专利名称：铺路机路面平直度测量控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铺路机路面平直度测量控制系统。
在高速公路施工过程中，为保证施工路面的平直度，须采用各种手段来保证施工机械即铺路机投放沥青厚度的均匀一致，以及铺路机上的趟平板对沥青的趟平。一般的做法是在施工时，工人根据图纸要求，在路两侧放置准直钢丝绳，边施工边放置，施工机械上有专门探测钢丝绳高度的传感器，用传感器感测钢丝绳的高度，并将高度值送铺路机，以控制趟平板高度。这种将钢丝绳(或同类基准设施)敷设在趟铺机两侧，一般要求这个基准有足够的长度以消减原来基层路面的不平度，并且通过趟平板离地面的高度的测量、控制而保证施工的路面平直度，其不仅使用不便、设备庞大、精度差和效率低，并容易受到环境干扰而产生误差。
本发明的目的在于提供一种能极大提高施工效率和测量精度的铺路机路面平直度测量控制系统。
为了实现上述的发明目的，本发明，即铺路机路面平直度测量控制系统，该铺路机包括铺路机本体、连接在铺路机本体上的趟平板和安置在趟平板上趟平板高度控制单元，其特征在于，该铺路机路面平直度测量控制系统包括测头，它包括光源和与该光源相对设置的CCD摄像机，其中光源的光轴与CCD摄像机的光轴共面，光源以其光轴与地面成一角度地斜射在地面上，在地面上形成光斑，并且该光斑在所述CCD摄像机的视场范围中，由CCD摄像机摄取光源投射在地面的光斑；图像处理电路，与CCD摄像机相连，将CCD摄像机获得的模拟图像信号转换成数字图像信号进行存储，并将数字图像进行二值化处理，计算图像轮廓位置平均值，存储计算结果；横向扫描装置，固定外接在趟平板上，并与所述测头连接，使该测头与该趟平板能作相对横向扫描移动；计算机，与图像处理电路相连，从图像处理电路获取单帧光斑中心位置平均值、扫描次数以及其它的计算结果，通过单次扫描或数次扫描的总平均值和光斑中心偏移量计算来求取高度实测值，根据实测值发出控制信号到铺路机趟平板高度控制单元。
上述的铺路机路面平直度测量控制系统，其中，光斑可以是圆形，或矩形，或线形。
由于采用了上述的技术解决方案，即使光源照射在地面产生特定几何形状光斑，利用CCD摄象机摄取图象，在光源、CCD摄像机与地面有相对高度变化时，光斑在摄像机视场中的位置随之产生偏移，经计算机处理图象偏移来换算待测高度变化，从而确定高度实测值。为了去处地面微观不平、小波度、机械震动等影响，系统采用扫描测量、多次取值求平均的方法来实现测量准确。本系统应用到铺路机上，在路基成型之后，可以大大提高施工效率和测量精度。
图1是本发明铺路机路面平直度测量控制系统的示意图；图2是本发明测量系统的原理图；图3是本发明系统的工作流程框图。
图1为本发明铺路机路面平直度测量控制系统。铺路机包括铺路机本体、连接在铺路机本体上的趟平板和安置在趟平板上趟平板高度控制单元。
该铺路机路面平直度测量控制系统包括测头，它包括光源和与该光源相对设置的CCD摄像机，CCD摄像机与光源之间保持无相对运动，其中光源的光轴与CCD摄像机的光轴共面，光源以其光轴为中线形成适当发散角的光带，并与地面成一角度地斜射在地面上，在地面上形成光斑，可以是圆形、矩形、或线形，并且该光斑在所述CCD摄像机的视场范围中，CCD摄像机的光轴与地面垂直，由CCD摄像机摄取光源投射在地面的光斑；图像处理电路，与CCD摄像机相连，将CCD摄像机获得的模拟图像信号转换成数字图像信号进行存储，并将数字图像进行二值化处理，计算图像轮廓位置平均值，存储计算结果；横向扫描装置，固定外接在趟平板上，并与所述测头连接，使该测头与该趟平板能作相对横向扫描移动，它可采用常见装置，如将测头固定在滑块上，滑块在导轨上并可通过一对丝杠螺母或皮带，在电机的带动下，沿导轨移动，使测头沿导轨扫描测量，以获得一定面积内的对地距离平均值；计算机，与图像处理电路相连，从图像处理电路获取单帧光斑中心位置平均值、扫描次数以及其它的计算结果，通过单次扫描或数次扫描的总平均值和光斑中心偏移量计算来求取高度实测值，根据实测值发出控制信号到铺路机趟平板高度控制单元，铺路机根据测量的结果抬高或放低趟平板，调整所铺路面的厚度，最终铺出合格路面。
另外，应在铺路机趟平板两侧各装一套上述铺路机路面平直度测量控制系统。以适应转弯路面，这一点与现有的铺路机测高装置一致。
当上述光源采用20mW半导体激光器，CCD摄像机使用台湾敏通1881摄像机，加图像采集卡，16mm标准镜头，α角45°，单次扫描图像数为8次，H取300mm。测得的结果表明，按照上述配置，测量精度优于0.1mm。
图2为本发明测量系统的原理图，以产生直线的光源为例，光源从D2处发出的光经整形成为一条光带，以与地面成(90°-α)倾角照射在地面P0上形成一条直线段。CCD摄象机的光轴与地面垂直，且与光源的光轴在一个平面内，其摄像镜头半视场角为β。现假设初始状态为两光轴在地面交于O点(光源、摄像机与地面距离减小、变大时，光源光轴分别交地面于O1、O2点)，CCD摄像机和光源两者间距离D1D2固定为X，摄象机、激光器到地面P0的垂直距离为H，如果这两者间距离有变化，即H有一个变化量Δh(对应于D1D2到P1或P2)，则相应地，不仅图象中光线长度会有变化，而且光线在摄像机视场中(因而在所得到的图象中)的相对位置也会有变化Δx，且H＝X×ctgαΔx＝Δh×tgα如此，若摄象机、激光器保持为一个无相对移动的系统，且CCD摄象机镜头光轴与地面垂直，光源以固定角度在地面照射出一条线段，那么，根据预先设计和标定好的参数α、X，通过计算摄象机所获得的直线图象在整个视场中的相对位移Δx，就可以计算出摄象机、激光器组成的系统到地面的高度H及高度变化Δh。当然，摄像机的镜头设计要根据H的取值范围而定，合理选用镜头参数，使得图像在物距为H时图像最清晰；同时，摄像机的半视场角β的选择要根据测量范围而定，使得地面上的图像在测量中始终在摄像机视场内。
α的选择不仅关系到测头结构、图像清晰度等问题，同时还直接影响测量系统的分辨率如，在摄像机参数固定的情况下，α取45°，则H与X的关系为1∶1，而当α取为60°时，这个比例约为1∶1.732，即测量精度可以获得提高，但代价是X变大，测头结构变大。
上述是以产生直线的光源为例，仅是为说明问题，实际使用中，光源产生的光投射到地面上可以是任何规则几何形状，只要计算该几何图像中心偏移即可，本质上没有差别。
实际测量中，由于在各层施工中形成的路面都不可能是理想平面，会有小的沙砾、凹坑等，所以摄象机摄取的图象以及由此传入计算机的数据不可能是标准的直线、圆等，须经计算机处理图象，将所得数据拟合成直线、圆等相应形状，再计算相对位移。实际系统的各个参数，要根据应用的对象、被测表面的特性和测量所要求的精度来确定。一般而言，在摄象机像素数目一定的前提下，被测对象表面粗糙或波度较大时，要求一次测量的面积较大，这时测量的精度就低些；反之，被测对象表面平滑或波度较小时要求测量的面积较小，这时测量的解析度就高些。
本发明的设计将测头(光学测量系统)的测量对象定为已经铺好的路面，即先假设铺路机铺出一小段较理想路面，在后续铺设中，检测系统将以前段为基准，与趟平板、液压油缸、侍服电机、控制电路形成反馈回路，实时调节趟平板高度，使之保持高度值稳定，就可以保持所铺设路面的平直度。上述原理相当于将路面长度划分为M个小段(M＞n+1)，铺第n+1小段时，以第n小段高度为基准控制趟平板。
测量的另一个要素是扫描。由于被测对象表面有一定的随机性，需要测出的是对象表面到铺路机趟平板的高度的平均值，由于震动等干扰的存在，一个测量和数据拟合的结果往往不是符合测量要求的理想值，需要扫描被测表面的一定面积范围，对所得的结果求平均，才能最接近我们要得到的结果。
由图3所示，本发明系统的工作流程框图。
权利要求
1.一种铺路机路面平直度测量控制系统，该铺路机包括铺路机本体、连接在铺路机本体上的趟平板和安置在趟平板上趟平板高度控制单元，其特征在于，该铺路机路面平直度测量控制系统包括测头，它包括光源和与该光源相对设置的CCD摄像机，其中光源的光轴与CCD摄像机的光轴共面，光源以其光轴与地面成一角度地斜射在地面上，在地面上形成光斑，并且该光斑在所述CCD摄像机的视场范围中，由CCD摄像机摄取光源投射在地面的光斑；图像处理电路，与CCD摄像机相连，将CCD摄像机获得的模拟图像信号转换成数字图像信号进行存储，并将数字图像进行二值化处理，计算图像轮廓位置平均值，存储计算结果；横向扫描装置，固定外接在趟平板上，并与所述测头连接，使该测头与该趟平板能作相对横向扫描移动；计算机，与图像处理电路相连，从图像处理电路获取单帧光斑中心位置平均值、扫描次数以及其它的计算结果，通过单次扫描或数次扫描的总平均值和光斑中心偏移量计算来求取高度实测值，根据实测值发出控制信号到铺路机趟平板高度控制单元。
2.根据权利要求1所述的铺路机路面平直度测量控制系统，其特征在于所述的光斑可以是圆形，或矩形，或线形。
全文摘要
一种铺路机路面平直度测量控制系统,它包括:测头,它包括光源和CCD摄像机,光源的光轴与地面成一角度地斜射在地面上,在地面上形成光斑,由CCD摄像机摄取该光斑;图像处理电路,将CCD摄像机获得的模拟图像信号转换成数字图像信号进行存储;横向扫描装置,并与所述测头连接,使该测头与外部的趟平板能作相对横向扫描移动;计算机,从图像处理电路获取计算结果,求取平均值,作为高度实测值,并发出控制信号到趟平板高度控制单元。
文档编号E01C23/00GK1255572SQ9912420
公开日2000年6月7日 申请日期1999年12月2日 优先权日1999年12月2日
发明者何永辉, 谭祖仁, 徐永纪 申请人:何永辉