CN104949649A - 道路表面不平度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种道路表面不平度测量装置，包括导向机构、测量行走装置、陀螺仪、非接触式速度传感器、激光测距装置及计算存储装置，导向机构挂接在牵引汽车上，测量行走装置与导向机构相连，陀螺仪、非接触式速度传感器和激光测距装置固定在测量行走装置上，汽车带动该装置行驶时，由陀螺仪测量道路坡度角，非接触式速度传感器测量行驶车速，激光测距装置测量激光发射点到道路表面的距离，由计算存储装置得出所测量道路表面宏观和微观不平度。该测量装置的有益性在于，通过设立纵向牵引杆等机构，可以有效消除汽车车身俯仰、侧倾、垂向振动对测量装置的影响，使测量装置运动姿态不受影响，有效改善测量效果、降低测量成本、提高测量效率。

Description

道路表面不平度测量装置

技术领域

本发明涉及一种道路表面不平度测量装置，属于道路测量设备领域。

背景技术

车辆在道路上行驶时会产生振动，而道路表面不平度是车辆使用过程中导致车辆振动的主要激振源，道路不平使车辆在行驶中产生振动，损耗车辆的功率并且影响车辆乘坐的舒适性和零部件使用的耐久性。在道路工程领域，道路表面不平度也是道路路面工程质量的重要评定指标之一，不平度检测贯穿于路面施工质量检测、评定验收及运营期路面维护等环节。研究分析道路表面不平度、合理构建道路表面的模型对车辆工程和道路工程均具有重要意义。由于道路表面不平度测量的复杂性及其重要性，当前的测量仪器主要包括静态纵断面测量和动态纵断面测量两大类。

静态纵断面测量是一种基准固定的测量方法。在测量路面高程时，建立一个固定的基准，量取路面与基准之间的偏离数值，从而得到道路表面不平度的测量数据。采用这一原理的典型仪器有水平仪及标杆测量等，标杆测量法是以仪器给出的水平基准线作为固定基准，这种测量方法能够得到精确的纵断面数据，但存在观测效率低、适用范围小、人工工作量大的缺陷。目前，多用在道路施工过程中、不适于在复杂路段应用。

由于道路表面不平度可分成长波和短波两种类型，因此采用随动基准直接测量轮迹纵断面的动态测量更为准确、快速。接触式测量仪通过测量轮跟随地面的起伏，从而计算车轮沿路面的垂向位移，如法国APL道路纵断面分析仪，这类纵断面分析仪利用车载加速度计建立惯性参考系，由测试轮测量车身同道路表面之间的相对位移，并通过与加速度计输出信号的二次积分求差来消除车身自身振动的影响，由此得到道路表面纵断面各点高度。实际使用时，这类仪器通过对振动加速度信号积分得到位移信号，由于在信号采集过程中，实际的加速度信号中混入了不少噪声信号，经过两次积分过程，噪声信号也被放大，使通过加速度积分得到的车身振动位移信号失真，从而无法消除车身自身振动的影响，导致动态测量效果差。为改善测量效果、降低设备成本、提高道路表面不平度测量效率，需要开发能自动消除车身振动影响的道路表面不平度测量装置。

发明内容

本发明的目的在于从结构上解决道路表面不平度测量装置与牵引汽车之间的俯仰、侧倾和垂直振动等的运动干涉问题，在保障测量装置与牵引汽车纵向速度一致的前提下，不平度测量装置运动姿态不受影响并能开展独立测量。

本发明为解决相应技术问题所采用的技术方案是：

发明的道路表面不平度测量装置，包括导向机构、测量行走装置、陀螺仪、非接触式速度传感器、激光测距装置及计算存储装置，其特征在于：所述导向机构挂接在汽车挂钩上，测量行走装置与导向机构相连，陀螺仪、非接触式速度传感器、激光测距装置及计算存储装置安装在测量行走装置上，陀螺仪测量道路的坡度角，非接触式速度传感器测量行驶车速，激光测距装置测量激光发射点到道路表面的距离，上述参数输入计算存储装置，通过理论公式计算出被测道路表面的不平度。

上述的道路表面不平度测量装置的导向机构，其特征在于，导向机构包括牵引钩、牵引钩上固定块、牵引钩下固定块、主销、纵向牵引杆、导向块、导向连接板、导向连接盖板、横向牵引杆，导向机构纵向牵引杆前端可绕牵引钩下固定块的主销转动，纵向牵引杆的后端可在导向块的内孔中转动，导向块可沿导向连接板的矩形凸起做垂直运动。

上述的道路表面不平度测量装置的测量行走装置，其特征在于，测量行走装置包括测量装置架、前轴、后轴以及由相同的轴承、轴承盖板、轴承上座、轴承下座、钢轮、钢轮盖板组成的前、后、左、右四个钢轮组，测量装置架前端轴孔套在横向牵引杆上，可绕横向牵引杆转动，该行走装置的四个车轮均为钢轮，且同轴上两个钢轮的外侧轮距小于轮胎宽度。

上述的道路表面不平度测量装置的陀螺仪、非接触式速度传感器、激光测距装置、计算存储装置，其特征在于上述装置直接固定在测量装置架上，陀螺仪测量的道路坡度角、非接触式速度传感器测量的行驶车速和激光测距仪所测距离值输入到计算存储装置，由该装置计算并输出被测道路的路面不平度。

道路表面不平度的计算

(一)假设汽车前进时的道路水平方向为+X方向，垂直于路面向上为+Y方向，非接触式速度传感器测量的车速为v m/s，采样时间间隔为Δts，由陀螺仪测出的坡度角为α，上坡时陀螺仪+x方向与道路水平+X方向之间逆时针形成的夹角为正值，下坡时陀螺仪+x方向与道路水平+X方向之间顺时针形成的夹角为负值。当车辆反向行驶时，上述关于角度的定义仍然成立。则由于道路坡度所产生的路面纵向长度和垂向高度分别为：

$X=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(v_i\·\cos {\mathrm{\α}}_i\·\mathrm{\Δt})---\left(1\right)$

$Y=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(v_i\·\sin {\mathrm{\α}}_i\·\mathrm{\Δt})---\left(2\right)$

(二)假设初始时激光测距装置离地高度为h₀，后续各时刻点测得的对地距离为h_i，则该段道路各测点的道路表面不平度累加为

$X=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(v_i\·\cos {\mathrm{\α}}_i\·\mathrm{\Δt})-(h_0-h_i)\·\sin {\mathrm{\α}}_i---\left(3\right)$

$Y=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(v_i\·\sin {\mathrm{\α}}_i\·\mathrm{\Δt})+(h_0-h_i)\·\cos {\mathrm{\α}}_i---\left(4\right)$

由公式(1)～(4)即可根据测量所得道路坡度角和各测点道路微观结构高度差求出的道路表面不平度。

本发明的道路表面不平度测量装置，与现有技术相比，所产生的有益效果是：通过设立纵向牵引杆、横向牵引杆以及导向块等机构，可以有效消除汽车车身的俯仰、侧倾、垂向振动对陀螺仪、非接触式速度传感器以及激光测距装置产生的牵连运动，使道路不平度测量装置运动姿态不受影响并能展开独立测量，保证了陀螺仪测量道路坡度角和激光测距装置测量距离的准确性，从而使道路表面不平度结果与实际值更吻合。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的道路表面不平度测量装置正视图。

图2是表示本发明上述实施方式的俯视图。

图3是表示本发明上述实施方式的侧视图。

图4是图3中A处的放大结构示意图。

图5是表示本发明进行道路表面不平度测量及计算时的坐标示意图。

附图标号说明

1、牵引钩，2、牵引钩上固定块，3、牵引钩下固定块，4、主销，5、纵向牵引杆，6、导向块，7、导向连接板，8、导向连接盖板，9、横向牵引杆，10、前轴，11、后轴，12、轴承，13、轴承盖板，14、轴承上座，15、轴承下座，16、钢轮，17、钢轮挡板，18、测量装置架，19、陀螺仪，20、非接触式速度传感器，21、激光测距装置，22、计算存储装置，23、导向连接板矩形凸起。

具体实施方式

下面，结合附图1～4对本发明的道路表面不平度测量装置作以下详细说明。

如图1～4所示，道路表面不平度测量装置由导向机构、测量行走装置和陀螺仪19、非接触式速度传感器20、激光测距装置21及计算存储装置22组成，其中导向机构包括牵引钩1、牵引钩上固定块2、牵引钩下固定块3、主销4、纵向牵引杆5、导向块6、导向连接板7、导向连接盖板8、横向牵引杆9，测量行走装置包括测量装置架18、前轴10、后轴11以及由相同的轴承12、轴承盖板13、轴承上座14、轴承下座15、钢轮16、钢轮盖板17组成的前、后、左、右四个钢轮组。

如图1～4所示，牵引钩1通过牵引钩上固定块2与牵引钩下固定块3连接在一起，主销4连接在牵引钩下固定块3上，纵向牵引杆5一端与主销4连接，另外一端与导向块6连接，纵向牵引杆5前端可绕主销4转动，其后端可在导向块6的内孔中转动，导向块6安装在导向连接板7与导向连接盖板8之间，且导向块6可沿导向连接板7的矩形凸起23做垂直运动，横向牵引杆9一端与导向连接板7相连，另一端与测量装置架18相连；前轴10穿过轴承12的内孔，轴承12由轴承盖板13固定，前轴10端部连接钢轮16，并用钢轮盖板17固定，轴承12安装在轴承上座14和轴承下座15之间，轴承上座14与测量装置架18相连，后轴11的安装方式与前轴10类似，都通过轴承上座14与测量装置架18连接，陀螺仪19、激光测距装置21、计算存储装置22、非接触式速度传感器20都安装在测量装置架18上，从而构成整个道路表面不平度测量装置。

道路表面不平度测量装置通过牵引钩1挂接到汽车上，汽车行驶时该装置也随之运动，由陀螺仪19测出道路坡度角α，由非接触式速度传感器20测量车速v，由激光测距装置21测出每一时刻点测得的距离值h_i，将上述结果输入到计算存储装置22中，即可计算得到驶过道路表面的不平度。当汽车车身发生俯仰、侧倾运动时，由于纵向牵引杆5前端可绕主销4转动，其后端可在导向块6的内孔中转动，消除了道路表面不平度测量装置会随汽车车身产生的俯仰、侧倾牵连运动；当汽车车身发生垂直振动时，导向块6沿导向连接板7的矩形凸起23做垂直运动，消除了道路表面不平度测量装置会随汽车车身产生的垂直振动。以上结构保障了道路表面不平度测量装置的运动不受汽车车身姿态干涉，而且也使该装置的行驶速度与汽车车速保持一致。

实施方式的变形

另外，本发明并不局限于上述实施方式，能实现本发明目的范围内的变形，改进也包含于本发明。

Claims (4)

1.一种道路表面不平度测量装置，包括导向机构、测量行走装置、陀螺仪、激光测距装置及计算存储装置，其特征在于：所述导向机构挂接在汽车挂钩上，测量行走装置与导向机构相连，陀螺仪、非接触式速度传感器、激光测距装置及计算存储装置安装在测量行走装置上，陀螺仪测量道路的坡度角，非接触式速度传感器测量行驶车速，激光测距装置测量激光发射点到道路表面的距离，上述参数输入计算存储装置，通过理论公式计算出被测道路表面的不平度。

2.根据权利要求1所述的道路表面不平度测量装置的导向机构，其特征在于，导向机构包括牵引钩、牵引钩上固定块、牵引钩下固定块、主销、纵向牵引杆、导向块、导向连接板、导向连接盖板、横向牵引杆，纵向牵引杆前端可绕牵引钩下固定块的主销转动，纵向牵引杆的后端可在导向块的内孔中转动，导向块可沿导向连接板的矩形凸起做垂直运动。

3.根据权利要求1所述的道路表面不平度测量装置的测量行走装置，其特征在于，测量行走装置包括测量装置架、前轴、后轴以及由相同的轴承、轴承盖板、轴承上座、轴承下座、钢轮、钢轮盖板组成的前、后、左、右四个钢轮组，测量装置架前端轴孔套在横向牵引杆上，可绕横向牵引杆转动，该行走装置的四个车轮均为钢轮，且同轴上两个钢轮的外侧轮距小于轮胎宽度。

4.根据权利要求1所述的道路表面不平度测量装置的陀螺仪、非接触式速度传感器、激光测距装置、计算存储装置，其特征在于上述装置直接固定在测量装置架上，陀螺仪测量的道路坡度角、非接触式速度传感器测量的行驶车速和激光测距仪所测距离值输入到计算存储装置，由该装置计算并输出被测道路的路面不平度。