一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備與方法，包括校準(zhǔn)板，校準(zhǔn)板的底部均勻分布有若干能夠調(diào)節(jié)高度的支座，校準(zhǔn)板的外沿設(shè)有若干水平水準(zhǔn)泡，所述校準(zhǔn)板包括沿檢測方向依次布置的調(diào)試段、橫向階梯狀校準(zhǔn)段、縱向階梯狀校準(zhǔn)段以及縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段。本發(fā)明通過預(yù)設(shè)已知高程的三個校準(zhǔn)區(qū)域，建立車載三維激光檢測系統(tǒng)對路面病害檢測模型，通過檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與模型真值進(jìn)行比較分析，得出檢測系統(tǒng)相應(yīng)的檢測精度與參數(shù)，達(dá)到對三維激光檢測系統(tǒng)的檢測精度進(jìn)行校準(zhǔn)的目的。
【專利說明】
_種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及車載三維激光檢測系統(tǒng)室外精度校準(zhǔn)領(lǐng)域，具體涉及一種車載三維激 光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國高速公路里程的不斷增長、交通流量的快速增加以及公眾需求的日益提 高，高速公路養(yǎng)護(hù)規(guī)模越來越大。"十一五"期間，全國完成路網(wǎng)改建工程55萬公里、公路大 修工程16.7萬公里、公路中修工程36.4萬公里。"十一五"末期，我國高速公路的養(yǎng)護(hù)速度已 經(jīng)超過了建設(shè)速度，公路發(fā)展的重點正在實現(xiàn)從建設(shè)到養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)型。在"十二五"，公路養(yǎng)護(hù)迎 來周期性的高峰期，加之公路交通流量特別是重載交通量的持續(xù)快速增長，公路面臨集中 大修和改造的壓力，養(yǎng)護(hù)任務(wù)極為艱巨。對養(yǎng)護(hù)任務(wù)起指導(dǎo)與修正作用的道路病害檢測成 為養(yǎng)護(hù)人員主要關(guān)注重點，這一趨勢在"十三五"將會更加凸顯。現(xiàn)行的公路養(yǎng)護(hù)機(jī)制中，路 面表觀病害的檢測多是養(yǎng)護(hù)人員肉眼觀察或是使用直尺、塞尺等簡單的測量工具測量。經(jīng) 過長期工程實踐發(fā)現(xiàn)，人工檢測方法存在檢測效率低、危險性高、檢測精度低等缺點，引起 養(yǎng)護(hù)設(shè)計與決策工作的延誤及偏差，常導(dǎo)致錯過最佳的養(yǎng)護(hù)維修時機(jī)，造成養(yǎng)護(hù)經(jīng)費的浪 費。
[0003] 隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，新興的車載三維激光檢測技術(shù)依靠其檢測過程方便，檢 測數(shù)據(jù)多，檢測精度高的特點使得以機(jī)動車為檢測平臺的三維激光檢測系統(tǒng)成為道路路面 表觀病害檢測的熱門研究方向。三維激光檢測技術(shù)利用了三角測量原理法，其原理為激光 檢測儀發(fā)出線激光到被測道路表面，通過光學(xué)系統(tǒng)成像到線陣CCD，由幾何三角關(guān)系從像點 在CCD上的位置即可計算得到所測點的坐標(biāo)與高程，再通過激光檢測儀的掃描運動就能將 沿運動方向道路表面的三維數(shù)據(jù)得到。
[0004] 在使用車載三維激光檢測系統(tǒng)進(jìn)行道路檢測前，需要對其高度測量精度，寬度測 量范圍等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證檢測過程中數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，達(dá)到工程測量的標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)有的三維激光校準(zhǔn)設(shè)備，大多以三維激光測量儀為校準(zhǔn)對象不考慮激光架設(shè)平臺改變造 成的影響，并且目標(biāo)功能單一沒有市場利用價值。面對國內(nèi)外眾多三維激光測量設(shè)備供應(yīng) 商提供的不同種類及型號的三維激光測量儀，加上以種類繁多的機(jī)動車為架設(shè)平臺組成的 三維激光檢測系統(tǒng)，現(xiàn)有的校準(zhǔn)設(shè)備與方法往往難以達(dá)成精度校準(zhǔn)的任務(wù)而成為車載三維 激光檢測系統(tǒng)推廣使用的主要障礙。
[0005] 目前國內(nèi)相關(guān)試驗研究表明：在室內(nèi)靜態(tài)試驗條件下，車載三維激光檢測系統(tǒng)可 以完成對路面車轍、坑槽、擁包等路面表觀病害的檢測，各項精度均可達(dá)到工程建設(shè)要求； 而在室外檢測條件下的車載三維激光檢測系統(tǒng)的檢測精度的研究，尚無一套完備的精度標(biāo) 準(zhǔn)和系統(tǒng)的精度校準(zhǔn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備與方法， 以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明通過預(yù)設(shè)已知高程的三個校準(zhǔn)區(qū)域，建立車載三 維激光檢測系統(tǒng)對路面病害檢測模型，通過檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與模型真值進(jìn)行比較分 析，得出檢測系統(tǒng)相應(yīng)的檢測精度與參數(shù)，達(dá)到對三維激光檢測系統(tǒng)的檢測精度進(jìn)行校準(zhǔn) 的目的。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備，包括校準(zhǔn)板，校準(zhǔn)板的底部均 勻分布有若干能夠調(diào)節(jié)高度的支座，校準(zhǔn)板的外沿設(shè)有若干水平水準(zhǔn)泡，所述校準(zhǔn)板包括 沿檢測方向依次布置的調(diào)試段、橫向階梯狀校準(zhǔn)段、縱向階梯狀校準(zhǔn)段以及縱向瓦楞狀校 準(zhǔn)段。
[0009] 進(jìn)一步地，所述校準(zhǔn)板為PLA材料。
[0010]進(jìn)一步地，校準(zhǔn)板的底部均勻分布有五個能夠調(diào)節(jié)高度的支座，五個支座分別設(shè) 置在校準(zhǔn)板底部的四周及中心;校準(zhǔn)板的外沿對稱設(shè)有六個水平水準(zhǔn)泡。
[0011] 進(jìn)一步地，所述調(diào)試段為長0.05m，寬lm的第一水平面板，且調(diào)試段所處平面高程 為 0mm〇
[0012] 進(jìn)一步地，所述橫向階梯狀校準(zhǔn)段包括五塊與第一水平面板并列設(shè)置的第二水平 面板，第二水平面板的長為〇. 〇5m，寬為lm，五塊第二水平面板成階梯狀分布，且五塊第二水 平面板的高程沿長度方向依次為-1 〇mm，-5mm，0mm，5mm，10mm。
[0013] 進(jìn)一步地，所述縱向階梯狀校準(zhǔn)段包括九塊長0.15m，寬0.1m的第三水平面板以及 兩塊長0.15m，寬0.05m的第四水平面板，第三水平面板和第四水平面板均與第一水平面板 垂直設(shè)置，且第四水平面板設(shè)置在第三水平面板的兩側(cè)，第三水平面板和第四水平面板的 高程沿寬度方向依次為 _〇 . 01mm，0mm，0.01mm，0.02mm，0.03mm，0.04mm，0.03mm，0.02mm， 0 · 01mm，0mm，-〇 · 01mm 〇
[0014] 進(jìn)一步地，所述縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段包括七塊長0.15m，寬lm的瓦楞狀面板，所述瓦 楞狀面板包括第五水平面板以及傾斜面板，且第五水平面板與第一水平面板垂直設(shè)置，相 鄰的第五水平面板通過傾斜面板相連，傾斜面板與水平面上之間的夾角為45°，第五水平面 板的高程依次為25mm，-25mm，25mm，-25mm，25mm，-25mm, 25mm〇
[0015] -種采用權(quán)利要求1所述車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備的校準(zhǔn)方 法，包括以下步驟：
[0016] 步驟1:檢測準(zhǔn)備
[0017] 步驟1.1:將室外校準(zhǔn)設(shè)備放置在三維激光檢測系統(tǒng)檢測行進(jìn)路線正下方的待測 區(qū)，調(diào)整校準(zhǔn)板放置方向，使得校準(zhǔn)板橫斷面與檢測行進(jìn)方向垂直，并通過調(diào)節(jié)支座保證校 準(zhǔn)板基準(zhǔn)面的水平；
[0018] 步驟1.2:將三維激光檢測系統(tǒng)的檢測平面對準(zhǔn)校準(zhǔn)板的調(diào)試段，并將此時的檢測 平面設(shè)定為高程零點平面；
[0019] 步驟1.3:設(shè)置三維激光檢測系統(tǒng)的測量參數(shù)；
[0020] 步驟2:數(shù)據(jù)采集
[0021 ]步驟2.1:通過三維激光檢測系統(tǒng)采集橫向階梯狀校準(zhǔn)段的高程；
[0022]步驟2.2:通過三維激光檢測系統(tǒng)采集縱向階梯狀校準(zhǔn)段的高程；
[0023]步驟2.3:通過三維激光檢測系統(tǒng)采集縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段的高程；
[0024] 步驟3:數(shù)據(jù)分析
[0025] 步驟3.1:對步驟2所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析；
[0026] 步驟3.2:將橫向階梯狀校準(zhǔn)段、縱向階梯狀校準(zhǔn)段以及縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段所采集 的數(shù)據(jù)與真實值進(jìn)行對比分析；
[0027]步驟3.3:根據(jù)對比分析結(jié)果判斷三維激光檢測系統(tǒng)是否符合工程實際要求。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0029] 本發(fā)明裝置能夠更加精準(zhǔn)、高效、便捷的進(jìn)行車載三維激光檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)， 改進(jìn)了現(xiàn)有的一套體系校準(zhǔn)一項精度的缺陷，針對各類型號的檢測系統(tǒng)提出了不同的校準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)，對三維激光路面檢測系統(tǒng)的推廣做出巨大貢獻(xiàn)，本發(fā)明通過預(yù)設(shè)已知高程的三個校 準(zhǔn)區(qū)域，建立車載三維激光檢測系統(tǒng)對路面病害檢測模型，通過檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與模 型真值進(jìn)行比較分析，得出檢測系統(tǒng)相應(yīng)的檢測精度與參數(shù)，達(dá)到對三維激光檢測系統(tǒng)的 檢測精度進(jìn)行校準(zhǔn)的目的。
[0030] 本發(fā)明方法通過預(yù)設(shè)已知高程的三個校準(zhǔn)區(qū)域，建立車載三維激光檢測系統(tǒng)對路 面病害檢測模型，通過檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與模型真值進(jìn)行比較分析，得出檢測系統(tǒng)相應(yīng) 的檢測精度與參數(shù)，達(dá)到對三維激光檢測系統(tǒng)的檢測精度進(jìn)行校準(zhǔn)的目的。
【附圖說明】
[0031] 圖1為三維激光檢測系統(tǒng)室外校準(zhǔn)流程圖；
[0032] 圖2為車載三維激光檢測系統(tǒng)對路面病害檢測模型(A為三維激光檢測系統(tǒng)，B為設(shè) 計路面校準(zhǔn)設(shè)備）；
[0033]圖3為校準(zhǔn)設(shè)備構(gòu)造示意圖；
[0034]圖4(1)為校準(zhǔn)板橫向階梯狀校準(zhǔn)段的三視圖，其中（a)為正視圖；（b)為側(cè)視圖； (c)為俯視圖；且圖中a為600mm，b為200mm，c為250mm，d為60mm，e為400mm，f 為110mm;
[0035] 圖4(2)為校準(zhǔn)板縱向階梯狀校準(zhǔn)段的三視圖，其中（a)為正視圖；（b)為側(cè)視圖； (c)為俯視圖，且圖中g(shù) 為20mm，h 為5mm，i為1000mm，j為50mm，k為30mm，1為40mm;
[0036] 圖4(3)為校準(zhǔn)板縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段的三視圖，其中（a)為正視圖；（b)為側(cè)視圖； (c)為俯視圖；，且圖中q為100mm，r為50mm，s為150mm，t為50mm，u為5mm，v為30mm,Θ為45° ;
[0037] 圖5為三維激光檢測系統(tǒng)連接示意圖（俯視，C為三維激光測量儀，D為測量控制與 處理設(shè)備）；
[0038] 圖6為橫向階梯狀校準(zhǔn)段檢測斷面選取示意圖；
[0039] 圖7為縱向階梯狀校準(zhǔn)段檢測斷面選取示意圖；
[0040] 圖8為縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段檢測斷面選取示意圖；
[0041]圖9為橫向階梯狀校準(zhǔn)段h、k值分布圖，其中(a)為h值分布圖；（b)為k值分布圖；
[0042] 圖10為縱向階梯狀校準(zhǔn)段h、k值分布圖，其中(a)為h值分布圖；（b)為k值分布圖；
[0043] 圖11為縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段h、k值分布圖，其中(a)為h值分布圖；（b)為k值分布圖； [0044]圖12為縱向階梯狀校準(zhǔn)段中絕對誤差均值與距中心線距離的線性回歸方程；
[0045] 圖13為縱向階梯狀校準(zhǔn)段中三維激光線長度Lu的選??；
[0046] 圖14為縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段中斜坡傾角誤差轉(zhuǎn)化示意圖；
[0047] 圖15為動態(tài)校準(zhǔn)實驗橫向階梯狀校準(zhǔn)段檢測絕對誤差隨檢測速度變化趨勢；
[0048] 圖16為動態(tài)校準(zhǔn)實驗縱向階梯狀校準(zhǔn)段檢測絕對誤差隨檢測速度變化趨勢；
[0049] 圖17為動態(tài)校準(zhǔn)實驗縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段檢測絕對誤差隨檢測速度變化趨勢；
[0050] 圖18為動態(tài)校準(zhǔn)實驗縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段高程絕對誤差均值隨檢測速度變化趨勢。
【具體實施方式】
[0051] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0052] 一、設(shè)備部分
[0053]參見圖2至圖4(3)，本發(fā)明的校準(zhǔn)設(shè)備主要是通過預(yù)設(shè)已知高程的三個校準(zhǔn)區(qū)域， 建立車載三維激光檢測系統(tǒng)對路面病害檢測模型，通過檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與模型真值進(jìn) 行比較分析，得出檢測系統(tǒng)相應(yīng)的檢測精度與參數(shù)，達(dá)到對三維激光檢測系統(tǒng)的檢測精度 進(jìn)行校準(zhǔn)的目的。
[0054] 本發(fā)明所述的路面模擬設(shè)備主體為材料為PLA(聚乳酸，Poly Lactic Acid)的校 準(zhǔn)板，通過高精度的加工，誤差為正負(fù)0.05mm，由三個部分組成:支撐部分，由5個安裝在校 準(zhǔn)板四周及中部的可以調(diào)節(jié)高度的支座組成;調(diào)試部分，6個安裝在校準(zhǔn)板邊緣的水平水準(zhǔn) 泡，如圖2所示;校準(zhǔn)部分，分為1個調(diào)試段和3個校準(zhǔn)段，沿檢測方向依次是調(diào)試段、橫向階 梯狀校準(zhǔn)段、縱向階梯狀校準(zhǔn)段、縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段。
[0055] 調(diào)試段為長0.05m，寬lm的水平面板(如圖4)，設(shè)置調(diào)試段的目的是為了確定檢測 的基準(zhǔn)水平面，即為模型中的路面水平面，高程零點。在進(jìn)行調(diào)零工作時還可以對三維激光 檢測系統(tǒng)的各項測量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，保證良好的測量環(huán)境。
[0056]橫向階梯狀校準(zhǔn)段由5塊長0.05m，寬lm的水平面板沿長度方向呈階梯狀分布并且 高程依次為-1〇111111，-5111111，〇1]1111，51]1111，1〇111111(如圖4)。設(shè)置橫向階梯狀校準(zhǔn)段的目的是為了校準(zhǔn) 高程精度，確保三維激光檢測系統(tǒng)在高程方向上測量準(zhǔn)確性。
[0057] 縱向階梯狀校準(zhǔn)段由9塊長0.15m，寬0. lm和2塊長0.15m，寬0.05m的水平面板沿寬 度方向組合起來，高程依次為_〇 · 01mm，0mm，0 · 01mm，0 · 02mm，0 · 03mm，0 · 04mm，0.03mm， 0.02mm，0.01mm，0mm，-0.01mm(如圖4)。設(shè)置橫向階梯狀校準(zhǔn)段的目的是為了校準(zhǔn)寬度方向 上的高程精度，確保三維激光檢測系統(tǒng)在沿寬度方向上測量準(zhǔn)確性。同時為了校準(zhǔn)三維激 光檢測系統(tǒng)的水平架設(shè)夾角。
[0058]縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段由長0.15m寬lm的瓦楞狀面板組成，水平面板為長0.15m，寬 0. lm矩形，高程為正或負(fù)25mm。傾斜面板的水平長寬為0.15m和0.05m，傾角為45° (如圖4)。 設(shè)置縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段的目的是為了校準(zhǔn)檢測斜坡時的高程精度，確保三維激光檢測系統(tǒng) 在斜坡方向上測量準(zhǔn)確性。
[0059]本發(fā)明所述的車載三維激光檢測系統(tǒng)包括:三維激光架設(shè)平臺、檢測控制與處理 設(shè)備、Gocator2380型三維激光測量儀。
[0060]其中，Gocator2380型三維激光測量儀的具體參數(shù)為：刨面線所包含數(shù)據(jù)點1280 點，z方向線性度為0.04，z方向分辨率0.092mm至0.488mm，X方向分辨率為0.375mm至 1.100mm，凈距離350mm，視場390mm至1260mm。測量控制與處理設(shè)備為安裝相應(yīng)配套軟件的 運行內(nèi)存為8GB的臺式計算機(jī)，三維激光架設(shè)平臺為一輛改裝后達(dá)到室外試驗標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)動 車輛，具體組裝方式如圖5。激光測量儀的輸出端連接至測量控制與處理設(shè)備，能夠輸出測 量數(shù)據(jù);輸入端接入電源和I/O數(shù)據(jù)輸入端口，保證三維激光測量系統(tǒng)的正常工作。
[0061]二、測量精度校準(zhǔn)
[0062]基于G〇cat〇r2080型三維激光測量儀的車載校準(zhǔn)系統(tǒng)的室外精度校準(zhǔn)實驗分為2 個部分，即靜態(tài)檢測精度校準(zhǔn)實驗、動態(tài)檢測精度校準(zhǔn)實驗。靜態(tài)檢測精度校準(zhǔn)實驗的目的 是對三維激光測量系統(tǒng)的靜態(tài)精度進(jìn)行校準(zhǔn)，為后續(xù)試驗提供精度保證。動態(tài)檢測精度校 準(zhǔn)實驗的目的是對加入了速度因素后，得到三維激光測量系統(tǒng)動態(tài)精度并給出相應(yīng)的評價 指標(biāo)。
[0063] 1)靜態(tài)檢測精度校準(zhǔn)試驗 [0064] (1)測量準(zhǔn)備階段 [0065]①校準(zhǔn)板的放置
[0066]將校準(zhǔn)板放置在三維激光檢測系統(tǒng)檢測行進(jìn)路線正下方的待測區(qū)，調(diào)整校準(zhǔn)板放 置方向，使得校準(zhǔn)板橫斷面與檢測行進(jìn)方向垂直。通過調(diào)節(jié)校準(zhǔn)板支座的高度，調(diào)平水平水 準(zhǔn)泡，保證校準(zhǔn)板基準(zhǔn)面的水平。
[0067]②基準(zhǔn)面的確定
[0068]開動檢測車向前行駛，使得與它共同移動的三維激光檢測系統(tǒng)的檢測斷面落在校 準(zhǔn)板的調(diào)試段上，并且保證斷面中心線處于校準(zhǔn)板中心線附近。打開三維激光檢測系統(tǒng)進(jìn) 行數(shù)據(jù)采集，將此時的檢測平面設(shè)定為高程零點平面。
[0069]③三維激光檢測系統(tǒng)測量參數(shù)的設(shè)定
[0070] 在測量控制與數(shù)據(jù)處理設(shè)備上打開測量系統(tǒng)的工作界面，在測量參數(shù)界面進(jìn)行參 數(shù)設(shè)定。結(jié)合設(shè)備與測量條件，進(jìn)行曝光值、頻率等具體參數(shù)的設(shè)定，直到三維激光檢測系 統(tǒng)可以獲取完整，穩(wěn)定的測量斷面數(shù)據(jù)。
[0071] 本次檢測的測量參數(shù)設(shè)置為:觸發(fā)方式設(shè)置為時間，速度設(shè)置為Okm/h，視野設(shè)置 為1100mm，曝光設(shè)置為自動諧調(diào)。
[0072] (2)數(shù)據(jù)采集與選取階段
[0073]檢測車點火后緩慢向前行駛，行駛至待測斷面時熄火停止，三維激光檢測系統(tǒng)進(jìn) 行靜態(tài)測量，待數(shù)據(jù)收集完畢，檢測車點火進(jìn)行下一斷面測量。依次測量校準(zhǔn)板上的三個校 準(zhǔn)段:橫向階梯狀校準(zhǔn)段、縱向階梯狀校準(zhǔn)段、縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段。并用游標(biāo)卡尺測量每個 檢測斷面的高程，將各檢測斷面的測量值作為斷面真實高程。根據(jù)《ASTM C802-14》要求，對 于某一個檢測對象來說，如果實驗的實驗組數(shù)為10-15組，則其每組重復(fù)試驗至少為3組;如 果實驗組數(shù)小于10組，其重復(fù)試驗數(shù)量N=(30/p)+l(其中，p為試驗組數(shù)，如果30不是p的整 數(shù)倍數(shù)，則取其結(jié)果的相鄰最大整數(shù)）；如果實驗組數(shù)超過15個，則其重復(fù)實驗次數(shù)至少為2 組。靜態(tài)測量依據(jù)測量校準(zhǔn)段的不同而分為三個不同部分分別進(jìn)行，現(xiàn)詳述如下：
[0074]①橫向階梯狀校準(zhǔn)段：
[0075] 該校準(zhǔn)段選取了 5個實驗組，則每個實驗組的重復(fù)檢測次數(shù)為7次。這一校準(zhǔn)段共 選取5組斷面(如圖6)，每個高程階梯段選取1組斷面，含有5個檢測區(qū)段，檢測結(jié)果為各區(qū)段 內(nèi)檢測高程點高程的平均值。
[0076] 橫向階梯校準(zhǔn)段檢測數(shù)據(jù)匯總結(jié)果由表1列出：
[0077]表1橫向階梯校準(zhǔn)段檢測

[0080]注:表1、2、3中均值與方差由下式計算：
[0081 ] 第I組第J檢測段的均值X#
[0082] %=CS%y)/? (1)
[0083] 第I組第J檢測段的單組方差#?/:
[0084] Sp^Zix^-Xuf/Xn-l) (2)
[0085] ②縱向階梯狀校準(zhǔn)段：
[0086]該校準(zhǔn)段選取了 5個實驗組，每個實驗組的重復(fù)檢測次數(shù)為7次。等間距選取5組斷 面(如圖7)，每個區(qū)段含有9個檢測區(qū)段，檢測結(jié)果為檢測區(qū)段內(nèi)檢測高程點高程的平均值 及三維激光檢測點高程圖。
[0087] 縱向階梯狀校準(zhǔn)段檢測數(shù)據(jù)匯總結(jié)果由表2和圖7列出：
[0088] 表2縱向階梯狀校準(zhǔn)段檢測數(shù)據(jù)
[0091]③縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段：
[0092]該校準(zhǔn)段選取了 6個實驗組，每個實驗組的重復(fù)檢測次數(shù)為6次。等間距選取6組斷 面(如圖8)，每個斷面含有6個檢測區(qū)段，檢測結(jié)果為6個檢測區(qū)段的檢測高程點高程數(shù)據(jù)， 并利用Excel的散點圖模塊對每個坡面區(qū)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到線性回歸方程，計算 出的斜率值即為坡面與水平面的夾角的正切值，最后換算出坡面角度。
[0093]縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段檢測數(shù)據(jù)匯總結(jié)果由表3列出：
[0094]表3縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段檢測數(shù)據(jù) [0095]

[0097] (3)數(shù)據(jù)處理階段
[0098] ①數(shù)據(jù)有效性分析
[0099] A、一致性檢驗:在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前，必須按照以下兩個條件來檢查數(shù)據(jù)的一致性： a、實驗組均值的一致性;b、實驗組方差的一致性。
[0100] a、實驗組均值一致性：
[0101]均值一致性指的是不同實驗組同一校準(zhǔn)區(qū)段的均值變化幅度是相似的，《ASTM C802-14》中給出了量化指標(biāo)與相應(yīng)的界限值:h值，具體計算公式如下：
[0103] 其中%第I組第J檢測段的均值，由式(1)計算；
[0104] 馬為第J檢測段的總均值，由下式計算：
[0106] 為第J檢測段的標(biāo)準(zhǔn)差，由下式計算：
[0108] b、實驗組方差的一致性：
[0109] 方差的一致性是指不同實驗組同一校準(zhǔn)區(qū)段方差的變化幅度是相似的，ASTM中給 出了量化指標(biāo)與相應(yīng)的界限值:K值，具體計算公式如下：
[0111] 其中：sri偽第I組第J檢測段實驗組單組標(biāo)準(zhǔn)差，由式2計算值的平方根；
[0112] Sq為第J檢測段多組標(biāo)準(zhǔn)差，由下式計算：
[0114] 《ASTM C802-14》給出的h值，k值臨界值如表4所示：
[0115] 表4 h值、k值臨界取值表
[0117] 注:h值可有正負(fù)，k值只有正值。
[0118] 各校準(zhǔn)段的h值，k值計算結(jié)果分別如表5、圖9,表6、圖10,表7、圖11所示：
[0119] 表5橫向階梯狀校準(zhǔn)段的h、k值
[0120]

[0122] 表6縱向階梯狀校準(zhǔn)段的h、k值[0123]
[0124] 表7縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段的h、k值[0125]
[0126] 通過以上圖表與表格可以看出所有數(shù)據(jù)均符合《ASTM-C802-14》的要求，對于接近 臨界值的6組數(shù)據(jù)，通過對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行糾察，反復(fù)確認(rèn)無檢測錯誤后，數(shù)據(jù)可加入精度水 平計算。
[0127] B、互不干擾性檢驗
[0128] 通過觀察不同試驗組間的數(shù)據(jù)是否相互干擾影響，如各實驗組的數(shù)據(jù)變化規(guī)律相 似，則可以判斷各實驗組間互相獨立。
[0129] 可以看出，對于不同的實驗組，測量值的變化規(guī)律是相似的，說明互不干擾性成 立。
[0130] 通過上述檢測數(shù)據(jù)的分析，各校準(zhǔn)段的檢測精度水平如表8所示：
[0131] 表8校準(zhǔn)段檢測數(shù)據(jù)的精度水平
[0133] 注:表中單組標(biāo)準(zhǔn)差Srj由下式計算：
[0135]多組標(biāo)準(zhǔn)差SRj由下式計算：
[0138] 方差系數(shù)為各組對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差的百分?jǐn)?shù)，并取兩位有效數(shù)字。
[0139] 各校準(zhǔn)段檢測數(shù)據(jù)與真實值進(jìn)行對比，結(jié)果如表9、表10、表11所示。
[0140] 表9橫向階梯狀校準(zhǔn)段檢測值與真實數(shù)據(jù)對比
[0141]
[0143] 注:表9、10、11中測量值數(shù)保留四位有效數(shù)字，而真實值可以根據(jù)實際情況(游標(biāo) 卡尺精度)來確定其保留的有效位數(shù)字。
[0144] 表10縱向向階梯狀校準(zhǔn)段檢測值與真實數(shù)據(jù)對比
[0146] 表11縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段檢測值與真實數(shù)據(jù)對比[0147]
[0148] ②結(jié)果分析：
[0149] A、橫向階梯狀校準(zhǔn)段
[0150] 表8至9中各檢測值的絕對誤差均小于0.02mm，相對誤差均小于0.2%，滿足工程實 際的精度要求。隨著測量高程的變化，絕對誤差的值變化幅度不大，且呈無規(guī)律分布。由三 維激光檢測系統(tǒng)的三角測量法檢測原理可知，高程精度在沿高程方向的變化程度較小，所 以本方法認(rèn)為，在檢測高程值正負(fù)l〇mm至正負(fù)25mm段的高程誤差與負(fù)10mm至正10mm區(qū)段的 相一致。
[0151 ] 本方法推薦靜態(tài)高程精度要求:檢測高程在正負(fù)10mm內(nèi)絕對誤差小于0.02mm，檢 測高程在正負(fù)l〇mm至25mm間相對誤差小于0.2%。在檢測條件光照不足或三維激光檢測儀 器檢測點數(shù)較少的情況下，可將精度標(biāo)準(zhǔn)放大1倍，同樣可滿足工程實際要求。
[0152] B、縱向階梯校準(zhǔn)段
[0153] a、確定檢測寬度
[0154] 表10中各測量值的絕對誤差均小于0.1_，且隨著測量位置從中心至兩邊，絕對誤 差的值由小增大，大致呈線性分布?？梢罁?jù)這一趨勢，預(yù)計檢測寬度。
[0155] 依照校準(zhǔn)區(qū)段中心線距校準(zhǔn)板中線距離的大小，將各檢測區(qū)段的絕對誤差代入進(jìn) 行均值計算，如表12:
[0156] 表12各檢測區(qū)段的絕對誤差均值
[0158] 注:絕對誤差均值為距校準(zhǔn)板中心線距離相同的校準(zhǔn)區(qū)段(例如A與I)的絕對誤差 的均值
[0159] 通過Excel的散點圖數(shù)據(jù)模塊，得到距中心線距離與絕對誤差均值之間的線性回 歸方程及相關(guān)系數(shù)，如圖12所示。
[0160] Y = 0.0001X-0.0028；R2 = 0.96 (11)
[0161 ]線性回歸結(jié)果:相關(guān)系數(shù)大于0.90，相關(guān)性結(jié)果滿足要求。
[0162] 由工程檢測實踐可得，絕對誤差上限為0. 1mm。代入線性回歸方程，X的值為 1028mm，，得出距中心線的極限距離為1028mm，預(yù)計檢測寬度為2000mm(按100mm向下取整）， 結(jié)合三維激光檢測系統(tǒng)的固有檢測寬度(激光線視場在檢測車行進(jìn)方向的投影，如圖13)， 檢測寬度的最終值為1200mm(按100mm向下取整）。
[0163] b、校準(zhǔn)水平架設(shè)夾角
[0164] 為了方便測量而設(shè)置了水平架設(shè)夾角，即激光在路面的投影與道路橫向的水平夾 角。本次實驗的水平架設(shè)夾角為12°，具體校準(zhǔn)過程如下：
[0165] 從縱向階梯狀校準(zhǔn)段的五組三維激光檢測點高程圖像中，截取左右兩端相同高程 突變點之間的數(shù)據(jù)(如圖13)，導(dǎo)出高程突變點間長度Lu，利用其與校準(zhǔn)段橫截面寬度Dj的 三角函數(shù)關(guān)系計算平均水平架設(shè)夾角，計算公式如下：
[0167] 計算結(jié)果如表13所示，結(jié)果精度小于0.2度，滿足實際工程要求。[0168] 表13水平架設(shè)夾角的計算
[0170]水平架設(shè)夾角的誤差主要影響三維激光線視場邊緣的檢測位置，隨著離檢測中心 線的距離增大，誤差也逐漸增大，配合三維激光檢測系統(tǒng)的檢測寬度，將角度誤差轉(zhuǎn)化為距 離變化進(jìn)行校準(zhǔn)，具體計算公式如下：
[0172] 由上式可計算出，在檢測寬度為900.04mm時，檢測邊緣最大偏移量為27.365mm。
[0173] 本方法推薦靜態(tài)水平架設(shè)夾角精度標(biāo)準(zhǔn):在結(jié)合檢測寬度后，檢測邊緣最大偏移 量應(yīng)不超過50.000mm。
[0174] C、縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段
[0175] 斜坡性能主要關(guān)系到高程精度，斜坡傾角的變化大小難以反應(yīng)高程精度的變化。 通過已知的斜坡寬度，將斜坡傾角誤差轉(zhuǎn)化為高程誤差進(jìn)行指標(biāo)評價(如圖14)，具體計算 公式如下：
[0177] 具體結(jié)果整理如表14:
[0178] 表14縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化
[0179]
[0180] 在50mm高程的斜坡檢測中，檢測值的絕對誤差小于0.5mm，相對誤差小于1 %，符合 工程實際的要求。
[0181] 本方法推薦靜態(tài)斜坡性能精度標(biāo)準(zhǔn)：在正常情況下檢測，高程絕對誤差應(yīng)小于 0.5mm，在光照條件復(fù)雜的情況，即光照不足或檢測表面鏡面反射強(qiáng)烈的條件以及檢測設(shè)備 的激光點不足的條件下，高程絕對誤差應(yīng)小于1_，此時仍能符合工程實際要求。
[0182] 2)動態(tài)檢測精度校準(zhǔn)試驗
[0183] 在靜態(tài)實驗的基礎(chǔ)上加入動態(tài)測量條件，模擬實測時的測量環(huán)境。三維激光檢測 系統(tǒng)中包含有DM測線間距控制裝置，在以不同速度行進(jìn)中仍能保持三維激光線以相同的 線間距對待檢測物體進(jìn)行測量，因此測量速度不影響校準(zhǔn)板上的檢測斷面的數(shù)量。將檢測 車測量速度劃分為10、20、40、60千米每小時，4個等級進(jìn)行實驗，通過趨勢線的預(yù)測分析，最 終預(yù)計在實驗室中較難模擬的，但在現(xiàn)行檢測過程中普遍采用的速度區(qū)間60至80千米每小 時的檢測精度狀況。在動態(tài)測量過程中，由于三維激光線測量間距的限定，所取到的斷面數(shù) 量有限，加上校準(zhǔn)板的同一校準(zhǔn)段斷面間相似度較高，本發(fā)明認(rèn)為檢測車對一個校準(zhǔn)區(qū)段 的多次測量可認(rèn)為是對同一斷面的重復(fù)測量。需要注意的是，三維激光檢測系統(tǒng)所得到的 數(shù)據(jù)結(jié)果為初步數(shù)據(jù)，還需要減去此時調(diào)試段的高程，得到的數(shù)據(jù)才能參與后續(xù)精度水平 計算。
[0184] (1)試驗準(zhǔn)備與數(shù)據(jù)收集
[0185] 將校準(zhǔn)板放在預(yù)定的待檢測區(qū)域內(nèi)，校準(zhǔn)板橫斷面垂直檢測車行進(jìn)方向，調(diào)整支 座，調(diào)平水平水準(zhǔn)泡。調(diào)試三維激光測量系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，將檢測車啟動開始行進(jìn)，經(jīng)過 一段緩沖距離后，按實驗要求的勻速通過校準(zhǔn)板上方，收集校準(zhǔn)段的數(shù)據(jù)信息。變換測量速 度，重復(fù)上述試驗過程，直至測量完成。并用游標(biāo)卡尺測量每個校準(zhǔn)區(qū)段的高程，將各校準(zhǔn) 區(qū)段的測量值作為斷面真實高程。
[0186] 依照《ASTM C802-2014》的要求，參照靜態(tài)檢測精度校準(zhǔn)試驗，通過調(diào)整DM控制校 準(zhǔn)區(qū)段檢測的重復(fù)次數(shù)，選取相應(yīng)的試驗組(可以依照試驗條件，自行選?。敬螌嶒炌ㄟ^ D頂設(shè)置三維激光線間距為2mm，則在5CM長的檢測區(qū)段里重復(fù)次數(shù)可達(dá)7次以上。
[0187] (2)數(shù)據(jù)的選取與處理
[0188] 動態(tài)試驗組的選取與靜態(tài)校準(zhǔn)試驗相同，數(shù)據(jù)的處理與靜態(tài)校準(zhǔn)試驗過程相似， 數(shù)據(jù)結(jié)果整理如表15、圖15,表16、圖16,表17、圖17所示：
[0189] 表15橫向階梯狀校準(zhǔn)段動態(tài)檢測結(jié)果
[0191 ]表16縱向階梯狀校準(zhǔn)段動態(tài)檢測結(jié)果 [0192]

[0194] 表17縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段動態(tài)檢測結(jié)果[0195]
[0196] (3)動態(tài)實驗結(jié)論
[0197] ①橫向階梯狀校準(zhǔn)段
[0198] 隨著檢測速度的增加，檢測值的絕對誤差迅速下降（圖15)，在檢測速度大于58千 米每小時后，所有檢測區(qū)段的絕對誤差小于0.1mm。根據(jù)速度-精度趨勢線推測，該系統(tǒng)的檢 測速度在58千米每小時以上至80千米每小時的速度區(qū)間內(nèi)，橫向階梯狀校準(zhǔn)段檢測精度均 小于0.1mm，達(dá)到工程實際的標(biāo)準(zhǔn)。本方法推薦在檢測速度在60至80千米每小時區(qū)間內(nèi)，橫 向階梯狀校準(zhǔn)段檢測精度的極大值小于0.1mm，即認(rèn)為檢測合格。
[0199] ②縱向階梯狀校準(zhǔn)段
[0200] A、校準(zhǔn)檢測寬度
[0201 ]結(jié)合靜態(tài)校準(zhǔn)實驗，代入檢測數(shù)據(jù)，得出結(jié)論:在檢測速度為60千米每小時時，對 照靜態(tài)校準(zhǔn)試驗標(biāo)準(zhǔn)(檢測絕對誤差應(yīng)小于0.1mm)，檢測寬度為900mm，而在40千米每小時 時，檢測寬度為200mm。相應(yīng)的在80千米每小時時，檢測寬度達(dá)到了 1100mm。
[0202] 則根據(jù)縱向階梯狀校準(zhǔn)段的趨勢線分析，在60至80千米每小時速度區(qū)間內(nèi)，檢測 寬度應(yīng)選取900mm最為適宜。
[0203] B、校準(zhǔn)水平架設(shè)夾角
[0204] 與靜態(tài)校準(zhǔn)實驗進(jìn)行相同的過程得到各斷面不同高程的三維激光線長，代入檢測 數(shù)據(jù)，得出結(jié)論:水平架設(shè)夾角的誤差與檢測速度不呈現(xiàn)相關(guān)性，但是結(jié)合檢測寬度，進(jìn)行 邊緣最大偏差計算時，隨著檢測速度增大，最大偏差增大，大致呈二次函數(shù)分布。檢測速度 為40千米每小時時，最大偏差為17.648mm，檢測速度為60千米每小時時，最大偏差為 36.843mm。當(dāng)檢測速度超過72.6千米每小時時，最大偏差就會超過50mm;但如果固定檢測寬 度，則檢測速度不受最高速限制。
[0205] 通過與檢測寬度選取的對照，當(dāng)檢測寬度為900mm時，最大偏差小于50mm的既定要 求。
[0206] ③縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段
[0207] 參照靜態(tài)校準(zhǔn)實驗，代入檢測數(shù)據(jù)，得出結(jié)論:如表18所示，隨著檢測速度的增加， 檢測系統(tǒng)的斜坡性能在提升，根據(jù)速度-精度趨勢線推測，在檢測速度大于54千米每小時 后，檢測精度小于0.5mm。在60至80千米每小時速度區(qū)間內(nèi)，檢測精度小于0.5mm的既定要 求，所以在縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段的檢測中認(rèn)為檢測合格。
[0208] 3)精度檢測結(jié)果
[0209] 通過靜態(tài)與動態(tài)精度檢測試驗，校準(zhǔn)了該三維激光檢測系統(tǒng)的精度，當(dāng)檢測寬度 設(shè)定為900mm，檢測速度區(qū)間為60至80千米每小時時，該三維激光路面檢測系統(tǒng)的各項檢測 精度均符合既定的要求，則認(rèn)為檢測合格，能夠擔(dān)任檢測任務(wù)。
[0210] 表18縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段高程絕對誤差動態(tài)檢測結(jié)果
[0211]
【主權(quán)項】
1. 一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備，其特征在于，包括校準(zhǔn)板，校準(zhǔn)板 的底部均勻分布有若干能夠調(diào)節(jié)高度的支座，校準(zhǔn)板的外沿設(shè)有若干水平水準(zhǔn)泡，所述校 準(zhǔn)板包括沿檢測方向依次布置的調(diào)試段、橫向階梯狀校準(zhǔn)段、縱向階梯狀校準(zhǔn)段以及縱向 瓦楞狀校準(zhǔn)段。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備，其特征在 于，所述校準(zhǔn)板為PLA材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備，其特征在 于，校準(zhǔn)板的底部均勾分布有五個能夠調(diào)節(jié)高度的支座，五個支座分別設(shè)置在校準(zhǔn)板底部 的四周及中心;校準(zhǔn)板的外沿對稱設(shè)有六個水平水準(zhǔn)泡。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備，其特征在 于，所述調(diào)試段為長〇. 〇5m，寬lm的第一水平面板，且調(diào)試段所處平面高程為Omm。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備，其特征在 于，所述橫向階梯狀校準(zhǔn)段包括五塊與第一水平面板并列設(shè)置的第二水平面板，第二水平 面板的長為〇.〇5m，寬為lm，五塊第二水平面板成階梯狀分布，且五塊第二水平面板的高程 沿長度方向依次為 _lCtam，_5謹(jǐn)，Ctam，5謹(jǐn)，lCtam〇6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備，其特征在 于，所述縱向階梯狀校準(zhǔn)段包括九塊長〇. 15m，寬0. lm的第三水平面板以及兩塊長0.15m，寬 0.05m的第四水平面板，第三水平面板和第四水平面板均與第一水平面板垂直設(shè)置，且第四 水平面板設(shè)置在第三水平面板的兩側(cè)，第三水平面板和第四水平面板的高程沿寬度方向依 次為 _〇 · 01mm，Omm，0 · 01mm，0 · 02mm，0 · 03mm，0 · 04mm，0 · 03mm，0 · 02mm，0 · 01mm，0mm，-〇· 01mm。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備，其特征在 于，所述縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段包括七塊長〇. 15m，寬lm的瓦楞狀面板，所述瓦楞狀面板包括第 五水平面板以及傾斜面板，且第五水平面板與第一水平面板垂直設(shè)置，相鄰的第五水平面 板通過傾斜面板相連，傾斜面板與水平面上之間的夾角為45°，第五水平面板的高程依次為 25mm，_25mm，25mm，_25mm，25mm，_25mm，25mm 〇8. -種采用權(quán)利要求1所述車載三維激光路面檢測系統(tǒng)的室外校準(zhǔn)設(shè)備的校準(zhǔn)方法， 其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:檢測準(zhǔn)備 步驟1.1:將室外校準(zhǔn)設(shè)備放置在三維激光檢測系統(tǒng)檢測行進(jìn)路線正下方的待測區(qū)，調(diào) 整校準(zhǔn)板放置方向，使得校準(zhǔn)板橫斷面與檢測行進(jìn)方向垂直，并通過調(diào)節(jié)支座保證校準(zhǔn)板 基準(zhǔn)面的水平； 步驟1.2:將三維激光檢測系統(tǒng)的檢測平面對準(zhǔn)校準(zhǔn)板的調(diào)試段，并將此時的檢測平面 設(shè)定為高程零點平面； 步驟1.3:設(shè)置三維激光檢測系統(tǒng)的測量參數(shù)； 步驟2:數(shù)據(jù)采集 步驟2.1:通過三維激光檢測系統(tǒng)采集橫向階梯狀校準(zhǔn)段的高程； 步驟2.2:通過三維激光檢測系統(tǒng)采集縱向階梯狀校準(zhǔn)段的高程； 步驟2.3:通過三維激光檢測系統(tǒng)采集縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段的高程； 步驟3:數(shù)據(jù)分析 步驟3.1:對步驟2所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析； 步驟3.2:將橫向階梯狀校準(zhǔn)段、縱向階梯狀校準(zhǔn)段以及縱向瓦楞狀校準(zhǔn)段所采集的數(shù) 據(jù)與真實值進(jìn)行對比分析； 步驟3.3:根據(jù)對比分析結(jié)果判斷三維激光檢測系統(tǒng)是否符合工程實際要求。
【文檔編號】G01C25/00GK106092137SQ201610394539
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610394539.9, CN 106092137 A, CN 106092137A, CN 201610394539, CN-A-106092137, CN106092137 A, CN106092137A, CN201610394539, CN201610394539.9
【發(fā)明人】蔡宜長, 郭牧, 張洪偉, 惠冰, 劉曉芳, 王洲
【申請人】長安大學(xué)