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1、10申请公布号CN102061659A43申请公布日20110518CN102061659ACN102061659A21申请号201010521428222申请日20101027E01C23/03200601G03B29/0020060171申请人毛庆洲地址430079湖北省武汉市珞瑜路129号武汉大学信息学部72发明人毛庆洲秦培煜陈小宇毛庆乐54发明名称一种城市道路路面日常巡检设备57摘要本发明涉及一种路面病害日常快速巡检的设备，尤其是涉及一种基于多传感器集成的城市道路路面日常巡检设备，可以广泛应用于城市道路、高速公路及国省道路面的日常养护巡检等领域。本发明提出了一种基于车载的路面病害日常快。
2、速巡检的设备，该设备以机动车为平台，集成了图像传感器、加速度计、光电编码器、MEMS陀螺、GPS接收机、LED闪光灯、3G通信终端、协同控制电路及车载计算机等传感器及设备，本设备能够完全自动化，并能在城市正常交通速度条件下，即1580KM/H条件下进行路面病害巡检，安全隐患小，不会影响正常交通。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图4页CN102061665A1/2页21一种城市道路路面日常巡检设备，其特征在于，包括移动系统以及设置在移动系统上的相机同步控制装置，该移动系统上还设置有均与相机同步控制装置相连的CCD相机、加速度计、光电编码器、。
3、GPS接收机、陀螺仪以及电源装置。2根据权利要求1所述的一种城市道路路面日常巡检设备，其特征在于，所述的相机同步控制装置包括主机系统以及分别与主机系统相连的图像定位单元以及移动速度与图像融合分析单元。3根据权利要求2所述的一种城市道路路面日常巡检设备，其特征在于，所述的图像定位单元包括航位推算模块通过串行通信及A/D转换接口接收GPS接收机的时间与定位数据、陀螺仪的角速度信号与光电编码器的里程信号，并采用卡尔曼滤波器，将定位信号、角速度信号与距离信号进行融合，得到移动系统当前的位置与航向；里程计数模块接收光电编码器的里程信号后，完成对里程脉冲的计数，得到移动系统当前位置相对于起点的距离；摄像控。
4、制模块接收光电编码器的里程信号后，按照设定的照相拍摄间距产生CCD相机触发信号；图像定位模块接收航位推算模块的绝对定位数据、里程计数模块的相对定位数据以及摄像触发模块的触发信号后，通过预测插值算法，计算给触发脉冲所拍摄图像的位置信息，该信息包括绝对大地坐标、相对里程及时刻信息。4根据权利要求2所述的一种城市道路路面日常巡检设备，其特征在于，所述的图像融合分析单元包括颠簸处理模块接收光电编码器及加速度计的输出信号并通过光电编码器的里程信号来判定移动系统的速度；路面高程异常与图像融合模块获取路面高程异常信息，并将其与智能图像处理模块获取的病害信息进行融合，判定路面病害的类型及严重程度。智能图像处理。
5、模块接收CCD相机采集的路面图并处理后得到的病害信息加速度；5根据权利要求4所述的一种城市道路路面日常巡检设备，其特征在于，所述的颠簸处理模块工作的具体方法为对单位时间内的里程脉冲的计数，以及单个里程脉冲所对应的移动系统行驶距离，得到单位时间内移动系统行驶的距离，从而计算出移动系统的运行速度；该模块将两加速度计的瞬时输出值与车辆速度的比值，作为判定当前路面位置是否有的高程异常的指数，如下式其中，ST为T时刻的路面高程异常指数，AT为T时刻的车轮加速度值，VT为车辆T时刻的速度值。当ST大于用户设定的阈值S时，则判定路面有高程异常。6根据权利要求2所述的一种城市道路路面日常巡检设备，其特征在于，。
6、它还包括均与相机同步控制装置相连的3G无线通信终端以及LED闪光灯。7根据权利要求1所述的一种城市道路路面日常巡检设备，其特征在于，所述的加速度计包括左加速度计以及右加速度计，分别设置在移动系统的左、右驱动装置上。8根据权利要求1所述的一种城市道路路面日常巡检设备，其特征在于，所述的相机权利要求书CN102061659ACN102061665A2/2页3同步控制装置还包括与上述主机系统相连的用于实时同步时间的时间同步模块。9根据权利要求4所述的一种城市道路路面日常巡检设备，其特征在于，所述的路面高程异常与图像融合模块的具体工作原理如下当移动系统行驶过程中，上述设置在移动系统上的加速度计输出的加。
7、速度值与移动系统的移动速度的比值超过用户预定的阈值时，将该比值信号与智能图像处理模块接收的路面纹理结构信号输入给主机系统。权利要求书CN102061659ACN102061665A1/7页4一种城市道路路面日常巡检设备技术领域0001本发明涉及一种路面病害日常快速巡检的设备，尤其是涉及一种基于多传感器集成的城市道路路面日常巡检设备，可以广泛应用于城市道路、高速公路及国省道路面的日常养护巡检等领域。背景技术0002路面是车辆与道路直接发生接触与作用力的表面，将直接影响车辆行驶的安全与平稳性。因此，确保路面的完好性是道路养护管理部门最重要的工作之一。0003随着道路的开通运行，在气候、环境、车辆荷。
8、载及人为等因素的作用下，路面不可避免的发生裂缝、破损、沉降、拥包等各种各样的病害，这些病害降低了道路的行车舒适性、通行速度及道路的使用寿命，某些病害甚至影响着交通安全。如城市道路中由于超载及盗窃等原因导致的井盖损坏或丢失，将严重危及行车安全，如2004年8月27号傍晚发生在北京市圆明园西路的一起3死3伤损坏6辆汽车的重大交通事故，就是因为道路中间的井盖突出引起的。因此，加强路面的日常养护，发现病害及时修补，对保障城市道路交通，保持市容市貌的美观整洁，延长道路使用寿命，减少大修费用，都十分重要。0004目前，为加强城市道路养护管理水平，很多大城市都建立了自己的养护管理信息系统，如北京市城市道路养。
9、护管理中心建立的“城市道路巡查信息管理系统”、武汉市城市管理局建立了“武汉市城市网格化管理与服务系统”等，这些管理信息系统的建立大大提高了城市道路养护效率的管理水平，但是其道路病害的日常巡检主要依靠城市管理人员采用专用的PDA采集或手工采集，如北京市在五环内道路上，有60余名道路巡查人员通过PDA便携式智能传输设备，对巡查发现的道路病害信息进行定位、拍照，并通过无线网络上报。由于缺乏现代化的信息获取手段，严重制约着这些管理信息系统发挥更大的作用。发明内容0005本发明主要是解决现有技术所存在目前城市道路病害巡检手段主要采用PDA等简易设备，完全依靠人工方式实现，巡检过程中巡检员的安全隐患大、影。
10、响正常交通、人为主观性强等的技术问题；提供了一种能够完全自动化，并能在城市正常交通速度条件下，即1580KM/H条件下进行路面病害巡检，安全隐患小，不会影响正常交通的一种城市道路路面日常巡检设备。0006本发明还有一目的是解决现有技术所存在的路面检测设备在使用过程中，车载计算机主要完成路面图像的记录，并不对采集图像进行实时的处理等的技术问题；提供了一种能实时可靠的进行在线病害识别，在巡检设备的运行过程中，在采集路面图像的同时，自动识别重点路面病害，主要包括井盖缺损、较大的裂缝、坑槽等的一种城市道路路面日常巡检设备。0007本发明再有一目的是解决现有技术所存在的路面检测设备在识别路面病害时，完全。
11、依靠对图像的甄别与理解，没有其它传感器配合等的技术问题；提供了一种能通过加速说明书CN102061659ACN102061665A2/7页5度计信号与车速信号融合，判断路面的沉降、变形、错台等变形类病害的一种城市道路路面日常巡检设备。0008本发明还有一目的是解决现有技术所存在的路面检测设备通过移动存储器或有线网络，将采集到的图像数据传输到处理中心的计算机，进行图像处理，不能实时传输道路信息等的技术问题；提供了一种能实时将病害图像及属性信息发送到远程监控中心的一种城市道路路面日常巡检设备。0009本发明最后有一目的是解决现有技术所存在的路面检测设备采用自然光照明或者大功率灯照明，使得采集图像受。
12、到太阳光干扰严重或者系统功耗过大，采集图像质量难以保证等的技术问题；提供了一种能解决路面图像获取时的补光以减少太阳光及阴影的干扰，同时具备高亮度、低功耗、长寿命的一种城市道路路面日常巡检设备。0010本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的0011一种城市道路路面日常巡检设备，其特征在于，包括移动系统以及设置在移动系统上的相机同步控制装置，该移动系统上还设置有均与相机同步控制装置相连的CCD相机、加速度计、光电编码器、GPS接收机、陀螺仪以及电源装置。0012在上述的一种城市道路路面日常巡检设备，所述的相机同步控制装置包括主机系统以及分别与主机系统相连的图像定位单元以及移动速度与图。
13、像融合分析单元。0013在上述的一种城市道路路面日常巡检设备，所述的图像定位单元包括0014航位推算模块通过串行通信及A/D转换接口接收GPS接收机的时间与定位数据、陀螺仪的角速度信号与光电编码器的里程信号，并采用卡尔曼滤波器，将定位信号、角速度信号与距离信号进行融合，得到移动系统当前的位置与航向；0015里程计数模块接收光电编码器的里程信号后，完成对里程脉冲的计数，得到移动系统当前位置相对于起点的距离；0016摄像控制模块接收光电编码器的里程信号后，按照设定的照相拍摄间距产生CCD相机触发信号；0017图像定位模块接收航位推算模块的绝对定位数据、里程计数模块的相对定位数据以及摄像触发模块的触。
14、发信号后，通过预测插值算法，计算给触发脉冲所拍摄图像的位置信息，该信息包括绝对大地坐标、相对里程及时刻信息。0018在上述的一种城市道路路面日常巡检设备，所述的图像融合分析单元包括0019颠簸处理模块接收光电编码器及加速度计的输出信号并通过光电编码器的里程信号来判定移动系统的速度；0020智能图像处理模块接收CCD相机采集的路面图并处理后得到的病害信息加速度；0021路面高程异常与图像融合模块获取路面高程异常信息，并将其与智能图像处理模块获取的病害信息进行融合，判定路面病害的类型及严重程度。0022在上述的一种城市道路路面日常巡检设备，所述的颠簸处理模块工作的具体方法为对单位时间内的里程脉冲的。
15、计数，以及单个里程脉冲所对应的移动系统行驶距离，得到单位时间内移动系统行驶的距离，从而计算出移动系统的运行速度；该模块将两加速度计的瞬时输出值与车辆速度的比值，作为判定当前路面位置是否有的高程异常的指数，如下式说明书CN102061659ACN102061665A3/7页600230024其中，ST为T时刻的路面高程异常指数，AT为T时刻的车轮加速度值，VT为车辆T时刻的速度值。当ST大于用户设定的阈值S时，则判定路面有高程异常。0025在上述的一种城市道路路面日常巡检设备，它还包括均与相机同步控制装置相连的3G无线通信终端以及LED闪光灯。0026在上述的一种城市道路路面日常巡检设备，所述的。
16、加速度计包括左加速度计以及右加速度计，分别设置在移动系统的左、右车轮悬挂装置上。0027在上述的一种城市道路路面日常巡检设备，所述的相机同步控制装置还包括与上述主机系统相连的用于实时同步时间的时间同步模块。0028在上述的一种城市道路路面日常巡检设备，所述的路面高程异常与图像融合模块的具体工作原理如下当移动系统行驶过程中，上述设置在移动系统上的加速度计输出的加速度值与移动系统的移动速度的比值超过用户预定的阈值时，将该比值信号与智能图像处理模块接收的路面纹理结构信号输入给主机系统。0029因此，本发明具有如下优点1能够完全自动化，并能在城市正常交通速度条件下，即1580KM/H条件下进行路面病害。
17、巡检，安全隐患小，不会影响正常交通；2能实时可靠的进行在线病害识别，在巡检设备的运行过程中，在采集路面图像的同时，自动识别重点路面病害，主要包括井盖缺损、较大的裂缝、坑槽；3能通过加速度计信号与车速信号融合，判断路面的沉降、变形、错台等变形类病害；4能实时将病害图像及属性信息发送到远程监控中心；5能解决路面图像获取时的补光以减少太阳光及阴影的干扰，同时具备高亮度、低功耗、长寿命附图说明0030附图1是本发明的一种结构示意图；0031附图2是本发明的一种工作原理示意图；0032附图3是本发明的一种信号连接原理示意图；0033附图4是本发明中图像定位单元的工作原理示意图；0034附图5是本发明中图。
18、像同步采集控制的工作原理示意图；0035附图6是本发明中图像融合分析单元的工作原理示意图；0036附图7是本发明中相机同步控制装置的工作原理示意图；0037附图8是本发明中的电源供电方案连接示意图；0038附图9是本发明的软件工作流程示意图。具体实施方式0039下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，城市越野车1，CCD相机2、LED闪光灯3、加速度计4、光电编码器5、GPS接收机6、相机同步控制装置7、车载计算机8、3G无线通信终端9、电源装置10、移动系统、陀螺仪、图像定位单元、图像融合分析单元、航位推算模块、里程计数模块、摄像控制模块、图像定位模块、颠簸处。
19、理模块、智能图像处理模块、路面高程异常与图像融合模块、左加速度计、右加速度计、时说明书CN102061659ACN102061665A4/7页7间同步模块。0040实施例0041一种城市道路路面日常巡检设备，包括移动系统以及设置在移动系统上的相机同步控制装置，该移动系统上还设置有均与相机同步控制装置相连的CCD相机、加速度计、光电编码器、GPS接收机、陀螺仪以及电源装置。相机同步控制装置包括主机系统以及分别与主机系统相连的图像定位单元以及移动速度与图像融合分析单元，它还包括均与相机同步控制装置相连的3G无线通信终端以及LED闪光灯，加速度计包括左加速度计以及右加速度计，分别设置在移动系统的左、。
20、右驱动装置上，该相机同步控制装置还包括与上述主机系统相连的用于实时同步时间的时间同步模块。0042如图1示，城市道路路面日常巡检设备由硬件和软件两部分组成。软件主要包括数据采集软件、图像处理与分析软件、远程数据传输软件及数据接收与显示软件组成。0043城市道路路面日常巡检车硬件主要由移动系统，在本实施例中，采用城市越野车1，CCD相机2、LED闪光灯3、加速度计4、光电编码器5、GPS接收机6、包含有主机系统的相机同步控制装置7、3G无线通信终端9及电源装置10构成，需要说明的是，本实施例的主机系统采用车载计算机8。0044城市越野车1作为移动测量平台，为路面日常巡检车的各传感器及设备提供搭载。
21、平台，同时为系统的各个设备的工作提供稳定的电源。CCD相机2通过一个折叠支架安装在车辆后部，用于拍摄路面图像。LED闪光灯3与CCD相机2安装在一起，用于拍摄时的补光，以降低太阳光的干扰。加速度计4共2只，分别安装在两后轮的悬架上，以测量后轮在行驶过程中的加速度。光电编码器5安装在左侧车轮的中心轴上，以测量车辆的运行速度和距离。GPS接收机6的天线安装在车顶，接收机安装在相机同步控制装置7内，用于车辆的定位。相机同步控制装置7安装在城市越野车1内行李箱，用于协同控制CCD相机2与LED闪光灯3的拍摄。车载计算机8安装在城市越野车1内行李箱，用于路面图像的采集、存储、实时处理与通信。3G无线通信。
22、终端9通过USB接口安装在车载计算机8上，用于将车辆的位置及病害图像远程发送到控制中心。电源装置10安装在城市越野车1内行李箱，为系统的各个传感器及设备提供连续稳定的电源。0045如图2所示，城市道路路面日常巡检设备是车载移动测量技术的一个具体应用，本发明采用多传感器融合技术与智能图像分析技术，车载计算机将传感器采集的数据进行实时在线处理，将路面病害图像及其位置信息通过3G无线通信终端传输到远程控制中心。0046在图2中，GPS接收机、陀螺仪与光电编码器的信息融合实现车辆动态位置的推算，能够在GPS信号受到干扰或遮挡的情况下，正常输出车辆的坐标及里程数据；光电编码器和加速度计的信息融合实现路面。
23、纵向高程异常的提取，如路面的坑槽、错台等；CCD相机与LED闪光灯配合获取高质量的路面图像。车辆的定位信息、路面高程的异常与路面图像经过车载计算机的融合和分析后，获得路面的病害及其图像，通过3G无线终端发送到远程控制中心。0047如图3所示，为本实施例中城市道路路面日常巡检设备的信号连接原理，GPS接收机、光电编码器、加速度计及陀螺仪的信号输入到相机同步控制装置，由相机同步控制装置完成数据的处理，输出图像的位置及该图像是否有路面高程异常等信息，发送至车载计算机。车载计算机接受CCD相机的图像信息与位置等信息，经过数据在线处理后，得到病害图说明书CN102061659ACN102061665A5。
24、/7页8像信息，并将此信息通过3G无线通信终端发送到远程控制中心。0048下面就各个子系统详细阐述本城市道路路面日常巡检设备中相机同步控制装置各子单元的原理与方案。0049如图4示，所示，为本实施例中图像定位单元的工作原理0050图像定位单元包括0051航位推算模块通过串行通信及A/D转换接口接收GPS接收机的时间与定位数据、陀螺仪的角速度信号与光电编码器的里程信号，并采用卡尔曼滤波器，将定位信号、角速度信号与距离信号进行融合，得到移动系统当前的位置与航向；0052里程计数模块接收光电编码器的里程信号后，完成对里程脉冲的计数，得到移动系统当前位置相对于起点的距离；0053摄像控制模块接收光电编。
25、码器的里程信号后，按照设定的照相拍摄间距产生CCD相机触发信号；0054图像定位模块接收航位推算模块的绝对定位数据、里程计数模块的相对定位数据以及摄像触发模块的触发信号后，通过预测插值算法，计算给触发脉冲所拍摄图像的位置信息，该信息包括绝对大地坐标、相对里程及时刻信息。0055GPS接收机的时间与定位数据数字信号、陀螺仪的角速度信号模拟信号与光电编码器的里程信号脉冲信号通过串行通信及A/D转换接口传送到航位推算模块，航位推算模块采用卡尔曼滤波器，将定位信号、角速度信号与距离信号进行融合，得到车辆当前的位置与航向。此方案的优点是可以克服在城市中由于高楼、立交桥、地下通道对GPS卫星的遮挡的条件下。
26、，仍能连续得到准确的车辆定位数据。里程计数模块接收光电编码器的里程信号后，完成对里程脉冲的计数，得到当前位置相对于起点的距离。摄像触发模块接收光电编码器的里程信号后，按照设定的照相拍摄间距产生CCD相机触发信号。图像定位模块接收航位推算模块的绝对定位数据、里程计数模块的相对定位数据以及摄像触发模块的触发信号后，通过预测插值算法，计算给触发脉冲所拍摄图像的位置信息，该信息包括绝对大地坐标、相对里程及时刻信息。0056如图5示，为本实施例中城市道路路面日常巡检设备图像同步采集控制原理相机同步控制装置接收光电编码器的里程信号脉冲信号，按照车载计算机发送的设置参数图像拍摄间距，产生CCD相机拍摄触发脉。
27、冲信号，用于CCD相机的拍摄及LED闪光灯的照明。车载计算机主要用于相机同步控制装置及CCD相机的拍摄参数设置。0057如图6示，所示，为本实施例中图像融合分析单元的工作原理0058图像融合分析单元包括0059颠簸处理模块接收光电编码器及加速度计的输出信号并通过光电编码器的里程信号来判定移动系统的速度；颠簸处理模块工作的具体方法为对单位时间内的里程脉冲的计数，以及单个里程脉冲所对应的移动系统行驶距离，得到单位时间内移动系统行驶的距离，从而计算出移动系统的运行速度；该模块将两加速度计的瞬时输出值与车辆速度的比值，作为判定当前路面位置是否有的高程异常的指数，如下式00600061其中，ST为T时刻。
28、的路面高程异常指数，AT为T时刻的车轮加速度值，VT为车辆T说明书CN102061659ACN102061665A6/7页9时刻的速度值。当ST大于用户设定的阈值S时，则判定路面有高程异常。0062智能图像处理模块接收CCD相机采集的路面图并处理后得到的病害信息加速度；0063路面高程异常与图像融合模块当车辆行驶过程中，安装在车轮悬架上的加速度计输出的加速度值与车速的比值超过预定的阈值时，输出加速度异常，表明路面的局部高程发生了剧烈的变化，表明该段路面有坑槽、错台或者局部沉降等病害，此比值数值越大，表明病害越严重；同时相机拍摄的该段路面图像通过处理，当发现有明显的纹理结构变化或者灰度变化时，说。
29、明该段路面有坑槽面状或者错台线状。将加速度值的异常与图像识别的结果将可以确定该处的病害的类型及程度；如果通过图像没有发现明显的纹理变化，则可以判定该段路面有局部沉降或变形病害。0064CCD相机采集的路面图像经过智能图像处理模块处理后，其得到的病害信息加速度与路面高程异常与图像融合模块输出的路面高程异常信息进行融合，判定路面病害的类型及严重程度。0065如图8示，为本实施例中的电源供电方案，汽车发电机产生的直流电源通过保险丝，输送到蓄电池，经过车载电源装置后，分别输送到相机同步控制装置和车载计算机。GPS接收机、光电编码器、CCD相机、LED闪光灯、加速度计、陀螺仪由相机同步控制装置提供电源，。
30、而3G无线通信终端则由车载计算机的USB总线供电。0066如图9示，为本实施例城市道路路面日常巡检设备的软件工作流程，主要分两种线程运行，分别是图像采集线程与病害识别线程。0067图像采集线程的流程是当启动该线程后，发送图像采集指令，等待相机的触发信号，当相机触发采集图像后，将图像数据传输到内存，同时接收到该图像的定位信息，将图像数据与定位信息融合后，以一定的格式存储到内存中，同时也将图像进行存盘，然后进入下一幅图像的采集。0068病害识别线程的流程是当启动该线程后，病害识别线程等待新采集的图像，当有新采集的图像到达后，首先根据该图像的辅助信息判断该图像所覆盖的路面是否有高程异常，如果有，直接。
31、进入病害类型识别步骤；如果没有则对该图像进行预处理、图像分割与提取步骤，然后判断该幅图像是否有病害，如果有病害，则进入病害类型识别步骤；最后将病害图像与病害类型进行数据打包，通过3G无线通信网络发送到远程控制中心。0069需要注意的是，本实施例中，附图3、5、8中，为了更直观的表示，将主机系统即车载计算机作为单独设备与相机同步控制装置分开表示，实际上，主机系统即车载计算机是相机同步控制装置内部其中一个单独设备。0070本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者。
32、超越所附权利要求书所定义的范围。0071尽管本文较多地使用了城市越野车1、CCD相机2、LED闪光灯3、加速度计4、光电编码器5、GPS接收机6、相机同步控制装置7、车载计算机8、3G无线通信终端9、电源装置10、移动系统、陀螺仪、图像定位单元、图像融合分析单元、航位推算模块、里程计数模块、摄像控制模块、图像定位模块、颠簸处理模块、智能图像处理模块、路面高程异常与图像融合模块、左加速度计、右加速度计、时间同步模块等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。说明书CN102061659ACN102061665A7/7页10使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。说明书CN102061659ACN102061665A1/4页11图1图2说明书附图CN102061659ACN102061665A2/4页12图3图4图5说明书附图CN102061659ACN102061665A3/4页13图6图7说明书附图CN102061659ACN102061665A4/4页14图8图9说明书附图CN102061659A。