基于路面纹理频谱分析的宏微观纹理分开采集装置

摘要

本发明提供一种基于路面纹理频谱分析的宏微观纹理分开采集装置，包括主体机架、直线移动模组、采集头、控制器以及移动电源；直线移动模组设置在主体机架的顶部内侧，采集头连接控制器的输入端；移动电源与采集头和控制器的电能输入端电连接，直线移动模组包括横向移动机构和纵向移动机构；采集头为基于频谱分析的图像采集头，采集头包括宏观扫描采集头和微观扫描采集头；纵向移动机构的移动部设置安装板，采集头设置在安装板上；横向移动机构和纵向移动机构采采用伺服电机驱动；实现对待测区域进行监测，本发明通过两套宏微观精度的采集头配合不同触发频率的伺服电机信号，实现了对宏微观纹理的分开采集，解决了纹理采集在精度、数据量、采样面积等各方面的矛盾，为实现路面纹理频谱分析提供了准确完备的数据。

说明书

技术领域

本发明属于路面表面纹理测试领域，具体涉及一种基于频谱分析的可供室内外使用的集宏微观纹理分开采集的路面纹理快速采集设备系统。

背景技术

2016年世界各地每年有近130万人死于交通事故，5000万人受伤或致残，最近几年仍在持续增长。而其中路面抗滑性能不足是导致交通事故的重要原因之一。而影响路面抗滑性能的重要因素就是路面表面的纹理构造。路面表面的摩擦力或打滑阻力可从不同构造的纹理获得。Larson et al.(2004)研究表明70％的湿天气下的交通事故是可以通过改善路面纹理或摩擦来预防的。造成10％的湿天气事故的飞溅和喷雾也可以用更深的纹理最小化。由此可见进一步的认识和探究路面表面纹理的几何构造，是改善路面抗滑性能的重要手段。

路面表面纹理根据路面表面波长和振幅的不同，可以将表面结构分为大构造、宏观纹理和微观纹理。路面大构造是波长范围是50-500mm，振幅范围0.1-50mm的纹理构造，路面宏观纹理波长0.5-50mm，振幅0.1-20mm，微观纹理波长小于0.5mm，振幅为0.001-0.5mm。大构造主要影响路面的平整度，宏观纹理和微观纹理主要影响路面的抗滑性能。所以对路面宏微观纹理的准确测量一直是开展路面抗滑性能研究的重要部分。目前路面纹理测量常用的技术有铺沙法、流量计、近距离摄影测量(CRP)、集料图像测量系统(AIMS)和激光纹理仪。铺砂法是根据定量体积的砂子摊铺在被测路面表面，根据所用砂体积和摊铺面积的比值求出构造深度，这种方法存在测试速度慢、定点测试偶然因素大以及人为因素大等天然缺陷。流量计是根据所流出液体的体积和时间计算路面构造深度，由于时间测量存在误差以及用流速间接表征纹理的不准确性，使得这种方法误差也很大。CRP由于设备限制只能准确的得到表面1—2mm的纹理值，这并不能满足完整的路面表面纹理的采集。AIMS只能对集料表面纹理进行采集，虽然路面主要部分是集料，但这还不能等同于对路面表面纹理的采集。目前使用最广泛的仍然是基于激光扫描技术的路面纹理扫描仪。

近距离高精度测试的激光扫描仪方面，目前已存在一些设备装置。比较有代表意义的是圆形纹理仪、美国AMES公司的LTS9400/9400HD、各种手持式激光扫描仪以及装有激光扫描装置的多功能道路检测车。圆形纹理仪测试区域为直径284mm的圆，精度为0.05-0.5mm。美国AMES公司生产的最新的激光纹理扫描仪系列是LTS9400/9400HD，精度为0.03mm。该设备扫描面积仅有104*72mm，且完成一次该面积扫描时间在1-200min，扫描区域小时间周期长成为该设备的主要问题。现在市场上最多的是手持式激光扫描仪，精度一般是0.05-0.5mm，这种扫描仪多用于工业生产中的3D模型重建，为保证精度，需要手持仪器对被测物体进行多角度反复扫描测试，在实际操作过程中为准确完成扫描可能需要较长时间，且该类设备价格较为昂贵，一般设备要40-70万，精度较高的接近百万或更多。装有激光扫描装置的多功能道路检测车，一般配合车辆行驶完成扫描，用于路面病害的快速检测或宏观纹理测量，实际精度都在一般在5mm左右。只可用于采集部分数值较大的路面宏观纹理。

路面宏观纹理波长0.5-50mm，振幅0.1-20mm，微观纹理波长小于0.5mm，振幅为0.001-0.5mm。目前有文献表明，微观纹理波长小于0.05mm的部分对抗滑性能影响很小，所以对微观纹理的研究主要需实现0.05-0.5mm波长范围的纹理扫描。由此可见上述现有可用于路面纹理采集的设备主要问题有，大多数设备可满足路面宏观纹理的扫描，能满足微观纹理扫描的设备主要存在扫描区域小、扫描速度低、造价高等问题。

还有个重要的问题，宏微观纹理所涵盖的路面纹理波长为0.005-50mm，市场上几乎所有的设备基本具有一个特点，即能满足全部宏观纹理波长范围的扫描设备在精度上无法满足微观纹理扫描，能满足微观纹理扫描的设备又由于扫描面积、扫描效率、数据储存过大等问题又严重制约了宏观纹理的采集。

目前随着学科交叉的深入，将光学中的频谱概念引用路面纹理中，实现路面纹理的频谱分析为纹理分析的新热点和趋势。所谓频谱分析，是将采集的纹理数据，通过傅里叶变换将纹理的空间信号变为频域信号，然后利用频率信号进行分析。具有高效准确的特点。要进行路面纹理的频谱分析，根据SIO 13473规范对纹理采集设备提出严格的要求。本发明基于该规范以及路面纹理分析的常规需求，进行了本设备装置的开发。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于路面纹理频谱分析的宏微观纹理分开采集装置，基于频谱分析及图像采集技术，将宏观扫描采集头和微观扫描采集头设置在直线移动模组上，实现对设定区域内路面的宏观纹理和微观纹理扫描，获取路面的宏观纹理和微观纹理图像数据，能实现快速扫描。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于路面纹理频谱分析的宏微观纹理分开采集装置，包括主体机架、直线移动模组、采集头、控制器以及移动电源；直线移动模组设置在主体机架的顶部内侧，采集头连接控制器的输入端；移动电源与采集头和控制器的电能输入端电连接，直线移动模组包括横向移动机构和纵向移动机构，横向移动机构的移动部与纵向移动机构相对固定连接；横向移动机构的固定部与主体机架顶部连接；采集头为基于频谱分析的图像采集头，采集头包括宏观扫描采集头和微观扫描采集头；纵向移动机构的移动部设置安装板，采集头设置在安装板上；横向移动机构和纵向移动机构采用电机驱动，所述电机均采用伺服电机。

控制器还通过I/O接口连接有存储器。

横向移动机构包括横向导轨和横向驱动组件，横向驱动组件包括横向丝杠和横向丝杠滑块，横向丝杠滑块与纵向移动机构相对固定连接，用于带动纵向移动机构整体横向移动；横向丝杠的两端通过轴承座组件与主体机架连接；纵向移动机构的两端与横向导轨可滑动连接，横向导轨与主体机架连接；横向丝杠的主动端连接横向驱动电机的输出端，横向驱动电机的控制输入端连接控制器输出端，移动电源为横向驱动电机供电。

纵向移动机构包括纵向导轨和纵向驱动组件，纵向驱动组件包括纵向丝杠和纵向丝杠滑块，纵向丝杠滑块与安装板相对固定连接，纵向丝杠和纵向导轨与横向移动机构的固定部可滑动连接。

纵向导轨整体设置在连接板上，连接板的两端还设置用于安装纵向丝杠的轴承座组件，连接板的两端设置有滑块，滑块与横向导轨滑动连接；纵向丝杠的主动端连接纵向驱动电机，纵向驱动电机的控制输入端连接控制器输出端，移动电源为纵向驱动电机供电。

纵向导轨设置在纵向驱动组件的两侧。

主体机架的顶部内侧还设置有一组纵向滑轨滑块组，横向移动机构的移动部通过一组纵向滑轨滑块组与主体机架顶部滑动连接，横向移动机构的移动部设置有两组。

主体机架为长方体框架，长方体框架采用型材组装，长方体框架上设置外罩，外罩采用遮光材质，外罩的侧面开设观察窗；主体机架的底部设置有可调支腿；纵向移动机构的有效移动距离不小于750mm。

安装板为L形，安装板水平部连接纵向移动机构的移动部，安装板竖直部开设用于安装采集头的腰型孔或螺栓孔。

横向移动机构和纵向移动机构的移动路径两端均设置有限位器，横向移动机构和纵向移动机构的移动部均设置有编码器，所述限位器和编码器均连接控制器的输入端。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

直线移动模组实现采集头沿两个方向平移，实现对待测区域进行监测，本发明通过两套宏微观精度的采集头配合不同出发频率的伺服电机信号，实现了对宏微观纹理的分开采集，解决了纹理采集在精度、数据量、采样面积等各方面的矛盾，并提供了更加精准的目标数据，这在现有路面纹理采集中，是首次实现此功能的设备；采用伺服电机编码器驱动采样，最小采样分辨率可达0.02mm；采用伺服信号实现位置触发采集，摆脱了行驶速度不均匀性导致的采样间距的不稳定性；根据不同的宏微观纹理采集需求，采用不同精度的采集头，并配合相应触发频率的伺服信号，实现了宏微观纹理尺度的精确扫描；本发明所述装置为非标定制，用市场现有2台宏微观扫描设备配套，造价将比高出本设备的2-3倍，本设备具有造价低，功能完备的特点，显示了极高的性价比；本发明所述装置设置有移动电源，无需固定电源持续供电，且装置较轻易于搬运，可满足室内外扫描。

进一步的，控制器还通过I/O接口连接有存储器，能及时将采集头采集的图像数据进行存储。

进一步的，纵向移动导轨设置在纵向驱动组件的两侧提高移动的稳定性。

进一步的，主体机架为长方体框架，长方体框架采用型材组装，长方体框架上设置外罩，外罩采用遮光材质，能防止外界光线干扰激光采集头。

进一步的，横向移动机构的移动部设置有两组能提高纵向移动机构横向移动的稳定性，进而有利于提高检测的准确性。

进一步的，安装板上开设腰型孔连接采集头使得其高度可调。

进一步的，横向移动机构和纵向移动机构的移动路径两端均设置有限位器，能及时停止扫描，避免出现在移动到极限位置时持续扫描一处；横向移动机构和纵向移动机构的移动部均设置有编码器，所述限位器和编码器均连接控制器的输入端，能及时将扫描的位置或距离直接传输至控制器。

附图说明

图1为本发明一种可实施装置的内部结构示意图。

图2为本发明一种可实施装置内部结构的仰视示意图。

图3为本发明一种可实施装置内部结构的侧视示意图。

附图中，1-主体机架，2-宏观扫描采集头，3-微观扫描采集头，4-安装板，41-安装板水平部，42-安装板竖直部，5-连接板，6-滑块，11-横向导轨，12-横向丝杠，13-横向丝杠滑块，14-纵向导轨，15-纵向丝杠。

具体实施方式

根据SIO 13473中关于纹理频谱分析的规定，要实现路面纹理的频谱分析，主要有以下几方面技术要求：

1)路面纹理最小不间断采集长度l满足以下条件：

l≥5λ

l≥15λ

λ

l为最小不间断连续采集长度

路面纹理频谱分析一般要采用1/3倍频程进行分析，路面宏观纹理范围是0.5—50mm，对于50mm的纹理结构，则最小不间断连续采集长度l应为750mm。

2)采集波长范围越小，设备所需的最小采样间隔越短。对于0.05—0.16mm波长范围的微观纹理，要实现准确的数据采集，需满足最小为0.02mm的数据采样间隔。

3)采样定位准确度误差需满足≤±10％。

4)采样速度要与采样频率和路面纹理波长相配合，要满足下面公式：

f＝υλ

f采样频率

υ采样速度

λ纹理波长

参考图1、图2以及图3，一种基于路面纹理频谱分析的宏微观纹理分开采集装置，包括主体机架1、直线移动模组、采集头、控制器以及移动电源；直线移动模组设置在主体机架1的顶部内侧，采集头连接控制器的输入端；移动电源与采集头和控制器的电能输入端电连接，直线移动模组包括横向移动机构和纵向移动机构，横向移动机构的移动部与纵向移动机构相对固定连接；横向移动机构的固定部与主体机架顶部连接；采集头为基于频谱分析的图像采集头，采集头包括宏观扫描采集头2和微观扫描采集头3；纵向移动机构的移动部设置安装板4，采集头设置在安装板4上；横向移动机构和纵向移动机构采用电机驱动，所述电机均采用伺服电机。

控制器还通过I/O接口连接有存储器。

横向移动机构包括横向导轨11和横向驱动组件，横向驱动组件包括横向丝杠12和横向丝杠滑块13，横向丝杠滑块13与纵向移动机构相对固定连接，用于带动纵向移动机构整体横向移动；横向丝杠12的两端通过轴承座组件与主体机架1连接；纵向移动机构的两端与横向导轨11可滑动连接，横向导轨11与主体机架1连接；横向丝杠12的主动端连接横向驱动电机的输出端，横向驱动电机的控制输入端连接控制器输出端，移动电源为横向驱动电机供电。

纵向移动机构包括纵向导轨14和纵向驱动组件，纵向驱动组件包括纵向丝杠15和纵向丝杠滑块16，纵向丝杠滑块16与安装板4相对固定连接，纵向丝杠15和纵向导轨14与横向移动机构的固定部可滑动连接。

纵向导轨14整体设置在连接板5上，连接板5的两端还设置用于安装纵向丝杠15的轴承座组件，连接板5的两端设置有滑块6；纵向丝杠15的主动端连接纵向驱动电机，纵向驱动电机的控制输入端连接控制器输出端，移动电源为纵向驱动电机供电。

纵向导轨14设置在纵向驱动组件的两侧。

主体机架1的顶部内侧还设置有一组纵向滑轨滑块组，横向移动机构的移动部通过一组纵向滑轨滑块组与主体机架顶部滑动连接，横向移动机构的移动部设置有两组。

主体机架1为长方体框架，长方体框架采用型材组装，长方体框架上设置外罩，外罩采用遮光材质，外罩的侧面开设观察窗；主体机架的底部设置有可调支腿。

安装板4为L形，安装板水平部41连接纵向移动机构的移动部，安装板竖直部42开设用于安装采集头的腰型孔或螺栓孔。

横向移动机构和纵向移动机构的移动路径两端均设置有限位器，横向移动机构和纵向移动机构的移动部均设置有编码器，所述限位器和编码器均连接控制器的输入端。

为满足宏微观扫描纹理扫描的在精度和扫描效率、数据量等问题上的天然矛盾，采用分别各自具备宏观纹理和微观纹理扫描精度的两套激光头去完成各自功能需求的扫描；优选一套为型号EyeScan AT-2040CS 23-38微观纹理采集器，一套为型号EyeScan HT-1600CS 30-260的宏观纹理采集器。2040CS 23-38最佳扫描距离为106±20mm，1600CS 30-260最佳扫描距离为400±150mm。可根据不同的扫描需求选择任一采集头，并安装到搭载平台上预先设定好的不同高度，用于满足各自采集器的最佳扫描距离，以保证分别准确的完成宏微观纹理的采集。

所述横向驱动电机和纵向驱动电机采用伺服电机，采集头采用激光采集头。

为实现路面纹理的频谱分析，激光采集头前进方向的扫描信号靠伺服电机驱动触发，摆脱对速度的依赖性，采用伺服电机编码器触发信号采集，实现最小采样间隔0.02mm的要求，同时可将定位精度控制在±10％以内；激光采集头沿前进方向的扫描长度大于750mm。

电脑上配套装有对应的软件程序，用于控制采集头完成扫描，并实现各类参数的设置，最后还可在可视化3D图像上进行处理，根据需求获得更加准确全面的纹理数据。

该系统为非标定制，根据目标需求进行全面完善的设计以满足定制化的个性需求，从而造价远低于市场上设备，同时在功能上也更加全面完善。得到了极高的性价比。

宏观扫描系统运行方案：

将1600CS 30-260型号采集头安装在L型固定板上面一排的孔位中。然后将搭载有采集头的扫描装置静置于被测路面上方。接通电源，激光头会发射出一条横向激光线，映射在被测路面上显示长度为257±5mm。通过调节横向手轮将直线移动模组整体横向移动，目的是将初始0位激光线准确定位于被扫描路面上。预先设定每次纵向扫描距离、设置采样间隔等参数，启动伺服电机，同时启动电脑软件，便开始激光扫描，数据S1会以.e3c格式自动存储在电脑上。当激光头运行到设定距离时自动结束扫描，存储的数据也可另外为.csv或.txt格式，方便后续进行数据分析。由于路面轮迹带宽度为180-220mm，一般扫描1次可覆盖横向轮迹带宽度。

微观扫描系统运行方案：

将2040CS 23-38型号采集头安装在L型固定板下面一排孔位中。然后将搭载有采集头的扫描装置静置于被测路面上方。接通电源，激光头会发射出一条横向激光线，映射在被测路面上显示长度为38±0.5mm。通过调节横向手轮将直线移动模组整体横向移动，目的是将初始0位激光线准确定位于被扫描路面上。预先设定本次纵向扫描距离、设置采样间隔等参数，启动伺服电机，便开始激光扫描，数据S1会以.e3c格式自动存储在电脑上。当激光头运行到设定距离时自动结束扫描，存储的数据也可另外为.csv或.txt格式。若要实现更宽扫描带的数据采集，则然后继续调节横向手轮，横向移位37mm，重复上述步骤，再次完成一次扫描，存储数据S2。根据需要重复扫描，一般认为最多横向累计长度不超过轮迹带宽,最多6次即可。若要获取完整的三维扫描图像，对所采集的扫描数据反映的图像进行拼接，合成一个整体图像S将数据储存。存储的数据也可另外为.csv或.txt格式，方便后续进行数据分析。

作为一个优选的实施例，纵向移动机构的有效移动距离为800mm；直线移动模组的移动部装有L型采集头安装板。安装板整体总长350mm，竖直向下的安装板上下端部各开设4个安装孔，上端部下排安装孔距离地面直线距离40mm，下端部下排安装孔距离地面直线距离106mm；长方体外罩长880mm，宽480mm，高560mm，长方体框架12条边为铝合金型材制作，外表面采用不透光的硬质塑料板包围；在其侧面距上方15cm位置开有20*30cm的观察窗，观察窗门采用旋转式装配；长方体外罩下方四角安装有脚杯立于地面上。

作为一个可选的实施例，本申请用笔记本电脑替代控制器，笔记本电脑上面安装EYESCAN软件，用于进行包括扫描长度、扫描频率、采用间距等扫描参数设置，同时用于储存扫描数据，在EYESCAN软件上可进行扫描数据的可视化处理；EyeVision扫描软件；

所述的电池为普通锂电池，输出电压24V，所述的激光采集头为EyeScan AT-2040CS 23-38微观纹理采集器和yeScan HT-1600CS 30-260宏观纹理采集器。

经过测试，采用本发明所述装置，完成一次长1m宽0.3m覆盖轮迹带宽的纹理扫描仅需十几秒，如果与完成相同面积纹理扫描的AMES设备相比，效率是其50-100倍；与手持式扫描仪相比，速度是其10倍。与圆形纹理仪相比，速度是其9倍。

本发明所述装置检测的精度高更准确，1600CS 30-260采集头Z方向分辨率0.00509mm，X方向采样间隔0.12mm，扫描频率25000HZ，2040CS 23-38采集头Z方向分辨率0.00066mm，X方向采样间隔0.016mm，扫描频率25000HZ。Y方向采用伺服电机编码器驱动采样，最小采样分辨率可达0.01mm。采用伺服信号实现位置触发采集，摆脱了行驶速度不均匀性导致的采样间距的不稳定性。根据不同的宏微观纹理采集需求，采用不同精度的扫描头，并配合相应触发频率的伺服信号，实现了宏微观纹理尺度的精确扫描。

根据宏微观尺度进行测量：路面宏观纹理的采集特点是，速度要求高，采集面积大，数据量大。微观纹理采集特点是，速度要较低，采集面积小，数据量大。若设备只具备宏观纹理采集精度，那无法完成微观纹理的采集，作为用于抗滑研究的路面纹理采集显然是不够的。若用达到微观纹理精度的数据采集密度去完成宏观纹理的采集，数据量一定是特别庞大的，且效率低下。所以二者有天然的矛盾。本设备系统通过两套宏微观精度的采集头配合不同触发频率的伺服电机信号，实现了对宏微观纹理的分开采集、分开储存。解决了纹理采集在精度、数据量、采样面积等各方面的矛盾，并提供了更加精准的目标数据。这在现有路面纹理采集中，是首次实现此功能的设备。

频谱分析对采集设备必需的一项要求是，设备纵向扫描长度满足达到最小连续扫描长度，路面纹理频谱分析一般要用1/3倍频程。对于路面宏观纹理范围是0.5—50mm，则最小不间断连续采集长度l应为750mm。

能实现这样纵向长度的连续扫描的设备，目前市场上还没有，所以该设备的开发为路面纹理的频谱分析创造了必需的设备基础。

本发明所述装置的造价低、功能完备，根据目标需求进行全面完善的设计以满足定制化的个性需求，克服了市场上没有满足上述全部需求的现成设备。如果为实现上述需求，用市场现有2台宏微观扫描设备配套，造价将比高出本设备的2-3倍。所以本设备具有造价低，功能完备的特点，显示了极高的性价比。

本发明所述装置可用于室内外扫描；扫描装置配套有电池，无需固定电源持续供电，且装置较轻易于搬运，可满足室内外扫描。