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，我國高速公路通車?yán)锍叹邮澜绲谝晃?，達(dá)到16.10 萬km。瀝青路面由于取材方便，工藝流程簡單，路面開闊平整，能為駕駛員行車創(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，近幾年全國建成的多條瀝青混凝土高速公路，通車一段時(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)測瀝青攤鋪過程路面平整度的監(jiān)測裝置具有很重要的意義。

1 監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

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

圖2 數(shù)據(jù)處理終端

圖1 中，監(jiān)測采集終端[8]包括有可水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的第一云臺電機(jī)1，第一云臺電機(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)的第二云臺電機(jī)3，第二云臺電機(jī)3 安裝有攝像頭4，攝像頭4 前端設(shè)有用于測距的激光測距模塊5，攝像頭4 內(nèi)置有陀螺儀，可以測量兩個(gè)角度，分別是測量激光測距模塊5 的測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；激光測距模塊可以測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，陀螺儀可以測量測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)。第一云臺電機(jī)和第二云臺電機(jī)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測采集終端水平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)測采集終端的實(shí)施

本監(jiān)測采集終端主要采集施工現(xiàn)場的采樣點(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)場架設(shè)監(jiān)測采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測以供后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測方法包括有以下步驟：

（1）將監(jiān)測采集終端架設(shè)在施工的路面上，通過后臺設(shè)定第一云臺電機(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_電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定的角度βi后，通過后臺控制第二云臺電機(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）激光測距模塊5 測出在每個(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。

通過上述3 個(gè)步驟就可以采集到的采樣點(diǎn)相對于監(jiān)測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，通過陀螺儀模塊9 測量底蓋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)控檢測出現(xiàn)瀝青施工路面存在不符合施工要求的問題時(shí)，通過顯示屏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)建模及平整度的評定

根據(jù)上述測量的過程，可以對測量點(diǎn)建立如下球坐標(biāo)系，如圖3 所示。可見，每一個(gè)點(diǎn)都有唯一對應(yīng)的坐標(biāo)（Lkm，θm，βk）。

圖3 測量點(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)帶來結(jié)果的隨意性，因此采用最小二乘法來評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，并且使被測平面上的所有測量點(diǎn)到該平面的距離的平方和為最小。根據(jù)被測平面上所有測量點(diǎn)相對于最小二乘平面的變動(dòng)量來確定評定基準(zhǔn)的位置，該方法能夠比較準(zhǔn)確地反映整個(gè)被測平面總的誤差勢態(tài)。

對于直角坐標(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定值。該評定值越小，則說明平整度越好。

4 結(jié)束語

本檢測設(shè)備可以對現(xiàn)場的施工進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，并反饋平整度結(jié)果。同時(shí)也可以給定最大的平整度評定值，對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)測裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行展開，具體總結(jié)如下：

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

（2）對兩個(gè)終端設(shè)備如何工作進(jìn)行了闡述；

（3）對監(jiān)測終端采集的數(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定值。