《一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法》涉及一种检测方法，尤其是涉及一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法。

在公路建设巨大增长的同时，公路养护和管理也日趋重要。2010年，中国高速公路的大中修养护速度已超过建设速度，中国国内大批等级公路也将进入大中修养护期，公路道路养护和管理工作面临前所未有的挑战。此时，提供科学合理的路面性能检测手段至关重要。

截至2013年4月，在评价路面性能指标方面，国际平整度指数IRI（international roughness index）是应用最广泛的指标之一。世界银行以1/4车模型来计算IRI，该车以规定的速度行驶在路面上，计算一定行驶距离内悬挂系统的累积位移作为IRI。

IRI可以通过广泛使用的仪器测量得到（如水准仪或RTRRMS仪），结果具有有效性以及可转移性，但水准仪等需要人工完成测量其效率很低。2013年前，中国国内外普遍采用道路激光平整度测试车进行国际平整度指数检测，但其价格昂贵且检测工序繁琐，不利于定时性的检测路面平整度情况，从而不能及时的给路面养护和管理部门提供参考性意见。

图1为《一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法》的流程图；

图2为同种车型重力加速度功率谱密度与IRI的拟合模型

图3为不同车型重力加速度功率谱密度与IRI的拟合模型；

图4为重力加速度功率谱密度与IRI的通用拟合模型。

2021年6月24日，《一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法》获得第二十二届中国专利优秀奖。

• 实施例

如图1所示，《一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法》包括以下步骤：

（1）确定检测车速，并且选定重力加速度传感器及其采样频率；

（2）采用不同车型的测试车辆在不同路面平整度道路行驶，在行驶过程中获取重力加速度传感器的重力加速度值。在行车的过程中，路面的这种不平度会激起汽车的振动，汽车的振动必然将会产生上下颠簸的垂直加速度，即Z轴的重力加速度，其Z轴重力加速度的大小反应的汽车颠簸的大小，从而间接的反应出路面不平整的情况。重力加速度传感器的选取以及所需的采样频率的确定在路面平整度检测中十分重要，根据实际需要，选取重力加速度传感器量程为±10克，精度为0.001克，所选采样频率为10赫兹。

一般道路纵向的不平整要远大于其横向的不平整，车辆纵向的倾覆和转动不能忽略，但可以近似认为道路沿横向是平整的，并可假设车辆左右对称。另外，双轴车辆占公路上行驶车辆的大多数，因此，宜以双轴车辆作为代表车型，由于左右对称可取其一半作为研究对象，借鉴1/4车辆模型原理，将重力加速度传感器置于后轴上方。

根据对振动方程的分析，随着车速的增大，加权加速度均方根值在增大，但增速在降低，因此，选用各等级公路或城市道路的设计速度，作为测试车速。

选取具有代表性的不同路面平整度的道路，精密水准仪或激光平整度车实测路面平整度指数IRI。在代表性道路上，利用不同车型的双轴车辆以设计车速行驶，采集Z轴重力加速度值。

（3）对采集到的重力加速度值进行傅里叶变换，得到功率谱密度。

功率谱密度是结构在随机动态载荷激励下响应的统计结果，是一条功率谱密度值—频率值的关系曲线，其中功率谱密度可以是加速度功率谱密度、位移功率谱密度、速度功率谱密度、力功率谱密度等形式。

在汽车驾驶过程中，道路不平整会造成车辆的振动，在每一次上下振动当中，重力一直沿着竖直方向做功，产生能量的变化，且功率谱密度只与信号的幅度谱有关，与相位谱无关，能够获得信号的幅度信息，因此通过功率谱密度函数能够表示出路面平整度能量在空间频域上的分布，它刻画出路面平整度的结构。

从功率谱密度函数不仅可以了解路面波的结构，还能反映出路面的总体特征，功率谱密度变化幅度大的地方代表此位置的道路不平整越加明显，道路的质量低。但是，信号随机过程的每一个实现是不可预测的，某一实现的功率谱密度不能作为过程的功率谱密度，随机过程功率谱密度看做每一实现的功率谱密度的统计平均，得到一段道路的平均功率谱密度，作为该道路的行驶过程中道路不平整的间接表现，从而反映道路的具体特征。

依靠matlab软件，对每一代表性道路所测得到行驶车辆在数值方向上的加速度的数值进行上述傅里叶变换之后得到平均功率谱密度。

（4）选取同种车型的功率谱密度与IRI进行拟合分析，建立同种车型的功率谱密度与IRI的拟合模型；

（5）对不同车型的功率谱密度与IRI的拟合模型进行普通适用性检验；

（6）由于选用车型差距较大的两种车型的模型进行比较，对于不同的车型，虽然其函数的形式很相近，但是在使用时需要对函数的参数进行标定，因此不具有很好的通用性，所以消除不同车型对于拟合模型的影响，得到功率谱密度与IRI的通用拟合模型。

由于三轴重力加速度传感器测量得到的是车辆自身振动和路面不平整引起车辆振动的叠加，因此，首先计算车辆静止时的平均功率谱密度的值，然后利用车辆行驶时平均功率谱密度的值减去其静止时功率谱密度的值，通用拟合模型中的功率谱密度，即表示路面不平整引起的车辆振动。

（7）根据通用拟合模型以及采集到的重力加速度值，进行路面平整度检测。

采用《一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法》对上海市域范围内的实际路段进行了平整度检测，选取有代表性的路段38条，其平整度指标分布在1-10之间，市内道路行驶车速选择为40千米/小时，公路行驶车速按照其设计车速为60千米/小时或80千米/小时，选取重力加速度传感器量程为±10克，精度为0.001克，所选采样频率为10赫兹，同时选用两个传感器消除仪器误差后，固定于车内后轴上方，往返测量三次，取其重力加速度的平均值。测试车型选用别克凯越三厢车，以及福特江铃测试车。

以福特江铃测试车为例，采用matlab软件，对每一代表性道路所测得到行驶车辆在数值方向上的加速度的数值进行上述傅里叶变换之后得到平均功率谱密度，见表1，将其功率谱密度与IRI进行拟合分析，拟合曲线见图2。

分别拟合两种车型的重力加速度功率谱密度以及国际平整度指数IRI模型，见图3，从两个拟合模型中可以发现其函数的形式也有很大的近似性，但由于车型的影响，两条曲线没能很好的重合到一起，因此首先计算车辆静止时的平均功率谱密度的值，然后利用车辆行驶时平均功率谱密度的值减去其静止时功率谱密度的值，建立其与IRI之间的通用拟合模型如图4所示。

然后采用两种车型，测量不同代表性路段行驶时的重力加速度值，用图4的通用拟合模型，计算其IRI值。利用该种方法测得IRI值与IRI实际值的相关系数为0.9642，可以很好的满足实际测量的需求。

一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法专利目的

《一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法》的目的就是为了克服专利背景中相关技术存在的缺陷而提供一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法，用于解决2013年前激光平整度检测车价格昂贵且检测工序繁琐的问题。

一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法技术方案

《一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法》包括以下步骤：

（1）确定检测车速、重力加速度传感器及其采样频率；

（2）采用不同车型的测试车辆在不同路面平整度道路行驶，获取重力加速度传感器的重力加速度值；

（3）对采集到的重力加速度值进行傅里叶变换，得到功率谱密度；

（4）建立同种车型的功率谱密度与IRI的拟合模型；

（5）对不同车型的功率谱密度与IRI的拟合模型进行普通适用性检验；

（6）消除不同车型对于拟合模型的影响，得到功率谱密度与IRI的通用拟合模型；

（7）根据通用拟合模型以及采集到的重力加速度值，进行路面平整度检测。

所述的重力加速度传感器为三轴加速度传感器。

步骤（6）消除不同车型对于拟合模型的影响的具体方法为：首先计算车辆静止时的平均功率谱密度的值，然后利用车辆行驶时平均功率谱密度的值减去其静止时的平均功率谱密度的值，得到通用拟合模型中的功率谱密度。

一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法改善效果

《一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法》通过重力加速度传感器采集的不同车型的数据进行建模分析，消除测试车型对模型的影响，建立通用性检测方法和检测模型，可以解决2013年前激光平整度检测车价格昂贵且检测工序繁琐的问题。

1.《一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法》特征在于包括以下步骤：（1）确定检测车速、重力加速度传感器及其采样频率；（2）采用不同车型的测试车辆在不同路面平整度道路行驶，获取重力加速度传感器的重力加速度值；（3）对采集到的重力加速度值进行傅里叶变换，得到功率谱密度；（4）建立同种车型的功率谱密度与路面平整度指数IRI的拟合模型；（5）对不同车型的功率谱密度与IRI的拟合模型进行普通适用性检验；（6）消除不同车型对于拟合模型的影响，得到功率谱密度与IRI的通用拟合模型；（7）根据通用拟合模型以及采集到的重力加速度值，进行路面平整度检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法，其特征在于，所述的重力加速度传感器为三轴加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于重力加速度传感器的路面平整度检测方法，其特征在于，步骤（6）消除不同车型对于拟合模型的影响的具体方法为：首先计算车辆静止时的平均功率谱密度的值，然后利用车辆行驶时平均功率谱密度的值减去其静止时的平均功率谱密度的值，得到通用拟合模型中的功率谱密度。

一种基于激光跟踪的焊接系统专利目的

《一种基于激光跟踪的焊接系统》的目的在于提供一种基于激光跟踪的焊接系统，利用激光焊缝跟踪技术应用在焊接设备上，确保更高的焊缝质量和焊接生产率。

一种基于激光跟踪的焊接系统技术方案

《一种基于激光跟踪的焊接系统》包括可进行行走及焊接的焊接小车和焊缝跟踪单元；焊缝跟踪单元，包括激光传感器头和激光控制箱，可检测及识别待焊接工件的焊缝并提供焊缝的检测参数值；激光传感器头包括激光传感器和摄像机，可摄取含有激光标记的图像检测信号，提前地识别焊缝延伸的方向和偏差量以及焊缝的高度；激光控制箱可接收激光传感器头的图像检测信号，根据图像检测信号计算当前待焊接点的检测参数值，检测参数值包括焊缝在焊接小车行走方向上的左右偏差量以及焊缝的高度偏差量；焊接小车内置有焊接调整单元，以根据焊缝跟踪单元的检测参数值调整当前待焊接点处的焊接位置及焊枪高度；焊接调整单元包括小车控制器、焊接电源及焊枪，焊枪可根据小车控制器的指令调整摆动中心以及调整高度；小车控制器接收当前待焊接点处的检测参数值，并读取焊枪当前摆动中心位置量，将焊缝的左右偏差量与焊枪当前摆动中心位置量进行比对计算，得到左右偏移调整值，进而输出执行摆动中心调整指令，实现焊枪在当前待焊接点处的焊接位置调整；小车控制器将当前待焊接点处的焊缝高度偏差量与焊枪实时高度位置变量比对计算，得到高度偏移调整值，进而输出执行高度调整指令，实现焊枪在当前待焊接点处的焊枪高度调整。

其中，焊接小车上设置有十字滑台，十字滑台上设置有焊枪和激光传感器头，激光传感器头位于焊枪的前方位置。

作为一选项，焊接调整单元的焊接位置调整过程的内容如下：

初始化焊接位置的参数变量，参数变量包括焊缝的左右偏差量、焊枪摆动中心位置量、摆动中心调整量、摆动电机螺距及摆动电机齿轮比； 读取当前焊枪的摆动中心位置，存入摆动中心位置量； 接收焊缝的左右偏差量； 判断左右调整方向：定义在行走方向上当前待焊接点处于左边时左右偏差量为负，在行走方向上当前待焊接点处于右边时左右偏差量为正；分析左右偏差量，若左右偏差量为正则向右边偏移，若左右偏差量为负则向左边偏移； 根据参数变量计算摆动中心调整量； 控制摆动中心作出调整。 作为一选项，焊枪高度调整过程的内容如下： 初始化高度位置各个参数变量，包括高度偏差量、高度调整量、高度电机螺距、高度电机齿轮比及高度位置变量； 实时读取当前焊枪的高度位置，存入高度位置变量； 读取焊枪的高度偏差量； 判断高度调整方向，其中，高度偏差量具有正负数，定义在高度方向上当前待焊接点高度比预设高度低时高度偏差量为正数，反之则为负数； 根据参数变量计算高度调整量； 执行高度位置调整。

一种基于激光跟踪的焊接系统改善效果

《一种基于激光跟踪的焊接系统》根据跟踪单元的实时提前监控，实时计算，得出焊枪的高度和水平两个方向的偏差量，焊接小车做出相应的调整，达到焊枪始终保持在焊缝的中心和适当的上下位置，实现基于激光跟踪的焊接应用。

图1为《一种基于激光跟踪的焊接系统》的实施例的系统框图；

图2为该发明的实施例的处理流程图；

图3为该发明的实施例的传感器头与焊枪位置关系示意图；

图4为该发明的实施例的水平方向下传感器头工作示意图；

图5为该发明的实施例的焊接位置调整流程实例图；

图6为该发明的实施例的焊枪高度调整流程实例图；

图7为该发明的实施例的高度方向下传感器头工作示意图； 其中，

图4a-水平方向下正常焊接时传感器头工作示意图，

图4b-水平方向下焊缝往右偏移时传感器头工作示意图，

图4c-水平方向下焊缝往左偏移时传感器头工作示意图，

图7d-高度方向下正常高度时传感器头工作示意图，

图7e-高度方向下超过正常高度时传感器头工作示意图，

图7f-高度方向下低于正常高度时传感器头工作示意图。

1.《一种基于激光跟踪的焊接系统》包括可进行行走及焊接的焊接小车和焊缝跟踪单元；焊缝跟踪单元，包括激光传感器头和激光控制箱，可检测及识别待焊接工件的焊缝并提供焊缝的检测参数值；激光传感器头包括激光传感器和摄像机，可摄取含有激光标记的图像检测信号，提前地识别焊缝延伸的方向和偏差量以及焊缝的高度；激光控制箱可接收激光传感器头的图像检测信号，根据图像检测信号计算当前待焊接点的检测参数值，检测参数值包括焊缝在焊接小车行走方向上的左右偏差量以及焊缝的高度偏差量；焊接小车内置有焊接调整单元，以根据焊缝跟踪单元的检测参数值调整当前待焊接点处的焊接位置及焊枪高度；焊接调整单元包括小车控制器、焊接电源及焊枪，焊枪可根据小车控制器的指令调整摆动中心位置以及调整高度位置；小车控制器接收当前待焊接点处的检测参数值，并读取焊枪当前摆动中心位置，将焊缝的左右偏差量与焊枪当前摆动中心位置量进行比对计算，得到左右偏移调整值，进而输出执行摆动中心调整指令，实现焊枪在当前待焊接点处的焊接位置调整；小车控制器将当前待焊接点处的焊缝高度偏差量与焊枪实时高度位置变量比对计算，得到高度偏移调整值，进而输出执行高度调整指令，实现焊枪在当前待焊接点处的焊枪高度调整；所述焊接调整单元的焊接位置调整过程的内容如下，初始化焊接位置的参数变量，参数变量包括焊缝的左右偏差量、焊枪摆动中心位置量、摆动中心调整量、摆动电机螺距及摆动电机齿轮比；读取当前焊枪的摆动中心位置，存入摆动中心位置量；接收焊缝的左右偏差量；判断左右调整方向：定义在行走方向上当前待焊接点处于左边时左右偏差量为负，在行走方向上当前待焊接点处于右边时左右偏差量为正；分析左右偏差量，若左右偏差量为正则向右边偏移，若左右偏差量为负则向左边偏移；根据参数变量计算摆动中心调整量；控制摆动中心作出调整；所述摆动中心调整量的计算公式如下，osc_centermove=（left_right_difference_usr*60000）/（Pitch1*fabsf（GearRatio1））其中，left_right_difference_usr为左右偏差量，osc_centermove为摆动中心调整量，Pitch1为摆动电机螺距，GearRatio1为摆动电机齿轮比，fabsf（GearRatio1）函数指对摆动电机齿轮比取绝对值函数。

2.根据权利要求1所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述焊接小车上设置有十字滑台，十字滑台上设置有焊枪和激光传感器头，激光传感器头位于焊枪的前方位置。

3.根据权利要求2所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述激光传感器头中，摄像机位于激光传感器的前方位置，激光传感器投射激光线并在当前待焊接点处形成一条激光条纹，且激光条纹垂直于行走方向，以构成当前待焊接点的左右偏差量检测模型。

4.根据权利要求3所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述激光控制箱计算左右偏差量的过程如下：接收摄像机摄取的检测图像；检测图像中有焊缝、激光条纹及焊枪当前位置，以焊枪当前位置为参考点得到行走方向；识别当前待焊接点的左右偏移方向，同时计算当前待焊接点与行走方向之间的距离，得到具有正负数的左右偏差量，其中，定义在行走方向上当前待焊接点处于左边时左右偏差量为负，在行走方向上当前待焊接点处于右边时左右偏差量为正。

5.根据权利要求3所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述激光传感器头中，摄像机是倾斜放置使得摄像机的视觉可与激光传感器投射激光线相交，以构成焊缝高度偏差量检测模型。

6.根据权利要求5所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述激光控制箱计算当前待焊接点高度偏差量的过程如下，接收摄像机摄取的检测图像；检测图像中有焊缝、激光条纹及焊枪当前位置，以焊枪当前位置为参考点得到激光条纹与参考点之间的距离；根据激光条纹与参考点之间的距离计算当前待焊接点高度，当前待焊接点高度即为当前待焊接点处的焊缝高度；根据当前待焊接点高度与预设高度比对计算，得到高度偏差量；其中，高度偏差量具有正负数，定义在高度方向上当前待焊接点高度比预设高度低时高度偏差量为正数，反之则为负数；当摄像机的视觉与激光传感器的激光条纹于当前待焊接点处相交时，焊缝高度为预设高度。

7.根据权利要求1所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述焊接调整单元的焊枪高度调整过程的内容如下，初始化高度位置各个参数变量，包括高度偏差量、高度调整量、高度电机螺距、高度电机齿轮比及高度位置变量；实时读取当前焊枪的高度位置，存入高度位置变量；读取焊枪的高度偏差量；判断高度调整方向，其中，高度偏差量具有正负数，定义在高度方向上当前待焊接点高度比预设高度低时高度偏差量为正数，反之则为负数；根据参数变量计算高度调整量；执行高度位置调整。

8.根据权利要求7所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述焊枪的高度调整量的计算公式如下，Length_centermove=（Length_difference_usr*60000）/（Pitch2*fabsf（GearRatio2）其中，Length_difference_usr为高度偏差量，Length_centermove为高度调整量，Pitch2为高度电机螺距，GearRatio2为高度电机齿轮比，fabsf（GearRatio2）函数指对高度电机齿轮比取绝对值函数。