技术领域本发明属于道路监测领域，尤其涉及一种道路危险异物监测装置。
背景技术：
在道路建设和运营阶段，侵入道路界限的异物(例如：崩塌落石等)对道路行车安全构成极大的威胁。针对侵入道路界限的危险异物带来的交通安全问题，目前多以人工巡检方式进行排查，但是人工巡检成本高、效率低；而且易滑坡落石的路段多处在山野偏僻处，人工巡检的频率低，巡检人员人身的危险系数高；有些路段甚至都无法开展人工巡检。到目前为止，自动监控还没有一种成熟、稳定、可靠的方案或技术，已有的主流监控手段是基于视频监控和基于光纤光栅振动传感器的监测方式。基于视频监控的方式监测稳定性、可靠性、报警及时性都很差，例如在气候条件比较恶劣(例如大雨、大雾等)的情况下，会出现视频图像无法使用的情况，导致监控失效；图像受光照环境影响很大，每天24小时的光照条件的变化导致系统的误报和漏报；需要大量的人工判别。基于光纤光栅振动的方式存在设备无法重复性使用、精度低、易损坏，误报多等缺陷。这两种主流的方法较之传统的人工巡检的方法，都减少了大部分人力现场巡检，但是系统缺陷仍很明显，不能及时有效的保证行车安全。目前地面激光扫描技术已经广泛应用于公路、桥梁、隧道、轨道等的变形监控领域，以名称为“一种铁路道轨崩塌落石检测方法及系统”的中国发明专利申请为例，现有技术中研究方向大都为激光扫描识别软件的改进，而由于激光装置的室外安装使用特点，其监测空间内运动复杂且难以预测，导致该“铁路道轨崩塌落石检测方法”存在误报漏报率高、重复性使用差、反应不灵敏、精度差等缺陷。
技术实现要素：
本发明实施例的目的在于提供一种道路危险异物监测装置，至少可以克服现有技术中的部分缺陷。本发明实施例是道路危险异物监测装置，包括：控制监测单元、激光装置、标定桩以及精密调整云台；所述控制监测单元包括背景标定模块、道路界限标定模块、激光装置位置姿态监控模块和障碍物监测模块；所述背景标定模块获取所述激光装置扫描区域背景数据并进行均值滤波得到标定数据；所述道路界限标定模块对道路界限进行标定获取道路界限的标定数据；所述标定桩为梯形，置于所述激光装置的扫描区域内；所述激光装置设置在所述精密调整云台上；所述激光装置位置姿态监控模块：记录所述激光装置标定时扫描所述标定桩的数据作为标准值，记录所述激光装置在实际使用时所述标定桩实时扫描数据作为对比值；将所述标定桩的实时扫描数据与所述标定桩的标准值进行比较，在实时扫描的所述标定桩的数据与所述标定桩的标准值不同时系统控制所述精密调整云台调整所述激光装置的位置和姿态；所述障碍物监测模块根据所述背景标定数据、所述道路界限的标定数据以及所述激光装置实时扫描的数据实时监测道路界限内是否有危险异物。作为实施例涉及的一种道路危险异物监测装置，所述道路界限标定模块对道路界限进行标定获取所述道路界限的标定数据包括：使用道路界限标定板沿着道路界限在行车道行驶方向的投影、缓慢通过所述激光装置的扫描区域，记录并整合道路界限标定板在通过扫描区域时的激光点云数据，整合后的所述点云数据经过滤波计算后保存为所述道路界限的标定数据。所述激光装置位置姿态监控模块记录和比较标定桩的数据包括：宽度、起始点位置和相对距离；通过测量所述标定桩宽度的差距得到激光装置垂直方向的角度变化θ为：θ=(D-d)*180*2π*R*2;]]>其中，R为标定桩与激光装置的距离，d为激光装置标定时扫描标定桩宽度，D为实时监测过程中扫描标定桩的宽度；根据所述起始点位置判断激光装置绕其垂直于地面的轴向方向上的转动角度变化ρ为：ρ＝α-β；α为实时监测过程中标定桩起始极坐标的极角值，β为标定过程中测量的所述标定桩起始极坐标的极角值；根据所述激光装置与标定桩的相对距离判断所述激光装置相对标定桩方向上产生的位移的变化S。所述激光装置位置姿态监控模块根据激光装置垂直方向的角度变化θ、绕垂直于地面的轴向方向上的转动角度变化ρ以及相对标定桩方向上产生的位移的变化S的正负以及大小判断激光装置自身位置姿态发生变化的方向和大小：θ＞0时说明激光装置向下倾斜，θ＜0时说明激光装置向上倾斜，θ＝0时说明激光装置俯仰姿态未发生改变；ρ＞0时说明激光装置绕其垂直于地面的轴向方向上产生了顺时针的转动，ρ＜0时说明激光装置绕其垂直于地面的轴向方向上产生了逆时针的转动，ρ＝0时说明激光装置绕其垂直于地面的轴向方向上没有产生转动；所述装置运行时，所述激光装置位置姿态监控模块根据实际环境需求设置θ、ρ以及S的误差范围，计算得到θ、ρ以及S与标准值不同但没有超出对应的误差范围时，控制所述精密调整云台带动所述激光装置进行精密小量程的调整，计算得到θ、ρ以及S超出对应的误差范围时，提示激光装置位置姿态异常，产生报警信息。所述控制监测单元还包括与外界通信的报警数据上传模块；所述激光装置位置姿态监控模块在产生报警信息时通过所述报警数据上传模块上传报警期间的激光点云数据。所述控制监测单元还包括与外界通信的报警解除指令模块；所述报警解除指令模块接收外部输入的报警解除指令，使所述报警数据上传模块停止发送报警信息，重新完成动态标定后再启动自动监测功能。所述精密调整云台包括底座、连接板及定位板；所述底座与所述连接板之间通过左右对应的第一转动件及第一调节件建立活动连接，其中：所述第一转动件连接在所述底座与所述连接板之间并支持所述底座与所述连接板作扇形运动，所述第一调节件连接在所述底座与所述连接板之间并以此调节限制所述底座与所述连接板之间的扇形角度；所述连接板与所述定位板之间通过前后对应的所述第二转动件及所述第二调节件建立活动连接，其中：所述第二转动件连接在所述连接板与所述定位板之间并支持所述连接板与定位板作扇形运动，所述第二调节件连接在所述底座与所述连接板之间并以此调节限制所述底座与所述连接板之间的扇形角度；所述激光装置至于所述定位板上，通过螺旋调整第一、第二调节件上的所述定位板的位置。所述道路危险异物监测装置还包括集成监测控制装置；所述集成监测控制装置包括：温度传感器、交流电接口、交流外设接口、直流外设接口、升温设备、降温设备和微控制器；所述温度传感器采集其所处环境的实时温度，并将采用的温度数据发送至微处理器，微处理器根据设定的温度的上限和下限控制电路对升温和降温设备进行启动和停止；所述交流电接口与外部交流电源连接，所述交流外设接口连接并提供电源给外部的交流用电设备；所述交流电接口和所述交流外设接口的连接回路的火线上设有第一控制电路和电流互感器；所述交流互感器的另一端连接第一运算放大器，所述交流互感器采集交流电信息，所述第一运算放大器对信号进行放大，所述微处理器通过AD模块对放大后的信号进行处理实现对所述交流用电设备工作状态的监测；所述直流电接口与所述外部直流电源连接，所述直流外设接口连接并提供电源给外部的直流用电设备；所述直流电接口与所述直流电外设接口的连接回路的正极连接支路上设有第二控制电路和第二电压采集电路；所述第二电压采集电路的输出端连接所述第二运算放大器，所述第二电压采集电路对所述直流用电设备进行小电压采集，然后通过所述第二运算放大器进行电压放大，实现所述微处理器对所述直流用电设备工作状态的监测；所述交流电接口还依次连接有整流电路、第一电压采集电路和光电耦合器，所述交流电接口端交流电经过所述整流电路整流，通过所述第一电压采集电路进行小电压采集，再通过所述光电耦合器进行隔离，最后微处理器通过所述AD模块采集光电耦合器输出信号来实现对交流电的监测，判断交流用电设备的通断；所述直流电接口之后还连接有电阻，所述电阻两端并联有第三运算放大器，所述第三运算放大器对直流电数据进行实时采集并发送给所述微处理器。所述集成监测控制装置还包括与所述微处理器相连的通讯模块，所述微处理器通过所述通讯模块与外部的工控机进行通讯，将监测的温度和电流数据以及设备的工作状态通过通讯模块向外发送。所述集成监测控制装置还包括与微处理器相连的报警设备、直流风扇；所述微处理器与所述交流电接口、所述直流电接口、所述升温设备、所述降温设备、所述报警设备以及所述直流风扇均通过有两个控制支路的控制电路连接。本发明实施例提供的一种道路危险异物监测装置的有益效果包括：本发明实施例结合侵入道路界限异物监控的实际应用需求，设计一种激光扫描结合视频图像处理技术的装置，实现对侵入道路界限的异物全天候实时监控，在：1)异物侵入道路界限，对交通造成危险；2)设备被异物影响，位姿发生改变，如崩塌落石砸中设备但还未完全损坏设备；3)设备完全损坏没有监控数据；等情况时完成实时监控、报警。设计一种独立的高精度精密调整平台；设计一种线激光装置自身姿态位置自动检测测量；设计一种独立的集成监测控制装置；设计一种高精度时间同步模块；通过以上四点的设计实施，切实保障系统的高精确度，有效解决现有监控技术中存在的环境变化导致误报漏报、重复性使用差、反应不灵敏、精度差等缺陷。本发明实施例提供的一种道路危险异物监测装置，针对激光装置进行道路监测的环境的特殊性，在激光装置的扫描区域内放置标定桩，记录激光装置标定过程中测量的标定桩数据作为参考数据，在实际使用过程中实时扫描监测实现对激光装置自身位置姿态的实时监控，与参考数据进行比较，实现对激光装置自身位置姿态的实时监控和自标定，降低了系统运行时的维护费用，减少了激光装置位置姿态变化导致的错误数据分析，提高了装置运行的稳定性和适应性。集成监测控制装置对道路危险异物监测装置内的温度进行实时监控，使各个模块在合适的温度范围内工作，并且可以实时获知并监测装置内各个直流用电设备和交流用电设备的工作状态。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明提供的一种标定桩的实施例的结构示意图；图2是本发明实施例提供的标定桩的相关数据指示图；图3是本发明提供的精密调整云台的实施例的结构示意图；图4是本发明提供的精密调整云台的实施例的另一视角的结构示意图；图5是本发明提供的集成监测控制装置的实施例的结构示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。本发明提供的一种道路危险异物监测装置包括：控制监测单元、激光装置、标定桩以及精密调整云台。控制监测单元包括背景标定模块、道路界限标定模块、激光装置位置姿态监控模块和障碍物监测模块。背景标定模块获取激光装置扫描区域背景数据并进行均值滤波标定数据。道路界限标定模块对道路界限进行标定获取道路界限的标定数据。标定桩为梯形，设置于激光装置的扫描区域内，激光装置设置在精密调整云台上。激光装置位置姿态监控模块记录激光装置标定时标定桩时的扫描数据作为标准值，记录激光装置在实际使用时标定桩的扫描数据；将实时记录的标定桩的数据与标定桩的标准值进行比较，当实时数据与标准值不同时控制精密调整云台调整激光装置的位置和姿态。障碍物监测模块根据背景标定数据、道路界限的标定数据以及激光装置实时扫描的数据实时监测道路界限内是否有危险异物。本发明实施例提供的一种道路危险异物监测装置，针对激光装置进行道路监测的环境的特殊性，在激光装置的扫描区域内放置标定桩，记录激光装置标定过程中测量的标定桩数据作为参考数据，在实际使用过程中实时扫描监测实现对激光装置自身位置姿态的实时监控，并与参考数据进行比较，实现对激光装置自身位置姿态的实时监控和自标定，降低了系统运行时的维护费用，减少了激光装置位置姿态变化导致的错误数据分析，提高了装置运行的稳定性和适应性。静态标定在标定过程中需要保证标定区域内没有运动物体的干扰，区域内所有物体保持静止状态，需要的时间较短，适合初次安装标定。动态标定在标定过程中可以允许运动物体的干扰，没有特殊要求易于操作，因为干扰的不确定，标定所需时间较长。道路界限标定模块对道路界限进行标定获取道路界限的标定数据，包括：使用道路界限标定板沿着道路界限在行车道行驶方向的投影、缓慢通过激光装置的扫描区域，记录并整合道路界限标定板在通过扫描区域时的激光点云数据，整合后的点云数据经过滤波等计算后保存为道路界限的标定数据。实施例一本发明提供的实施例一为本发明提供的一种轨道危险异物监测装置的控制监测单元中的激光装置位置姿态监控模块的实施例。该实施例中，激光装置位置姿态监控模块记录和比较的标定桩的数据包括：宽度、起始点位置和相对距离。如图1所示为本发明提供的一种标定桩的实施例的结构示意图，如图2所示为本发明提供的标定桩的相关数据指示图，通过测量标定桩宽度的差距可以得到激光装置垂直方向的角度变化θ为：θ=(D-d)*180*2π*R*2.]]>其中，R为标定桩与激光装置的距离，d为激光装置标定时扫描标定桩宽度，D为实时监测过程中扫描标定桩的宽度。根据起始点位置判断激光装置绕其垂直于地面的轴向方向上的转动角度变化ρ为：ρ＝α-β。α为实时监测过程中标定桩起始极坐标的极角值，β为标定过程中测量的所述标定桩起始极坐标的极角值。根据激光装置与标定桩的相对距离判断激光装置相对标定桩方向上产生的位移的变化S。激光装置位置姿态监控模块根据激光装置垂直方向的角度变化θ、绕垂直于地面的轴向方向上的转动角度变化ρ以及相对标定桩方向上产生的位移的变化S的正负以及大小可以判断激光装置自身位置姿态发生变化的方向和大小：θ＞0时说明激光装置向下倾斜，θ＜0时说明激光装置向上倾斜，θ＝0时说明激光装置俯仰姿态未发生改变。ρ＞0时说明激光装置绕其垂直于地面的轴向方向上产生了顺时针的转动，ρ＜0时说明激光装置绕其垂直于地面的轴向方向上产生了逆时针的转动，ρ＝0时说明激光装置绕其垂直于地面的轴向方向上没有产生转动。装置运行时，激光装置位置姿态监控模块根据实际环境需求设置θ、ρ以及S的误差范围，计算得到θ、ρ以及S与标准值不同但没有超出对应的误差范围时，控制云台带动激光装置进行精密小量程的调整，计算得到θ、ρ以及S超出对应的误差范围时，确认激光装置位置姿态出现变化，提示激光装置位置姿态异常，产生报警信息。进一步的，本发明提供的一种轨道危险异物监测装置，控制监测单元还包括与外界通信的报警数据上传模块和报警解除指令模块。激光装置位置姿态监控模块在产生报警信息时通过报警数据上传模块上传报警期间的激光点云数据。报警解除指令模块接收外部输入的报警解除指令，使报警数据上传模块停止发送报警信息，重新完成动态标定后再启动自动监测功能。实施例二本发明提供的实施例二为本发明提供的一种轨道危险异物监测装置中的精密调整云台的实施例，如图3和图4所示分别为本发明实施例提供的精密调整云台的实施例的两个视角的结构示意图，由图3可知，本发明提供的轨道危险异物监测装置的精密调整云台的实施例中：包括底座10、连接板20及定位板30，底座10与连接板20之间通过左右对应的第一转动件41及第一调节件51建立活动连接，其中：第一转动件41连接在底座10与连接板20之间并支持底座10与连接板20作扇形运动，第一调节件51连接在底座10与连接板20之间并以此调节限制底座10与连接板20之间的扇形角度；连接板20与定位板30之间通过前后对应的第二转动件42及第二调节件52建立活动连接，其中：第二转动件42连接在连接板20与定位板30之间并支持连接板20与定位板30作扇形运动，第二调节件52连接在底座10与连接板20之间并以此调节限制底座10与连接板20之间的扇形角度。在本实施例中，第一转动件41处于云台结构左侧，第二转动件42处于云台结构后侧，因第一、第二转动件41、42为错位设置，其分别对应的第一、第二调节件51、52也为错位设置，激光装置设置于定位板30上，通过螺旋调整第一、第二调节件51、52上的定位板30处于相对的水平状态，从而实现控制监测单元对激光装置控制进行高精度定位。实施例三本发明提供的一种轨道危险异物监测装置还包括集成监测控制装置。本发明提供的实施例三为本发明提供的一种轨道危险异物监测装置中的集成监测控制装置的实施例，如图5所示为本发明实施例提供的集成监测控制装置的结构示意图，由图5可知，本发明提供的轨道危险异物监测装置的集成监测控制装置包括：温度监测控制电路、交流电接口、直流电接口、交流外设接口、直流外设接口、升温设备、降温设备和微控制器。其中升温设备和降温设备图中未标识出。温度传感器采集其所处环境的实时温度，并将采用的温度数据发送至微处理器，微处理器根据设定的温度的上限和下限控制电路对升温和降温设备进行启动和停止，如果监测系统内的温度大于温度设定上限，那么控制降温设备启动，对系统进行降温，确保系统内的设备工作在合适的温度范围内；如果监测系统内的温度小于温度设定下限，那么控制升温设备启动，对系统进行升温，确保系统内的设备工作在合适的温度范围内；如果监测系统内的温度在设置温度范围内，那么控制温控设备关闭，降低系统功率，节省电能消耗。交流电接口与外部交流电源连接，交流外设接口与外部交流用电设备连接；交流电接口和交流外设接口连接共回路，回路的火线上设有第一控制电路和电流互感器。交流互感器的另一端连接第一运算放大器，交流互感器采集交流电信息，第一运算放大器对信号进行放大，最后微处理器通过AD模块对放大后的信号进行处理实现对交流用电设备工作状态的监测。直流电接口与外部直流电源连接，直流外设接口与外部的直流用电设备连接；直流电接口与直流电外设接口的连接回路的正极连接支路上设有第二控制电路和第二电压采集电路。第二电压采集电路的输出端连接第二运算放大器，第二电压采集电路对直流用电设备进行小电压采集，然后通过第二运算放大器进行电压放大，实现微处理器对直流用电设备工作状态的监测。交流电接口还依次连接有整流电路、第一电压采集电路和光电耦合器，交流电接口端交流电经过整流电路整流，通过第一电压采集电路进行小电压采集，再通过光电耦合器进行隔离，最后微处理器通过AD模块采集光电耦合器输出信号来实现对交流电的监测，判断交流用电设备的通断。直流电接口还连接电阻，电阻两端并联有第三运算放大器，第三运算放大器对直流电数据进行实时采集并发送给微处理器，判断直流用电设备的通断。集成监测控制装置对轨道危险异物监测装置内的温度进行实时监控，使各个模块在合适的温度范围内工作，并且可以实时获知并监测装置内各个直流用电设备和交流用电设备的工作状态。本发明实施例中，集成监测控制装置还包括与微处理器相连的通讯模块，微处理器通过该通讯模块与外部的工控机进行通讯，将监测的温度和电流数据以及设备的工作状态通过通讯模块向外发送，防止通讯干扰。如果监测系统内设备工作异常，集成监测控制模块会通过通讯模块向外发送设备故障信息，确保系统故障能够及时被发现。温控设备的启动和停止温度均可以通过指令来设置，监测数据向外发送的频率也可以通过指令来设置。本发明实施例中，该集成监测控制装置还包括与微处理器相连的报警设备、直流风扇(图中未指示出)。微处理器与交流电接口、直流电接口、升温设备、降温设备、报警设备以及直流风扇均通过有两个控制支路的控制电路连接，保证如果其中一路硬件出现故障，另一路硬件还可以支持系统工作，大大提高了系统可靠性。本领域普通技术人员还可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。本发明实施例中通信模块不仅限于RS232，还可是RS422等其他有线数字通信方式。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。