一种非接触式快速道路弯沉检测系统

摘要

本发明提出了一种非接触式快速道路弯沉检测系统，包括：步骤1，准备弯沉检测方法所用部件：载荷车，第一检测梁，第二检测梁，支撑轮，铰链，后载荷轮，线激光发射器，CCD面阵相机；步骤2，载荷车通过前载荷轮和后载荷轮支撑在道路上，第一检测梁的一端与后载荷轮相连接，另一端和第二检测梁的一端通过铰链连接，第二检测梁的另一端与支撑轮相连接；第一检测梁和第二检测梁上间隔安装有14组位移传感器，每组位移传感器包括一个线激光发射器和一个CCD面阵相机；步骤3，利用两根检测梁分别测出路面回弹前后的最大弯沉量，从而计算出回弹弯沉量；步骤4，采用三次样条插值法拟合出弯沉盆曲线，最终达到测量目的。

权利要求

1.一种非接触式快速道路弯沉检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，准备弯沉检测方法所用部件，包括：载荷车(1)，第一检测梁(2)，第二检测梁(3)，支撑轮(4)，铰链(5)，前载荷轮(7)，后载荷轮(6)，线激光发射器，CCD面阵相机；

步骤2，所述载荷车(1)通过前载荷轮(7)和后载荷轮(6)支撑在道路上，所述第一检测梁(2)的一端与后载荷轮(6)相连接，另一端和第二检测梁(3)的一端通过铰链(5)连接，第二检测梁(3)的另一端与支撑轮(4)相连接；

第一检测梁(2)上间隔安装有14组位移传感器，每组位移传感器包括一个线激光发射器和一个CCD面阵相机；

第二检测梁(3)上间隔安装有14组位移传感器，每组位移传感器包括一个线激光发射器和一个CCD面阵相机；

第一检测梁(2)上的位移传感器与第二检测梁(3)上的位移传感器所布置的位置关于铰链(5)对称；

步骤3，载荷车的后载荷轮(6)行驶在道路路面上时，任取道路路面上的一点作为测试点A；

步骤31，当后载荷轮(6)行驶到测试点A处时,设此时的位置为位置1，所有线激光发射器向道路路面发射线激光，所有CCD面阵相机采集道路路面上的线激光；

步骤32，任取第一检测梁(2)上的一组位移传感器作为当前位移传感器i，所述当前位移传感器i包括线激光反射器i和CCD面阵相机i，通过式(1)计算被测路面上第i点的最大弯沉量l1i：式(1)中，i＝1,2，…，14；xi为没有载荷作用到测试点A和载荷作用到测试点A时CCD面阵相机i像点的移动距离；L2i为载荷作用到测试点A时CCD面阵相机i的物距，L1i为载荷作用到测试点A时CCD面阵相机i的像距，αi为CCD面阵相机i相对于线激光反射器i的倾斜角度，βi为CCD面阵相机i的像面偏角；

步骤33，重复步骤32，直至第一检测梁(2)上的14个位移传感器都分别测量出道路路面上14个点的最大弯沉量，执行步骤34；

步骤34，当载荷车的后载荷轮(6)行驶离开测试点A，且第二检测梁(3)到位置1中第一检测梁(2)所在的位置时，设此时的位置为位置2，所有线激光发射器向道路路面发射线激光，所有CCD面阵相机采集道路路面上的线激光；

步骤35，任取第二检测梁(3)上的一组位移传感器作为当前位移传感器j，所述当前位移传感器j包括线激光反射器j和CCD面阵相机j，通过式(2)计算被测路面上第j点的卸载后最大弯沉量l0j：式(1)中，j＝1,2，…，14；xj为载荷作用到A点时和载荷离开A点时CCD面阵相机j像点的移动距离；L2j为载荷离开A点时CCD面阵相机j的物距，L1j为载荷离开A点时CCD面阵相机j的像距，αj为CCD面阵相机j相对于线激光反射器j的倾斜角度，βj为CCD面阵相机j的像面偏角；

步骤36，重复步骤35，直至第二检测梁(3)上的14个位移传感器都分别测量出道路路面上14个点的卸载后最大弯沉量，执行步骤4；

步骤4，通过式(3)得到被测路面的第n点的回弹弯沉量ln：

式(3)中，i＝1,2，…，14；j＝1,2,…，14；n＝1,2，…，14；

即可得到14个点的回弹弯沉量：l1,l2,...,l14；

步骤5，采用三次B样条插值法对步骤4得到的14个点的回弹弯沉量进行曲线拟合，得到弯沉盆曲线。

说明书

一种非接触式快速道路弯沉检测系统

技术领域

[0001] 本发明基于道路交通环境检测技术领域，尤其涉及一种非接触式快速道路弯沉检测系统。

背景技术

[0002] 近十年来，我国公路交通事业发展迅速，是经济发展的一大亮点。一方面，交通基础设施不断完善，通车里程与日俱增，极大地促进了区域经济的联系与发展；另一方面，交通运输能力大大提高，安全保障能力明显增强，为人们出行提供了很大的便利与安心。

[0003] 公路建设在快步前进的同时也存在着许多问题。首先，我国高速公路存在使用寿命不长的问题，路面会出现一些毁坏路况，如水泥路面的接缝破损、错台、塌陷等，沥青路面的裂缝、坑槽、龟裂、车辙等。其次，公路因长期受到自然因素和车辆荷载的影响以及在修建过程中可能存在的质量问题，都会导致公路在使用年限中过早损坏，路面损坏会造成行车安全问题以及影响出行的舒适度。因此，在快速发展公路建设的同时公路的运行管理和路面养护维修也成为重中之重。在公路服务年限内保证其较高的服务水平，提高它的持久性和承载力，是高速公路养护的基本要求。要做到公路养护的高效率、高质量，必须实时、客观的掌握公路的具体状况，这就需要采用先进快速的路面检测技术对公路路面的质量指标如路面破损、车辙、弯沉等进行检测与评价。

[0004] 目前，在公路建设、竣工验收及路面养护管理之中，弯沉是表征公路路基路面整体强度评价的重要指标。弯沉检测技术从以人工检测为主发展到计算机控制自动检测、从损坏路面结构检测发展到无损检测。不同的检测原理，检测装备的工作方式及适用条件也不同。贝克曼梁弯沉仪，1953年出现，作为最初的弯沉检测仪器，它是根据简单的杠杆原理利用贝克曼梁、百分表等进行测量，需要大量的工作人员。为了减少人员操作，提高检测效率，增加数据可靠性，二十世纪七八十年代英、法等国开发出了可以自动连续检测路面弯沉的自动弯沉仪，它是利用计算机控制测量系统来减少人工操作。通过研究发现贝克曼梁与自动弯沉仪测量的静态弯沉在实际应用中存在局限性，不能很好地评价路基路面的性能。美国、丹麦、瑞典等国研发出了落锤弯沉仪，利用位移传感器来测试动态弯沉，动态弯沉更符合实际路基路面的结构和材料技术特性。为了在检测过程中不影响交通，欧洲瑞典等国家的研究机构研究出了激光多普勒弯沉仪，是在高速行驶过程中利用激光多普勒技术检测动态弯沉，目前还处于研究测试阶段。

[0005] 我国现有的弯沉检测设备技术存在检测效率低、精度低等不足。因此，我国急需研究出先进快速、高精度、满足国内相关的路面检测标准规范的快速弯沉检测设备，简化弯沉检测流程，降低公路路面养护的人力及费用，并减少对国外弯沉测试产品的依赖程度。若要自主开发出先进的弯沉测试技术，进而改进目前弯沉测试技术存在的不足，最终研发出具有自主知识产权的弯沉测试仪器和设备，我们需要依赖新的理论成果和技术。故本发明提出非接触式快速道路弯沉检测设备及检测方法，以满足新型设备研发的理论需求。

发明内容

[0006] 本发明所解决的技术问题在于提供一种非接触式快速道路弯沉检测方法，以解决上述背景技术中的问题。

[0007] 一种非接触式快速道路弯沉检测系统，包括以下步骤：

[0008] 步骤1，准备弯沉检测方法所用部件，包括：载荷车(1)，第一检测梁(2)，第二检测梁(3)，支撑轮(4)，铰链(5)，前载荷轮(7)，后载荷轮(6)，线激光发射器，CCD面阵相机；

[0009] 步骤2，所述载荷车(1)通过前载荷轮(7)和后载荷轮(6)支撑在道路上，所述第一检测梁(2)的一端与后载荷轮(6)相连接，另一端和第二检测梁(3)的一端通过铰链(5)连接，第二检测梁(3)的另一端与支撑轮(4)相连接；

[0010] 第一检测梁(2)上间隔安装有14组位移传感器，每组位移传感器包括一个线激光发射器和一个CCD面阵相机；

[0011] 第二检测梁(3)上间隔安装有14组位移传感器，每组位移传感器包括一个线激光发射器和一个CCD面阵相机；

[0012] 第一检测梁(2)上的位移传感器与第二检测梁(3)上的位移传感器所布置的位置关于铰链(5)对称；

[0013] 步骤3，载荷车的后载荷轮(6)行驶在道路路面上时，任取道路路面上的一点作为测试点A；

[0014] 步骤31，当后载荷轮(6)行驶到测试点A处时,设此时的位置为位置1，所有线激光发射器向道路路面发射线激光，所有CCD面阵相机采集道路路面上的线激光；

[0015] 步骤32，任取第一检测梁(2)上的一组位移传感器作为当前位移传感器i，所述当前位移传感器i包括线激光反射器i和CCD面阵相机i，通过式(1)计算被测路面上第i点的最大弯沉量l1i：

[0016]

[0017] 式(1)中，i＝1,2，…，14；xi为没有载荷作用到测试点A和载荷作用到测试点A时CCD面阵相机i像点的移动距离；L2i为载荷作用到测试点A时CCD面阵相机i的物距，L1i为载荷作用到测试点A时CCD面阵相机i的像距，αi为CCD面阵相机i相对于线激光反射器i的倾斜角度，βi为CCD面阵相机i的像面偏角；

[0018] 步骤33，重复步骤32，直至第一检测梁(2)上的14个位移传感器都分别测量出道路路面上14个点的最大弯沉量，执行步骤34；

[0019] 步骤34，当载荷车的后载荷轮(6)行驶离开测试点A，且第二检测梁(3)到位置1中第一检测梁(2)所在的位置时，设此时的位置为位置2，所有线激光发射器向道路路面发射线激光，所有CCD面阵相机采集道路路面上的线激光；

[0020] 步骤35，任取第二检测梁(3)上的一组位移传感器作为当前位移传感器j，所述当前位移传感器j包括线激光反射器j和CCD面阵相机j，通过式(2)计算被测路面上第j点的卸载后最大弯沉量l0j：

[0021]

[0022] 式(1)中，j＝1,2，…，14；xj为载荷作用到A点时和载荷离开A点时CCD面阵相机j像点的移动距离；L2j为载荷离开A点时CCD面阵相机j的物距，L1j为载荷离开A点时CCD面阵相机j的像距，αj为CCD面阵相机j相对于线激光反射器j的倾斜角度，βj为CCD面阵相机j的像面偏角；

[0023] 步骤36，重复步骤35，直至第二检测梁(3)上的14个位移传感器都分别测量出道路路面上14个点的卸载后最大弯沉量，执行步骤4；

[0024] 步骤4，通过式(3)得到被测路面的第n点的回弹弯沉量ln：

[0025]

[0026] 式(3)中，i＝1,2，…，14；j＝1,2,…，14；n＝1,2，…，14；

[0027] 即可得到14个点的回弹弯沉量：l1,l2,...,l14；

[0028] 步骤5，采用三次B样条插值法对步骤4得到的14个点的回弹弯沉量进行曲线拟合，得到弯沉盆曲线。

[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

[0030] 本发明基于自主开发出先进的快速弯沉测试技术，在改进目前弯沉测试技术存在的不足基础上，提出新的道路弯沉检测思路，为具有自主知识产权的弯沉测试仪器和设备的研发提供理论基础。

附图说明

[0031] 图1为本发明中检测设备的结构示意图。

[0032] 图2为本发明中非接触式快速道路弯沉检测方法的主要步骤流程图。

[0033] 图3为本发明中基于激光发射器和CCD面阵相机构成的位移传感器的基本检测原理。

[0034] 图4为本发明中典型的线激光因道路弯沉映出的图像。

[0035] 图5为本发明中路面受到轮胎载荷后的纵向变形曲线形状。

[0036] 图6(a)为本发明中最大弯沉l0的示意图；(b)为回弹后的路面最大弯沉l1的示意图。

[0037] 图7为本发明中基于线激光和图像的路面弯沉快速检测原理。

[0038] 图8为本发明中不同模量对应的弯沉盆及其交点。

[0039] 图9为本发明中路面弯沉检测点的分布图。

[0040] 图10为拟合后的弯沉盆曲线形状。

具体实施方式

[0041] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

[0042] 实施例1

[0043] 本实施例提供了一种非接触式快速道路弯沉检测系统，包括以下步骤：

[0044] 步骤1，准备弯沉检测方法所用部件，如图1所示，包括：载荷车(1)，第一检测梁(2)，第二检测梁(3)，支撑轮(4)，铰链(5)，后载荷轮(6)，线激光发射器，CCD面阵相机；

[0045] 步骤2，所述载荷车(1)通过前载荷轮(7)和后载荷轮(6)支撑在道路上，所述第一检测梁(2)的一端与后载荷轮(6)相连接，另一端和第二检测梁(3)的一端通过铰链(5)连接，第二检测梁(3)的另一端与支撑轮(4)相连接；

[0046] 本实施例中，第一检测梁(2)与后载荷轮(6)的驱动桥刚性连接，随载荷轮上下跳动。

[0047] 第一检测梁(2)上间隔安装有14组位移传感器，每组位移传感器包括一个线激光发射器和一个CCD面阵相机；

[0048] 第二检测梁(3)上间隔安装有14组位移传感器，每组位移传感器包括一个线激光发射器和一个CCD面阵相机；

[0049] 第一检测梁(2)上的位移传感器与第二检测梁(3)上的位移传感器所布置的位置关于铰链(5)对称，从而用于采集道路的路面路形变化。

[0050] 步骤3，载荷车的后载荷轮(6)行驶在道路路面上时，任取道路路面上的一点作为测试点A；

[0051] 步骤31，当后载荷轮(6)行驶到测试点A处时,设此时的位置为位置1，所有线激光发射器向道路路面发射线激光，所有CCD面阵相机采集道路路面上的线激光；

[0052] 为了测量道路的回弹弯沉，首先需要对路面施加一定的载荷，使其发生变形，路面受到轮胎载荷后的纵向变形曲线形状如图5所示，在载荷轮的载荷作用下，路面会出现如图5中所示的弯沉盆曲线，一般情况下，该弯沉盆的纵向半径L约为3米，故本实施例中设置的每根检测梁长度为3600mm，从而保证测量时的准确度。

[0053] 步骤32，任取第一检测梁(2)上的一组位移传感器作为当前位移传感器i，所述当前位移传感器i包括线激光反射器i和CCD面阵相机i，通过式(1)计算被测路面上第i点的最大弯沉量l1i：

[0054]

[0055] 式(1)中，i＝1,2，…，14；xi为没有载荷作用到测试点A和载荷作用到测试点A时CCD面阵相机i像点的移动距离；L2i为载荷作用到测试点A时CCD面阵相机i的物距，L1i为载荷作用到测试点A时CCD面阵相机i的像距，αi为CCD面阵相机i相对于线激光反射器i的倾斜角度，βi为CCD面阵相机i的像面偏角；

[0056] 激光发射器和CCD面阵相机构成的位移传感器的基本检测原理如图3所示，线激光照射在基准面上时，部分光线被路面反射并映射到面阵相机的CCD传感器上。在没有荷载作用时，线激光器发射的激光束照射在被测面B点，在相机像面上成像光点B′，当标准荷载作用于点B，被测面会发生竖向位移到点A，则像面上的光点移动到A′，移动距离x与被测面最大弯沉是相对应的。

[0057] 步骤33，重复步骤32，直至第一检测梁(2)上的14个位移传感器都分别测量出道路路面上14个点的最大弯沉量，执行步骤34；

[0058] 步骤34，当载荷车的后载荷轮(6)行驶离开测试点A，且第二检测梁(3)到位置1中第一检测梁(2)所在的位置时，设此时的位置为位置2，所有线激光发射器向道路路面发射线激光，所有CCD面阵相机采集道路路面上的线激光；

[0059] 步骤35，任取第二检测梁(3)上的一组位移传感器作为当前位移传感器j，所述当前位移传感器j包括线激光反射器j和CCD面阵相机j，通过式(2)计算被测路面上第j点的卸载后最大弯沉量l0j：

[0060]

[0061] 式(1)中，j＝1,2，…，14；xj为载荷作用到A点时和载荷离开A点时CCD面阵相机j像点的移动距离；L2j为载荷离开A点时CCD面阵相机j的物距，L1j为载荷离开A点时CCD面阵相机j的像距，αj为CCD面阵相机j相对于线激光反射器j的倾斜角度，βj为CCD面阵相机j的像面偏角；

[0062] 步骤36，重复步骤35，直至第二检测梁(3)上的14个位移传感器都分别测量出道路路面上14个点的卸载后最大弯沉量，执行步骤4；

[0063] 步骤4，通过式(3)得到被测路面的第n点的回弹弯沉量ln：

[0064]

[0065] 式(3)中，i＝1,2，…，14；j＝1,2,…，14；n＝1,2，…，14；

[0066] 即可得到14个点的回弹弯沉量：l1,l2,...,l14；

[0067] 步骤5，采用三次B样条插值法对步骤4得到的14个点的回弹弯沉量进行曲线拟合，根据《计算机工程与应用》2008年刊登的“一种三次非均匀B样条曲线的细分算法”可求得弯沉盆曲线，其曲线形状如图10所示。