摘要：平整度指数是用于评价道路路面平整性的评价指标。为提高平整度测量的准确度和稳定性，本文提出使用高精度倾角测量装置快速测量路面平整度的方法。通过倾角传感器测量路面多点倾角值，可计算出该路段平整度指数；通过模块化方法设计并制作了倾角测量装置、位移测量装置和下位机主控板，数据通过无线方式传送到PC，上位机经过处理可给出被测路面的道路纵断面曲线和平整度指数；最后，通过工程检测和标定实验，验证了采用倾角测量装置测量平整度的方法的可靠性与实用性。

　　关键词：倾角测量装置 平整度 测量方法引言路面平整度指标不仅用于衡量路面施工质量和路面养护质量水平，更重要的是它用于反映行车过程中的人体舒适性程度，为制定道路路面养护管理对策提供重要依据。早期平整度测量方法如3M直尺、水准仪测量方法等由于均是手工测量，效率低，精度不易把握。后期发展出常见的平整度快速测量方法如颠簸累积仪、激光断面仪、RRDAS平整度仪等。虽然这些已经普遍使用的平整度测量设备的工作原理不同，但可以归纳成两类：一是反应类设备，该类设备是通过安装在车体上的仪器，测量车体与路面的相对位移，通过统计某一路段上车辆行驶时的位移累积值来反映路面的平整性能，但是其测定结果与测试车辆的行驶速度有关，且不能给出路表面的真实断面；二是断面类设备，该类设备通过测量路面轮迹带的纵断面高程，按照相应的计算得出平整度指数，如激光断面仪、APL路面纵剖仪。该类设备精度高，速度快但操作与维修技术要求高，配置费用昂贵，其广泛使用性被限制。

　　本文设计了一套断面类，应用倾角测量装置测量路面平整度的系统。该系统通过快速测量路面各测量点的倾角值，数据无线传输到上位机，经过滤波处理与计算给出被测路段的纵断面曲线和平整度指数。最后经工程实验与标定，证明了该系统具有较好的长期稳定性、速度适应性和测量准确性。

　　1 纵断面测量原理将倾角测量装置固定在专用车架的标准刚性梁上，该刚性梁与被测路面基准面水平。如图1所示，当检测设备行走到第一个检测点时，测量出该点的倾角值。往后每前进L距离采集一次倾角值，标准情况下L=20.8mm，测出的倾角值为，在测完100m并得到n个检测点的倾角值后，通过式（1）可计算出每以一个测量点相对前一个测量点的相对高度差△Hi。如图2所示，以0为起点，每前进L测量一次倾角值，得到每测量点的倾角，通过式（2）即可计算出每个检测点相对起始点的的纵断面高程。

　　从测量原理中可以得到，测量结果仅与测量的角度值的精确程度有关，与测量速度无关，也就是测量速度可快可慢，这一点更适合我国高等级公路上交通复杂的情况。

　　3 系统设计3.1系统结构系统设计分为下位机和上位机两部分并以专门制作的拖挂式小车为载体。如图2所示，下位机主要由倾角测量装置、编码器和Zigbee无线通信单元构成，上位机主要由上位机工控机、滤波器和上位机专用处理软件构成。编码器记录小车行进距离和速度，每前进20.8mm测量一次倾角值。数据按系统通信协议以无线方式发送到PC，由上位机软件存储和处理。检测完毕后，上位机软件可以绘出被测路段的纵断面曲线并直接计算出国际平整度IRI值和平整度标准差。

　　2.2 硬件设计如何解决机动车前进方向和数值方向所带来的误差？

　　1：安装加速度传感器，配有双积分电路，补偿误差；2：选择高速倾角传感器。

　　倾角测量装置以SCA103T倾角传感器为主测量单元，控制芯片为ATMEGA64L。该装置为双轴倾角传感器，最大测量精度为0.001°，并设计有16位模数转换模块和防雷击模块。编码器采用德国PEPPERL FUCHS生产的集成有加速度传感器的绝对式编码器，该编码器每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。下位机主控板采用以AT91SAM7X256为主控芯片，主控板与倾角测量装置和编码器分别用RS232和CAN接口通信。通信单元采用Zigbee无线通信模块。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种短距离、低功耗、低成本，长期工作稳定性好的无线通信技术。

　　在测量过程中， 机动车拖挂小车在被测路面行驶，编码器固定在机动车轮轴上。每当检测到机动车前进20.8mm，编码器向下位机主控板申请中断，主控板执行中断并从倾角测量装置提取当前倾角值。最后将该测量值发送到上位工控机。

　　2.3 通信协议与软件设计为了解决由于外界干扰等问题影响而导致的数据错误。特别设计了一套系统通信协议，如表1所示，数据格式为16进制，其中数据长度是从该位到校验和的长度，地址码是测量装置的编号，校验和是数据长度、地址码、命令字和数据域的字的总和。系统通过地址码和校验和互相识别数据的合法性，通过数据域和命令字提取数据或命令。

　　上位机软件采用C#语言，Visual Studio2010平台实现，数据库采用MySQL2008。测量开始前，上位机首先进行系统初始化，配置串口速率等参数，向下位机发送设置零点指令。在测量过程中，监听串口，当有数据来时先判断其合法性，若合法则存入计算机数据库。测量完毕后从数据库调出数据，经滤波处理并计算后给出被测路段纵断面曲线和国际平整度IRI值。

　　4 系统应用由于倾角测量装置内部有温度补偿功能，且每次使用地点的重力加速度值不同。因此系统在每次测量前都需要进行设置零点。操作方法：首先机动车拖挂设备在起始点，车辆静止但不熄火，打开下位机电源开关，再运行上位机软件，等待上位机搜索到下位机后点击“连接测试”，连接成功后选择“设置零点”，系统会自动计算当前角度值并设为零点。零点设置成功后即可开始测量。

　　为了验证倾角传感器在路面平整度测量的速度适用性、数据准确性和系统稳定性。通过目测方式选择北京房山区的八条均为100m的公路进行试验。先用高精度水准仪对每段公路进行平整度测量，再用机动车挂载本文设计的设备在相同路段上，分别以20km/h，40km/h和70km/h车速进行多次测量。

　　5 测量结果分析及标定通过以上实验，获得三组数据。表2到表4分别是速度为20km/h，40km/h和70km/h是的测量数据。每个路段均测量6次，并求出这六次的平均值和标准差，最后与标准数据进行拟合。