CN104790283A - 一种基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，包括三轴加速度传感器、角速度传感器、Zigbee短程无线通讯模块、可触控式车载终端、GPS及中心机信息处理系统。Zigbee短程无线通讯模块与三轴加速度传感器整合制成数据采集设备，用于采集车辆行驶过程中产生的加速度数值，并进行车内短程无线传输。GPS模块、角速度传感器及3G远程模块用于记录行车地理坐标，行车转角情况，并向服务器远程传输打包文件。可触控式车载终端用来获得加速度传感器数据，并利用时间序列将GPS、角速度数据与其进行匹配，产生初始数据。中心机信息处理系统用来定向接收测试车辆发送的数据，并进行数据处理，获得预估的国际平整度指数IRI值/行驶质量指数RQI值，显示在电子地图。本发明用于解决传统检测方法耗时费力，效率低下、价格昂贵等问题，并实现了路面平整度的实时监控。
Description
技术领域
本发明属于路面质量检测和信息自动采集技术领域，具体涉及一种基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统。
背景技术
路面平整度是衡量道路服务水平的重要指标，也是造成交通事故的主要诱因之一。传统的平整度检测方法如激光平整度仪、断面仪、3米尺、水准仪等具有操作复杂、价格昂贵、对测量环境要求高等弊端,不适合大范围的平整度检测。
路面平整度测量方法和设备大体可以分成三类，即反应类平整度仪、断面类平整度仪和主观评估法。断面类平整度仪测量的是车辆行驶轨迹下路面表面的高程变化量，通过对高程变化量的数学分析，可以得出路面的国际平整度指数IRI值。如水准仪、三米直尺、惯性断面仪、纵断面分析仪等，该类仪器的特点是：测量精度高，但仪器精密，操作复杂，耗时耗力，测量效率低。当前，运用较为广泛的断面类平整度仪是非接触式平整度测量法如车载激光仪等，它的优点在于测量效率较高，结果准确，缺点在于仪器使用和养护成本高，不同精度的激光仪的测量结果可比性较低，不适合短周期内的平整度测量。反应类平整度仪是通过测量车辆的振动反应来衡量路面的平整性，如BPR平整度仪与颠簸累计仪等，这类仪器的特点是价格较低，操作简单，但测量稳定性差，且易受到测量初始条件及环境影响，导致其时间与空间稳定性差。主观评估法主要是通过由经验丰富的交通状况评价专家组成的评价小组对路面情况进行打分评价，该方法主观性较强，不适合大范围工程评价使用。
因此，本专利旨在开发一种快捷便利、高效节能、经济合理、智能方便且适合大范围道路测量的路面平整度检测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，本发明运用三轴加速度传感器1、角速度传感器2、Zigbee短程无线通讯模块3、可触控式车载终端4、GPS5、3G远程模块6和中心机信息处理模块7，用于解决传统检测方法操作复杂、价格昂贵、对测量环境要求高等问题，同时实现了与交通信息中心的数据对接，使得路面平整度检测数字化智能化，适用于大范围实时的道路平整度测量。具体要解决的技术问题是：实时同步获取车内两后轮正上方的垂直加速度数值；采集GPS及角速度信息，并与三轴加速度信息匹配；实现信息的实时采集与远程无线传输；利用数据分析软件对加速度信息进行处理计算获得国际平整度指数；实现计算结果在电子地图上的发布。
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，包括三轴加速度传感器1、角速度传感器2、Zigbee短程无线通讯模块3、可触控式车载终端4、GPS5、3G远程模块6和中心机信息处理系统7，其中：所述Zigbee短程无线通讯模块3与三轴加速度传感器1分别安置于单片机上，Zigbee短程无线通讯模块3与三轴加速度传感器1分别连接系统板15，所述系统板15设有天线8，所述单片机和系统板15制成数据采集设备10；所述数据采集设备10布置于测试车辆内左、右后轴轮正上方，用于采集车辆行驶过程中产生的X轴（行驶方向）和Z轴（竖直方向）的加速度数值，并进行车内短程无线传输；所述三轴加速度传感器1用于采集X轴、Y轴和Z轴加速度；所述GPS5布置于可触控式车载终端4上，用于记录行车地理坐标；所述角速度传感器2布置于可触控式车载终端4上，用于记录行车转角情况；所述可触控式车载终端4为Win CE/Android系统的手持/固定平板设备，布置于车内方便测量员操作位置，内置有Zigbee接收器，用来获得加速度传感器数据，并通过时间序列与GPS、角速度数据进行匹配，产生初始数据；所述3G远程模块6内置于可触控式车载终端6中，用于向中心机信息处理系统7传输打包文件；所述中心机信息处理系统7安装于交通信息采集中心，用来定向接收测试车辆发送的数据，并进行数据处理，获得预估的国际平整度指数IRI值/行驶质量指数RQI值，显示在中心机信息处理系统7的信息发布终端14上。
本发明中，所述数据采集设备10具有金属保护外壳，天线8外伸于保护外壳外侧；所述天线8由3.6V小型蓄电池9供电，Zigbee短程无线通讯模块3布置于数据采集设备内顶端，中层为三轴加速度传感器1，下层为3.6V小型蓄电池9。
本发明中，所述的三轴加速度传感器1为电容式重力加速度传感器。
本发明中，所述的可触控式车载终端4采用REAL 210开发板11，GPS5、角速度传感器2和3G远程模块6的供电均可选择由5V蓄电池供电，或采用点烟器与5V电压转换线进行供电。
本发明中，所述GPS5为双模GPS，定位精度为1m；角速度传感器2产生的角速度数据及三轴加速度传感器1采集的X轴（行驶方向）的加速度数据用来修正GPS产生的系统误差。
本发明中，所述中心机信息处理系统7包括数据接收服务器12、数据处理软件13和信息发布终端14，其中：数据接收服务器12的输出端连接数据处理软件13连接信息发布终端14。
本发明中，所述3G远程模块6包括端口监听模块16、数据接收模块17和系统监视模块18，所述端监听模块16的输入端连接远程终端，输出端分别连接数据接收模块17和系统监视模块18，数据接收模块17的输出端连接系统监视模块18的输入端，系统监视模块18的输出端连接屏幕，所述屏幕炽心机信息处理系统7的信息发布终端14。
本发明中，所述的检测系统为车载检测系统，测试车辆行驶速度须＜80km/h，且为前驱。
根据该路面平整度快速检测系统进行道路平整度检测的方法步骤如下：
（1）根据测试要求，选取合适的三轴加速度传感器、Zigbee设备及前驱驱动的测试车辆，采样频率设定为20Hz；
（2） 将三轴加速度传感器水平安装在测试车辆左右后轴轮正上方，布置于车内；
（3）将可触控式车载终端安置或摆放在车内，测试员便于控制位置；
（4）测试车辆建议速度匀速行驶，测试速度不超过80km/h；
（5）对指定路段进行测量，开启加速度传感器设备及车载终端，通过加速度计获得车内的X轴和Z轴的加速度数据，并通过Zigbee设备发送到车载终端中；
（6）利用可触控式车载终端接收加速度数据，并利用时间序列与GPS、角速度数据进行数据融合处理，获得原始数据组；
（7）利用可触控式车载终端3G终端打包发送原始数据，数据中心服务器接收数据，并解压，导入到数据处理软件；
（8）利用数据处理软件对加速数据进行预处理
（9）通过惯性导航的GPS修正算法提高GPS精度，并根据测量间隔对数据进行分段处理；
（10）求解左右轮传感器每一截段内竖向加速度的功率谱密度，并求解其加速度均方根值；
（11）若未进行模型标定，则利用已有的国际平整度资料对模型进行标定；若已完成模型标定，则将均方根值带入模型中求解国际平整度指数IRI值。
本发明用于解决传统检测方法耗时费力，效率低下、价格昂贵等问题，并实现了路面平整度的实时监控。
附图说明
图1为一种基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统流程图；
图2为系统运作流程图示；
图3为数据采集设备原理；
图4为数据采集设备工作流程；
图5为服务器终端组成及各模块关系；
图中标号：1为三轴加速度传感器，2为角速度传感器，3为Zigbee短程无线通讯模块，4为可触控式车载终端、5为GPS、6为3G远程模块，7为中心机信息处理系统，8为天线，9为3.6V小型蓄电池，10为数据采集设备，11为REAL210开发板，12为数据接收服务器，13为数据处理软件，14为信息发布终端，15为系统板，16为端口监听模块，17为数据接收模块，18为系统监视模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
本发明涉及一种基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，具体设计如图1所示，使用流程如图2所示。包括三轴加速度传感器1、角速度传感器2、Zigbee短程无线通讯模块3、可触控式车载终端4、GPS5、3G远程模块6及中心机信息处理系统7。Zigbee短程无线通讯模块与三轴加速度传感器分别安置在单片机上，结合小型天线8，制成数据采集设备10；数据采集设备布置在测试车辆左右后轴轮正上方车内，用于采集车辆行驶过程中产生的加速度数值，并进行车内短程无线传输； GPS5模块布置在可触控式车载终端上，用于记录行车地理坐标；角速度传感器2布置在可触控式车载终端上，用于记录行车转角情况；可触控式车载终端4为Win CE/Android系统的手持/固定平板设备，布置于车内方便测量员操作位置，内置Zigbee接收器，用来获得加速度传感器数据，并通过时间序列与GPS、角速度数据进行匹配，产生初始数据；3G远程模块6，内置于可触控式车载终端中，用于向服务器远程传输打包文件；中心机信息处理系统7，安装于交通信息采集中心，用来定向接收测试车辆发送的数据，并进行数据处理，获得预估的国际平整度指数IRI值/行驶质量指数RQI值，显示在信息发布终端14。本发明提供一种运用车载三轴加速度计的路面平整度快速测量系统，用于解决传统检测方法耗时费力，效率低下、价格昂贵等问题，并实现了路面平整度的实时监控。
上述数据数据采集设备10，具有金属保护外壳，天线8外伸于保护外壳外侧；该装置由3.6V小型蓄电池9供电，Zigbee模块布置在装置内顶端，中层为加速度传感器，下层为蓄电池。
上述数据采集设备10中，三轴加速度传感器1为电容式重力加速度传感器。
上述可触控式车载终端4，采用REAL 210开发板11，其中布置有GPS5、角加速度传感器2、3G远程模块6；供电可选择由5V蓄电池供电，或采用点烟器进行供电。
上述可触控式车载终端4中， GPS5设备为双模GPS，定位精度为1m；角加速度数据及车内采集的X轴加速度数据用来修正GPS产生的系统误差。
上述的中心机信息处理系统7，主要包括数据接收服务器12、数据处理软件13和信息发布终端14。
上述基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，测试车辆行驶速度须＜80km/h，且为前驱。
（1）系统组成及工作原理
基于三轴加速度传感器与Zigbee的测量设备
三轴加速度传感器与Zigbee短程无线通讯模块共同组成数据采集设备，由金属外壳包裹，3.2V蓄电池供电；系统板从加速度传感器取得数据后进行处理打包，通过ZigBee进行发送。原理如图3所示；其工作流程如图4所示，其通讯协议为了满足精度要求，设计如表1。
表1 数据采集设备通讯协议
| bit 7 | bit 6 | bit 5 | bit 4 | bit 3 | bit 2 | bit 1 | bit 0 | Comment | |
| Byte 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0xAA |
| Byte 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | x | x | x | F0~F7 |
| Byte 2 | 0 | 0 | x | x | x | x | x | x | X_MSB |
| Byte 3 | x | x | x | x | x | x | x | x | X_LSB |
| Byte 4 | 0 | 0 | x | x | x | x | x | x | Z_MSB |
| Byte 5 | x | x | x | x | x | x | x | x | Z_LSB |
可触控式车载终端设备
车载终端设备主要有主板、GPS设备、角速度传感器、3G模块等构成，用来实时接收并处理GPS数据，解析时间、经度、纬度等信息。每秒钟通过ZigBee从加速度传感器获取实时加速度数据，并处理解析。将处理解析之后GPS信息以及加速度信息在设备面板上实时显示。同时，在本地对所有原始数据、处理后数据、系统工作日志进行记录。
程序分为四个纵向过程：初始化过程、数据记录过程、文件保存过程、及程序退出过程。
初始化过程包含：系统初始化过程、GPS的初始化过程、以及加速度传感器初始化过程。其中，系统初始化负责初始化程序运行的环境、检查系统环境状态、建立程序日志目录及日志文件。
数据记录过程分三个并行过程执行，分别为：GPS处理记录线程、加速度处理记录线程，以及文件处理线程。其中，GPS处理线程负责GPS的数据解析、处理、暂存；加速度处理线程负责加速度数据的解析、处理、缓存；文件处理线程负责将内存中缓存的数据写入到文件之中。
文件保存过程作用为：在停止记录后存储最终的数据文件，保存并复制到SD卡中存放。
程序退出过程作用为：释放系统资源，以致其他程序或下一次运行本程序时，可以正常访问和初始化公用资源。
中心机信息处理终端
当车载终端采集保存完数据之后，将通过3G网络向数据中心服务器进行数据传输。数据中心在收到远程车载终端的连接请求之后，首先需要验证其身份，若为合法终端，则为其建立数据接收线程、创建文件，并接收数据；若为非法终端，则关闭链接。终端分为三个模块：端口侦听模块（用于侦听端口连接）、数据接收模块（用于接收数据）、系统监视模块（用于显示系统运行状态）。三者间关系如图5。
上位机处理软件
上位机软件主要用于对采集的信息进行数据处理，和结果的输出。其工作流程主要如下：首先录入加速度、GPS、角速度原始数据；利用角速度传感器修正GPS；利用修正后的GPS进行测量分段，利用逐点累计法，依照GPS取样频率计算累计位移，至1km进行分段，修正及分段公式如下：
式中，为每步步长，即为相邻两个GPS坐标间的绝对距离，是角速度修正系数，是累计步长小于1km时的最大值，为累计步长大于1km时的最小值, 为最终分段距离。求解每一段内竖向加速度功率谱密度。根据系统响应的特点，将路面视作系统输入，车内簧载和非簧载质量作为系统响应，利用拉氏变换可获得车内振动与路面振动的相关表达；根据功率谱密度的特点，其积分的开方值可以近似的表征信号幅值的大小，因此求解其均方根值；将获得的均方根值代入下式中，求解国际平整度指数IRI值；结合电子地图与GPS数据对计算结果进行显示。
其中A为标定系数，为拉氏变换系数，当检测车辆固定时，该系数为常数可标定，为角速度，为加速度的功率谱密度，为行驶速度。
操作流程
（1）选定测量频率及速度，将数据采集设备平稳安置于测试车辆左右车轮正上方，开启传感器开关，待车辆启动结束，进入平稳驾驶阶段，开始车载终端进行数据采集。
在上海市嘉定区选择了部分路网进行系统测试，利用测试车辆以55km/h的速度行驶在该路网中，利用车载终端收集加速度传感器的加速度信息，采样频率为10Hz，传感器量程设置为±4g，检测精度为0.005mg，测试间隔为一段路测量，约为5-10min，为保证数据传输的可靠，建议连续测量时间不宜超过30min，应在每段路测量结束后分别进行数据储存和发送，再进行下段测量。
（2）数据融合、储存和发送
利用时间序列，通过Zigbee短程设备数据传输，保证系统采集到的左右两车轮上方加速度值为同一时刻。由于GPS的精度为1m，频率为1Hz，而传感器频率为10Hz，因此为了同步两个数据源，则将传感数据采集10次进行一次发送和储存，并通过两个设备的时间标签进行匹配；完成测量后点击储存，确保SD-Card中有足够内存，待见到储存成功标识后，点击数据发送，选择发送服务器，并进行数据发送，数据发送时间由数据包本身大小决定。在数据完成发送前，请勿关闭或重启车载终端。
（3）数据接收及信息中心处理
完成数据发送后，信息中心服务器中则会显示接受请求，同意请求，并根据电子标签对每一辆车的数据进行标注；完成数据接收后，将采集到的数据导入到软件处理平台中，即可求解车辆左右轮上的加速度功率谱均方根值；给定标定参数，导入均方根值即可获得最终的路面平整度，并显示在电子地图中。与上海市公路局测量平整度数据对比之后发现，该设备测得的平整度数据误差均在10%之内，如表2，因此说明该设备具有较好的稳定性和测量精度。
表2 系统稳定性检验结果
| 路段名称 | 右轮 | 左轮 | 计算值 | IRI | 误差 |
| 嘉唐公路-城北路 | 4.4185 | 3.188 | 4.3530 | 3.9910 | 0.3620 |
| 金沙江路-怒江北路 | 4.4069 | 3.553 | 4.5804 | 4.2900 | 0.2904 |
| 怒江北路-梅川路 | 5.0762 | 4.1863 | 5.3611 | 5.6140 | 0.2529 |
| 梅川路-武宁路 | 4.956 | 4.2084 | 5.3079 | 5.7010 | 0.3931 |
| 武宁路-铜川路 | 3.7991 | 3.2827 | 4.0667 | 3.6290 | 0.4377 |
| 铜川路-真北支路 | 4.0984 | 3.292 | 4.2403 | 3.9630 | 0.2773 |
| 曹安公路16-17 | 2.2199 | 2.0493 | 2.3917 | 2.2000 | 0.1917 |
| 曹安公路17-18 | 1.9192 | 1.9193 | 2.1399 | 1.9400 | 0.1999 |
以上所述，仅为本发明典型的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，其特征在于：包括三轴加速度传感器（1）、角速度传感器（2）、Zigbee短程无线通讯模块（3）、可触控式车载终端（4）、GPS（5）、3G远程模块（6）和中心机信息处理系统（7），其中：所述Zigbee短程无线通讯模块（3）与三轴加速度传感器（1）分别安置于单片机上，Zigbee短程无线通讯模块（3）与三轴加速度传感器（1）分别连接系统板（15），所述系统板（15）设有天线（8），所述单片机和系统板（15）制成数据采集设备（10）；所述数据采集设备（10）布置于测试车辆内左、右后轴轮正上方，用于采集车辆行驶过程中产生的X轴（行驶方向）和Z轴（竖直方向）的加速度数值，并进行车内短程无线传输；所述三轴加速度传感器（1）用于采集X轴、Y轴和Z轴加速度；所述GPS（5）布置于可触控式车载终端（4）上，用于记录行车地理坐标；所述角速度传感器（2）布置于可触控式车载终端（4）上，用于记录行车转角情况；所述可触控式车载终端（4）为Win CE/Android系统的手持/固定平板设备，布置于车内方便测量员操作位置，内置有Zigbee接收器，用来获得加速度传感器数据，并通过时间序列与GPS、角速度数据进行匹配，产生初始数据；所述3G远程模块（6）内置于可触控式车载终端（6）中，用于向中心机信息处理系统（7）传输打包文件；所述中心机信息处理系统（7）安装于交通信息采集中心，用来定向接收测试车辆发送的数据，并进行数据处理，获得预估的国际平整度指数IRI值/行驶质量指数RQI值，显示在中心机信息处理系统（7）的信息发布终端（14）上。
2.根据权利要求1所述的基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，其特征在于：所述数据采集设备（10）具有金属保护外壳，天线（8）外伸于保护外壳外侧；所述天线（8）由3.6V小型蓄电池（9）供电，Zigbee短程无线通讯模块（3）布置于数据采集设备内顶端，中层为三轴加速度传感器（1），下层为3.6V小型蓄电池（9）。
3.根据权利要求2所述的基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，其特征在于：所述的三轴加速度传感器（1）为电容式重力加速度传感器。
4.根据权利要求1所述的基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，其特征在于：所述的可触控式车载终端（4）采用REAL 210开发板（11），GPS（5）、角速度传感器（2）和3G远程模块（6）的供电均可选择由5V蓄电池供电，或采用点烟器与5V电压转换线进行供电。
5.根据权利要求1所述的基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，其特征在于：所述GPS（5）为双模GPS，定位精度为1m；角速度传感器（2）产生的角速度数据及三轴加速度传感器（1）采集的X轴（行驶方向）的加速度数据用来修正GPS产生的系统误差。
6.根据权利要求1所述的基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，其特征在于：所述中心机信息处理系统（7）包括数据接收服务器（12）、数据处理软件（13）和信息发布终端（14），其中：数据接收服务器（12）的输出端连接数据处理软件（13）连接信息发布终端（14）。
7.根据权利要求1所述的基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，其特征在于：所述3G远程模块（6）包括端口监听模块（16）、数据接收模块（17）和系统监视模块（18），所述端监听模块（16）的输入端连接远程终端，输出端分别连接数据接收模块（17）和系统监视模块（18），数据接收模块（17）的输出端连接系统监视模块（18）的输入端，系统监视模块（18）的输出端连接屏幕，所述中心机信息处理系统（7）的信息发布终端（14）。
8.根据权利要求1所述的基于车载加速度计的路面平整度快速检测系统，其特征在于：所述的检测系统为车载检测系统，测试车辆行驶速度须＜80km/h，且为前驱。
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