瀝青路面施工平整度的監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

陳鈺龍，周柳齊，吳 磊

（1.中山三生物聯(lián)科技有限公司，廣東 中山 528437；2.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528436）

0 引言

截至2020年，我國(guó)高速公路通車(chē)?yán)锍叹邮澜绲谝晃?，達(dá)到16.10 萬(wàn)km。瀝青路面由于取材方便，工藝流程簡(jiǎn)單，路面開(kāi)闊平整，能為駕駛員行車(chē)創(chuàng)造安全、舒適的環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，所以在公路工程的運(yùn)用越來(lái)越廣泛[1-2]。但由于設(shè)計(jì)、原材料的質(zhì)量及施工工藝等方面的原因，近幾年全國(guó)建成的多條瀝青混凝土高速公路，通車(chē)一段時(shí)間后都不同程度的存在路面早期破損的現(xiàn)象[3-4]。導(dǎo)致的原因之一與鋪設(shè)的瀝青路面不平整有關(guān)[5-7]。因此，如何設(shè)計(jì)一款能夠監(jiān)測(cè)瀝青攤鋪過(guò)程路面平整度的監(jiān)測(cè)裝置具有很重要的意義。

1 監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

該監(jiān)測(cè)裝置主要由兩部分組成，分別是圖1 的監(jiān)測(cè)采集終端及圖2 的數(shù)據(jù)處理終端。監(jiān)測(cè)采集終端用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，而數(shù)據(jù)處理終端則對(duì)采集終端提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖2 數(shù)據(jù)處理終端

圖1 中，監(jiān)測(cè)采集終端[8]包括有可水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的第一云臺(tái)電機(jī)1，第一云臺(tái)電機(jī)1 與轉(zhuǎn)接臂2 的一端連接，轉(zhuǎn)接臂2 的另一端連接有可垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)的第二云臺(tái)電機(jī)3，第二云臺(tái)電機(jī)3 安裝有攝像頭4，攝像頭4 前端設(shè)有用于測(cè)距的激光測(cè)距模塊5，攝像頭4 內(nèi)置有陀螺儀，可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)角度，分別是測(cè)量激光測(cè)距模塊5 的測(cè)距軸線與豎直面之間夾角以及水平轉(zhuǎn)動(dòng)角。

圖1 監(jiān)測(cè)采集終端

攝像頭可以采集視頻和圖像數(shù)據(jù)，供數(shù)據(jù)處理終端處理后可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)；激光測(cè)距模塊可以測(cè)量采集終端到施工采樣點(diǎn)的距離，提供采樣點(diǎn)的空間距離信息，陀螺儀可以測(cè)量測(cè)距軸線與豎直面之間夾角以及水平轉(zhuǎn)動(dòng)角，提供采樣點(diǎn)的空間角度信息，結(jié)合距離和角度信息就可以確定采樣點(diǎn)的唯一坐標(biāo)。第一云臺(tái)電機(jī)和第二云臺(tái)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)采集終端水平360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)及垂直-135° ～135°的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 中，數(shù)據(jù)處理終端[9]包括有包括有底蓋1 和頂蓋2，底蓋1 上設(shè)有用于供電的電池3、用于處理并記錄外部監(jiān)控?cái)z像頭圖像和視頻信息的數(shù)據(jù)處理模塊4，數(shù)據(jù)處理模塊4 連接有顯示輸出接口5 和用于與監(jiān)測(cè)采集終端連接接收視頻及采集數(shù)據(jù)的通訊接口6，頂蓋2 上設(shè)有用于顯示數(shù)據(jù)處理模塊4 處理的視頻信息的顯示屏7，顯示屏7 連接有顯示輸入接口8，顯示輸出接口5 與顯示輸入接口8 之間通過(guò)數(shù)據(jù)線連接。其中，底蓋1 上設(shè)有與數(shù)據(jù)處理模塊4 連接用于測(cè)量底蓋1 與水平面的夾角的陀螺儀模塊9。

2 裝置應(yīng)用實(shí)施

2.1 監(jiān)測(cè)采集終端的實(shí)施

本監(jiān)測(cè)采集終端主要采集施工現(xiàn)場(chǎng)的采樣點(diǎn)空間坐標(biāo)，同時(shí)收集圖像和視頻信息作為輔助。在施工現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)監(jiān)測(cè)采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以供后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測(cè)方法包括有以下步驟：

（1）將監(jiān)測(cè)采集終端架設(shè)在施工的路面上，通過(guò)后臺(tái)設(shè)定第一云臺(tái)電機(jī)1 依次轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定的k個(gè)角度，分別是：β1，β2，…，βi，…βk；

（2）當(dāng)?shù)谝辉婆_(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定的角度βi后，通過(guò)后臺(tái)控制第二云臺(tái)電機(jī)3 依次轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定的m個(gè)垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角θ1，θ2，…，θj，…，θm；

（3）激光測(cè)距模塊5 測(cè)出在每個(gè)水平轉(zhuǎn)動(dòng)角βi和每個(gè)垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角θj下其到路面的距離Lij。

通過(guò)上述3 個(gè)步驟就可以采集到的采樣點(diǎn)相對(duì)于監(jiān)測(cè)采集終端的唯一坐標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)處理終端的實(shí)施

數(shù)據(jù)處理終端主要處理監(jiān)測(cè)采集終端采集的相關(guān)數(shù)據(jù)。

使用時(shí)，一方面與數(shù)據(jù)處理模塊4 連接的通訊接口6 連接監(jiān)測(cè)采集終端拍攝的實(shí)時(shí)視頻信息及采集數(shù)據(jù)，同時(shí)利用數(shù)據(jù)線使數(shù)據(jù)處理模塊4 的顯示輸出接口5 與顯示屏7 的顯示輸入接口8 連接，在數(shù)據(jù)處理模塊4 處理并記錄外部的實(shí)時(shí)視頻及數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)顯示屏7 進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；另一方面底蓋1 平放在瀝青施工路面上，通過(guò)陀螺儀模塊9 測(cè)量底蓋1 與水平面的夾角θ并發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊4 上，當(dāng)監(jiān)控檢測(cè)出現(xiàn)瀝青施工路面存在不符合施工要求的問(wèn)題時(shí)，通過(guò)顯示屏7 進(jìn)行報(bào)警提示，其中電池3 用于分別向數(shù)據(jù)處理模塊4、顯示屏7、陀螺儀模塊9 供電。

3 數(shù)據(jù)建模及平整度的評(píng)定

根據(jù)上述測(cè)量的過(guò)程，可以對(duì)測(cè)量點(diǎn)建立如下球坐標(biāo)系，如圖3 所示?？梢?jiàn)，每一個(gè)點(diǎn)都有唯一對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)（Lkm，θm，βk）。

圖3 測(cè)量點(diǎn)的球坐標(biāo)系

球坐標(biāo)系可以轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系，假設(shè)總共采集到的i=1…n個(gè)點(diǎn)，其中

由于每3 個(gè)點(diǎn)就可以建立1 個(gè)平面，如果任意選取3 個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)面，則會(huì)帶來(lái)結(jié)果的隨意性，因此采用最小二乘法來(lái)評(píng)定施工路面的平整度。以最小二乘法擬合出1 個(gè)最小二乘平面，并且使被測(cè)平面上的所有測(cè)量點(diǎn)到該平面的距離的平方和為最小。根據(jù)被測(cè)平面上所有測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于最小二乘平面的變動(dòng)量來(lái)確定評(píng)定基準(zhǔn)的位置，該方法能夠比較準(zhǔn)確地反映整個(gè)被測(cè)平面總的誤差勢(shì)態(tài)。

對(duì)于直角坐標(biāo)系下的空間平面，其方程為：

假設(shè)A1，A2，A3分別是所采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)的最小二乘平面對(duì)應(yīng)a1，a2，a3的系數(shù)。該平面方程為

根據(jù)最小二乘法的定義，所有測(cè)量點(diǎn)到該平面的距離的平方和為最小。即

P值需要最小，則公式（7）分別對(duì)A1，A2，A3求偏導(dǎo)，并等于零，則有

聯(lián)合式（2）～（4）及（8）～（10）則可求出最小二乘平面的3 個(gè)參數(shù)A1，A2，A3。

最小二乘平面方程確定之后，利用點(diǎn)到最小二乘平面的距離公式，計(jì)算所有測(cè)量點(diǎn)至最小二乘平面的距離，這些距離值中必定存在1 個(gè)最大距離值和最小距離值，則距離值的最大值與最小值之差就是施工路面平整度的評(píng)定值。該評(píng)定值越小，則說(shuō)明平整度越好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本檢測(cè)設(shè)備可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，并反饋平整度結(jié)果。同時(shí)也可以給定最大的平整度評(píng)定值，對(duì)于超出要求的施工路面也可以及時(shí)報(bào)警并提醒修整。瀝青路面施工平整度的監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行展開(kāi)，具體總結(jié)如下：

（1）闡述了監(jiān)測(cè)裝置的整體方案，分為監(jiān)測(cè)采集終端和數(shù)據(jù)處理終端；

（2）對(duì)兩個(gè)終端設(shè)備如何工作進(jìn)行了闡述；

（3）對(duì)監(jiān)測(cè)終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系建模，依據(jù)最小二乘法求得最小二乘平面對(duì)于的參數(shù)，并將計(jì)算采集點(diǎn)至最小二乘平面的距離，取其中的最大距離值和最小距離值的差值作為施工路面平整度的評(píng)定值。