专利名称：三维激光断面数据采集系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及道路工程路面检测仪器领域，特别是一种三维激光断面数据采集
系统。
背景技术：
路面的三维信息，不仅包括路面车辙、坑槽、损坏等宏观的信息，另外还包含路面 构造深度、裂缝等微观性能指标。目前，公路行业三维路面信息采集的设备，主要有多点式 激光设备和激光图像式设备两大类。 第一类多点式激光设备，依靠在路面横断面上若干个(13个)激光点拟合出一个 横断面曲线，通过纵向的连续采集得到整个路面的三维信息；由于在路面横断面上的点数 固定，并且总宽度要分布到一条车道的宽度(标准3.75m)内，各激光点横向之间的相对间 距为20 30cm不等，在横断面上，只能通过曲线拟合的方式，将横断面上十多个点拟合成 一条近似的曲线，通过在纵向上的连续采集以及激光测得的高程信息得到路面的三维信 息。这种方法由于在路面横断面上的激光点数有限，也就不能很好的测得路面实际的横断 面曲线，因此，只能大致反映路面的三维信息。 第二类激光图像式设备，主要是通过图像采集技术对投射到路面上的激光线的变
形进行分析来获得路面的信息。这类设备能通过激光源在路面宽度内生成1000 2000个
点组成的线式激光，该类型的设备在路面横断面上的点数较多，能较好的得到路面横断面
的信息，但是此类型设备有一个严重不足之处就是其检测精度受车辆振动颠簸造成车辆俯
仰变化情况的影响比较大，且路面上诸如构造深度等信息尚不能进行有效测量。 以上两种设备在工程应用领域，可满足相应的测试要求，但对于公路路面设计和
研究部门人员来说，上述两类设备得到的路面的三维信息精度较差，只能给出路面宏观上
的起伏变化情况，得到的路面三维信息还不能满足科学研究的要求。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型提供一种能够对试验路的路面信息进行高精度、自动化的 检测的三维激光断面数据采集系统，可解决试验路路表功能的细微变形测量要求，系统测 量精度可达到±0. 3mm，定位精度可达到±0. lmm，能满足设计及相关科研人员的需求。 本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为 —种三维激光断面数据采集系统，其组成包括XY平面运动载体机构、测距传感 器、PLC控制装置和上位机；所述XY平面运动载体机构是由横向导轨、纵向导轨、纵向定位 滑块、横向定位滑块组成的，所述纵向定位滑块和横向定位滑块分别由伺服电机和步进电 机驱动驱动，所述测距传感器安装于所述横向定位滑块上；所述PLC控制装置控制XY平面 运动载体机构及测距传感器采集数据；所述上位机接受所述测距传感器的位置和高程测量 值，获得所测路面的三维信息。 优选的，所述横向导轨采用旋转式悬臂梁结构，通过转盘枢接于所述纵向定位滑块上，不工作时可旋转90度折回，能够有效减少设备所占用的空间，满足设备的使用和运 输要求。 优选的，所述测距传感器采用激光传感器，可满足试验路面高精度的测量要求。优选的，所述PLC控制装置采用ADAM5510控制器作为主控制器，其主要功能是存 储控制程序，检测外设信号，向外部设备发送控制指令，可方便的通过其相应接口实现扩 展，方便实现人机交互，控制定位机构、实现数据的采集、上传。 优选的，所述PLC控制装置和上位机分别与数传电台连接，系统采集到的数据通 过无线传输的方式上传至上位机处理；可实现远程无线操作控制和数据的外理，方便快捷。 优选的，所述XY平面运动载体机构、测距传感器、PLC控制装置安装于手推车之 上，实现现场灵活的移动和定位。 优选的，所述手推车两侧安装有用以调节整个设备水平的电动升降器，可以方便 快捷的将整个设备调整至水平状态，以及基准平面的现场标定。 优选的，所述手推车前后两侧分别安装有行走脚轮，后部安装扶手，机架材料为铝 合金型材，质量更轻，使用更方便。 同现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有以下优点和特点 首先，安装在手推车上的XY平面运动载体机构，通过两个电机分别使测距传感器
沿横向X轴和沿纵向Y轴按设定的步长移动，结合测距传感器的高程信息，得到所测路面的
三维信息。通过基准面标定和计算来修正和补偿机架变形，计算得到真实的路面高程，因此
能够准确反映路面三维空间参数。 除此之外，本实用新型在路面横断面方向上可以实现间隔为lmm的连续采集，极 大的提高路面横断面采集信息，不仅能反映路面宏观上的基本信息，还能实现对路面构造 深度等指标的测量。本实用新型自动化程度高，在设定完成后，即可自动进行全程的测量， 自动完成对整个路面的三维信息的测量及重现，另外，系统采用无线电台技术，实现远程收 发控制。
图1是本实用新型一种三维激光断面数据采集系统实施例的结构主视图； 图2是本实用新型一种三维激光断面数据采集系统实施例的结构俯视图； 图3是本实用新型所述具体实施例的控制原理示意图。
图1中标记为 11、行走脚轮；12、电动升降器；13、下转盘；14、操作面板；15、手推车扶手；16、横 向同步齿型带；17、横向定位滑块；18、测距传感器；19、上位机；20、数传电台；21、横向限位
开关；22、悬臂梁。 图2中标记为 1、纵向伺服电机；2、减速机；3、纵向导轨；4、横向步进电机；5、横向导轨；6、纵向
定位滑块；7、上转盘；8、纵向电缆托链；9、 PLC控制装置；10、纵向同步齿型带；23、纵向限 位开关；24、横向电缆托链；25、同步传动轴；26、手推车。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新
型还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实
用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。 其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于
说明，表示设备结构的主视图和俯视图及控制原理图是示例，在实际制作中应包含长度、宽
度及高度的外形尺寸。 本实用新型提供了一种三维激光断面数据采集系统实施例，参考图1、图2，以方 便在做路面结构试验时，能够精确测得路表功能的细微变形量，真实反映路面的三维几何 变形和路面构造深度等指标。所述三维激光断面数据采集系统具体包括XY平面运动载体 机构、测距传感器18、 PLC控制装置9、上位机19和手推车26。 所述XY平面运动载体机构由纵向导轨3、纵向定位滑块6与横向导轨5、横向定位 滑块17组成的，所述纵向定位滑块6由纵向伺服电机l驱动；所述横向定位滑块17由横向 步进电机4驱动；所述测距传感器安装于所述横向定位滑块上。 所述PLC控制装置9和上位机19分别与数传电台20连接，用于控制XY平面运动 载体机构及测距传感器18采集数据并及时上传数据。 所述上位机19通过无线数传电台20接受所述测距传感器18的位置和高程测量 值，用于获得所测路面的三维信息并实时显示图形。 所述XY平面运动载体机构、测距传感器18、 PLC控制装置安装在手推车19上，用
于现场操作人员通过手推车26扶手15可实现现场灵活的移动和定位。 本实用新型在路面横断面方向上采用测距传感器18可以实现间隔为lmm的连续
自动采集，通过基准面标定和计算来修正和补偿机架变形，获得路面的高程值并输出三维
图形，适用于试验路路表功能的细微变形测量和路面构造深度指标的测量。 为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图，对
本实用新型实时例中的技术方案进行清楚、完整地描述。 参考图1、图2，示出了本实用新型中一种三维激光断面数据采集系统实施例的结 构示意图。所述三维激光断面数据采集系统包括XY平面运动载体机构、测距传感器18、 PLC控制装置9、上位机19和手推车26。 为了系统具有良好的机械响应性、低速稳定性等特点，所述XY平面运动载体机构 安装于手推车机架26之上，纵向导轨3采用两根长度为2000mm，跨度为600mm的平行导轨 结构，纵向定位滑块6和纵向限位开关23安装于其上，纵向定位滑块6由纵向伺服电机l 通过减速机2、同步传动轴25和纵向同步齿型带10进行驱动，使纵向定位滑块6可按一定 步长沿Y轴纵向移动；横向导轨5安装于悬臂梁22上，与纵向导轨3成90度，悬臂梁22通 过上转盘7和下转盘13安装于纵向定位滑块6之上，导轨长度为2000mm，其上安装横向定 位滑块17和横向限位开关21，在横向定位滑块17上固定安装有激光传感器作为测距传感 器18，使高程的测量精度可达到±0. 3mm，位移精度为0. lmm。横向定位滑块17由横向步进 电机4通过横向同步齿型带16驱动，可按设定步长沿X轴横向移动。 所述纵向导轨3上设置有纵向限位开关23、纵向电缆托链8，所述纵向限位开关23 限制横向导轨5的移动行程，所述纵向电缆托链8随纵向定位滑块6移动；所述横向导轨5上设置有横向限位开关21 ，所述横向限位开关21限制测距传感器18的测量行程，所述横向 电缆托链24随横向定位滑块17移动。 为了满足设备现场测量和道路运输要求，所述横向导轨5被设计成旋转式悬臂梁
结构，为了保证横向导轨5有足够的刚度来满足系统高程测量精度要求，横向导轨5下连接
了一悬臂梁22，悬臂梁22通过上转盘7在下转盘13上的90度折回旋转，使得悬臂梁22在
工作时，与纵向导轨3成直角，转移或运输时，可以收回并置于纵向导轨3上。 为了达到系统的数据采集与控制要求，所述PLC控制装置采用ADAM5510控制器作
为主控制器，通过其接口实现扩展可实现如下功能 1、通过操作面板14进行人机交互，完成相关参数的设定； 2、通过控制测距传感器18采集路面的高程数据； 3、通过KDN-K3控制器，控制纵向伺服电机1和横向步进电机3实现纵横向定位滑 块的移动，配合高分辨率的编码器，具有精确位置的控制能力，重复定位精度±0. lmm。 为了实现远程无线操作控制和数据的外理，所述PLC控制装置9可与数传电台20 连接，系统将采集到的数据通过无线传输的方式上传到上位机19，上位机19作为数据处理 装置接受测距传感器18的位置和高程测量值，将获得所测路面的三维信息经数据外理可 以实时绘制出三维图形。 为了保证设备在测量过程中保持水平和稳定，在手推车26两侧安装4组电动升降 器12，最大行程100mm，通过摇控器控制机架上升或下降。考虑到系统结构要求重量轻、移 动灵活、操作方便等特点，手推车26的机架采用铝合型材制成。 参考图3，示出了本实用新型中一种三维激光断面数据采集系统控制原理示意图， 所述PLC控制装置9中的ADM5510控制器接收到人机操作界面14(文本显示器)的开始指 令后，位于测量原点的测距传感器18沿横向导轨5按照设定的速率移动，同时按照设定的 采样间距采集测距传感器18的数据(高程Z)，再结合测距传感器所在的X、Y坐标位置，得 到被测点的(x， y， z)坐标值。当横向定位滑块17到达横向限位开关21后，采集停止，同 时A匿5510控制器通过无线数传电台20上传数据，上位机19接受测距传感器18的位置和 高程测量值，并将获得所测路面的三维信息经数据外理可以实时绘制出三维图形。A匿5510 控制器完成一次横向数据采集和传输后发出下一步指令，同时通过KDN-K3控制器控制纵 向伺服电机1按照设定的步长移动纵向定位滑块6，到达步长值并发出消息，再次驱动横向 步进电机4并重复上述过程，直到纵向定位滑块6到达限定的位置，至此全部测量结束。 上述实施例中，所述的测距传感器可以为激光传感器，也可以为其它传感器。当使 用激光传感器时，采样频率一般可达20KHz，直线性为±0. 1 %的F. S，再现性达到2um，能够 在具体检测的响应频率和精度方面满足试验研究需要。另外，激光传感器稳定性好，不会随 温度和时间产生系统累积误差，在苛刻的环境下亦可获得精确的测量结果。 此外，在应用本实用新型技术方案时，还应注意以下应用环境对于测量结构的影响 (1)在测量过程中，由于风压会造成悬臂梁左右晃动，造成激光传感器位置和高程 的变化，产生测量数据偏差。因此，在风速达到7.5 9米/秒(风力5级)情况下，悬臂 梁左右晃动达到±0. lmm时，不宜做试验。 (2)在测量过程中，如果XY平面运动载体机构没能调节成水平会对测量结果产生 一定影响，主要由于系统软件是在整个机架已调节到水平状态下进行修正和补偿的，所以在测量前，应将整个机架调节到水平状态便于准确采集路面信息。
(3)在雨天或路面潮湿有水的情况下不能进行数据采集。 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上 的限制。
权利要求一种三维激光断面数据采集系统，其特征在于，其组成包括XY平面运动载体机构、测距传感器、PLC控制装置和上位机；所述XY平面运动载体机构是由横向导轨、纵向导轨、纵向定位滑块、横向定位滑块组成的，所述纵向定位滑块和横向定位滑块分别由伺服电机和步进电机驱动驱动，所述测距传感器安装于所述横向定位滑块上，所述PLC控制装置控制XY平面运动载体机构及测距传感器采集数据；所述上位机接受所述测距传感器的位置和高程测量值，获得所测路面的三维信息。
2. 根据权利要求1所述的三维激光断面数据采集系统，其特征在于所述横向导轨采 用旋转式悬臂梁结构，枢接于所述纵向定位滑块上，不工作时可旋转90度折回。
3. 根据权利要求1所述的三维激光断面数据采集系统，其特征在于所述测距传感器 采用激光传感器。
4. 根据权利要求1至3所述的三维激光断面数据采集系统，其特征在于所述PLC控 制装置采用ADAM5510控制器作为主控制器。
5. 根据权利要求1至3所述的三维激光断面数据采集系统，其特征在于所述PLC控 制装置和上位机分别与数传电台连接，系统采集到的数据通过无线传输的方式上传至上位 机处理并显示三维图形。
6. 根据权利要求5所述的三维激光断面数据采集系统，其特征在于所述XY平面运动 载体机构、测距传感器、PLC控制装置安装于手推车之上。
7. 根据权利要求6所述的三维激光断面数据采集系统，其特征在于所述手推车两侧 安装有用以调节整个装置水平的电动升降器。
8. 根据权利要求7所述的三维激光断面数据采集系统，其特征在于所述手推车前后 两侧分别安装有行走脚轮，后部安装扶手，机架材料为铝合金型材。
专利摘要一种三维激光断面数据采集系统，组成包括XY平面运动载体机构、测距传感器、PLC控制装置、上位机和手推车；XY平面运动载体机构由横向导轨、纵向导轨、纵向定位滑块、横向定位滑块组成，纵向定位滑块和横向定位滑块分别由伺服电机和步进电机驱动，测距传感器安装于所述横向定位滑块上，PLC控制装置控制两个电机使所述测距传感器沿横向X轴和纵向Y轴按设定的步长移动，同步采集相应位置的高程数据，并通过无线数传电台传至上位机处理得到所测路面的三维信息。本系统在路面横断面方向上可实现间隔为1mm的连续采集，极大地提高路面横断面采集信息，反映路面宏观上的基本信息的同时还能实现对路面构造深度等指标的测量，满足设计及相关科研人员的需求。
文档编号G01C7/02GK201522275SQ20092027890
公开日2010年7月7日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者吴智山 申请人:北京市路兴公路新技术有限公司