基于三維線激光技術(shù)的多點(diǎn)激光車轍檢測(cè)誤差分析

郭鑫鑫 惠冰

摘要：針對(duì)13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備的傳感器數(shù)量和檢測(cè)車輛行駛的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致車轍深度檢查結(jié)果出現(xiàn)明顯誤差的問(wèn)題，應(yīng)用高精度、高密度的新型三維線激光檢測(cè)技術(shù)和研發(fā)的室內(nèi)車轍形態(tài)模擬設(shè)備，定量評(píng)估了非均布13點(diǎn)激光車轍檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)精度及可靠性。結(jié)果表明：13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備對(duì)隆起型車轍的檢測(cè)誤差和離差性均明顯高于對(duì)無(wú)隆起車轍的檢測(cè)，且相對(duì)誤差均超過(guò)了5%。

關(guān)鍵詞：車轍檢測(cè)；三維線激光成像技術(shù)；13點(diǎn)激光檢測(cè)技術(shù)；檢測(cè)精度

中圖分類號(hào)：U418.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

點(diǎn)激光傳感器檢測(cè)設(shè)備由于傳感器數(shù)目的限制，往往無(wú)法準(zhǔn)確地獲取車轍斷面形態(tài)，尤其當(dāng)實(shí)際車轍橫斷面寬度大于檢測(cè)車寬度時(shí)，少于13點(diǎn)的點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備的誤差尤為明顯[15]；另一方面，檢測(cè)車沿著實(shí)際車轍輪跡帶行駛，稍有偏差就會(huì)無(wú)法得到準(zhǔn)確的車轍深度數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致測(cè)得的車轍深度偏于保守[67]。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，三維線激光成像檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其高密度和高精度的檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)激光傳感器檢測(cè)精度的校驗(yàn)提供了平臺(tái)。然而，目前三維線激光成像技術(shù)仍處于前期探索階段，其檢測(cè)精度及可靠性等需要進(jìn)一步驗(yàn)證?；诖耍疚尿?yàn)證三維線激光成像系統(tǒng)對(duì)車轍深度檢測(cè)的精度、重復(fù)可靠性及相關(guān)性，并定量地評(píng)估在相同車轍嚴(yán)重程度下13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備對(duì)不同車轍形態(tài)的檢測(cè)精度誤差。

1車轍深度計(jì)算原理

1.1三維線激光成像檢測(cè)原理

三維線激光成像技術(shù)的車轍深度檢測(cè)原理為：首先，用激光作為檢測(cè)光源照射待測(cè)路面，如果被測(cè)物體表面不平整，就會(huì)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(jìn)行計(jì)算分析，就可以得到被測(cè)道路路面的凹凸?fàn)顩r；然后，應(yīng)用CCD（電荷耦合器件）攝像機(jī)每隔一段距離接收并記錄一次待測(cè)三維圖像，從而獲得待測(cè)路面的二維變形條紋圖像，該二維變形圖像包含了待測(cè)路面輪廓各點(diǎn)的幾何信息；利用數(shù)字圖像處理的方法對(duì)二維變形路面圖像進(jìn)行處理，并提取光條中心線，通過(guò)標(biāo)定計(jì)算出車轍變形曲線，從而獲得車轍深度。三維線激光檢測(cè)原理如圖1所示[810]。

由圖1所示的幾何關(guān)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(diǎn)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(diǎn)在成像面上的位移；在測(cè)量過(guò)程中，參數(shù)a、b、θ、h′均為常數(shù)。根據(jù)上述計(jì)算原理可以計(jì)算出車轍的深度變化。

1.213點(diǎn)激光車轍深度計(jì)算原理

中國(guó)目前廣泛采用13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備對(duì)路面車轍病害進(jìn)行檢測(cè)分析，因此，本文對(duì)13點(diǎn)激光檢測(cè)原理及其對(duì)應(yīng)的車轍深度計(jì)算方法進(jìn)行分析。

圖2顯示了13點(diǎn)激光檢測(cè)儀器的激光傳感器布置情況：沿著左右輪跡帶的兩側(cè)分別布置了4個(gè)垂直激光傳感器；在整個(gè)檢測(cè)儀器的兩端分別布設(shè)了2個(gè)斜射激光傳感器，從而使檢測(cè)范圍達(dá)到36 m；儀器中間布設(shè)1個(gè)垂直激光傳感器，用于檢測(cè)2個(gè)車轍間隆起部分（最高）的高度。每一個(gè)激光傳感器會(huì)檢測(cè)到參考平面與對(duì)應(yīng)道路斷面間的距離，以13點(diǎn)激光檢測(cè)儀器的左側(cè)部分為例，從中間到最左端傳感器的檢測(cè)高度分別為D1～D7。

將13個(gè)離散激光傳感器所得到的檢測(cè)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(duì)應(yīng)的左右車轍深度可通過(guò)包絡(luò)線法計(jì)算得到。

2三維線激光成像檢測(cè)的車轍深度識(shí)別與檢測(cè)精度評(píng)估[KH*2]

本文試驗(yàn)所用的三維線激光傳感器為L(zhǎng)MI科技公司的Gocator 2075型傳感器。其掃描頻率約為700 Hz，即激光設(shè)備每秒可采集、提取并計(jì)算約700個(gè)圖像數(shù)據(jù)。三維線激光檢測(cè)設(shè)備每秒沿路面橫斷面上的掃描點(diǎn)數(shù)約為1 600個(gè)，橫向激光點(diǎn)密度為每0.55 mm一個(gè)。

試驗(yàn)選用碾壓車轍成型的瀝青車轍板（300 mm×300 mm×60 mm）作為測(cè)量對(duì)象。使用游標(biāo)卡尺（精度為01 mm）對(duì)真實(shí)車轍深度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)車轍不同位置（兩邊與中間點(diǎn)）的深度測(cè)量值取平均值，作為最終的測(cè)量真實(shí)值。三維線激光檢測(cè)設(shè)備以60 km·h-1的速度對(duì)車轍板的車轍深度數(shù)據(jù)進(jìn)行5次采集，由于車轍板的轍槽底部近似平整，因此對(duì)轍槽底部的激光數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行平均化處理，作為一次的車轍深度測(cè)量值。經(jīng)前期三維線激光檢測(cè)設(shè)備的參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)可知，設(shè)備的最佳架設(shè)高度為1.4 m，檢測(cè)寬度為1 400 mm，最佳曝光值為1 200 μs。

應(yīng)用三維線激光成像設(shè)備采集的6組不同深度的車轍數(shù)據(jù)與人工測(cè)量值的對(duì)比結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，測(cè)量相對(duì)誤差大部分在2%以內(nèi)，證明三維激光檢測(cè)儀同樣可以滿足工程上高精度的測(cè)量要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，5次測(cè)量的絕對(duì)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(jì)算每組測(cè)量結(jié)果的偏差系數(shù)，結(jié)果如表2所示。6組檢測(cè)試驗(yàn)的重復(fù)測(cè)量偏差系數(shù)均小于規(guī)范要求的5%。

313點(diǎn)激光測(cè)量系統(tǒng)的車轍深度檢測(cè)精度及可靠性評(píng)估[KH*2]

將三維線激光成像設(shè)備所測(cè)量的車轍橫斷面深度數(shù)據(jù)作為參考值，用13點(diǎn)激光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)7種常見(jiàn)車轍，并對(duì)其形態(tài)精度及可靠性進(jìn)行評(píng)估分析，如圖3所示。

13點(diǎn)激光檢測(cè)與三維線激光檢測(cè)的車轍橫斷面對(duì)比如圖4所示。通過(guò)對(duì)三維線激光檢測(cè)到的車轍橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行40項(xiàng)移動(dòng)平均化處理，可得到近于真實(shí)的道路車轍橫斷面及與其對(duì)應(yīng)的車轍深度?；诖藚⒖紮M斷面，對(duì)13點(diǎn)激光檢測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行模擬，得到13點(diǎn)激光檢測(cè)點(diǎn)的分布情況，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的車轍深度計(jì)算。

以圖4為例，該車轍類型為中間凹陷形態(tài)，則13點(diǎn)激光檢測(cè)的左右車轍深度的絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差可以應(yīng)用下列公式進(jìn)行計(jì)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(cè)得到的左、右車轍深度；D13L、D13R分別為13點(diǎn)激光檢測(cè)得到的左、右車轍深度；

dL和dR分別為13點(diǎn)激光檢測(cè)左、右車轍深度的絕對(duì)誤差，δL和δR分別為13點(diǎn)激光檢測(cè)左、右車轍深度的相對(duì)誤差。

為了分析13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備對(duì)7種不同形態(tài)的車轍深度測(cè)量的精度誤差，本文開(kāi)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(shí)道面寬度的1/3，紋理深度為0.2～0.4 mm，滿足中國(guó)對(duì)瀝青混凝土路面構(gòu)造深度的要求。

圖5用于13點(diǎn)激光車轍檢測(cè)設(shè)備精度標(biāo)定的車轍形態(tài)模擬設(shè)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(yàn)將這4種車轍形態(tài)分別作為2種形態(tài)進(jìn)行分析。三維線激光檢測(cè)與13點(diǎn)激光檢測(cè)的a、b、c型車轍橫斷面數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖6、7所示。應(yīng)用包絡(luò)線法分別計(jì)算2組車轍橫斷面的車轍深度，結(jié)果如表3所示。

由圖6、7可以看出，13點(diǎn)激光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于車轍橫斷面下凹（低于測(cè)定基準(zhǔn)線）部分的檢測(cè)結(jié)果是較為接近參考橫斷面（三維線激光檢測(cè)數(shù)據(jù)）的，但是對(duì)于車轍橫斷面隆起（高于測(cè)定基準(zhǔn)線）部分的檢測(cè)結(jié)果相差較大。

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

（2）對(duì)于a或c型車轍形態(tài)，隨著車轍深度的增大，其檢測(cè)相對(duì)誤差與絕對(duì)誤差整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；而對(duì)于b型車轍形態(tài)，這種變化并不明顯。這是因?yàn)椋篵型車轍形態(tài)的每一個(gè)車轍凹槽兩側(cè)均會(huì)隆起，而13點(diǎn)激光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)隆起部分的檢測(cè)并不準(zhǔn)確，這使得b型車轍形態(tài)檢測(cè)結(jié)果的誤差并無(wú)明顯規(guī)律。

應(yīng)用13點(diǎn)激光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)d、e、f和g型車轍形態(tài)進(jìn)行全橫斷面模擬檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖8～10所示。由模擬結(jié)果可以看出， f或g型車轍形態(tài)橫斷面的檢測(cè)結(jié)果最接近參考車轍橫斷面，e型車轍形態(tài)橫斷面的檢測(cè)結(jié)果次之，而d型車轍形態(tài)橫斷面的檢測(cè)結(jié)果最差。

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

（1）f或g型車轍形態(tài)的13點(diǎn)檢測(cè)相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差均最小，e型車轍形態(tài)次之，d型車轍形態(tài)的結(jié)果誤差最大。可見(jiàn)，13點(diǎn)激光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)車轍兩端隆起部分的獲取情況很差，尤其當(dāng)兩側(cè)隆起部分不大時(shí)，往往會(huì)很難獲取到車轍隆起部分。

（2）隨著車轍嚴(yán)重程度的提高，車轍形態(tài)的檢測(cè)相對(duì)誤差與絕對(duì)誤差均會(huì)降低，其中f或g型車轍形態(tài)的檢測(cè)誤差隨車轍深度的增加變化很小，這也表明了對(duì)于無(wú)隆起的車轍，其嚴(yán)重程度對(duì)13點(diǎn)激光檢測(cè)結(jié)果的影響并不明顯。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種三維線激光成像設(shè)備的室內(nèi)車轍檢測(cè)標(biāo)定方法，并對(duì)其進(jìn)行了精度、重復(fù)可靠性與相關(guān)性分析，驗(yàn)證了三維線激光成像設(shè)備的測(cè)量精度、重復(fù)可靠性和相關(guān)性均滿足工程高精度的檢測(cè)要求。

基于由三維線激光檢測(cè)設(shè)備獲取的精準(zhǔn)可靠的車轍橫斷面，本文分析了現(xiàn)行13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備對(duì)中國(guó)常見(jiàn)的7種車轍形態(tài)的檢測(cè)精度及可靠性。經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)。

（1）13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備對(duì)隆起型車轍的檢測(cè)誤差明顯高于對(duì)無(wú)隆起車轍的檢測(cè)。同時(shí)，隆起型車轍深度的檢測(cè)相對(duì)誤差會(huì)隨車轍嚴(yán)重程度的提高整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而無(wú)隆起車轍的檢測(cè)誤差不會(huì)隨車轍嚴(yán)重程度的增大而變化。

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

（3）13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備對(duì)隆起型車轍的檢測(cè)誤差最高可達(dá)近7 mm，這使得某些已達(dá)到養(yǎng)護(hù)閾值的車轍將會(huì)被忽略。同時(shí)，13點(diǎn)激光檢測(cè)設(shè)備對(duì)于7種形態(tài)車轍的檢測(cè)誤差幾乎均在5%以上，因此很難滿足工程的高精度檢測(cè)要求。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]