专利名称：全自动惯性传感检测路面平整度装置及检测方法
技术领域：
本发明涉及路面平整度測量技木，特别涉及ー种全自动惯性传感检测路面平整度装置及其检测方法。
背景技术：
中国作为ー个人ロ大国，也是ー个交通大国，截止2010年底，全国公路总里程接近400万公里。随着公路通车里程的増加，如何有效的对庞大的公路网进行道路检测成为社会关注的ー个焦点。众所周知，破损的市政道路对车辆的损害明显，不但会減少车辆使用年限和増加维修保养费用；而且，不平整的市政道路还给市民的出行、司机的驾驶带来安全隐患。判断路面平整度的标准见附表。因此，如何采取ー种道路检测方法对市政道路的平整度进行有效检测，对消除给车辆和人们带来的安全隐患是非常有必要的。为了解决路面平整度检测问题，本领域技术人员进行了大量的研究，例如 CN101644023公开了ー种“路面平整度检测方法”，在测量过程中，利用加速仪检测由
于路面颠簸使激光测距装置产生的相对位移，利用三向陀螺仪检测由于路面颠簸使激光测距装置倾斜的角度，井根据三个方向的姿态角合成在ニ维坐标系下的三向合成姿态角；获得所述相对位移、三向合成姿态角、激光测距装置測量出的距离，运算出激光测距装置与路面之间的垂直距离；按照检测密度获得各个垂直距离，并得到与标准參照距离之间的差值，获得纵断面曲线及路面的平整度。消除了路面颠簸引起的激光测量装置姿态倾斜及位置偏移产生的数据失效问题，解决了低速(く 25km/h =条件下路面平整度无法检测的问题；提高了检测效率、降低了公路的寿命周期成本，提高了公路的使用寿命。但是，由于其主要利用激光测距完成路面平整度检测，用加速仪和三向陀螺完成仪器倾角与地面垂直度的测量，以辅助完成激光测距，増加測量精度。该方案结构复杂，传感器必须精密安装，且极易受冲击振动影响，并且存在体积较大、测试精度受路面和测试环境影响，对路面测试条件要求闻，造价闻等缺陷。CN101246000公开了 ー种“路面平整度自动检测装置及检测方法”，它涉及路面平整度检测领域，它针对现有技术信息不准确，误差源多，结构复杂，无法解决车体倾斜影响的缺点，它的三维结构光视觉检测组件还包括角度传感器；三维结构光视觉检测组件输出端连处理系统输入端；结构光激光器发出的结构光条覆盖纵向路面，处理系统位于车体内。其方法是一、结构光激光器的结构光条被路面三維信息调制后，在面阵CCD上成像，同时采集车体颠簸信息，通过计算得出三維信息；ニ、滤波去除病害影响；三、以间隔250mm的距离计算路面高程差，并计算相应路段的IRI结果；四、数据存储、分析和显示。其优点是提取的纵向轮廓完整准确，结构简单，消除车辆颠簸的影 响。该发明同属以光检测测距为核心的路面平整度检测，只是光信号经CCD成像，经三维信息计算获得路面信息，仪器上的角度传感器同样用于辅助测量，仅起消除车体倾斜等影响，増加測量精度作用。同样存在CN101644023所存在的不足。事实上，这是所有以光检测为核心的检测仪表共有的缺点。在过去的几年里，随着智慧城市概念的提出，为城市道路的监测指明了新的方向。对城市道路网的监测，智慧城市将充分利用城市物联网技术来实现。城市物联网技术是建立在传感器感知技术、互联网技术和智能控制技术基础上的。利用城市物联网对市政道路进行监测的ー个关键技术是道路表面感知、检测技木。目前，常用的市政道路感知、检测方法有人工方法(道路巡视员)和专业道路检测车辆系统。其中人工方式精确度高、但效率和智能化程度低，且不易组网；而专业道路检测车辆设备系统虽然智能化程度高、但价格高昂、体积大、不能大規模的组建网络。
发明内容
有鉴于此，针对现有技术存在的上述不足，本发明解决现有检测路面平整度装置的成本、体积和传感器及系统数据的优化补偿处理技术问题，提供ー种利用微小型惯性传感器组合进行高度和深度的测试，将惯性传感器组合应用于如路面平整度检测等民用和普及性测量领域，而提供ー种全自动惯性传感检测路面平整度装置。本发明采用的技术手段为全自动惯性传感检测路面平整度装置，其特征在于，包括感知単元，该感知単元包括加速度计、陀螺仪和温度传感器；该加速度计为惯性传感器，所述惯性传感器的三轴角速率传感器用以测量X和Y轴两个方向的运动角速率并输出到外围处理电路；所述处理电路接收三轴加速度传感器和三轴角速率传感器输出的測量結果，运算获得探头在所测路面经过过程中各測量点的路面平整度信息；
感知单元通过232串ロ或USB接ロ与中央处理单元相连，完成数据的实时采集、处理与显示，整个测量过程无需外界协调，自动完成输出；所述中央处理单元采用卡尔曼滤波算法和人工智能算法优化原始采样数据；
所述惯性传感器为微小型固态振动陀螺，固态振动陀螺的短期零位漂移为0. 001° /s，刻度因子为2500mv/ ° /s，加速度计测量范围3_8g。进ー步，所述感知単元与中央处理单元通过无线方式传输交互，感知単元可封装在39*40*4mm的空间。所述全自动惯性传感检测路面平整度装置获取信息的方法，包括如下步骤
采用三轴加速度传感器和三轴角速率传感器获取信息，用垂直于路面的敏感平面感知测试台体与路面的夹角，通过三角函数关系计算得到凹陷或突起的深度或高度，对照路面平整度指标确定路面质量；测试时屏蔽与运动方向平行的敏感轴所测数据，以减少轴间干扰，并对三轴加速度传感器和三轴角速率传感器获取的原始数据综合运用高斯分布函数初始化、高斯分布函数匹配判断、高斯分布函数匹配更新以及前景与背景分析方法，对传感器白噪声、零位漂移、轴间干扰及动态性能进行优化和补偿，以提高系统测量精度；初始化高斯分布函数采用常规操作即可；其中，
I)混合高斯分布函数匹配判断
混合高斯模型中，图形的一个像素点用N个高斯分布描述，即为
P ( ) = Z, , / 為) 式(I)
其中-.PW)表示像素点ろ的像素值；N表示混合高斯模型采用的高斯分布个数，通常2Ve[3,5] ; wif表示混合高斯模型中，第r个高斯分布的权值；0( , , )表示第,个高斯分
布函数(其中，为均值；—为方差
权利要求
1.全自动惯性传感检测路面平整度装置，其特征在于，包括感知单元，该感知单元包括加速度计、陀螺仪和温度传感器；该加速度计为惯性传感器，所述惯性传感器的三轴角速率传感器用以测量X和Y轴两个方向的运动角速率并输出到外围处理电路；所述处理电路接收三轴加速度传感器和三轴角速率传感器输出的测量结果，运算获得探头在所测路面经过过程中各测量点的路面平整度信息； 感知单元通过232串口或USB接口与中央处理单元相连，完成数据的实时采集、处理与显示，整个测量过程无需外界协调，自动完成输出；所述中央处理单元采用卡尔曼滤波算法和人工智能算法优化原始采样数据； 所述惯性传感器为微小型固态振动陀螺，固态振动陀螺的短期零位漂移为O. 001° /s，刻度因子为2500mv/ ° /s，加速度计测量范围3_8g。
2.根据权利要求I所述全自动惯性传感检测路面平整度装置，其特征在于，所述感知传感器单元与中央处理单元通过无线方式传输交互，感知单元可封装在39*40*4mm的空间。
3.如权利要求I所述全自动惯性传感检测路面平整度装置获取信息的方法，包括如下步骤 采用三轴加速度传感器和三轴角速率传感器获取信息，用垂直于路面的敏感平面感知测试台体与路面的夹角，通过三角函数关系计算得到凹陷或突起的深度或高度，对照路面平整度指标确定路面质量；测试时屏蔽与运动方向平行的敏感轴所测数据，以减少轴间干扰，并对三轴加速度传感器和三轴角速率传感器获取的原始数据综合运用高斯分布函数初始化、高斯分布函数匹配判断、高斯分布函数匹配更新以及前景与背景分析方法，对传感器白噪声、零位漂移、轴间干扰及动态性能进行优化和补偿，以提高系统测量精度；其中， 混合高斯分布函数匹配判断 混合高斯模型中，图形的一个像素点用N个高斯分布描述，即为
全文摘要
全自动惯性传感检测路面平整度装置，包括感知单元，该感知单元包括加速度计、陀螺仪和温度传感器；该加速度计为惯性传感器；所述惯性传感器的三轴角速率传感器用以测量两个方向的运动角速率并输出到外围处理电路；所述处理电路接收三轴加速度传感器和三轴角速率传感器32输出的测量结果，运算获得探头在所测路面经过过程中各测量点的路面平整度信息。本发明通过采用微小型固态振动型陀螺和MEMS加速度计作为核心测量器件，有效减小测量装置体积，抗冲击振动，能够适应各种路面平整度测量环境，全自动检测并且不受外界电、磁场干扰。
文档编号E01C23/01GK102628249SQ201210126698
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者刘宇, 刘申, 刘聪, 吴英, 张小林, 施华雷, 马庆华 申请人:重庆邮电大学