路面三维检测系统原理及方法研究

论文摘要

路面检测技术已经经历了从手工向自动化,从破损检测向无损检测,从低速向高速,从单个指标向多功能检测发展的过程。目前路面传统的二维检测技术已经无法满足路面管理系统、智能交通系统(ITS)和日益完善的路面评价技术发展的需要,路面三维检测技术正在成为下一代路面检测发展的方向。研究最新的路面三维检测技术不但可以满足我国日益繁重的路面质量验收和养护管理的需要,而且对于提高我国的路面评价水平和促进ITS技术的发展也有着重要的意义。通过将路面三维实体映射到由路面里程、横断面和检测路段相对高程组成的三维路面坐标系中,可以将路面的三维检测简化为横断面检测或纵断面检测。由于检测车辆检测过程中存在振动,得到的每一个横断面有着不同的基准。通过对横断面进行线性校正,可以得到路面的车辙信息。通过在横断面检测基础上增加两路纵断面和无数个横断面的叠加,实现路面的三维重建。真正的路面纵断面包括微观纹理、宏观纹理、大纹理、平整度、线形等多波段信息。传统的路面纵断面检测仅仅反映了路面0.5m—80m波长范围内的断面信息。本文依据路面检测技术提出了路面纵断面的三层检测模型:纹理层,平整度层和GPS层。由于每个层次具有不同的检测坐标系、不同的检测技术和检测精度,反映不同的纵断面波段,将三个层次的坐标系变换到统一的路面坐标系,通过信息融合可以实现路面纵断面的全频谱测量。为解决惯性基准中存在的最低速度限制问题,提出了基于基准传递原理的非惯性纵断面检测方法,实现了任意速度下的纵断面测量。通过对多路传感器横断面检测原理的误差分析,得出引起车辙检测误差的主要因素包括采样点不重合引起的随机误差和传感器准确度有限造成的系统误差。当传感器个数较少时,车辙误差主要由采样点不重合引起的随机误差决定;当传感器个数较多时,车辙误差主要由位移传感器的测量误差决定。依据路面车辙的统计规律,建立了路面车辙的双余弦评价模型。计算机仿真结果表明,随着传感器数目的增加,在数量大于31后,车辙检测误差衰减缓慢,车辙的最大检测误差不超过2%。不同于普通的反射物体,路面反射特性有时接近于镜面,有时接近于黑体,这对路用激光传感器提出了很高的要求。通过研究CCD的饱和曲线,提出了反向CCD镜像传感器的路用激光传感器结构,有效地消除了CCD饱和的影响,可以适用于各种路面测量。依据路面纵断面全频谱检测模型、横断面误差模型和三维检测模型,应用39路激光传感器、2路基线差分GPS、1路光电编码器,组建了路面三维检测平台,得出了路面的三维重建结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 路面三维检测系统研究的意义
• 1.2.1 路面质量检测的需要
• 1.2.2 路面管理系统（PMS）的需要
• 1.2.3 智能交通系统（ITS）发展的需要
• 1.2.4 路面评价技术发展的需要
• 1.2.5 新国标颁布和实施的需要
• 1.3 路面三维检测及相关研究进展
• 1.3.1 纵断面检测技术的发展
• 1.3.2 横断面及车辙检测技术的发展
• 1.3.3 路面纹理检测技术的发展
• 1.3.4 多功能检测技术的发展
• 1.3.5 路面三维检测技术相关研究进展
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 路面三维检测模型及纵断面层次模型
• 2.1 路面坐标系及路面三维检测模型
• 2.2 基于横断面的路面三维重建模型
• 2.2.1 检测横梁振动对横断面检测的影响
• 2.2.2 基于双纵断面控制点和连续横断面的三维重建模型
• 2.3 纵断面检测层次模型
• 2.3.1 纵断面检测层次模型的提出
• 2.3.2 基于层次模型的纵断面重建算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 纵断面层次模型实现原理及方法
• 3.1 GPS 层纵断面检测原理和方法
• 3.1.1 GPS 及其定位基本原理
• 3.1.2 用GPS 进行道路测量的不确定度
• 3.1.3 实时差分GPS 技术
• 3.2 基于五个传感器的非惯性双对称纵断面检测模型
• 3.2.1 惯性基准纵断面检测模型
• 3.2.2 非惯性纵断面检测模型及计算机仿真
• 3.3 纹理层高速检测技术及计算方法
• 3.4 本章小结
• 第四章 横断面检测原理及双余弦横断面误差模型
• 4.1 常用横断面检测原理
• 4.1.1 转镜扫描横断面检测原理
• 4.1.2 数字成像横断面检测原理
• 4.1.3 多路传感器横断面检测原理
• 4.2 双余弦横断面误差模型和计算机模拟
• 4.3 斜光束校正技术
• 4.4 现场试验
• 4.5 本章小结
• 第五章 反向CCD 镜像结构的路用激光位移传感器设计
• 5.1 路用激光位移传感器原理
• 5.1.1 脉冲激光测距原理的适用性
• 5.1.2 激光干涉测距原理的适用性
• 5.1.3 激光三角测距原理的适用性
• 5.1.4 基于三角测距原理的路用激光位移测距方法
• 5.2 路用激光位移传感器中激光光源选择
• 5.2.1 气体激光器适用性
• 5.2.2 半导体激光器适用性
• 5.2.3 固体激光器适用性
• 5.3 路用激光位移传感器中光电接收器选择
• 5.3.1 光电二极管特性
• 5.3.2 光电三极管特性
• 5.3.3 电荷耦合器件特性
• 5.3.4 CMOS 图像传感器及最新发展
• 5.3.5 位置敏感器件（PSD）特性研究
• 5.4 CCD 像元提取技术
• 5.4.1 重心算法
• 5.5 基于反向CCD 镜像结构的路用激光传感器研究
• 5.5.1 激光位移传感器原理
• 5.5.2 激光位移传感器误差分析
• 5.5.3 CCD 饱和现象的影响
• 5.5.4 饱和消除原理
• 5.5.5 反向CCD 镜像传感器结构
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于三维重建和基准传递模型的路面三维检测系统设计
• 6.1 基于39 路激光传感器的路面三维检测系统结构设计
• 6.2 路面三维检测系统系统硬件设计
• 6.2.1 电源子系统
• 6.2.2 激光位移传感器
• 6.2.3 工控机
• 6.2.4 GPS
• 6.2.5 磁盘阵列
• 6.3 路面三维检测系统软件设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 路面三维检测系统数据分析及路面三维重建
• 7.1 路面三维检测系统纵断面检测结果
• 7.1.1 GPS 层检测结果
• 7.1.2 平整度层检测结果
• 7.1.3 纹理层检测结果
• 7.2 路面三维检测系统横断面检测结果
• 7.3 路面三维检测系统三维重建结果分析
• 7.4 本章小结
• 结论和进一步研究工作
• 1 本文的主要结论
• 2 本文的创新点
• 3 进一步的研究工作
• 参考文献
• 攻读博士期间取得的研究成果
• 致谢