基于激光測距的路面平整度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曹桂芳　張佳鵬　郭曉澎

摘要：為了提高路面平整度的檢測水平，本文提出了一種基于激光測距的路面平整度檢測系統(tǒng)。首先介紹了激光測距的原理，接著計(jì)算了國際路面平整度指數(shù)（IRI），最后設(shè)計(jì)了一種激光路面平整度檢測系統(tǒng)，從軟件和硬件兩方面分析了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理過程，并驗(yàn)證了本系統(tǒng)的檢測結(jié)果不受車輛行駛速度影響，適合我國道路交通的平整度檢測。

關(guān)鍵詞：激光測距 路面平整度 國際路面平整度指數(shù)

中圖分類號：TN247 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0191-01

1 引言

針對現(xiàn)有道路路面檢測中存在的問題，本文運(yùn)用先進(jìn)的激光傳感器Selcom SLS5000，搭建了基于一套基于激光測距的路面平整度自動檢測系統(tǒng)，通過激光三角法測距原理，簡單、便捷、準(zhǔn)確地檢測路面不平度，再依據(jù)相關(guān)算法計(jì)算出待測路面的國際平整度指數(shù)，最后從軟件和硬件兩方面分析了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理過程，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性和其系統(tǒng)的檢測結(jié)果不受車輛行駛速度影響。

2 激光測距與國際平整度指數(shù)（IRI）

激光測距的基本原理是以射向待測物體的脈沖或連續(xù)激光束作為光源測量待測物體的距離的。本系統(tǒng)選用美國LMI Technologies公司生產(chǎn)的Selcom 5000型激光傳感器，該傳感器采用直射式激光三角測距原理[1]。

計(jì)算IRI采用1/4車輛模型作為動態(tài)計(jì)算方案的，具體實(shí)施方法：固定車輛的各個(gè)參數(shù)，當(dāng)車以己知的速度在路面上行駛時(shí)，計(jì)算固定的一段距離內(nèi)懸掛系統(tǒng)的累積位移量作為IRI即可。為了方便計(jì)算，將1/4車輛模擬模型簡化為計(jì)算模型。

3 路面平整度檢測系統(tǒng)的搭建

根據(jù)上述理論分析，本文搭建了激光路面平整度檢測系統(tǒng)以及配套的數(shù)據(jù)采集軟件。

3.1 硬件設(shè)計(jì)部分

本系統(tǒng)硬件部分采用計(jì)算機(jī)作為主控中心，并協(xié)同激光傳感器、陀螺儀和電源等設(shè)備統(tǒng)一安裝于檢測車上，構(gòu)成了一套完整的車載式激光路面平整度檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

旋轉(zhuǎn)編碼器可將車速等信息轉(zhuǎn)換為電信號，不同的車速將會使該模塊產(chǎn)生周期不同的脈沖信號。該脈沖信號主要作為A/D采集的外部觸發(fā)信號，這里為配合AD采集卡的工作，需要對脈沖信號進(jìn)行一定的調(diào)制，通過記數(shù)卡將該脈沖信號分頻。這里采用中斷的方式處理中斷請求信號，控制AD采集模塊實(shí)時(shí)的采集激光傳感器和陀螺儀所測得的路面平整度原始參數(shù)值。考慮到檢測車行進(jìn)時(shí)，路面平整度會對其造成極大的影響，所以使用單一的激光傳感器所測得的數(shù)值并不能直接反映路面的平整度，需要在檢測車上同時(shí)安裝加速度傳感器，即陀螺儀。該模塊可以用于測量該車的豎向移動速率，通過對陀螺儀輸出的加速度信號進(jìn)行兩次積分處理，就可以得到受路面平整度影響的車體所產(chǎn)生的位移。用該加速度信號同激光傳感器測出的信號相減，采集到真實(shí)的路面斷面值，并且消除車體的震動位移。

3.2 軟件設(shè)計(jì)部分

圖1是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件，軟件部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能：記錄檢測車行駛到路面檢測點(diǎn)與開始檢測點(diǎn)之間的距離，并通過陀螺儀采集檢測車的垂直振動加速度，對這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類保存，然后對所采集到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理，主要是運(yùn)算處理與降噪分析。

路面平整度檢測系統(tǒng)上電運(yùn)行后，自動開啟數(shù)據(jù)采集卡，采集模塊將采集相關(guān)數(shù)據(jù)并傳至下位機(jī)控制模塊。該模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理后傳至上位機(jī)，上位機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和顯示程序，數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)通過串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。上位機(jī)軟件可以將檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過算法處理實(shí)時(shí)的呈現(xiàn)出來。上下位機(jī)的通訊采用串行通信總線，波特率230400。運(yùn)行上位機(jī)程序，首先調(diào)用串口初始化功能模塊對串口進(jìn)行初始化，接著調(diào)用采樣功能模塊，發(fā)出周期采樣命令。隨后采集卡模塊將會進(jìn)入定時(shí)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，每完成一組數(shù)據(jù)的采集，就利用該數(shù)據(jù)計(jì)算出路面平整度，然后調(diào)用數(shù)據(jù)存儲功能，把數(shù)據(jù)結(jié)果存放到SQL數(shù)據(jù)庫中。

4 結(jié)語

本文采用先進(jìn)的激光測距技術(shù)搭建了一套路面平整度檢測系統(tǒng)，利用硬件和軟件相結(jié)合的方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、接收轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算分析，研制了一種性價(jià)比較高的長距離、高精度的、無損傷的路面檢測系統(tǒng)，適用于我國道路的施工、監(jiān)控、質(zhì)量驗(yàn)收、養(yǎng)護(hù)等方面。

參考文獻(xiàn)

[1]馮國旭，常保成.高精度激光測距技術(shù)研究[J].激光與紅外，2007，37（11）：1137-1140.

[2]武軍.無損檢測技術(shù)在公路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].山西交通科技，2008（3）.

[3]蔡紅霞.脈沖式激光測距系統(tǒng)研究[D].西安工業(yè)大學(xué)，2014.