車輛外廓三維測量儀的設(shè)計及其精度分析

郭文霏

摘 要：2015年3月1日實施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB21861-2014《機(jī)動車安全技術(shù)檢測項目和方法》，要求各個機(jī)動車檢測站必須對機(jī)動車的外廓尺寸進(jìn)行強(qiáng)制檢測，并要求對大中型客貨車、專項作業(yè)車、掛車必須使用自動測量裝置進(jìn)行檢測。過去的檢驗方法已不適應(yīng)新的要求，急需一種能自動檢測車輛外廓的儀器。本文提出一種車輛外廓三維測量儀，以激光掃描儀為主要測距設(shè)備，結(jié)合光電測量光幕、對射開關(guān)等，可完成車輛外廓尺寸的自動檢測，且測量精度高，性能可靠。

關(guān)鍵詞：車輛三維測量;機(jī)動車外廓;激光掃描儀;自動檢測

中圖分類號：U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0076-02

1 技術(shù)背景

機(jī)動車超載超限已成為嚴(yán)重影響人們生命財產(chǎn)安全、危及社會經(jīng)濟(jì)秩序的一個突出問題。為了從源頭上治理機(jī)動車超載超限，國家近年頒布實施了國家標(biāo)準(zhǔn)GB1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》對機(jī)動車外廓尺寸等技術(shù)參數(shù)作了明確的限定，而GB21861-2014《機(jī)動車安全技術(shù)檢測項目和方法》則對這些參數(shù)的查驗和檢測提出了新的要求，不但要求把機(jī)動車的外廓尺寸作為強(qiáng)制檢測項目，而且要求對大中型客貨車、專項作業(yè)車、掛車的檢測必須使用自動測量裝置，且測量誤差不超過±1%或±50mm。因此過去用鋼尺卷尺等人工檢驗方法已不適應(yīng)新的要求。而現(xiàn)有的技術(shù)中，有些外廓測量儀是靜態(tài)檢測，測量效率低;有些則需設(shè)置龍門架，不但安裝調(diào)試?yán)щy而且成本高;而且現(xiàn)有的外廓儀能測量半掛車銷軸距的不多。此外廓測量儀不僅能快速精確的測量車輛的相關(guān)參數(shù)，測量精度高，測量過程不影響車輛的正常行駛，同時滿足測量精度和測量速度的要求。

2 技術(shù)方案

（1）在車輛行駛車道兩側(cè)垂直地面設(shè)置一對光電測量光幕1（11、12），光幕所檢測到的高度范圍應(yīng)覆蓋普通車輛車頭的最凸部位的高度。

（2）在行車中心線的前方高處設(shè)置一個測長掃描儀5，設(shè)置高度應(yīng)高于最大被測車高的0.5-1米，用于測量車輛的長度。測長掃描儀5與光電測量光幕1之間的距離必須大于最大被測車長1-1.5米。為保證測量精度，掃描面垂直于地面且平行于行車方向，并位于行車中心線上。

（3）光電測量光幕1前方、車輛行駛車道兩側(cè)分別設(shè)置一個激光掃描儀，其中一個距地面約5米（測高掃描儀4），另一個距地面約1.2米（測寬掃描儀6），用于測量車高、車寬及車廂欄板高。為保證測量精度，兩個掃描儀的掃描面均要垂直于地面及行車方向。

（4）光電測量光幕1的前方地面設(shè)置一對對射開關(guān)2（21、22），與測長掃描儀讀數(shù)結(jié)合可得出車輛的軸距。

（5）對以上采集到的數(shù)據(jù)通過計算機(jī)程序進(jìn)行運算，便可得到車輛的三維圖形，再對后視鏡等影響車輛外廓尺寸的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能剔除，可得出車輛的外廓尺寸，并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理。

（6）測半掛車的銷軸距時，可在靠近光電測量光幕1的前方再設(shè)置一組較長的光電測量光幕3（31、32），測量高度應(yīng)能覆蓋半掛車的鞍部。當(dāng)半掛車行駛通過時，此光幕可辨別掛車鞍部的位置，結(jié)合上述車輛的三維數(shù)據(jù)和對射開關(guān)測得的軸距，可計算出被測半掛車的銷軸距。

車輛外廓測量儀安裝調(diào)試后，先將光電測量光幕、紅外對射開關(guān)、測長掃描儀、測寬掃描儀和測高掃描儀的位置關(guān)系數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)，建立測量空間的初始數(shù)據(jù)。檢測時，車輛以3-7km/h的速度駛進(jìn)檢測區(qū)域，當(dāng)車頭觸發(fā)光電測量光幕1時，測長掃描儀開始對車頭的距離進(jìn)行讀數(shù);車輛行進(jìn)期間，測長掃描儀不斷讀數(shù);當(dāng)車尾離開光電測量光幕時，測長掃描儀停止讀數(shù)。測長掃描儀的起始讀數(shù)值與終止讀數(shù)值之差就是車輛的長度。車輛行進(jìn)時，測長掃描儀對車長不斷讀數(shù)的同時，測高掃描儀和測寬掃描儀也不斷對車輛進(jìn)行掃描，得出掃描儀每一次讀數(shù)時掃描面上的截面數(shù)據(jù)及寬高。通過計算機(jī)軟件計算并模擬構(gòu)建車輛的三維圖像，去除后視鏡等因素，便可得出車輛的長度、寬度和高度數(shù)據(jù)。如圖1所示。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上技術(shù)方案，考慮外觀及便于安裝調(diào)試，對儀器進(jìn)行整合。因測寬掃描儀的安裝高度約為1.2米，兩組光電測量光幕相距不遠(yuǎn)，故設(shè)計一立柱A，其兩側(cè)面分別安裝光電測量光幕1和2的接收端，正面安裝側(cè)寬掃描儀;且將儀器總的電控和通信部分裝于立柱A內(nèi)。光電測量光幕1和2的發(fā)射端則裝于立柱B的兩側(cè)。考慮外觀及零件的統(tǒng)一性，立柱A與立柱B形狀大小相同。對裝于5米高的測高和測寬掃描儀，分別設(shè)置一個檢測箱，外面安裝掃描儀，內(nèi)部安裝掃描儀的電控部分。因測量光幕及掃描儀的掃描面都有垂直于地面的要求，所以這些測量部件都設(shè)置有角度調(diào)整機(jī)構(gòu)。為提高可靠性，在掃描儀外側(cè)還設(shè)有防塵遮光裝置，避免塵埃覆蓋于掃描儀的測量面而影響測量的可靠性。同時還有遮光的作用，減少外界光線對掃描儀產(chǎn)生干擾，影響測量結(jié)果。該裝置由固定側(cè)和滑動側(cè)組成，采用氣缸來控制裝置的開合。整套車輛外廓三維測量儀的結(jié)構(gòu)簡單，安裝及調(diào)試方便，且測量準(zhǔn)確可靠。

4 精度分析

4.1 激光掃描儀的分辨率對測量精度的影響

根據(jù)測量原理可知：高度方向的誤差為h=p*cos（θ），長度方向的誤差為l=p*sin（θ），寬度方向的誤差為w=2p*sin（θ）。其中p為激光掃描儀的分辨率，本設(shè)備為±1cm;θ為激光掃描線與地面垂直方向的夾角。由于cos（θ）≤1、sin（θ）≤1，激光掃描儀的分辨率對高度、長度的測量結(jié)果造成的誤差≦1cm，寬度的測量結(jié)果造成的誤差≤2cm，滿足國標(biāo)對外廓儀的誤差要求。

4.2 激光掃描儀的采樣間隔對測量精度的影響

激光掃描儀在掃描面上的采樣間隔影響到車輛截面表面的采樣點數(shù)，間隔越小，采樣點越多，對車輛三維成像越為真實、精確。

車輛水平方向的采樣間隔：

△x=（hd-hw）*[tan（θ+β）-tanθ]

車輛垂直方向的采樣間隔：

△y=△x/tan（θ+β）=（hd-hw）*[1-tanθ/tan（θ+β）]

其中：hd為激光掃描儀的安裝高度（5m），hw為掃描點的高度，θ為掃描線與地面垂直方向的夾角，β為相鄰掃描線的夾角，本裝置為0.25度。

設(shè)檢測車道寬為6米，則測寬、測高掃描儀距離行車中心線的距離為3米，以1.5米高、1.8米寬的汽車最低點的寬度來計算水平采樣最大間隔：θ=arctan[（3-1.8/2）/5]=22.8°

△Xmax=（5-1.5）x[tan（22.8°+0.25°）-tan22.8°]= 0.018m

即水平采樣間隔小于2cm。

垂直方向的采樣間隔的影響為車輛越寬，采樣點高度越低，采樣間隔越大。以3米寬的車輛采樣高為0的采樣點計算垂直采樣最大間隔：θ=arctan[（3-3/2）/5]=16.7°

△Ymax=（5-0）x[1-tan16.7°/tan（16.7°+0.25°）]= 0.0471m

即垂直方向最大采樣間隔小于5cm。而實際上，車輛高度不可能為0，因此車輛最寬處采樣間隔遠(yuǎn)小于此值。

從車輛實際采樣效量來看，水平方向和垂直方向的采樣間隔能滿足實際檢測需求。

4.3 車速及掃描間隔對車長測量精度的影響

測寬、測高激光掃描儀的掃描間隔影響對車輛表面的采樣頻率，間隔越小，掃描次數(shù)越多，獲取車輛的橫截面數(shù)據(jù)越多，三維成像越為精確。而車速的快慢影響每個掃描間隔時間內(nèi)車輛前進(jìn)的距離，同樣影響獲取車輛的橫截面數(shù)據(jù)的多少。

激光掃描儀的掃描速度是固定的，本設(shè)備的掃描間隔是20ms，當(dāng)檢測車輛行駛速度為7km/h時，一個掃描間隔內(nèi)車輛行駛的距離為：7×1000/3600×0.02=0.038m。即長度方向采樣間隔為3.8cm

因此，我們對檢測車輛的行駛速度要求為3-7km/h之間。車輛在此速度范圍行駛通過檢測區(qū)域，測量誤差合符外廓儀的國標(biāo)要求。

我們對一臺牽引車進(jìn)行實車試驗，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié)語

本文主要介紹了一種車輛外廓三維測量儀，此儀器于2016年已實現(xiàn)量產(chǎn)，并已應(yīng)用于國內(nèi)多個機(jī)動車檢測站，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。實踐表明，此外廓三維測量儀技術(shù)先進(jìn)、功能齊全，不僅性能穩(wěn)定可靠、測量精度高、重復(fù)性好，而且操作簡單、快捷，得到了廣大用戶的一致好評。

參考文獻(xiàn)

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