激光路面检测系统颠簸分析及测量装置研制

论文摘要

随着我国交通事业的快速发展,公路检测已成为我国公路建设领域的重要任务。平整度、车辙和裂缝是评价路面质量最重要的三个参数,其直接影响公路和行驶车辆的使用寿命、车辆的能源消耗、交通效率和交通安全,因此准确计算这三个参数在公路检测领域具有重要意义。然而,车载多功能公路激光三维路面检测系统车在检测过程中由于路面不平等因素会引起带来的车辆的颠簸,会引起摄像机、激光器的姿态变化,从而给路面平整度、车辙等的测量带来误差。针对上述问题,本文对汽车颠簸引起的路面测量误差及汽车颠簸信号的特点进行了分析,设计了基于微电子机械系统(MEMS)惯性器件的GPS辅助捷联式惯性测量单元组合姿态测量(GPS/SIMU)方案。通过理论分析和仿真实验验证了方案的正确性、可行性,最终完成了汽车颠簸信息测量装置的研制。该装置能实时测量汽车颠簸信息,为汽车颠簸产生的路面特征参数测量误差补偿提供数据支持。此外,通过后期的数据处理,该装置还能够提供汽车的姿态、速度、位置等信息。本文主要包括以下内容:首先,从汽车颠簸对路面检测影响的机理出发,通过建模计算说明分析了汽车姿态变化对路面检测精度的影响,并给出了数学关系式,为后续误差补偿提供了基础。根据得到的关系式提出了汽车姿态测量的精度指标。其次,建立了汽车颠簸的数学模型,在简化的模型下推导得出了汽车颠簸时的线加速度和俯仰角速度的数学表达式,进而分析了汽车颠簸信号的特点,并以此作为设计方案、选择器件的依据。然后,根据汽车颠簸信号的特点确定了GPS/SIMU组合姿态测量方案,通过理论分析和仿真实验验证了了该方案的可行性。最后,设计了基于DSP处理器的加速度计、陀螺仪、GPS和光电编码器(DMI)信号采集电路,并完成了数据采集、存储以及与上位机通讯的程序。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 现有姿态测量方法
• 1.2.2 基于惯性技术的姿态测量国内外现状
• 1.2.3 姿态测量技术在路面检测车中的应用
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 汽车颠簸对路面检测影响的数学描述
• 2.1 基于结构光的多功能路面检测系统
• 2.2 汽车颠簸姿态变化对路面检测的影响
• 2.2.1 相关坐标系定义
• 2.2.2 汽车俯仰与线激光光条偏转的关系
• 2.2.3 汽车横滚角变化与激光光条偏转的关系
• 2.2.4 汽车航向角变化与激光光条位置变化关系
• 2.3 路面检测车姿态测量精度指标
• 2.4 本章小结
• 第3章 汽车姿态测量方案设计
• 3.1 汽车颠簸模型的建立
• 3.1.1 线振动与角振动模型
• 3.1.2 汽车在水平路面上的颠簸分析
• 3.1.3 汽车在凹凸路面上的颠簸分析
• 3.2 汽车姿态测量系统方案确定
• 3.2.1 现有姿态测量方法的比较
• 3.2.2 基于MEMS 的 GPS/SIMU 组合方案的器件选择
• 3.3 GPS/SIMU 组合姿态测量基本原理
• 3.3.1 惯性测量基础
• 3.3.2 捷联惯性测量（SIMU）姿态解算原理
• 3.3.3 GPS/SIMU 组合姿态姿态测量
• 3.4 方案仿真验证
• 3.4.1 理想轨迹的产生
• 3.4.2 GPS 和惯性器件的信号模型
• 3.4.3 利用卡尔曼滤波实现GPS/SIMU 信息融合校正
• 3.4.4 Matlab 仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 姿态测量系统数据采集平台设计
• 4.1 姿态测量系统硬件设计
• 4.1.1 微处理器OMAPL137
• 4.1.2 加速度计传感器信号采集电路设计
• 4.1.3 串行口电路设计
• 4.1.4 其他接口电路设计
• 4.2 数据采集软件设计
• 4.2.1 操作模式定义
• 4.2.2 程序设计
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录： 系统实物照片