăcătoare pentru operarea pe drumurile publice.

în brevetul de invenție US 5.745.225 / 28.04.1998, având titlul Apparatus for Measuring a Shape of Road Surface este descris un aparat pentru prelevarea secțiunilor transversale de drum caracterizat prin aceea că întreg ansamblul senzorului de măsurare a distanțelor, până la suprafața pavimentului testat, este antrenat într-o mișcare oscilatorie, într-un plan vertical, perpendicular, pe direcția de deplasare a vehiculului purtător, cu ajutorul unui dispozitiv de rotire, cu servomotor. Principalele componente ale ansamblului senzorului de măsurare, susmenționat, sunt constituite dintr-o sursă laser în impulsuri, un receptor al acestor impulsuri și un contor de timp. Datorită maselor inerțiale implicate, rotirea oscilatorie a acestui ansamblu, cu unghiul necesar pentru a se realiza scanarea întregii secțiuni transversale de drum, nu poate fi realizată, în mod normal, cu o frecvență suficient de ridicată încât să se asigure o densitate corespunzătoare pentru liniile transversale de scanare, în condițiile în care vehiculul purtător se deplasează cu viteza permisă pe artera rutieră testată.

Mai recent, a fost realizat un echipament de măsurare a fazei, creat în tehnologia de detecție și localizare cu laser (LADAR - LAser Detection And Ranging), de către societatea Phoenix Science și care a fost încorporat într-un aparat de scanare a profilului pavimentului (PPS - Pavement Profile Scanner) realizat de societatea Mandli Communications, Inc., în cadrul proiectului de cercetare Development of In Situ Detection Methods for Materials-Related Distress (MRD) in Concrete Pavements: Phase 2, conform raportului final din august 2005, al Universității de Stat din lowa, și având ca sponsori Federal Highway Administration (proiect 1) și, respectiv, lowa DepartmentofTransportation (proiect HR-1081).

R0 122929 Β1

Concepția pe care se bazează funcționarea echipamentului Ladar constă în 1 următoarele: un fascicul laser modulat este reflectat de o oglindă poligonală rotitoare, fascicul laser care ajunge pe suprafața pavimentului, iar apoi este reflectat înapoi către o altă 3 față reflectantă a oglinzii poligonale rotitoare. întrucât, în raport cu fasciculul modulat incident, fasciculul reflectat are o întârziere de timp și fază, acest din urmă fascicul prezintă 5 o întârziere de tip Doppler. în aceste condiții, de pe oglinda rotitoare, fasciculul reflectat este orientat către un dispozitiv detector care măsoară, atât deplasarea de fază, cât și 7 intensitatea semnalului, recepționat, din punctele prelevate de-a lungul liniei de scanare. Cu această configurație, echipamentul Ladar este conceput să eșantioneze un profil transv- 9 ersal, cu o lungime de 3,5 m cu un singur laser de scanare, montat la o înălțime de 2,3 m, deasupra pavimentului. Sunt eșantionate 950 de puncte de-a lungul profilului transversal, la 11 intervale de câte 25 mm, în lungul drumului, în condițiile în care oglinda poligonală se rotește cu aproximativ 167 rotații pe secundă. 13

Funcționarea, în bune condițiuni, a echipamentului Ladar reclamă însă realizarea unui grad ridicat de sincronizare între faza fasciculul laser modulat și faza de rotație a oglinzii 15 poligonale, sincronizare prin care să se asigure că fasciculul laser modulat, emis de sursă, după reflexii pe două fețe succesive ale oglinzii poligonale și, între acestea, pe un punct al 17 pavimentului, ajunge în obiectivul dispozitivului detector.

De asemenea, în lucrarea NRC 3D Technology for Museum and Heritage 19 Applications, publicată în The Journal of Visualization and Computer Animation, voi.14, (3) 2003. pag. 121-138 și, respectiv, de către Institutul pentru Tehnologii Informatice din cadrul 21 Consiliului Național de Cercetare, Canada, cod publicație NRC 46586, este prezentat un principiu de scanare cu spot autosincronizat, utilizabil la prelevarea unor profile, ce pot varia 23 de la profilele unor obiecte, precum sunt cele de artă, și până la profilele unor suprafețe de drum. în conformitate cu acest principiu, alcătuirea respectivelor dispozitive, de prelevare a 25 profilelor, diferă de cea, uzuală, care aplică metoda triangulației spotului laser utilizată de către diferite alte sisteme din domeniu, prin faptul că, prin modul lor particular de construcție, 27 direcțiile în care sunt proiectate, atât fasciculele laser, cât și axa optică a sistemului de detecție, sunt rotite în mod sincron, cu ajutorul unei oglinzi plane, cu două fețe reflectante. 29 Dispozitivul conform invenției realizează, prin reflexiile asigurate de una din fețele oglinzii oscilante, proiectarea unui fascicul, emis de către o sursă laser, către subiectul 31 scanării - paviment sau obiect. Cealaltă față a oglinzii plane realizează direcționarea imaginii unui punct al obiectului scanat, iluminat cu fasciculul laser, asupra unei camere video cu 33 senzor fotoelectric CCD de tip area scan. Pe baza coordonatelor pixelului din compunerea senzorului fotoelectric CCD, iluminat de fasciculul laser reflectat, se obțin, prin aplicarea 35 relațiilor de calcul proprii metodei triangulației, coordonatele în 3D ale punctului corespunzător țintei scanate, în accepțiunea că cea de a treia dimensiune corespunde deplasării, 37 pe drumul testat, a vehiculului purtător al echipamentului de măsurare. în conformitate cu acest procedeu, câmpul instantaneu de vedere al detectorului de poziție se autocentrează 39 și se poate limita numai asupra zonei scanate, în momentul respectiv, de către fasciculul laser. în acest fel, la stabilirea distanței focale a obiectivului optic al camerei video, se are 41 în vedere numai înălțimea pe verticală a neregularităților, în cazul profilului transversal de drum, nu și lungimea acestui profil. 43 în legătură cu acest sistem autosincronizat, cu multiple căi optice corelate între ele, trebuie precizat că această corelare implică o precizie ridicată de realizare a sistemului în 45 special pentru situațiile în care se urmărește obținerea unor câmpuri de vedere largi, corespunzătoare profilelor transversale ale pavimentului. La aceasta trebuie adăugat faptul că, și 47 în acest caz, masele inerțiale ale oglinzii și ale dispozitivului său de antrenare, fac ca mișcarea oscilatorie a acestor elemente să obțină cu anumite dificultăți frecvența necesară pentru 49 realizarea unei densități corespunzătoare pentru secțiunile transversale scanate de drum, în condițiile în care vehiculul laborator se deplasează cu viteze normale pe drumul respectiv. 51

RO 122929 Β1

Un alt echipament mobil care realizează prelevarea video automată a suprafeței arterelor rutiere, printr-o mișcare continuă a componentelor sale de scanare, de data aceasta, nu printr-ο mișcare oscilatorie, ci una rotațională, este prezentat în cadrul cererii de brevet nr. a 2006 00959 cu titlul Echipament de scanare pentru prelevarea profilelor transversale ale arterelor rutiere depusă la data de 11.12.2006, în numele solicitantului prezentei cereri de brevet de invenție Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Optoelectronică - INOE 2000.

Conform cererii de brevet menționate, echipamentul are în componența sa o cameră video către, ai cărei senzori fotoelectrici, în linie, este proiectată imaginea scanată, punct cu punct, a unui profil transversal de drum, de către o oglindă plană rotitoare, cu două fețe reflectante, în condițiile în care această secțiune transversală este marcată în mod continuu, pe toată întinderea sa, de către un fascicul laser care este generat de către o sursă laser punctuală, cu emisie continuă. Scanarea se realizează prin rotirea continuă a oglinzii plane cu ajutorul unui servomotor, pe al cărui ax este dispus și un traductor al unghiului curent de rotație, care generează un semnal utilizat pentru calculul abscisei pe direcție transversală a punctului scanat.

Totodată, un traductor al vitezei de deplasare a vehiculului laborator, furnizează un semnal cu care se realizează declanșarea externă a camerei video, astfel încât să se obțină valoarea dorită pentru intervalele de eșantionare dintre profilele transversale. Același semnal trebuie să fie însă utilizat și pentru a comanda servomotorul de acționare a oglinzii rotitoare, astfel încât și viteza acesteia să fie reglată în funcție de viteza de deplasare a vehiculului laborator. în orice caz, pentru toate regimurile de deplasare ale vehiculului, secțiunea prelevată este mai mult sau mai puțin depărtată de secțiunea transversală reală a drumului cu un unghi care este dependent tocmai de valoarea raportului dintre viteza de rotație a oglinzii de scanare și viteza vehiculului.

La aceasta se adaugă și dificultatea asigurării reglajelor mecanice necesare pentru ca imaginea punctului vizat de pe profilul transversal să ajungă pe senzorul liniar al camerei video.

Echipamentul conform invenției înlătură aceste dezavantaje prin aceea că prelevarea profilelor de drum se realizează în condițiile în care, atât câmpul de vedere al unei camere video de tip area scan, cât și fasciculele plane a două surse laser de marcaj cu emisie continuă, sunt menținute în permanență pe direcție verticală; în acest fel, se evită atât problemele legate de sincronizarea câmpului de vedere al camerei video cu fasciculele laser, cât și cele prezentate, privind lipsa de perpendicularitate dintre secțiunile de prelevare și axa longitudinală a drumului testat.

Totodată, orientarea, pe direcție verticală, a componentelor principale ale echipamentului, conform invenției, și implicit a câmpului de vedere al camerei video, elimină posibilitatea care poate apare la unele metode în cadrul cărora axa camerei video este înclinată cu un anumit unghi față de verticală și anume aceea a ecranării unor defecțiuni ale pavimentului în spatele unor deformații cu elevații mai înalte. în ceea ce privește orientarea pe direcție verticală adoptată și pentru fasciculele laser, aceasta asigură ca marcajele, realizate pe suprafața pavimentului, să se mențină în respectivul plan vertical și să nu prezinte o formă neregulată care urmărește, în spațiu, curbele neregularităților de drum.

Pentru a reduce, atât gabaritul general al echipamentului, cât și costurile acestuia, se propune utilizarea unei singure camere video de tip area scan al cărui câmp de vedere este prevăzut cu două axe perpendiculare, iar camera video însăși fiind prevăzută cu un obiectiv optic de tip anamorfotic, respectiv cu un obiectiv care prezintă valori diferite pentru distanțele focale ale celor două axe perpendiculare ale câmpului de vedere, astfel încât acest

RO 122929 Β1 câmp să fie mai extins pe direcția transversală a suprafeței de drum, atât cât este necesar 1 pentru a acoperi cu o singură cameră video, lățimea de prelevare propusă. Totodată, utilizarea unei singure camere video, evită dificultățile de corelare a profilelor transversale, difi- 3 cultăți care pot apare în cazurile în care aceste profile sunt prelevate de două sau de mai multe camere video. 5 întrucât echipamentul, conform invenției, nu prevede componente aflate în mișcare de rotație sau oscilatorie, este posibil să se utilizeze la valoarea sa maximă frecvența cu care 7 camera video poate prelua cadrele de imagine. Având în vedere acest fapt, invenția prevede instalarea pe o axă de ieșire a cutiei de viteze a vehiculului laborator a unui traductor 9 odometric reglat astfel încât să furnizeze un semnal extern pentru declanșarea unui cadru de imagine a camerei video în fiecare moment în care vehiculul laborator a parcurs o 11 distanță dublă celei care există între cele două linii marcate cu laser. în acest mod, se asigură ca operația de prelevare a profilelor transversale de drum să se efectueze la 13 intervale egale de-a lungul drumului, independent de viteza de deplasare a vehiculul, în condițiile în care această viteză nu depășește limita impusă de frecvența susmenționată de 15 declanșare a cadrelor de imagine.

De asemenea, tot datorită faptului că elementele echipamentului, conform invenției, 17 sunt asamblate într-un montaj static, fix, și nu sunt utilizate componente de antrenare în mișcare de rotație sau oscilatorie, ansamblul construcției este simplu, robust și cu un gabarit 19 relativ redus.

Echipamentul mobil pentru prelevarea video automată a suprafeței arterelor rutiere, 21 conform invenției, prezintă următoarele elemente caracteristice:

- utilizează o cameră video de tip area scan a cărei axă optică este orientată 23 vertical, în jos, și al cărei câmp de vedere proiectat pe suprafața drumului testat are o formă dreptunghiulară care este alungită pe direcția transversală a drumului, cu ajutorul unui 25 obiectiv optic, de tip anamorfotic, care prezintă valori diferite pentru distanțele focale ale celor două axe plane ale sale; 27

- utilizează două surse laser cu emisie continuă orientate vertical în jos și dispuse în linie, de o parte și de cealaltă, a camerei video, la distanțe egale față de cameră, surse laser 29 care proiectează câte un fascicul plan perpendicular pe un plan orizontal al drumului și orientat după direcția transversală a acestuia, astfel încât să realizeze acoperirea unei întregi 31 secțiuni transversale de drum;

- pentru a asigura, pe direcția de deplasare a vehiculului laborator, o distanță 33 uniformă între profilele transversale prelevate și anume egală cu cea care există între axele celor două surse laser, indiferent de viteza de deplasare a vehiculului, se utilizează un 35 traductor odometric montat pe un ax de ieșire al cutiei de viteze a acestuia, traductor care este reglat astfel încât să furnizeze câte un semnal de declanșare externă a camerei video, 37 în fiecare moment în care vehiculul a mai parcurs o distanță egală cu dublul distanței dintre axele celor două surse laser; 39

- domeniile de măsurare corespunzătoare fiecărui profil transversal prelevat se constituie din intersectarea fasciculului laser plan, corespunzător cu suprafețele limită ale 41 piramidei care reprezintă câmpul de vedere al camerei video;

- pentru calculul valorilor de elevație ale fiecărui punct scanat al celor două profile 43 transversale se utilizează metoda triangulației specifică scanerelor în 2D și se efectuează în raport cu o linie orizontală, superioară, de referință care rezultă din prima intersectare a 45 respectivului fascicul laser plan cu suprafața laterală a câmpului de vedere de formă piramidală; 47

- pentru calculul absciselor ale fiecărui punct scanat al celor două profile transversale se utilizează, de asemenea, metoda triangulației specifică scanerelorîn 2D și se efectuează 49 în raport cu linia mediană verticală a fiecăruia dintre cele două domenii de măsurare.

RO 122929 Β1

Alte caracteristici și avantaje ale invenției vor rezulta din prezentarea unui exemplu de realizare constructivă a echipamentului mobil pentru prelevarea video a suprafeței arterelor rutiere, conform invenției, în legătură cu fig. 1+5, care reprezintă:

- fig. 1, schema de montaj pe caroseria unui vehicul laborator a echipamentului de prelevare video a suprafeței arterelor rutiere;

- fig. 2, schema optică de principiu a echipamentului de prelevare video a suprafeței arterelor rutiere;

- fig. 3, varianta constructivă optimă de dimensionare a celor două regiuni de recepție de pe suprafața senzorului CCD și de configurare a bazei câmpului de vedere, piramidal, al camerei video;

- fig. 4, schema planului median longitudinal al câmpului de vedere, utilizată pentru stabilirea relațiilor de calcul al elevațiilor punctelor care compun profilele transversale;

- fig. 5, schema planului median transversal al câmpului de vedere, utilizată pentru stabilirea relațiilor de calcul al absciselor punctelor care compun profilele transversale.

Principalele componente ale echipamentului de prelevare video a suprafeței arterelor rutiere, conform invenției, sunt constituite dintr-un sistem de marcare, cu câte o linie luminoasă laser, a două profile transversale de drum, sistem alcătuit din două surse laser S.L.| și S.L.|„ cu emisie continuă a unor fascicule laser F.L., și F.L-n, și prevăzute cu câte un dispozitiv optic de evazare în plan a fasciculelor laser F.L., și F.L.n, menționate, un sistem de achiziție a imaginilor video cu marcaje laser, sistem constituit dintr-o cameră video E.V., digitală, de înaltă rezoluție, ce permite un câmp de vedere C.V., predeterminat, camera video E.V. fiind prevăzută cu un obiectiv optic L.A., de tip anamorfotic, pentru extinderea, pe direcție transversală, a câmpului de vedere C.V. menționat, al camerei video E.V., un traductor de tip odometric montat pe un ax de ieșire al cutiei de viteze cu care este prevăzut un vehicul laborator V.L. și care furnizează un semnal de comandă pentru declanșarea externă a camerei video E.V. și un sistem de calcul prevăzut cu un software pentru compresia, în timp real, a imaginilor video achiziționate de camera video E.V., menționată.

Sistemul de marcare laser și sistemul de achiziție a imaginilor video cu marcaje laser se montează pe partea din spate a caroseriei unui vehicul laborator V.L. în modul prezentat în fig. 1, în timp ce sistemul de calcul este ambarcat în acest vehicul laborator V.L..În cadrul acestui ansamblu, pe o bară de montaj B.M. care este fixată la mijlocul părții din spate a caroseriei vehiculului laborator V.L. este atașată, în direcție verticală și orientată, în jos, spre pavimentul testat, o cameră video E.V. de tiparea scan de înaltă rezoluție și care este prevăzută cu un obiectiv optic L.A., de tip anamorfotic, care permite obținerea unui câmp de vedere C.V., de formă piramidală, cu laturi alungite pe direcția transversală a drumului.

Tot pe bara de montaj B.M., de o parte și de alta a camerei video E.V., la distanțe egale față de aceasta și orientate, de asemenea, pe direcție verticală, în jos, sunt atașate două surse laser S.L., și S.L.„, cu emisie continuă. Aceste surse laser S.L., și S.L.„ sunt prevăzute, fiecare, cu câte un dispozitiv optic de evazare în plan transversal, ceea ce conduce la formarea fasciculelor laser F.L.₍ și F.L.„, plane. Respectivele dispozitive optice care realizează evazarea în plan a fasciculelor laser F.L._t și F.L.n P°t fi constituite din câte o lentilă cilindrică, care are posibilitatea de a asigura unghiuri de deschidere ale fasciculelor laser F.L., și F.L.n, de valori suficiente pentru a realiza acoperirea unei întregi secțiuni transversale de drum, în condițiile în care sursele laser S.L., și S.L.„, împreună cu camera video E.V., sunt montate la o înălțime corespunzătoare pe vehiculul laborator V.L..

Intersecțiile planurilorfasciculelor laser, F.L., și F.L.„, cu piramida constituind câmpul de vedere C.V., piramidal, al camerei video E.V., conduc la formarea a două domenii de măsurare D.M., și verticale, de formă trapezoidală, în cadrul cărora sunt vizualizate simultan câte un profil transversal PT, și PT„, al drumului.

RO 122929 Β1 în regim de postprocesare, prin aplicarea unei metode de selectare a pixelilor care prezintă o valoare maximă a iluminării, din fiecare imagine achiziționată de camera video E.V., sunt extrase pentru fiecare linie de senzori fotoelectrici CCD valorile ordonatelor acelor senzori fotoelectrici CCD care au recepționat marcajul laser al profilului transversal prelevat. Pe această bază și a relațiilor de calcul corespunzătoare schemei optice a sistemului de prelevare video (fig.2), se determină pentru fiecare punct al profilelor transversale de drum, valoarea ordonatei reprezentate de distanța dintre respectivul punct și limita superioară a domeniilor de măsurare D.M.j și D.M.|„ verticale, trapezoidale.

Distanța pe verticală dintre aceste limite superioare ale domeniilor de măsurare D.M., și verticale, de formă trapezoidală, și baza mare a piramidei constituită de către câmpul de vedere C.V., piramidal, reprezintă valoarea elevației maxime y_max a domeniului de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.n, vertical, trapezoidal. Pentru a asigura capacități egale de măsurare, atât a ridicăturilor de teren, cât și a adânciturilor (șanțurilor) acestuia, la o înălțime care reprezintă ordonata y_max/2 a domeniului de măsurare, este plasat un plan orizontal de referință P.R. care corespunde absenței oricăror neregularități de teren. La asamblarea echipamentului, conform invenției, respectiv la stabilirea distanțelor de montaj ale acestuia, se consideră că vehiculul laborator V.L. este poziționat în planul orizontal de referință P.R. Atunci când este necesar să se facă o distincție între ridicăturile și adânciturile terenului prin semnele (+) sau (-) atribuite acestora, elevațiile suprafeței rutiere trebuie să fie determinate în raport cu acest plan orizontal de referință P.R. cu ajutorul următoarei relații de translatare:

Mai multe detalii cu privire la dispunerea relativă dintre componentele echipamentului de prelevare video a secțiunilor transversale de drum și, respectiv, la traiectoriile complete ale fluxurilor de transmitere și de recepționare a semnalelor laser - reprezentate în desene prin fasciculele laser F.L., și F.L.„ - sunt incluse în schema optică de principiu a acestui echipament, prezentată în fig. 2.

După cum rezultă din această schemă, dimensiunile liniare, a x b, ale senzorului fotoelectric CCD al camerei video E.V., în combinație cu diferitele valori, f_x și f_y, ale distanțelor focale, pe axele rectangulare, ale unui obiectiv optic L.A., de tip anamorfic, atașat la camera video E.V., conduc la formarea unui câmp de vedere C.V., de formă piramidală, cu baza în planul orizontal, alungită în direcția transversală a drumului, corespunzătoare axei abscisei x, și care definește o arie de scanare Bz, pentru camera video E.V., pe suprafața pavimentului testat, pe direcția transversală, a acestuia. Camera video E.V. este încadrată pe direcția longitudinală a drumului și, respectiv, a echipamentului, la aceeași distanță d, de câte o sursă laser, S.L., și S-L.,,, cu emisie continuă, care este prevăzută și cu un dispozitiv optic (nereprezentat) care realizează evazarea, în plan, a fasciculelor laser, F.L., și F.L.uIntersecțiile acestor fascicule laser F.L., și F.L.,,, cu câmpul de vedere C.V., piramidal, determină constituirea a două domenii de măsurare D.M., și D.M.„, verticale, de formă trapezoidală, în cadrul cărora pot fi evaluate valorile coordonatelor profilelor transversale de drum PT, și PT,,.

Traiectoriile fluxurilor semnalelor laser care trec prin obiectivul optic L.A., anamorfotic, conduc la delimitarea pe suprafața senzorului fotoelectric CCD a două regiuni de recepție, d.m., și d.m.u, dreptunghiulare, separate, care corespund domeniilor de măsurare, D.M.) și D.M.n, verticale, trapezoidale, și care sunt dispuse inversat, pe direcție longitudinală

RO 122929 Β1 față de aceste domenii de măsurare, D.M., și D.M._N, verticale, trapezoidale, respectiv într-o succesiune inversă a celor două regiuni de recepție d.m.,| și, respectiv, d.m.,. Totodată, este de precizat faptul că liniile superioare de referință A|B, și ΑμΒ^ orizontale, ale domeniilor verticale de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.|₍, se transpun în planul senzorului fotoelectric CCD în limitele laterale date de liniile laterale limită a|b₍ și, respectiv, anb,), ale acestuia.

în aceste condiții, măsurarea valorilor de elevație y, și y„ ale profilelor transversale PT, și PT|| se realizează în planul domeniilor de măsurare D.M., și D.M.n, verticale, trapezoidale, având, drept origine de referință, limitele superioare ale acestora, date de liniile superioare de referință A,B, și, respectiv, Α,,Β,ι, orizontale. Aceste linii superioare de referință A,B, și, respectiv, A_hBn, orizontale, care reprezintă limitele superioare ale domeniilor de măsurare D.M., și D.M._t|, verticale, trapezoidale, sunt dispuse la o distanță C față de obiectivul optic L.A., distanță C căreia îi corespunde un parametru constructiv C a cărui valoare rezultă din condițiile adoptate pentru domeniile de măsurare D.M., și D.M.n, verticale, trapezoidale și, respectiv, de recepție. Valorilor de elevație y, și y„ le corespund, în planul senzorului fotoelectric CCD, valorile ordonatelor y'„ respectiv, y'„, care au, fiecare, drept origine de referință, câte una dintre liniile laterale limită și aA, ale regiunilor de recepție d.m.] și d.m.||, dreptunghiulare, respective.

în ceea ce privește abscisele x, și x„ cu care se marchează punctele profilelor transversale PT, și ΡΤ„, acestea se măsoară în raport cu axele centrale, verticale, ale domeniilor de măsurare, D.M_m și D.M.|„ verticale, trapezoidale. în mod similar, în planul senzorului fotoelectric CCD, abscisele x'₍ și, respectiv, x'_n, corespondente, se măsoară în raport cu axa centrală transversală a senzorului fotoelectric CCD, numărul de valori distincte, ale absciselor calculate, fiind egal cu numărul total de pixeli de care dispune, pe lungimea sa, senzorul fotoelectric CCD al camerei video E.V..

Pentru a obține limitarea în plan vertical a domeniilor de măsurare D.M., și D.M.n, verticale, trapezoidale, la valoarea necesară, în mod normal, pentru arterele rutiere testate și, totodată, pentru asigurarea unei rezoluții corespunzătoare de măsurare, soluția optimă, dar nu limitativă, este aceea de a adopta pentru liniile limită inferioare c,d, și ε,,ά,, care marchează limita inferioară a regiunilor de recepție d.m.| și, respectiv, d.m.n, dreptunghiulare, pozițiile care corespund câte unui sfert, b/4, din lățimea b a senzorului fotoelectric CCD, poziții măsurate de la fiecare capăt al acestuia, în modul prezentat în fig. 3. în cazul acestei variantei constructive, optime, numărul de valori distincte de elevație calculate este egal cu un sfert din numărul de pixeli de care dispune, pe lățimea sa, senzorul fotoelectric CCD al camerei video E.V... Liniile limită inferioare c,d, și C||d|„ ale regiunilor de recepție d.m., și, respectiv, d-m.,,, dreptunghiulare, au drept corespondență, în planul domeniilor de măsurare,

D. M., și D.M.„, verticale, trapezoidale, liniile limită inferioare C,D|, și, respectiv, C,|D|„ dispuse în planul orizontal al câmpului de vedere C.V., piramidal, corespunzător ariei de scanare Bz, menționată.

I

Tot din motivele susmenționate, respectiv limitarea în plan vertical a domeniilor de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.„, verticale, trapezoidale, și obținerea unei rezoluții corespunzătoare, se poate adopta o soluție de optimizare constructivă, de asemenea ne restrictivă, și pentru poziționarea planului orizontal corespunzător ariei de scanare Bz, menționată, și anume, prin aceea că distanța sa pe verticală, față de obiectivul optic L.A. să fie stabilită, astfel încât latura, pe direcție longitudinală, a ariei de scanare Bz să aibă valoarea 4 x d, așa după cum se prezintă, de asemenea, în fig. 3, unde prin simbolul d s-a marcat distanța dintre o sursă laser S.L., sau S.L.„ și axul optic, central, al camerei video

E. V..

RO 122929 Β1

Pentru a stabili relațiile de calcul al ordonatelor y ale punctelor care compun profilele 1 transversale prelevate, în funcție de valorile ordonatelor y', corespondente, în planul senzorului CCD, se recurge la schema prezentată în fig. 4. 3

Cu notațiile utilizate și în schemele din figurile anterioare, prin aplicarea unor reguli geometrice simple, referitoare la asemănarea triunghiurilor, se obține următoarea relație de 5 calcul al ordonatelor, în funcție de valorile ordonatelor y' determinate în planul senzorului fotoelectric CCD: 7

unde s-au folosit notațiile:

f_y - distanța focală, pe direcție transversală, a obiectivului optic L.A. de tip anamorfotic;

d - distanța dintre o sursă laser S.L., sau S.L.n și axa centrală a sistemului optic, care coincide cu axul optic, central, al camerei video E.V.;

b - lățimea senzorului fotoelectric CCD;

C - parametru constructiv care definește distanța, pe verticală, dintre limita superioară a domeniului de măsurare D.M._y și obiectivul optic L.A. (fig.4).

Valoarea parametrului constructiv C, corespunzător distanței C, rezultă din condiția referitoare la corespondența referințelor de măsurare, ceea ce înseamnă că; pentru y' = 0 se pune condiția ca: y = 0.

Cu aceasta condiție, din relația (1) se obține următoarea relație de calcul a parametrului constructiv C, corespunzător distanței C:

(2)

Cu această expresie a parametrului C, relația (1) de calcul a ordonatelor y devine:

(3)

Ținând seama de delimitarea adoptată pentru regiunile de recepție d.m., și d.m._N, dreptunghiulare, ale senzorului fotoelectric CCD, rezultă că pentru y'=b/4, ordonata y obține valoarea sa maximă permisă de înălțimea verticală a domeniilor de măsurare,D.M., și, respectiv, D.M.|„ și care se poate calcula cu relația (3), sub forma:

Este de remarcat egalitatea care rezultă în acest caz, al aplicării soluției optime de 41 dimensionare, între valoarea maximă y_max a domeniilor de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.,1, verticale, trapezoidale și valoarea parametrului constructiv C, corespunzător distanței 43

C.

RO 122929 Β1

Din relația (3) se poate deduce în mod direct și relația inversă, respectiv cea de calcul a valorilor y' ale pixelilor, în funcție de ordonatele y ale profilului de drum:

^J 2 b

P.R., se obține valoarea corespunzătoare:

Prin diferențierea expresiei (1) a ordonatelor y ale profilelor transversale, în raport cu ordonatele y' înregistrate de senzorul fotoelectric CCD, se obține o relație de calcul a sensibilității de măsurare S_my a sistemului optic, în configurația realizată:

Relația (7) de calcul permite să se determine, atât valoarea curentă, cât și limitele între care se modifică sensibilitatea de măsurare a elevațiilor profilelor transversale în funcție de poziționarea valorii y' a acestor elevații, în aria senzorului fotoelectric CCD.

Astfel, pentru limita maximă de referință a domeniilor de măsurare D.Mși, respectiv, D.M.||, verticale, trapezoidale, respectiv pentru y -0, sensibilitatea de măsurare S_my va obține valoarea sa maximă:

iar pentru limita minimă de referință adoptată pentru domeniile de măsurare D.M., și, respectiv, D.M._lt, verticale, trapezoidale, respectiv pentru y-b/4, sensibilitatea de măsurare S_m va obține valoarea sa minimă:

<⁹)

De asemenea, pentru nivelul corespunzător planului orizontal de referință P.R., respectiv pentru y' - b/6, sensibilitatea de măsurare va obține valoarea:

în continuare, se recurge la schema prezentată în fig. 5, pentru a stabili relațiile de calcul ale absciselor x ale punctelor care compun profilele transversale prelevate, în funcție de valorile x' ale absciselor corespondente determinate pe aria senzorului fotoelectric CCD.

RO 122929 Β1

Folosind, și în acest caz, notațiile utilizate în schemele din figurile anterioare, prin aplicarea acelorași reguli geometrice referitoare la asemănarea triunghiurilor, se obține următoarea relație de calcul al absciselor x, în funcție de valorile absciselor x' determinate în planul senzorului fotoelectric CCD:

f_y-f_x+C+y fx unde a mai fost introdusă și notația f_x care reprezintă distanța focală pe direcție longitudinală a obiectivului optic L.A. de tip anamorfotic.

Cu expresia (2) a parametrului constructiv C, corespunzător distanței C, se obține în continuare următoarea formă a relației de calcul al abscisei x:

Pentru a completa determinarea mărimii domeniilor de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.|„ verticale, trapezoidale, de această dată, cu determinarea lungimii laturilor paralele inegale, reprezentând liniile superioare și inferioare de referință A,B„ Cp, și, respectiv, Α_ΝΒ„, C||Dh, se utilizează relația (12), după cum urmează:

Pentru jumătate din lungimea laturilor reprezentând liniile superioare de referință A,B, și, respectiv, A|,Bn, orizontale, ale respectivului domeniu de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.u, vertical, trapezoidal, se obține:

- y ) fy 'd ? , f_x *** b

Pentru jumătate din lungimea laturilor reprezentând liniile inferioare de referință Cp₍ 27 și, respectiv, C,Pu, orizontale, ale respectivului domeniu de măsurare D.M._t și, respectiv, D.M._n, vertical, trapezoidal, se obține: 29

_ fy~fx ^Xmax f_x

Pentru jumătate din lungimea laturilorcorespunzătoare planului orizontal de referință

P.R.:

unde:

a

2’

și a - lungimea senzorului fotoelectric CCD.

(15)

Prin derivarea în raport cu abscisa x' a relației (12) se obține și în acest caz o relație de calcul al sensibilității de măsurare S_mx a sistemului optic de prelevare:

RO 122929 Β1

Relația (16) permite să se determine sensibilitatea de măsurare S_mx pe axa absciselor x, tot în funcție de valoarea ordonatelor / prelevate de pe senzorul fotoelectric CCD, întrucât valoarea acestei sensibilități de măsurare, S_mx, nu depinde de axa abscisei x.

Astfel, valoarea maximă a sensibilității de măsurare pe axa absciselor x se obține pentru y' - 0:

(17) iar valoarea minimă a sensibilității de măsurare pentru y = b_

De asemenea, valoarea sensibilității de măsurare corespunzătoare planului orizontal de referință P.R. este:

y!=b[3 f_xb (19) în cele ce urmează, se prezintă și un exemplu practic de realizare a echipamentului de prelevare video automată a suprafeței arterelor rutiere, conform invenției.

Pentru acest exemplu de calcul al dimensiunilor constructive ale echipamentului, precum și al performanțelor acestuia, se adoptă ca bază următoarele valori curente ale caracteristicilor unei camere video E.V., de tip area scan”, de înaltă rezoluție:

Numărul de elemente fotosensibile ale senzorului fotoelectric CCD: 2.048 pixeli x 2.048 pixeli;

Dimensiunile liniare ale senzorului fotoelectric CCD: 24,6 mm x 24,6 mm;

Factorul de rezoluție al senzorului fotoelectric CCD:

2.048

24,6 = 83,252 pixeli mm

Frecvența maximă a cadrelor de imagine: F = 25 cadre/secundă;

Distanțele focale ale obiectivului optic L.A. de tip anamorfotic: f_x = 10,8 mm; f_y~25 mm;

Factor anamorfotic: F =fy/f_x = 25 /10,8 = 2,315

Valoarea distanței dintre o sursă laser S.L., și, respectiv, S.L._U și camera video E.V.: d = 400 mm.

Pe baza valorilor susmenționate și a relațiilor de calcul (2) și (4), se obține pentru domeniul maxim de măsurare y_max și totodată și pentru parametrul constructiv C, corespunzător distanței C, următoarea valoare:

b/2

25-400

12,3 = 8l3mm;

în continuare, se obține înălțimea de montaj D a camerei video E.V. față de planul orizontal de referință P.R., ținând seama că valoarea elevației acestuia este y_max/2:

D = C + y_max/2 = 813 + 813/2 = 1.219,5 mm

RO 122929 Β1

Conform relației (8), pentru y-0, sensibilitatea de măsurare S_my pe axa ordonatei y, va obține valoarea sa maximă:

⁵®ymax 4-f_y-d

-^- = 0,01513^ = 1,26^ ;

4-25-400 mm mm unde s-a ținut seama de valoarea factorului de rezoluție al senzorului fotoelectric CCD:

c= 83,252 pixeli mm

Valoarea minimă a sensibilității pe axa ordonatei y este dată de relația (9): 11 c ₌ _^—--= 0,00378—= 0,315 ;

Wmm 16-25-400 mm mm

Pentru nivelul corespunzător planului orizontal de referință P.R., respectiv pentru y-b/6, conform relației (10), sensibilitatea de măsurare va obține valoarea:

s„,_ra = -^- = ^- = 0,<Χ)672==0.56=ϋ ¹¹¹⁷⁰ 9 -f_y-d 9-25400 mm mm

Un alt parametru funcțional important al echipamentului de prelevare video este constituit de întinderea pe direcția transversală, corespunzătoare axei abscisei x, a domeniilor de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.h, verticale, trapezoidale.

Astfel, relația (13) permite calculul lungimii laturilor superioare ale domeniului de măsurare D.M.| și, respectiv, D.M._n, vertical, trapezoidal, reprezentând liniile superioare de referință A,B, și, respectiv, Α,,Β,,, orizontale, ale respectivului domeniu de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.„, vertical, trapezoidal:

Α,Β, -ΑιΛι-2·^^

25-10,8 ... -------x 24,6 +

10,8

25x 400 .. , , __o.

--------x 24,6 -1.884 mm 10,8x12,3

Relația (14) permite calculul lungimii laturilor inferioare ale domeniului de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.„, vertical, trapezoidal, reprezentând liniile inferioare de referință Cp, și, respectiv, C|P_N, orizontale, ale respectivului domeniu de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.|„ vertical, trapezoidal:

CiDj - C[iDn - 2 xl ,_b f, ,v' ^Xmax

25-10,8 25 x 400

- — x 24,6+------10,8 10,8x6,15 x 24,6 = 3.736 nun;

RO 122929 Β1

De asemeena, lățimea domeniului de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.|₍₁ vertical, trapezoidal, la nivelul planului orizontal de referință P.R. este dată de relația (15):

^CRl^DRj -^CR_n ^DRn ²’^Xl/=7,xÎnax

+ 2· l -*max “

25-10,8

10,8 x24,6+

25x400 , η ΛΐΛ

-------x 24,6 = 2.810 mm.

10,8x8,2

Trecând la calculul sensibilităților de măsurare de-a lungul axei abscisei x, transversală, valoarea acestei sensibilități de măsurare- la nivelele superioare ale domeniului de măsurare D.M.₍ și, respectiv, vertical, trapezoidal, reprezentând liniile superioare de referință A,B, și, respectiv, Α,,Β,ι, orizontale, ale respectivului domeniu de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.|„ vertical, trapezoidal - este dată de relația (17):

V , . ...............₌ ---= 0,0131-=1.0874f_y-d (25-10,8)* 24,6 + 2x25x400 mm mm iar valoarea sensibilității de măsurare - la nivelele inferioare ale domeniului de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.,,, vertical, trapezoidal, reprezentând liniile inferioare de referință C,D, și, respectiv, CnD,,, orizontale, ale respectivului domeniu de măsurare D.M., și, respectiv, D.M.,,, vertical, trapezoidal, este dată de relația (18):

Totodată, valoarea sensibilității corespunzătoare planului orizontal de referință P.R. este data de relația (19):

s ._h.₌₁____id____..._____--0,00875=,0,729^ ^XJ,=â/3 (^-^)-^+3-^-// (25-10,8)x24,6+3x25x400 mm mm

Ținând seama că traductorul odometric comandă declanșarea camerei video E.V. de fiecare dată după ce vehiculul laborator V.L. a parcurs distanța 4*d (fig.3) și că frecvența maximă, selectată, a cadrelor de imagine preluate cu ajutorul camerei video E.V. este F = 25 cadre/secundă, se poate calcula și valoarea vitezei maxime cu care se poate deplasa vehiculul laborator V.L., în cursul efectuării determinărilor cu relația:

f'max = 4 x d x F = 4 x 0,4 x 25 = 40 — = 144— sec ora în final, trebuie precizat că obținerea, la aceste viteze de deplasare, a unor imagini ale suprafeței de drum, care nu prezintă efectul de imagine ștearsă (blurred image), este condiționată și de capacitatea camerei video E.V. de a funcționa cu timpi de expunere suficient de scurți, ceea ce înseamnă, în cazul prezentei invenții, valori nu mai mari de 10-15 ms.

Claims (3)

1. Echipament de scanare pentru prelevarea video, automată, a suprafeței arterelor 3 rutiere, amplasat pe un vehicul laborator (V.L.) de care este fixată, la o înălțime predeterminată, o bară de montaj (B.M.) care, pe de o parte, susține o cameră video (E.V.), de tip 5 area scan, montată pe direcție verticală, orientată în jos, spre suprafața pavimentului supus testării, pentru prelevarea de imagini video, dintr-un câmp de vedere (C.V.), proiectat pe 7 suprafața pavimentului testat, la nivelul unui plan orizontal de referință (P.R.) al acestuia, iar pe de altă parte, susține un scaner laser alcătuit din două surse laser (S.L., și S.L·.,,), cu 9 emisie continuă de fascicule laser (F.L., și F.L.„), pentru prelevarea a două profile transversale (PT, și PT„) din suprafața pavimentului testat, surse laser (S.L., și S.L.,,) dispuse în 11 linie, pe direcția de înaintare a vehiculului laborator (V.L), echidistant, la o distanță (d), predeterminată, în raport cu respectiva cameră video (E.V.), și montate pe direcție verticală, 13 orientate în jos, spre pavimentul supus testării, astfel încât să realizeze proiectarea a câte unui fascicul laser (F.L., și F.L,,), perpendicular pe planul orizontal de referință (P.R.) al 15 pavimentului testat, și orientat după direcția transversală a acestuia, un traductor odometric fiind dispus pentru măsurarea distanței parcurse de vehiculul laborator (V.L.) care susține 17 și un sistem de calcul pentru achiziția, memorarea și procesarea datelor de măsurare, caracterizat prin aceea că, are în alcătuire: 19 o cameră video (E.V.), de tip area scan, al cărui câmp de vedere (C.V.) este de formă piramidală, care, proiectat pe suprafața pavimentului testat, pe direcția transversală, 21 a acestuia, în planul orizontal de referință (P.R.), definește, printr-o suprafață de formă dreptunghiulară, aria de scanare (Bz) a camerei video (E.V.); 23 un obiectiv optic (L.A.), de tip anamorfotic, integrat în cadrul camerei video (E.V.), pentru extinderea câmpului de vedere (C.V.), piramidal, al camerei video (E.V.), în vederea 25 alungirii ariei de scanare (Bz) a camerei video (E.V.), pe suprafața pavimentului testat, pe direcția transversală, a acestuia, astfel încât să se obțină acoperirea unei întregi secțiuni 27 transversale a suprafaței pavimentului supus testării;

două surse laser (S.L., și S.L.,,) cu emisie plană a fasciculelor laser (F. L., și F.L.,,), 29 fiecare fascicul laser (F.L., și F.L.,,), plan, perpendicular pe planul orizontal de referință (P.R.) al pavimentului testat, definind fiecare câte un domeniu de măsurare (D.M., și D.M.„), în plan 31 vertical, de formă trapezoidală, corespunzător profilului transversal (PT, și PT„), prelevat, constituit prin intersectarea câmpului de vedere (C.V.), piramidal, al camerei video (E.V.), cu 33 respectivele fascicule laser (F.L., și F.L.„), plane;

un traductor odometric, montat și reglat pe un ax de ieșire al cutiei de viteze a 35 vehiculului laborator (V.L.), astfel încât să furnizeze câte un semnal de declanșare externă a camerei video (E.V.), în fiecare moment în care vehiculul laborator (V.L.) parcuge o 37 distanță egală cu dublul distanței 2d dintre axele celor două surse laser (S.L., și S.L.,,);

un sistem de calcul, de achiziție, memorare și procesare a datelor de măsurare, 39 pentru realizarea, la nivel de punct scanat, prelevat, al celor două profile transversale (PT, și PT„), a calculului, prin metoda triangulației, a valorilor elevației (y) și a pozițiilor acestora 41 în planul orizontal de referință (P.R.) al pavimentului testat.

2. Echipament conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că sistemul de calcul 43 realizează calcularea valorilor elevației (y) în raport cu o linie superioară de referință (A,B, și, respectiv, Α,,Β,,), orizontală, rezultată dintr-o primă intersectare a fasciculul laser (F.L., și 45 F.L.„), plan, cu câmpul de vedere (C.V.), piramidal, al camerei video (E.V.).

3. Echipament conform revendicării 1 sau 2, caracterizat prin aceea că sistemul de 47 calcul realizează calcularea valorilor abscisei (x), corespunzătoare poziției elevației (y) în planul orizontal de referință (P.R.) al pavimentului testat, în raport cu linia mediană, verticală, 49 a fiecăruia dintre cele două domenii de măsurare (D.M., și D.M.,,), verticale, trapezoidale.