基于三維線激光技術的多點激光車轍檢測誤差分析

郭鑫鑫 惠冰

摘要：針對13點激光檢測設備的傳感器數(shù)量和檢測車輛行駛的不穩(wěn)定性，導致車轍深度檢查結果出現(xiàn)明顯誤差的問題，應用高精度、高密度的新型三維線激光檢測技術和研發(fā)的室內車轍形態(tài)模擬設備，定量評估了非均布13點激光車轍檢測設備的檢測精度及可靠性。結果表明：13點激光檢測設備對隆起型車轍的檢測誤差和離差性均明顯高于對無隆起車轍的檢測，且相對誤差均超過了5%。

關鍵詞：車轍檢測；三維線激光成像技術；13點激光檢測技術；檢測精度

中圖分類號：U418.6文獻標志碼：B

0引言

點激光傳感器檢測設備由于傳感器數(shù)目的限制，往往無法準確地獲取車轍斷面形態(tài)，尤其當實際車轍橫斷面寬度大于檢測車寬度時，少于13點的點激光檢測設備的誤差尤為明顯[15]；另一方面，檢測車沿著實際車轍輪跡帶行駛，稍有偏差就會無法得到準確的車轍深度數(shù)據(jù)，從而導致測得的車轍深度偏于保守[67]。

隨著激光技術的發(fā)展，三維線激光成像檢測技術應運而生，其高密度和高精度的檢測優(yōu)點，為實現(xiàn)點激光傳感器檢測精度的校驗提供了平臺。然而，目前三維線激光成像技術仍處于前期探索階段，其檢測精度及可靠性等需要進一步驗證。基于此，本文驗證三維線激光成像系統(tǒng)對車轍深度檢測的精度、重復可靠性及相關性，并定量地評估在相同車轍嚴重程度下13點激光檢測設備對不同車轍形態(tài)的檢測精度誤差。

1車轍深度計算原理

1.1三維線激光成像檢測原理

三維線激光成像技術的車轍深度檢測原理為：首先，用激光作為檢測光源照射待測路面，如果被測物體表面不平整，就會因其表面的高低起伏使激光線發(fā)生變形，根據(jù)激光線變形進行計算分析，就可以得到被測道路路面的凹凸狀況；然后，應用CCD（電荷耦合器件）攝像機每隔一段距離接收并記錄一次待測三維圖像，從而獲得待測路面的二維變形條紋圖像，該二維變形圖像包含了待測路面輪廓各點的幾何信息；利用數(shù)字圖像處理的方法對二維變形路面圖像進行處理，并提取光條中心線，通過標定計算出車轍變形曲線，從而獲得車轍深度。三維線激光檢測原理如圖1所示[810]。

由圖1所示的幾何關系，可以得出車轍深度h為

h=ah′bsin θ-h′cos θ

式中：a為激光器與路表面虛交點至透鏡的距離；b為透鏡至CCD感光面的距離；θ為路表面法線與成像鏡頭光軸的夾角；h′為像點在成像面上的位移；在測量過程中，參數(shù)a、b、θ、h′均為常數(shù)。根據(jù)上述計算原理可以計算出車轍的深度變化。

1.213點激光車轍深度計算原理

中國目前廣泛采用13點激光檢測設備對路面車轍病害進行檢測分析，因此，本文對13點激光檢測原理及其對應的車轍深度計算方法進行分析。

圖2顯示了13點激光檢測儀器的激光傳感器布置情況：沿著左右輪跡帶的兩側分別布置了4個垂直激光傳感器；在整個檢測儀器的兩端分別布設了2個斜射激光傳感器，從而使檢測范圍達到36 m；儀器中間布設1個垂直激光傳感器，用于檢測2個車轍間隆起部分（最高）的高度。每一個激光傳感器會檢測到參考平面與對應道路斷面間的距離，以13點激光檢測儀器的左側部分為例，從中間到最左端傳感器的檢測高度分別為D1～D7。

將13個離散激光傳感器所得到的檢測高度數(shù)據(jù)依次連接成近似連續(xù)的道路模擬橫斷面，則對應的左右車轍深度可通過包絡線法計算得到。

2三維線激光成像檢測的車轍深度識別與檢測精度評估[KH*2]

本文試驗所用的三維線激光傳感器為LMI科技公司的Gocator 2075型傳感器。其掃描頻率約為700 Hz，即激光設備每秒可采集、提取并計算約700個圖像數(shù)據(jù)。三維線激光檢測設備每秒沿路面橫斷面上的掃描點數(shù)約為1 600個，橫向激光點密度為每0.55 mm一個。

試驗選用碾壓車轍成型的瀝青車轍板（300 mm×300 mm×60 mm）作為測量對象。使用游標卡尺（精度為01 mm）對真實車轍深度進行測量，對車轍不同位置（兩邊與中間點）的深度測量值取平均值，作為最終的測量真實值。三維線激光檢測設備以60 km·h-1的速度對車轍板的車轍深度數(shù)據(jù)進行5次采集，由于車轍板的轍槽底部近似平整，因此對轍槽底部的激光數(shù)據(jù)點進行平均化處理，作為一次的車轍深度測量值。經(jīng)前期三維線激光檢測設備的參數(shù)標定試驗可知，設備的最佳架設高度為1.4 m，檢測寬度為1 400 mm，最佳曝光值為1 200 μs。

應用三維線激光成像設備采集的6組不同深度的車轍數(shù)據(jù)與人工測量值的對比結果如表1所示。

由表1可以看出，測量相對誤差大部分在2%以內，證明三維激光檢測儀同樣可以滿足工程上高精度的測量要求。試驗結果表明，5次測量的絕對誤差范圍在0.1～0.8 mm之間。根據(jù)《車載式路面激光車轍儀》（JTG 076—2009）規(guī)范要求，分別計算每組測量結果的偏差系數(shù)，結果如表2所示。6組檢測試驗的重復測量偏差系數(shù)均小于規(guī)范要求的5%。

313點激光測量系統(tǒng)的車轍深度檢測精度及可靠性評估[KH*2]

將三維線激光成像設備所測量的車轍橫斷面深度數(shù)據(jù)作為參考值，用13點激光檢測系統(tǒng)檢測7種常見車轍，并對其形態(tài)精度及可靠性進行評估分析，如圖3所示。

13點激光檢測與三維線激光檢測的車轍橫斷面對比如圖4所示。通過對三維線激光檢測到的車轍橫斷面數(shù)據(jù)進行40項移動平均化處理，可得到近于真實的道路車轍橫斷面及與其對應的車轍深度。基于此參考橫斷面，對13點激光檢測數(shù)據(jù)點進行模擬，得到13點激光檢測點的分布情況，同時對其進行相應的車轍深度計算。

以圖4為例，該車轍類型為中間凹陷形態(tài)，則13點激光檢測的左右車轍深度的絕對誤差與相對誤差可以應用下列公式進行計算

dL =D3DL-D13L， δL =dL/D3DL

dR =D3DR-D13R， δR =dR/D3DR

式中：D3DL、D3DR分別為三維線激光檢測得到的左、右車轍深度；D13L、D13R分別為13點激光檢測得到的左、右車轍深度；

dL和dR分別為13點激光檢測左、右車轍深度的絕對誤差，δL和δR分別為13點激光檢測左、右車轍深度的相對誤差。

為了分析13點激光檢測設備對7種不同形態(tài)的車轍深度測量的精度誤差，本文開發(fā)了用于模擬車轍形態(tài)和深度的模型，如圖5所示。其中，車轍模型寬度為真實道面寬度的1/3，紋理深度為0.2～0.4 mm，滿足中國對瀝青混凝土路面構造深度的要求。

圖5用于13點激光車轍檢測設備精度標定的車轍形態(tài)模擬設備

由圖3可知，a型與c型車轍形態(tài)相似，f型和g型車轍形態(tài)相似，因此本次試驗將這4種車轍形態(tài)分別作為2種形態(tài)進行分析。三維線激光檢測與13點激光檢測的a、b、c型車轍橫斷面數(shù)據(jù)對比結果如圖6、7所示。應用包絡線法分別計算2組車轍橫斷面的車轍深度，結果如表3所示。

由圖6、7可以看出，13點激光檢測系統(tǒng)對于車轍橫斷面下凹（低于測定基準線）部分的檢測結果是較為接近參考橫斷面（三維線激光檢測數(shù)據(jù)）的，但是對于車轍橫斷面隆起（高于測定基準線）部分的檢測結果相差較大。

（1）由表3的對比結果可以看出，b型車轍形態(tài)的車轍深度檢測結果絕對誤差與相對誤差整體大于a或c型車轍形態(tài)的檢測誤差，這表明車轍橫斷面的隆起部分對13點激光檢測結果的影響較大，即13點激光檢測系統(tǒng)往往難以捕捉到車轍橫斷面隆起部分的最高點。

（2）對于a或c型車轍形態(tài)，隨著車轍深度的增大，其檢測相對誤差與絕對誤差整體呈現(xiàn)下降趨勢；而對于b型車轍形態(tài)，這種變化并不明顯。這是因為：b型車轍形態(tài)的每一個車轍凹槽兩側均會隆起，而13點激光檢測系統(tǒng)對隆起部分的檢測并不準確，這使得b型車轍形態(tài)檢測結果的誤差并無明顯規(guī)律。

應用13點激光檢測系統(tǒng)對d、e、f和g型車轍形態(tài)進行全橫斷面模擬檢測，檢測結果如圖8～10所示。由模擬結果可以看出， f或g型車轍形態(tài)橫斷面的檢測結果最接近參考車轍橫斷面，e型車轍形態(tài)橫斷面的檢測結果次之，而d型車轍形態(tài)橫斷面的檢測結果最差。

表4列舉了在d、e、f和g型車轍形態(tài)下的13點激光檢測車轍深度結果的絕對誤差與相對誤差。對比結果發(fā)現(xiàn)以下2點。

（1）f或g型車轍形態(tài)的13點檢測相對誤差和絕對誤差均最小，e型車轍形態(tài)次之，d型車轍形態(tài)的結果誤差最大。可見，13點激光檢測系統(tǒng)對車轍兩端隆起部分的獲取情況很差，尤其當兩側隆起部分不大時，往往會很難獲取到車轍隆起部分。

（2）隨著車轍嚴重程度的提高，車轍形態(tài)的檢測相對誤差與絕對誤差均會降低，其中f或g型車轍形態(tài)的檢測誤差隨車轍深度的增加變化很小，這也表明了對于無隆起的車轍，其嚴重程度對13點激光檢測結果的影響并不明顯。

4結語

本文提出了一種三維線激光成像設備的室內車轍檢測標定方法，并對其進行了精度、重復可靠性與相關性分析，驗證了三維線激光成像設備的測量精度、重復可靠性和相關性均滿足工程高精度的檢測要求。

基于由三維線激光檢測設備獲取的精準可靠的車轍橫斷面，本文分析了現(xiàn)行13點激光檢測設備對中國常見的7種車轍形態(tài)的檢測精度及可靠性。經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)以下幾點。

（1）13點激光檢測設備對隆起型車轍的檢測誤差明顯高于對無隆起車轍的檢測。同時，隆起型車轍深度的檢測相對誤差會隨車轍嚴重程度的提高整體呈現(xiàn)下降的趨勢，而無隆起車轍的檢測誤差不會隨車轍嚴重程度的增大而變化。

（2）由于13點激光檢測設備很難準確獲取隆起型車轍的最高點，因此對于隆起型車轍深度的檢測結果往往有很大的離差性，即檢測的可靠性很難保證。其中，b型車轍檢測誤差的離差最大，而f或g型車轍檢測誤差的離差最小。同時，d型和a、c型車轍檢測誤差的離差相差不大，但是d型車轍的檢測誤差高于a、c型車轍，由此說明車轍兩側隆起部分對13點激光檢測設備檢測精度的影響大于中間隆起部分，而檢測可靠性與中間隆起部分相差不大。因此，建議在13點激光檢測設備的兩側增加激光傳感器布設密度來更加準確地獲取車轍兩側隆起部分的最高點。

（3）13點激光檢測設備對隆起型車轍的檢測誤差最高可達近7 mm，這使得某些已達到養(yǎng)護閾值的車轍將會被忽略。同時，13點激光檢測設備對于7種形態(tài)車轍的檢測誤差幾乎均在5%以上，因此很難滿足工程的高精度檢測要求。

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[責任編輯：杜敏浩]