Проверка на дорогах. Выявление дефектов проезжей части – важнейшая составляющая безопасности движения
Завод «Спецдортехника» группы компаний «Современные дорожные технологии» проектирует и изготавливает комплексные передвижные лаборатории. Последней разработкой стал лазерный 2D-сканер, измеряющий поперечные неровности дорожного покрытия с высокой точностью.
В современных условиях транспортная нагрузка на полотно автомобильной дороги определяется, в основном, грузовыми автомобилями, имеющими давление на ось 10-13 тонн, а в некоторых случаях и выше. Несмотря на принимаемые меры, в последние годы наблюдается рост протяженности участков дорог с колейностью. ГОСТ Р 50597-2017 устанавливает требования к эксплуатационному состоянию, обеспечивающему безопасность дорожного движения. Для обеспечения выполнения указанных требований необходимы не только новые технологии, но и средства оперативного полевого контроля.
До 2016 года в передвижной лаборатории «ТРАССА» для измерения параметров поперечного профиля покрытия дорог использовались плоскостные лазеры и видеокамеры.
Принцип работы системы основан на засветке поверхности дорожного полотна лазерным лучом, развернутым оптикой в плоскость на угол около 45º. При пересечении оптической плоскости лазера с поверхностью дорожного полотна образуется линия, которая отображает профиль покрытия. Для регистрации линии используется цифровая видеокамера, изображение с которой передается на компьютер для последующего расчета высотных отметок профиля.
Для полного захвата ширины одной полосы дороги использовалась система из двух лазеров и двух видеокамер. Лазеры закреплялись на заднем бампере передвижной лаборатории. Конструкция крепежного узла обеспечивала регулировку положения, в том числе настройки, при которых плоскости, создаваемые первым и вторым лазерным излучателем, совмещались. Две видеокамеры размещались на специальной выдвижной ферме на крыше передвижной лаборатории. Расположение лазеров и видеокамер рассчитывалось таким образом, чтобы обеспечить необходимую точность измерения параметров поперечной ровности.
Рис. 1. Передвижная дорожная лаборатория с плоскостными лазерами и видеокамерами
Данная система имела ряд недостатков:
- невозможность работы при ярком дневном освещении;
- сложность алгоритма и математического аппарата, а также большой объем памяти для обработки видеоряда в реальном времени;
- необходимость постоянной коррекции показаний в зависимости от продольных и поперечных уклонов автомобиля, для чего нужны дополнительные датчики и компьютерные ресурсы;
- недостаточно высокая точность измерений: ±4мм.
Обеспечить работу системы в дневное время можно либо путем увеличения мощности лазерных излучателей, либо заменив лазеры, излучающие в видимом диапазоне света (красный), на лазеры невидимого ИК-диапазона. Но такую систему без средств защиты использовать категорически запрещено. Во-первых, при колебаниях передвижной дорожной лаборатории на неровностях высока вероятность попадания прямого или отраженного лазерного луча в глаза другим участникам дорожного движения, а это недопустимо. Во-вторых, лазер повышенной мощности – это прибор уже не 2-го, а более высокого класса опасности, который опять же запрещен к эксплуатации без средств дополнительной защиты. Поэтому мы отказались от метода измерения с использованием плоскостных лазеров. И это несмотря на то, что в других странах он широко применяется (Франция, Англия, Австралия, США и др.). В некоторых лабораториях видеокамера и плоскостной лазер совмещены в одном блоке. На рис. 2 представлена передвижная дорожная лаборатория ARBB с двумя блоками.
Рис. 2. Передвижная дорожная лаборатория ARBB (Австралия)
Необходимость разработки нового оборудования для измерения поперечной ровности была обусловлена и тем, что в 2015 году начал действовать межгосударственный стандарт ГОСТ32825-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Дорожные покрытия. Методы измерения геометрических размеров повреждений», в котором регламентируются требования по точности измерения параметров колеи не хуже ±1мм.
Был разработан принципиально новый метод измерения поперечной ровности с использованием 2D-сканера фирмы «Когерент», специально адаптированный для задач обследования автомобильных дорог. Сканер получил название «Лазерный профилометр для определения геометрических параметров профиля поверхности» и был запатентован под №2650840.
2D-сканер представляет собой лазерный излучатель с оптической разверткой луча в плоскость на определенный угол, с цифровой видеоматрицей и объективом-приемником в одном корпусе. Так как приемная и передающая части жестко закреплены в едином боксе, то расстояние между ними не только задает габарит прибора по длине, но и, с учетом характеристик матрицы, определяет его разрешающую способность, а также диапазон измеряемых расстояний. Для повышения соотношения сигнал/шум в оптическом диапазоне, который обеспечиват светофильтр, используется токовая и температурная стабилизация источника лазерного излучения. Светофильтр имеет узкую полосу пропускания, порядка 10 нм, в диапазоне длин волн так называемого «оптического воздушного окна». В этом «окне» спектральные составляющие солнечного излучения имеют минимальную амплитуду. Таким образом решается проблема работы 2D-сканера при солнечном освещении.
В основе работы метода лежит принцип лазерной триангуляции. Поверхность сканируется лучом, который формируется полупроводниковым лазером с оптическим генератором. Отраженное от поверхности излучение пропускается через узкополосные светофильтры, проецируется на матрицу оптического приемника, оцифровывается и передается на программируемый контроллер, где происходит обработка сигнала в реальном времени с вычислением профиля сканируемой поверхности. По полученному изображению контура объекта на контроллере рассчитывается расстояние как до поверхности объекта (координата Z), так и для каждой из множества точек вдоль лазерной линии (координата Х). Информация с контроллера поступает в компьютер по интерфейсу Fast Ethernet. В схеме используются полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме с системой стабилизации температуры, и узкополосные интерференционные светофильтры. Импульсный режим работы полупроводникового лазера позволяет получить достаточную мощность излучения для работы в условиях солнечного освещения, а также избежать перегрева лазерного диода при его термостабилизации. Красный диапазон длин волн лазерного излучения повышает безопасность устройства за счет использования видимого спектра длин волн. Использование 2D-сканеров обеспечивает прямое измерение отметок точек поперечного профиля покрытия дороги.
Рис. 3. Передвижная дорожная лаборатория с 2D-сканерами
Система измерения поперечного профиля покрытия на основе 2D-сканеров может быть установлена практически на любые автомобили, в том числе малолитражные. Базовыми моделями могут быть: Форд Транзит, Мерседес Спринтер, Рено Дастер, Лада Ларгус.
Основные характеристики системы измерения поперечного профиля покрытия на основе 2D-сканеров:
• точность определения поперечного профиля – не хуже ±1мм;
• диапазон определения глубины колеи – 250 + 250 мм;
• шаг измерения – от 1мм;
• спектральный диапазон лазерных излучателей 640 нм (видимый красный свет);
• класс опасности лазерного излучения – 2.
2D-сканеры в количестве 3 шт. устанавливаются на поперечной балке сзади автомобиля-лаборатории на высоте 1,5 м от дорожного покрытия, что продиктовано требованием к точности измерения. Суммарная ширина захвата составляет 3,5 м.
Датчиком, посылающим сигнал на выполнение измерений, является инкрементальный энкодер, устанавливаемый на ступицу колеса автомобиля-лаборатории. При вращении колеса энкодер формирует 2500 импульсов за один оборот. Теоретически это позволяет измерять отметки поверхности покрытия в движении через каждый миллиметр дороги. Фактически это расстояние гораздо больше, что обусловлено ограничением восприятия 2D-сканером сигнала по частоте. Частота формирования импульса по пути зависит от скорости движения лаборатории. Сканирование в поперечном сечении дает 2048 точек на 1 м покрытия. То есть интервал между точками составляет 0,5 мм.
Таким образом, в результате проезда автомобиля-лаборатории формируются поперечники поверхности покрытия дороги – с расстоянием между точками 0,5 мм (поперек дороги) и высотными отметками – с точностью 1 мм. Частота получения поперечников при скорости 80 км/ч – через каждые 12 см по длине дороги.
Рис. 4. Работа 2-D сканера
2D-сканер работает следующим образом. Лазер формирует луч, падающий на дорожное покрытие. После отражения луч попадает на оптический приемник с измерительной матрицей. До начала движения лаборатории, при настройке, расстояние от 2D-сканера до базы (покрытия дороги) фиксируется. В процессе измерений, при движении, оно варьирует. Изменения считываются матрицей в оптическом приемнике 2D-сканера. Формируемый лазерный луч разворачивается в плоскость, образующую с поверхностью покрытия дороги линию, длинной порядка 1,2 м. Тремя 2D-сканерами измеряется полоса шириной 3,5-3,6 м. Для измерения покрытия дороги по всей ширине необходимо несколько проездов. Полученные поперечники по полосам «сшиваются» между собой компьютером передвижной лаборатории. Примечательно, что колебания кузова базового автомобиля при движении практически не влияют на измерения.
Использование 2D-сканеров в сочетании с данными интегрированной навигационной системы (ГЛОНАСС/GPS), измеряющей географические координаты маршрута передвижной лаборатории, и высокоточным датчиком пройденного пути позволяет получить цифровую модель поверхности покрытия автомобильной дороги. Для обеспечения высокой точности определения географических координат все измерения проводятся в RTK-режиме с привязкой к реперным точкам. Цифровая модель позволяет решать различные задачи по улучшению транспортно-эксплуатационных качеств дорог.