CN110552278A - 一种沥青路面弯沉快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青路面弯沉快速检测方法，涉及检测技术领域；该方法包括以下步骤：S10，驱动检测车以速度v₀在路面上行驶；S20，启动激光雷达传感器向回弹路面发射激光雷达波，采集数据以后计算路面回弹速度V；S30，根据后轮与激光雷达传感器之间的距离S，得出部分路面的回弹时间t₀＝S/v₀,然后计算部分回弹量L；S40，根据弯沉盆半径R，得出变形路面的回弹时间t＝R/v₀，根据关系式：t₀：L＝t：L_max，得到Lmax的数值。本发明的方法可以以最高120km/h的速度进行检测，效率更高；同时通过计算公式的优化，只需设置1～3个激光雷达传感器，利用多普勒速度和弯沉盆半径即可联立计算路面弯沉量，利于进行操控。

Description

一种沥青路面弯沉快速检测方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体是一种沥青路面弯沉快速检测方法。

背景技术

我国高速公路建设突飞猛进，日新月异，到目前为止，高速公路的总里程已达到了约15万公里，位居世界第一位。而这些高速公路的路面弯沉强度的质量检测相对停留在较落后状态，与我们国家的科技实力水平存在着较大差距，大致有下面几个问题：

1、检测速度低。目前在我国路面弯沉测定基本上有三类仪器；第一类是《规范》规定的加拿大引进的贝克曼梁弯沉测量仪。该种检测仪在我国已存在60年左右，由于原理简单，测量方便，价格便宜，因此一直作为我国路面测量的主要仪器，但这种仪器检测速度极低，大致每小时测量1公里左右，无法适应我国高速公路量大面广的检测需要。第二类是国外引进的恩克鲁瓦弯沉测定仪(又称自动弯沉仪)。这类仪器是引进法国仿制技术，在我国公路上已使用20来年，但检测速度仍然很低，每小时也只能检测3公里，而且设备庞大，存放有些困难。第三类是国外引进的落锤式弯沉检测仪。这类仪器亦是引进仿制技术，在我国公路上已使用10年左右，但弯沉检测速度不高，每小时检测5公里，且该仪测量时，需锤击路面，造成路面伤害。若全国按31个省市区计，那么，每省市或自治区平均高速公路里程约有4700公里，按一天工作8小时计，则一台落锤式弯沉仪(上面讲的最快一种)检测完需118天，也就是近4个月测完，这是不现实的，若每省按3台落锤式弯沉仪计，则也需一个多月测完，若用一台《规范》贝氏仪测则需588天，近2年测完，这种检测速度难以接受。

2、检测安全性得不到保证。目前常用的《规范》规定的贝克曼梁弯沉仪为人工肩扛式测量仪，则两台仪器大约需要测量人员6个人左右，这些人在高速公路上测量是极其危险的。就是恩克鲁瓦弯沉仪与落锤式弯沉仪，虽然均为车载式，但由于测速很低，而高速公路最低限速也要60公里，显然容易发生安全碰撞，因此，也不很安全。

3、检测正确度低。我国实施高速公路半刚性路面以来，由于路面刚性很强，经多次试验表明，其弯沉影响半径已达到8.5m以上，而贝克曼梁弯沉仪的测点距离(相当于弯沉影响半径)只有3.6m，显然在弯沉盆里测量，使弯沉损失量达30％～60％，测量结果很不正确。而恩克鲁瓦弯沉仪与落锤式弯沉仪等弯沉测定仪均用贝克曼梁弯沉仪作比较标准的，若贝克曼梁弯沉仪自身都不正确(即标准不正确)，那么其它弯沉测试仪测量的结果自然也都不正确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沥青路面弯沉快速检测方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种沥青路面弯沉快速检测方法，通过检测车实现，所述检测车包括车体以及安装于车体的激光雷达传感器，车体具有底盘、前轮、后轮和车厢；所述激光雷达传感器的数量为1～3个且设置于后轮的后侧，激光雷达传感器的激光传输方向与地面垂直；

所述方法包括以下步骤：

S10，驱动检测车以速度v₀在路面上行驶；

S20，启动激光雷达传感器向回弹路面发射激光雷达波，采集数据以后计算路面回弹速度V，计算公式为：

其中，V为路面回弹速度，△f为相对运动时的频率变化量，f为激光雷达的工作频率，cosθ为与路面回弹时碰撞方向，由于两者均与原路面垂直，因此，θ＝0，cosθ＝1；

S30，根据后轮与激光雷达传感器之间的距离S，得出部分路面的回弹时间t₀＝S/v₀,然后计算部分回弹量L，计算公式为：

L＝V×t₀ (b)

其中，L为部分回弹量或部分变形量或部分路面弯沉量，V为路面回弹速度，由式(a)求得；

S40，根据弯沉盆半径R，得出变形路面的回弹时间t＝R/v₀，根据关系式：t₀：L＝t：L_max，将式(a)和式(b)的计算结果代入上述关系式，得到L_max的数值。

在进一步的方案中：所述速度v₀的最大值为120km/h。

在进一步的方案中：所述弯沉盆半径R为8-9m。

在进一步的方案中：所述底盘位于后轮后侧的位置上固定有纵向支撑板，纵向支撑板上固定有定位板，激光雷达传感器安装在定位板上。

在进一步的方案中：所述车厢内还设置有配重块。

在进一步的方案中：所述车体上还安装有速度传感器、距离传感器和电子温度传感器。

在进一步的方案中：所述速度传感器、距离传感器和电子温度传感器安装在定位板上且与激光雷达传感器并排布设。

相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明通过在车体上安装激光雷达传感器，利用多普勒效应在车体行进的过程中进行弯沉的动态检测，能够极大地提高检测效率与准确性，安全性高，能够提高测点距离与准确性，满足现有的检测要求；同时本发明能够简化激光雷达传感器的数量，其中针对一般沥青路面，为提高精度，优选使用三个激光雷达传感器，而针对高速路面，则只需使用一个激光雷达传感器，即本发明只需设置不超过三个激光雷达传感器，利用多普勒速度和弯沉盆半径即可联立计算路面弯沉量，简化了整体的结构，利于进行操控。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图。

图2为本发明的俯视结构示意图。

图3为本发明中激光雷达传感器的位置示意图。

图4为本发明的工作原理图。

附图标记注释：1-激光雷达传感器、2-速度传感器、3-距离传感器、4-电子温度传感器、5-底盘、6-前轮、7-后轮、8-纵向支撑板、9-定位板、10-车体、11-配重块、12-车厢。

具体实施方式

以下实施例会结合附图对本发明进行详述，在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在实际应用中，各部件的形状、厚度或高度可扩大或缩小。本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。

实施例1

请参阅图1～2，本发明实施例中，一种沥青路面弯沉快速检测方法，包括车体10以及安装于车体10的激光雷达传感器1，车体10具有底盘5、前轮6、后轮7和车厢12；所述激光雷达传感器1的数量为1～3个且设置于后轮7的后侧，其中，针对一般沥青路面，为提高精度，优选使用三个激光雷达传感器，而针对高速路面，则只需使用一个激光雷达传感器；激光雷达传感器1的激光传输方向与地面垂直，由于检测车在行程过程中，以后轮7为中心的前后两侧路面可分别定义为被压路面和回弹路面，而位于后轮7后侧的激光雷达传感器1就能够向回弹路面发送激光雷达波(详见实施例2中的工作原理描述)。

具体来说，所述底盘5位于后轮7后侧的位置上固定有纵向支撑板8，纵向支撑板8上固定有定位板9，激光雷达传感器1安装在定位板9上；本实施例中，激光雷达传感器1位置参数如附图3所示。

进一步的，所述车厢12内还设置有配重块11，能够加强监测车在行进过程中的平稳性，平时也可以提供路面形变所需要的压力。

进一步的，所述车体10上还安装有速度传感器2、距离传感器3和电子温度传感器4。

再进一步的，所述速度传感器2、距离传感器3和电子温度传感器4安装在定位板9上且与激光雷达传感器1并排布设。

实施例2

请参阅图4，本发明实施例将对实施例1所述检测车的工作过程进行描述。

图中G为后轮7的轮轴中心，A₀P₀A₀’为双后轮轮隙在路面上所引起的盆形沉陷的纵截面，也称为弯沉盆，OA₀与OA₀’分别为弯沉盆半径A₀P₀与A₀’P₀在原路面上的投影，OP₀为路面最大弯沉值(或最大回弹值或最大沉陷值)，K为激光雷达传感器1，能向路面垂直发射激光波，P₀为后轮7底部与变形后路面的交点。弯沉盆之所以视为三角形A₀P₀A₀’是由于后轮7一定范围内的路面辐射应力，而路面是有强刚度的，这样总合作用形成路面弯沉盆(或是路面变形盆)。

当汽车在向右行驶(以图示方向定义左右)时，右边部分路面A₀’P₀被轮子压缩向下弯曲沉陷至P₁、P₂、P₃，直到P_n，左边部分路面A₀P₀由于后轮7离开(应力向前移)而使路面向上回弹，位于后轮7后侧(左边)的激光雷达传感器1向回弹变形的路面A₀P₀发射激光雷达波，而这些波随着汽车向前右行不断地对路面A₀P₀产生扫描，扫描正在回弹的路面，从而与回弹的路面发生碰撞，产生相对运动，亦即回弹路面与波之间产生上下相对运动，按照多普勒原理，只要有相对运动，就会产生多普勒效应，就会产生波的频率的变化，根据频率变化与回弹速度之间的直线关系，可以推算出路面回弹变化速度，如下所示(该式为著名的多普勒效应公式)

式(1)：

式中，V为路面回弹速度(mm/s)，Δf为相对运动时的频率变化量(H_Z)，f为激光雷达的工作频率(H_Z)，cosθ为与路面回弹时碰撞方向，由于两者均与原路面垂直，因此，θ＝0，cosθ＝1。

在上式中，Δf为变化频率之差(即工作频率与变化频率之差)是测出来的，f为工作频率，激光雷达波为5×10¹⁴HZ，c为激光速度为30万km/s，cosθ＝1，因此，将参数代入上式，路面回弹时所变化的速度V随即求出。

当后轮向右行时，激光雷达传感器1随即对路面BC进行扫描(实际对BP₀进行扫描，由于回弹关系，写成BC)，从B点扫描到C点的时间：后轮7时速为120km/h＝33.33m/s，假设K点离G点的距离为1m，那么，时间为1m÷33.33m/s＝0.03s，因此，CP₀回弹长度或回弹弯沉(从B到C行驶时间与从P0到C的回弹时间是一样的，这里，不赘述)，为式(2)：

L＝V×0.03_N (2)

式中，L为部分回弹量或部分变形量或部分路面弯沉量(mm)，V为扣除跳动影响后的回弹速度(mm/s)，通过(1)式求出。

后轮7从P₀行驶到Pn点时，正好走过半个弯沉盆，亦即走完了弯沉盆半径A’₀P₀或P₀Pn(由于P₀Pn与A’₀P₀靠得很近，几乎相等，因此可以互用)。此时，左边路面的影响应力一点都没有，因此整个路面回复到原路面位置，即A₀P₀与A₀O重合，变形从P₀恢复至0点，发生这一情况的时间长度正好为后轮7滚到Pn的时间，或者后轮7从P₀滚压至Pn的时间，根据几年来的实测知道，高速公路弯沉盆的半径A₀P₀或A’₀P₀(或者OA₀或OA’₀)的长度约为8.5m，因此，以120km/h(或33.33m/s)的速度走完弯沉盆半径A’₀P₀或OA’₀(或P₀P_n)的时间为8.5m÷33.33m/s＝0.255s，此时，路面A₀P₀以同样的时间0.255s回弹至0，(因为一点作用力都没有的缘故)，这样很容易求出OP₀的最大弯沉值Lmax。由上述可知，0.03s时弯沉是L＝V×0.03s，那么，0.255s时的最大弯沉长度OP₀为：0.03s：L＝0.255s：Lmax(因为路面刚性强，拟为正比例关系)，这样形成下式(3)：

以上公式中，Lmax为高速公路最大弯沉值，V为回弹速度，0.255s是以120km/h速度经过半个弯沉盆截面半径的回弹时间。在这里，用激光雷达能测量出回弹速度V，这样，最大弯沉值Lmax就会全部求出来。以上就是求出路面最大回弹弯沉值(或最大回弹变形值或最大盆式沉陷值)的基本检出原理或方法。

由于弯沉盆半径不为定值(8.5m)，变化于8～9m之间，考虑到总弯沉Lmax计算精度，因此，采用随机截取的方法，先在坐标XY上按距离由计算机绘出弯沉盆图，然后在X距离方向取出一个弯沉值，当小于1％mm时的距离或长度，即为弯沉盆影响半径。

本发明的工作原理是：

本发明通过在车体10上安装激光雷达传感器1，利用多普勒效应在车体行进的过程中进行弯沉的动态检测，能够极大地提高检测效率与准确性，安全性高，能够提高测点距离与准确性，满足现有的检测要求；同时本发明能够简化激光雷达传感器的数量，其中针对一般沥青路面，为提高精度，优选使用三个激光雷达传感器1，而针对高速路面，则只需使用一个激光雷达传感器1，即本发明只需设置不超过三个激光雷达传感器1，利用多普勒速度和弯沉盆半径即可联立计算路面弯沉量，简化了整体的结构，利于进行操控。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种沥青路面弯沉快速检测方法，通过检测车实现，所述监测车包括车体(10)以及安装于车体(10)的激光雷达传感器(1)，车体(10)具有底盘(5)、前轮(6)、后轮(7)和车厢(12)；其特征在于，所述激光雷达传感器(1)的数量为1～3个且设置于后轮(7)的后侧，激光雷达传感器(1)的激光传输方向与地面垂直；

所述方法包括以下步骤：

S10，驱动检测车以速度v₀在路面上行驶；

S20，启动激光雷达传感器向回弹路面发射激光雷达波，采集数据以后计算路面回弹速度V，计算公式为：

其中，V为路面回弹速度，△f为相对运动时的频率变化量，f为激光雷达的工作频率，cosθ为与路面回弹时碰撞方向，由于两者均与原路面垂直，因此，θ＝0，cosθ＝1；

S30，根据后轮与激光雷达传感器之间的距离S，得出部分路面的回弹时间t₀＝S/v₀,然后计算部分回弹量L，计算公式为：

L＝V×t₀ (b)

其中，L为部分回弹量或部分变形量或部分路面弯沉量，V为路面回弹速度，由式(a)求得；

S40，根据弯沉盆半径R，得出变形路面的回弹时间t＝R/v₀，根据关系式：t₀：L＝t：L_max，将式(a)和式(b)的计算结果代入上述关系式，得到L_max的数值。

2.根据权利要求1所述的沥青路面弯沉快速检测方法，其特征在于，所述速度v₀的最大值为120km/h。

3.根据权利要求1所述的沥青路面弯沉快速检测方法，其特征在于，所述弯沉盆半径R为8-9m。

4.根据权利要求1所述的沥青路面弯沉快速检测方法，其特征在于，所述底盘(5)位于后轮(7)后侧的位置上固定有纵向支撑板(8)，纵向支撑板(8)上固定有定位板(9)，激光雷达传感器(1)安装在定位板(9)上。

5.根据权利要求1所述的沥青路面弯沉快速检测方法，其特征在于，所述车厢(12)内还设置有配重块(11)。

6.根据权利要求4或5所述的沥青路面弯沉快速检测方法，其特征在于，所述车体(10)上还安装有速度传感器(2)、距离传感器(3)和电子温度传感器(4)。

7.根据权利要求6所述的沥青路面弯沉快速检测方法，其特征在于，所述速度传感器(2)、距离传感器(3)和电子温度传感器(4)安装在定位板(9)上且与激光雷达传感器(1)并排布设。