一种多传感器融合的路面平整度检测装置

技术领域

本发明涉及发明属于传感器技术和道路检测技术领域，具体涉及一种多传感器融合的路面平整度检测装置。

背景技术

随着社会经济的飞速发展，中国道路交通网日趋完善，在公路新建里程增长逐渐缓慢的同时，公路养护里程所占比例逐年增加。路面平整度的高低不但会影响行车的舒适感，对行车安全也有一定的影响，因此必须进行定期或者不定期的道路平整度检测。随着人们对于智能化设备研究不断深入，智能化改进目前的检测设备对道路质量的评估有着重要意义。

路面平整度是路面使用性能的一项重要指标，传统的检测方法价格昂贵，应用比较单一。针对目前国内在道路平整度检测这一领域的研究仍处于测试或研发阶段，同时传统道路平整度检测设备已经很难满足要求，而加速度传感器、超声波传感器是价格相对低廉、安装和操作都较为方便的设备，将其安装在机器人上就可以采集得到机器人的加速度、竖向距离等数据，然后对采集得到的数据进行处理，就可以计算出平整度评价指标，该方法同时具有成本低廉、操作便捷的特点，可以大大提高路面平整度的测试频率，从而更精确地指导路面的养护。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种多传感器融合的路面平整度检测装置，其特点在于，包括机器人控制系统、路面感知系统及云端信息处理系统。其中，机器人控制系统包括MCU、供电模块、GPS定位模块及电机控制模块，路面感知系统包括加速度传感器及超声波传感器和云端信息处理系统，其结构特点在于：

优选的，所述MCU采用STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V～3.6V；

优选的，所述加速度模块采用MPU6050传感器，MPU6050用于测量物体在x、y、z三个方向上的加速度和角速度。加速度计可以检测物体的线性加速度，而陀螺仪可以检测物体的角速度。通过将加速度计和陀螺仪的测量结果进行组合，可以计算出物体的方向和角度。MPU6050与MCU相连；

优选的，所述超声波模块采用HCSR04传感器，HCSR04探测精度高达0.2cm，将5次距离测量结果取平均进行运算，误差小且精度高，测距范围为2-400cm。该模块用于测量机器人的离地高度。HCSR04与MCU相连；

优选的，所述GPS模块采用UM220-III，UM220-III是目前市场上尺寸最小的完全国产化的北斗/GPS模块，集成度高、功耗低，非常适合对尺寸、功耗要求高的北斗规模应用。所述GPS模块与MCU相连；

优选的，所述电机控制模块采用L298N驱动模块，L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。所述L298N驱动模块与电机相连；

优选的，所述多传感器数据融合模块，首先对加速度传感器采集的加速度和角速度进行数据处理，获得初始竖向位移和竖向角度姿态，然后融合超声波传感器获得的机器人离地距离获得相对竖向位移，通过GPS模块获得水平位移，通过路面平整度公式得到平整度数据；

优选的，所述加速度传感器MPU6050的加速度计的三轴分量ACC_X、ACC_Y和ACC_Z均为16位有符号整数，其均以重力加速度g的倍数为单位，有四个可选量程：±2g、±4g、±8g、±16g。为了得到最终的力值，单位为g，我们用下面的公式：

实际加速度

优选的，所述超声波传感器模块，通过IO口给Trig接口周期不小于10us的脉冲信号。HC-SR04接收到MCU发来的脉冲信号后自动发送8个频率为40KHz的方波，自动检测是否有信号返回。若有信号返回，则通过Echo接口向MCU相连的IO口发送一个高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的总时间。距离计算：高电平持续时间为T，声速为340m/s，时间T是从发射到返回的时间，超声波测距模块到障碍物时间为T的一半；

优选的，所述坐标定位模块UM220-III工作前，需要先初始化。初始化信息如下：(1)初始化及配置串口，命令为：$CFGPRT，1，0，57600，3，3该命令设置使用串口1，波特率为57600，数据格式输出为NMEA协议。(2)设定卫星系统配置，命令为：SCFGSYS，h48设定接收机使用的卫星频点，执行该命令后，接收机会复位，复位后设定才生效。本示例为只开启北斗定位系统频点。(3)设定NMEA配置，命令为：$CFGNMEA，h30该命令设置输出的NMEA协议在标准version3.0基础上扩展北斗相关的语句。(4)设定输出特定消息的输出配置，命令为：$CFGMSG，0，1，0；

优选的，所述路面平整度为基于多传感器融合的方法测算，给出计算公式为

一种多传感器融合的路面平整度检测装置，包括如下的运行进程：

系统上电以后，加速度传感器初始化完成、超声波传感器初始化完成、GPS模块初始化完成，加速度传感器开始采集原始加速度数据，超声波从传感器开始采集机器人离地距离，GPS模块开始获取位置坐标；

多传感器数据处理模块从MCU获得加速度数据、超声波数据、GPS位置数据进行多传感器数据融合得到相对竖向位移和水平位移，通过平整度计算得到路面平整度数据；

当按下系统的复位按键时，各个模块进行初始化，并重新进行上述运行进程；

本发明具有积极的效果：(1)本发明的一种多传感器融合的路面平整度检测装置设计了多个传感器进行数据融合，应用超声波传感器获取机器人离地距离对加速度传感器获取的数据进行校正，为传统的路面平整度检测方式提供一个经济有效的解决方案。

(3)本发明的一种多传感器融合的路面平整度检测装置，该装置同时具有成本低廉、操作便捷的特点，可以大大提高路面平整度的测试频率，从而更精确地指导路面的养护。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明STM32F103C8T6主控芯片原理图。

图3为本发明的MPU6050加速度传感器模块原理图。

图4为本发明的HC-SR04超声波传感器模块的原理图。

图5为本发明的GPS模块的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

见图1，为一种多传感器融合的路面平整度检测装置的结构示意图，包括包括机器人控制系统、路面感知系统及云端信息处理系统。其中，机器人控制系统包括MCU、供电模块、GPS定位模块及电机控制模块，路面感知系统包括加速度传感器及超声波传感器。云端信息处理系统负责对路面感知系统采集的信号进行数据融合和数据处理。；

见图2，为STM32F103C8T6的原理图，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V～3.6V，作为核心处理器。

见图3，为MPU6050加速度传感器的原理图，MPU6050用于测量物体在x、y、z三个方向上的加速度和角速度。加速度计可以检测物体的线性加速度，而陀螺仪可以检测物体的角速度。通过将加速度计和陀螺仪的测量结果进行组合，可以计算出物体的方向和角度。该加速度传感器用于获取机器人的竖向位移；

见图4，为HC-SR04超声波传感器模块的原理图，采用HC-SR04超声波传感器利用声波来探测距离，Trig引脚来作为MCU输出引脚，Echo作为MCU输入引脚，通过捕获声波回响时间来判断距离，进而获得机器人离地距离；

见图5，为GPS模块的原理图，GPS模块采用UM220-III，UM220-III集成度高、功耗低，非常适合对尺寸、功耗要求高的北斗规模应用。该GPS模块用于获取机器人的位置坐标，从而获取机器人的水平位移；

结合图1所示，本发明的一种基于FPGA的盲人视觉辅助装置的工作原理如下：

结合图1所示，本发明的一种多传感器融合的路面平整度检测装置的工作原理如下：

系统上电以后，加速度传感器初始化完成、超声波传感器初始化完成、GPS模块初始化完成，加速度传感器开始采集原始加速度数据，超声波从传感器开始采集机器人离地距离，GPS模块开始获取位置坐标；

多传感器数据处理模块从MCU获得加速度数据、超声波数据、GPS位置数据进行多传感器数据融合得到相对竖向位移和水平位移，通过平整度计算得到路面平整度数据；

当按下系统的复位按键时，各个模块进行初始化，并重新进行上述运行进程；

综上所述，本发明所采用的是自上而下的设计思路，从系统设计需求开始，依次划分到具体的底层功能模块，设计思路完整，逻辑紧密性高。用户可以通过一种多传感器融合的路面平整度检测装置方便快捷且低成本的获取路面平整度数据，可以大大提高路面平整度的测试频率，从而更精确地指导路面的养护；

以上是所述仅是对本发明的具体实施方式说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，是可以做出各种改进和变化而得到相应的同等的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的保护范围。