Научная статья на тему 'Разработка алгоритма обнаружения и локализации дефектов дорожного покрытия по результатам обработки и анализа информации спутниковых и инерциальных навигационных систем'

Разработка алгоритма обнаружения и локализации дефектов дорожного покрытия по результатам обработки и анализа информации спутниковых и инерциальных навигационных систем Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
105
13
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ / СИСТЕМЫ КООРДИНАТ / ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ / ФИЛЬТРАЦИЯ

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Хардиков Антон Евгеньевич

В статье рассматривается проблема контроля технического состояния автомобильных дорог и подходы для решения данной проблемы, а также их недостатки; описывается алгоритм решения альтернативного варианта поставленной проблемы с большей эффективностью и меньшими затратами ресурсов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Хардиков Антон Евгеньевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Разработка алгоритма обнаружения и локализации дефектов дорожного покрытия по результатам обработки и анализа информации спутниковых и инерциальных навигационных систем»

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФЕКТОВ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ИНФОРМАЦИИ СПУТНИКОВЫХ И ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ Хардиков А.Е.

Хардиков Антон Евгеньевич — бакалавр, кафедра программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, факультет информатики и вычислительной техники, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород

Аннотация: в статье рассматривается проблема контроля технического состояния автомобильных дорог и подходы для решения данной проблемы, а также их недостатки; описывается алгоритм решения альтернативного варианта поставленной проблемы с большей эффективностью и меньшими затратами ресурсов.

Ключевые слова: автомобильный транспорт, системы координат, преобразование Фурье, фильтрация.

Для безопасного и эффективного использования автотранспорта необходимо хорошее состояния автомобильных дорог. Спустя некоторый промежуток времени дорожное полотно разрушается независимо от качества прокладки автотрассы. В результате ухудшения состояния автомобильной дороги снижается средняя скорость движения, увеличивается количество аварийных ситуаций. Все эти последствия также приводят к дополнительным затратам по времени доставки грузов и пассажиров и повышению стоимости перевозок [1].

Таким образом, возникает проблема контроля технического состояния и обслуживания дорожного покрытия. Первым вариантом решения данной проблемы является капитальный ремонт дороги, при котором происходит полная замена участка дорожного полотна с множественными значимыми дефектами. Вторым вариантом является частичная замена дорожного покрытия, на котором есть проблемные участки. При этом необходимо определить, какой из вышеописанных способов нужно использовать в той или иной ситуации. В результате возникает задача оценки транспортно-эксплуатационного состояния автодороги [1].

Выделяют три метода оценки эксплуатационного состояния дорожного полотна:

1) субъективные;

2) объективные;

3) смешанные [2];

Субъективный подход предполагает визуальный осмотр дороги специалистами-экспертами. Такой метод является простым и малозатратным по ресурсам, но недостаточно точным, так как не проводится детальный анализ дорожного покрытия. Объективный метод основывается на результатах измерений параметров и характеристик дороги, полученных с помощью специальных приборов и передвижных лабораторий. Но, так как сеть автомобильных дорог очень огромна, то необходимо большое количество таких лабораторий, которые требуют значительных ресурсов. При этом, на данный момент их сильно не хватает. Смешанный способ объединяет в себе преимущества вышеописанных методов. Но такой подход не в полной мере дает эффективную оценку на все проблемном участке дороги [2].

Одним из альтернативных и перспективных направлений по оценке транспортно-эксплуатационного состояния дорожного покрытия является задействование спутниковых и инерциальных навигационных систем. При помощи таких простых устройств как акселерометр и компас, которые есть практически в каждом современном телефоне или планшете, можно определить координаты и линейное ускорение автомобильного транспорта на пройденном участке пути, на котором они установлены. Полученные данные можно записать в файл и в дальнейшем его обрабатывать. Файл будет содержать такие данные как: время измерения, линейное ускорение по оси X, У, Ъ и координаты, представленные в геодезической координатной системе. Для определения дефектов на дорожном полотне, по которому проехал автомобильный транспорт, необходимо фиксировать вертикальные скачки (встряски). Данные колебания соответствуют линейному ускорению по оси Ъ. Таким образом, необходимо проанализировать и обработать файл с полученными данными и вывести график зависимости линейного ускорения по оси Ъ от расстояния, пройденного автотранспортом.

Для удобства работы с вычисленными координатами необходимо перевести из геодезической системы в прямоугольную координатную систему. Геодезическая система

координат позволяет определять положение точек на эллипсоидной поверхности с помощью координат B, L и H. Координаты B и L представляют собой широту и долготу соответственно, выраженные в градусах, а H - высота, выраженная в метрах. При переходе к прямоугольным координатам X, Y, Z нужно выполнить следующие преобразования [3]:

X = {N + Я) * cos В * cos L Y = (N + Н) * cos В * sinL Z = (N*(l-e2)+H)* si nB, где N - радиус кривизны эллипсоида в первом вертикале. Он определяется как [3]:

VI — е2 * эт2 В

Параметр е в формуле выше называется эксцентриситетом и вычисляется по следующей формуле [3]:

л/а2 - Ь2

е = -

а

Прямоугольная система координат позволяет облегчить работу с координатами при дальнейших расчетах. Но, обычно, на дорогах для определения местонахождения какого-либо участка пути используют не координатные системы, а расстояние с начальной точкой отсчета. Таким образом, необходимо из полученных трех координат X, У, Ъ вычислить расстояние, которое можно посчитать, используя теорему Пифагора.

Далее необходимо обработать значения линейного ускорения по оси Ъ. Так как при измерении данных возникают шумы, то есть погрешности, то нужно построить фильтр, чтобы получить истинные значения амплитуд скачков автомобиля при наезде на неровности дорожного покрытия. Первым делом необходимо устранить шумы со стороны устройства, которое получает и обрабатывает информацию о координатах и ускорении движущегося автотранспорта и записывает в файл. Таким образом, нужно измерить линейное ускорение по оси Ъ в состоянии покоя, то есть когда устройство находится в одном месте и в одном и том же положении. Далее вычислить среднее значение линейного ускорения и вычесть его из каждого полученного ускорения по оси Ъ, измеренных во время движения автомобиля.

Так же, в автотранспорте колебания не должны превышать частоту выше 1,5 Герц. Таким образом необходимо построить фильтр низких частот с частотой среза 1,5 Гц. Для построения фильтра воспользуемся преобразованием Фурье для перехода из временной области в частотную и обратным преобразованием Фурье для перехода из частотной области во временную. Для обработки большого объема данных для ускорения вычислений лучше использовать алгоритм быстрого преобразования Фурье [4]:

иг+к2 = I^оИ^Л * * ,

где N = N1 * N2, а индексы т и к преобразовываются к следующему виду:

т = И1*т2 + п1,

к = И2*к1 + к2, где т1 ,к 1 = 0 ,.. ,,Ы1 — 1 , а т2 ,к 2 = 0 ,... ,И2 — 1.

Формула фильтра №го порядка имеет следующий вид [5]:

N N

У; = ^ Ьк * х(( - к) - ^ ат * у(( - т)

к=0 т= О

Применив к данной формуле преобразование Фурье, выбрав необходимую частоту среза и порядок, можно вычислить окончательные значения линейного ускорения, устранив возможные погрешности. Работу вышеописанного фильтра можно увидеть на рисунке 1, где черным цветом выделено ускорение после фильтрации, а красным - до фильтрации.

время [сек]

Рис. 1. График ускорения до и после фильтрации

Для минимизации ошибки вычисления координат соответствующему измеренному линейному ускорению необходимо использовать множество результатов измерений по одному и тому же участку дороги. Таким образом, используя множество файлов с данными, и применив к ним алгоритм, описанный выше, получается результат, представленный на рисунке 2. На рисунке видно, что в точках 400, 900, 3800 метров от начала пути наблюдается сильное ускорение, что соответствует значительным дефектам на дороге. В итоге, по данному графику можно определить, в каком месте находятся дефекты дорожного полотна.

z

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

расстояние [м]

Рис. 2. График зависимости линейного ускорения по оси 2 от расстояния

Список литературы

1. Хардиков А.Е. Обнаружение и локализация дефектов дорожного покрытия по результатам обработки информации спутниковых и инерциальных навигационных систем. Научно-методический журнал издательства «Проблемы науки». Москва, 2018. С. 49-51.

2. Методы оценки транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных и городских дорог [Электронный ресурс]. URL: http://www.studfiles.ru/preview/5854085/page:45/ (дата обращения: 15.05.2018).

3. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Том 1. М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. 334 с.

4. Нуссбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток. М.: Радио и связь, 1985. 248 с.

5. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы. Москва: Издательство «Мир», 1982. 428 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.