一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备与方法
【专利摘要】本发明公开了一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备与方法，包括校准板，校准板的底部均匀分布有若干能够调节高度的支座，校准板的外沿设有若干水平水准泡，所述校准板包括沿检测方向依次布置的调试段、横向阶梯状校准段、纵向阶梯状校准段以及纵向瓦楞状校准段。本发明通过预设已知高程的三个校准区域，建立车载三维激光检测系统对路面病害检测模型，通过检测系统的检测结果与模型真值进行比较分析，得出检测系统相应的检测精度与参数，达到对三维激光检测系统的检测精度进行校准的目的。
【专利说明】
_种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备与方法
技术领域
[0001]本发明涉及车载三维激光检测系统室外精度校准领域，具体涉及一种车载三维激 光路面检测系统的室外校准设备与方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国高速公路里程的不断增长、交通流量的快速增加以及公众需求的日益提 高，高速公路养护规模越来越大。"十一五"期间，全国完成路网改建工程55万公里、公路大 修工程16.7万公里、公路中修工程36.4万公里。"十一五"末期，我国高速公路的养护速度已 经超过了建设速度，公路发展的重点正在实现从建设到养护转型。在"十二五"，公路养护迎 来周期性的高峰期，加之公路交通流量特别是重载交通量的持续快速增长，公路面临集中 大修和改造的压力，养护任务极为艰巨。对养护任务起指导与修正作用的道路病害检测成 为养护人员主要关注重点，这一趋势在"十三五"将会更加凸显。现行的公路养护机制中，路 面表观病害的检测多是养护人员肉眼观察或是使用直尺、塞尺等简单的测量工具测量。经 过长期工程实践发现，人工检测方法存在检测效率低、危险性高、检测精度低等缺点，引起 养护设计与决策工作的延误及偏差，常导致错过最佳的养护维修时机，造成养护经费的浪 费。
[0003] 随着传感器技术的发展，新兴的车载三维激光检测技术依靠其检测过程方便，检 测数据多，检测精度高的特点使得以机动车为检测平台的三维激光检测系统成为道路路面 表观病害检测的热门研究方向。三维激光检测技术利用了三角测量原理法，其原理为激光 检测仪发出线激光到被测道路表面，通过光学系统成像到线阵CCD，由几何三角关系从像点 在CCD上的位置即可计算得到所测点的坐标与高程，再通过激光检测仪的扫描运动就能将 沿运动方向道路表面的三维数据得到。
[0004] 在使用车载三维激光检测系统进行道路检测前，需要对其高度测量精度，宽度测 量范围等参数进行校准，以保证检测过程中数据的完整性与准确性，达到工程测量的标准。 现有的三维激光校准设备，大多以三维激光测量仪为校准对象不考虑激光架设平台改变造 成的影响，并且目标功能单一没有市场利用价值。面对国内外众多三维激光测量设备供应 商提供的不同种类及型号的三维激光测量仪，加上以种类繁多的机动车为架设平台组成的 三维激光检测系统，现有的校准设备与方法往往难以达成精度校准的任务而成为车载三维 激光检测系统推广使用的主要障碍。
[0005] 目前国内相关试验研究表明：在室内静态试验条件下，车载三维激光检测系统可 以完成对路面车辙、坑槽、拥包等路面表观病害的检测，各项精度均可达到工程建设要求； 而在室外检测条件下的车载三维激光检测系统的检测精度的研究，尚无一套完备的精度标 准和系统的精度校准方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备与方法， 以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明通过预设已知高程的三个校准区域，建立车载三 维激光检测系统对路面病害检测模型，通过检测系统的检测结果与模型真值进行比较分 析，得出检测系统相应的检测精度与参数，达到对三维激光检测系统的检测精度进行校准 的目的。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] 一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备，包括校准板，校准板的底部均 匀分布有若干能够调节高度的支座，校准板的外沿设有若干水平水准泡，所述校准板包括 沿检测方向依次布置的调试段、横向阶梯状校准段、纵向阶梯状校准段以及纵向瓦楞状校 准段。
[0009] 进一步地，所述校准板为PLA材料。
[0010]进一步地，校准板的底部均匀分布有五个能够调节高度的支座，五个支座分别设 置在校准板底部的四周及中心;校准板的外沿对称设有六个水平水准泡。
[0011] 进一步地，所述调试段为长0.05m，宽lm的第一水平面板，且调试段所处平面高程 为 0mm〇
[0012] 进一步地，所述横向阶梯状校准段包括五块与第一水平面板并列设置的第二水平 面板，第二水平面板的长为〇. 〇5m，宽为lm，五块第二水平面板成阶梯状分布，且五块第二水 平面板的高程沿长度方向依次为-1 〇mm，-5mm，0mm，5mm，10mm。
[0013] 进一步地，所述纵向阶梯状校准段包括九块长0.15m，宽0.1m的第三水平面板以及 两块长0.15m，宽0.05m的第四水平面板，第三水平面板和第四水平面板均与第一水平面板 垂直设置，且第四水平面板设置在第三水平面板的两侧，第三水平面板和第四水平面板的 高程沿宽度方向依次为 _〇 . 01mm，0mm，0.01mm，0.02mm，0.03mm，0.04mm，0.03mm，0.02mm， 0 · 01mm，0mm，-〇 · 01mm 〇
[0014] 进一步地，所述纵向瓦楞状校准段包括七块长0.15m，宽lm的瓦楞状面板，所述瓦 楞状面板包括第五水平面板以及倾斜面板，且第五水平面板与第一水平面板垂直设置，相 邻的第五水平面板通过倾斜面板相连，倾斜面板与水平面上之间的夹角为45°，第五水平面 板的高程依次为25mm，-25mm，25mm，-25mm，25mm，-25mm, 25mm〇
[0015] -种采用权利要求1所述车载三维激光路面检测系统的室外校准设备的校准方 法，包括以下步骤：
[0016] 步骤1:检测准备
[0017] 步骤1.1:将室外校准设备放置在三维激光检测系统检测行进路线正下方的待测 区，调整校准板放置方向，使得校准板横断面与检测行进方向垂直，并通过调节支座保证校 准板基准面的水平；
[0018] 步骤1.2:将三维激光检测系统的检测平面对准校准板的调试段，并将此时的检测 平面设定为高程零点平面；
[0019] 步骤1.3:设置三维激光检测系统的测量参数；
[0020] 步骤2:数据采集
[0021 ]步骤2.1:通过三维激光检测系统采集横向阶梯状校准段的高程；
[0022]步骤2.2:通过三维激光检测系统采集纵向阶梯状校准段的高程；
[0023]步骤2.3:通过三维激光检测系统采集纵向瓦楞状校准段的高程；
[0024] 步骤3:数据分析
[0025] 步骤3.1:对步骤2所采集的数据进行有效性分析；
[0026] 步骤3.2:将横向阶梯状校准段、纵向阶梯状校准段以及纵向瓦楞状校准段所采集 的数据与真实值进行对比分析；
[0027]步骤3.3:根据对比分析结果判断三维激光检测系统是否符合工程实际要求。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0029] 本发明装置能够更加精准、高效、便捷的进行车载三维激光检测系统的室外校准， 改进了现有的一套体系校准一项精度的缺陷，针对各类型号的检测系统提出了不同的校准 标准，对三维激光路面检测系统的推广做出巨大贡献，本发明通过预设已知高程的三个校 准区域，建立车载三维激光检测系统对路面病害检测模型，通过检测系统的检测结果与模 型真值进行比较分析，得出检测系统相应的检测精度与参数，达到对三维激光检测系统的 检测精度进行校准的目的。
[0030] 本发明方法通过预设已知高程的三个校准区域，建立车载三维激光检测系统对路 面病害检测模型，通过检测系统的检测结果与模型真值进行比较分析，得出检测系统相应 的检测精度与参数，达到对三维激光检测系统的检测精度进行校准的目的。
【附图说明】
[0031] 图1为三维激光检测系统室外校准流程图；
[0032] 图2为车载三维激光检测系统对路面病害检测模型(A为三维激光检测系统，B为设 计路面校准设备）；
[0033]图3为校准设备构造示意图；
[0034]图4(1)为校准板横向阶梯状校准段的三视图，其中（a)为正视图；（b)为侧视图； (c)为俯视图；且图中a为600mm，b为200mm，c为250mm，d为60mm，e为400mm，f 为110mm;
[0035] 图4(2)为校准板纵向阶梯状校准段的三视图，其中（a)为正视图；（b)为侧视图； (c)为俯视图，且图中g 为20mm，h 为5mm，i为1000mm，j为50mm，k为30mm，1为40mm;
[0036] 图4(3)为校准板纵向瓦楞状校准段的三视图，其中（a)为正视图；（b)为侧视图； (c)为俯视图；，且图中q为100mm，r为50mm，s为150mm，t为50mm，u为5mm，v为30mm,Θ为45° ;
[0037] 图5为三维激光检测系统连接示意图（俯视，C为三维激光测量仪，D为测量控制与 处理设备）；
[0038] 图6为横向阶梯状校准段检测断面选取示意图；
[0039] 图7为纵向阶梯状校准段检测断面选取示意图；
[0040] 图8为纵向瓦楞状校准段检测断面选取示意图；
[0041]图9为横向阶梯状校准段h、k值分布图，其中(a)为h值分布图；（b)为k值分布图；
[0042] 图10为纵向阶梯状校准段h、k值分布图，其中(a)为h值分布图；（b)为k值分布图；
[0043] 图11为纵向瓦楞状校准段h、k值分布图，其中(a)为h值分布图；（b)为k值分布图； [0044]图12为纵向阶梯状校准段中绝对误差均值与距中心线距离的线性回归方程；
[0045] 图13为纵向阶梯状校准段中三维激光线长度Lu的选取；
[0046] 图14为纵向瓦楞状校准段中斜坡倾角误差转化示意图；
[0047] 图15为动态校准实验横向阶梯状校准段检测绝对误差随检测速度变化趋势；
[0048] 图16为动态校准实验纵向阶梯状校准段检测绝对误差随检测速度变化趋势；
[0049] 图17为动态校准实验纵向瓦楞状校准段检测绝对误差随检测速度变化趋势；
[0050] 图18为动态校准实验纵向瓦楞状校准段高程绝对误差均值随检测速度变化趋势。
【具体实施方式】
[0051] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0052] 一、设备部分
[0053]参见图2至图4(3)，本发明的校准设备主要是通过预设已知高程的三个校准区域， 建立车载三维激光检测系统对路面病害检测模型，通过检测系统的检测结果与模型真值进 行比较分析，得出检测系统相应的检测精度与参数，达到对三维激光检测系统的检测精度 进行校准的目的。
[0054] 本发明所述的路面模拟设备主体为材料为PLA(聚乳酸，Poly Lactic Acid)的校 准板，通过高精度的加工，误差为正负0.05mm，由三个部分组成:支撑部分，由5个安装在校 准板四周及中部的可以调节高度的支座组成;调试部分，6个安装在校准板边缘的水平水准 泡，如图2所示;校准部分，分为1个调试段和3个校准段，沿检测方向依次是调试段、横向阶 梯状校准段、纵向阶梯状校准段、纵向瓦楞状校准段。
[0055] 调试段为长0.05m，宽lm的水平面板(如图4)，设置调试段的目的是为了确定检测 的基准水平面，即为模型中的路面水平面，高程零点。在进行调零工作时还可以对三维激光 检测系统的各项测量参数进行设置，保证良好的测量环境。
[0056]横向阶梯状校准段由5块长0.05m，宽lm的水平面板沿长度方向呈阶梯状分布并且 高程依次为-1〇111111，-5111111，〇1]1111，51]1111，1〇111111(如图4)。设置横向阶梯状校准段的目的是为了校准 高程精度，确保三维激光检测系统在高程方向上测量准确性。
[0057] 纵向阶梯状校准段由9块长0.15m，宽0. lm和2块长0.15m，宽0.05m的水平面板沿宽 度方向组合起来，高程依次为_〇 · 01mm，0mm，0 · 01mm，0 · 02mm，0 · 03mm，0 · 04mm，0.03mm， 0.02mm，0.01mm，0mm，-0.01mm(如图4)。设置横向阶梯状校准段的目的是为了校准宽度方向 上的高程精度，确保三维激光检测系统在沿宽度方向上测量准确性。同时为了校准三维激 光检测系统的水平架设夹角。
[0058]纵向瓦楞状校准段由长0.15m宽lm的瓦楞状面板组成，水平面板为长0.15m，宽 0. lm矩形，高程为正或负25mm。倾斜面板的水平长宽为0.15m和0.05m，倾角为45° (如图4)。 设置纵向瓦楞状校准段的目的是为了校准检测斜坡时的高程精度，确保三维激光检测系统 在斜坡方向上测量准确性。
[0059]本发明所述的车载三维激光检测系统包括:三维激光架设平台、检测控制与处理 设备、Gocator2380型三维激光测量仪。
[0060]其中，Gocator2380型三维激光测量仪的具体参数为：刨面线所包含数据点1280 点，z方向线性度为0.04，z方向分辨率0.092mm至0.488mm，X方向分辨率为0.375mm至 1.100mm，净距离350mm，视场390mm至1260mm。测量控制与处理设备为安装相应配套软件的 运行内存为8GB的台式计算机，三维激光架设平台为一辆改装后达到室外试验标准的机动 车辆，具体组装方式如图5。激光测量仪的输出端连接至测量控制与处理设备，能够输出测 量数据;输入端接入电源和I/O数据输入端口，保证三维激光测量系统的正常工作。
[0061]二、测量精度校准
[0062]基于G〇cat〇r2080型三维激光测量仪的车载校准系统的室外精度校准实验分为2 个部分，即静态检测精度校准实验、动态检测精度校准实验。静态检测精度校准实验的目的 是对三维激光测量系统的静态精度进行校准，为后续试验提供精度保证。动态检测精度校 准实验的目的是对加入了速度因素后，得到三维激光测量系统动态精度并给出相应的评价 指标。
[0063] 1)静态检测精度校准试验 [0064] (1)测量准备阶段 [0065]①校准板的放置
[0066]将校准板放置在三维激光检测系统检测行进路线正下方的待测区，调整校准板放 置方向，使得校准板横断面与检测行进方向垂直。通过调节校准板支座的高度，调平水平水 准泡，保证校准板基准面的水平。
[0067]②基准面的确定
[0068]开动检测车向前行驶，使得与它共同移动的三维激光检测系统的检测断面落在校 准板的调试段上，并且保证断面中心线处于校准板中心线附近。打开三维激光检测系统进 行数据采集，将此时的检测平面设定为高程零点平面。
[0069]③三维激光检测系统测量参数的设定
[0070] 在测量控制与数据处理设备上打开测量系统的工作界面，在测量参数界面进行参 数设定。结合设备与测量条件，进行曝光值、频率等具体参数的设定，直到三维激光检测系 统可以获取完整，稳定的测量断面数据。
[0071] 本次检测的测量参数设置为:触发方式设置为时间，速度设置为Okm/h，视野设置 为1100mm，曝光设置为自动谐调。
[0072] (2)数据采集与选取阶段
[0073]检测车点火后缓慢向前行驶，行驶至待测断面时熄火停止，三维激光检测系统进 行静态测量，待数据收集完毕，检测车点火进行下一断面测量。依次测量校准板上的三个校 准段:横向阶梯状校准段、纵向阶梯状校准段、纵向瓦楞状校准段。并用游标卡尺测量每个 检测断面的高程，将各检测断面的测量值作为断面真实高程。根据《ASTM C802-14》要求，对 于某一个检测对象来说，如果实验的实验组数为10-15组，则其每组重复试验至少为3组;如 果实验组数小于10组，其重复试验数量N=(30/p)+l(其中，p为试验组数，如果30不是p的整 数倍数，则取其结果的相邻最大整数）；如果实验组数超过15个，则其重复实验次数至少为2 组。静态测量依据测量校准段的不同而分为三个不同部分分别进行，现详述如下：
[0074]①横向阶梯状校准段：
[0075] 该校准段选取了 5个实验组，则每个实验组的重复检测次数为7次。这一校准段共 选取5组断面(如图6)，每个高程阶梯段选取1组断面，含有5个检测区段，检测结果为各区段 内检测高程点高程的平均值。
[0076] 横向阶梯校准段检测数据汇总结果由表1列出：
[0077]表1横向阶梯校准段检测
[0080]注:表1、2、3中均值与方差由下式计算：
[0081 ] 第I组第J检测段的均值X#
[0082] %=CS%y)/? (1)
[0083] 第I组第J检测段的单组方差#?/:
[0084] Sp^Zix^-Xuf/Xn-l) (2)
[0085] ②纵向阶梯状校准段：
[0086]该校准段选取了 5个实验组，每个实验组的重复检测次数为7次。等间距选取5组断 面(如图7)，每个区段含有9个检测区段，检测结果为检测区段内检测高程点高程的平均值 及三维激光检测点高程图。
[0087] 纵向阶梯状校准段检测数据汇总结果由表2和图7列出：
[0088] 表2纵向阶梯状校准段检测数据
[0091]③纵向瓦楞状校准段：
[0092]该校准段选取了 6个实验组，每个实验组的重复检测次数为6次。等间距选取6组断 面(如图8)，每个断面含有6个检测区段，检测结果为6个检测区段的检测高程点高程数据， 并利用Excel的散点图模块对每个坡面区段的数据进行线性拟合，得到线性回归方程，计算 出的斜率值即为坡面与水平面的夹角的正切值，最后换算出坡面角度。
[0093]纵向瓦楞状校准段检测数据汇总结果由表3列出：
[0094]表3纵向瓦楞状校准段检测数据 [0095]
[0097] (3)数据处理阶段
[0098] ①数据有效性分析
[0099] A、一致性检验:在进行数据分析前，必须按照以下两个条件来检查数据的一致性： a、实验组均值的一致性;b、实验组方差的一致性。
[0100] a、实验组均值一致性：
[0101]均值一致性指的是不同实验组同一校准区段的均值变化幅度是相似的，《ASTM C802-14》中给出了量化指标与相应的界限值:h值，具体计算公式如下：
[0103] 其中%第I组第J检测段的均值，由式(1)计算；
[0104] 馬为第J检测段的总均值，由下式计算：
[0106] 为第J检测段的标准差，由下式计算：
[0108] b、实验组方差的一致性：
[0109] 方差的一致性是指不同实验组同一校准区段方差的变化幅度是相似的，ASTM中给 出了量化指标与相应的界限值:K值，具体计算公式如下：
[0111] 其中：sri伪第I组第J检测段实验组单组标准差，由式2计算值的平方根；
[0112] Sq为第J检测段多组标准差，由下式计算：
[0114] 《ASTM C802-14》给出的h值，k值临界值如表4所示：
[0115] 表4 h值、k值临界取值表
[0117] 注:h值可有正负，k值只有正值。
[0118] 各校准段的h值，k值计算结果分别如表5、图9,表6、图10,表7、图11所示：
[0119] 表5横向阶梯状校准段的h、k值
[0120]
[0122] 表6纵向阶梯状校准段的h、k值[0123]
[0124] 表7纵向瓦楞状校准段的h、k值[0125]
[0126] 通过以上图表与表格可以看出所有数据均符合《ASTM-C802-14》的要求，对于接近 临界值的6组数据，通过对测量数据进行纠察，反复确认无检测错误后，数据可加入精度水 平计算。
[0127] B、互不干扰性检验
[0128] 通过观察不同试验组间的数据是否相互干扰影响，如各实验组的数据变化规律相 似，则可以判断各实验组间互相独立。
[0129] 可以看出，对于不同的实验组，测量值的变化规律是相似的，说明互不干扰性成 立。
[0130] 通过上述检测数据的分析，各校准段的检测精度水平如表8所示：
[0131] 表8校准段检测数据的精度水平
[0133] 注:表中单组标准差Srj由下式计算：
[0135]多组标准差SRj由下式计算：
[0138] 方差系数为各组对应的标准差的百分数，并取两位有效数字。
[0139] 各校准段检测数据与真实值进行对比，结果如表9、表10、表11所示。
[0140] 表9横向阶梯状校准段检测值与真实数据对比
[0141]
[0143] 注:表9、10、11中测量值数保留四位有效数字，而真实值可以根据实际情况(游标 卡尺精度)来确定其保留的有效位数字。
[0144] 表10纵向向阶梯状校准段检测值与真实数据对比
[0146] 表11纵向瓦楞状校准段检测值与真实数据对比[0147]
[0148] ②结果分析：
[0149] A、横向阶梯状校准段
[0150] 表8至9中各检测值的绝对误差均小于0.02mm，相对误差均小于0.2%，满足工程实 际的精度要求。随着测量高程的变化，绝对误差的值变化幅度不大，且呈无规律分布。由三 维激光检测系统的三角测量法检测原理可知，高程精度在沿高程方向的变化程度较小，所 以本方法认为，在检测高程值正负l〇mm至正负25mm段的高程误差与负10mm至正10mm区段的 相一致。
[0151 ] 本方法推荐静态高程精度要求:检测高程在正负10mm内绝对误差小于0.02mm，检 测高程在正负l〇mm至25mm间相对误差小于0.2%。在检测条件光照不足或三维激光检测仪 器检测点数较少的情况下，可将精度标准放大1倍，同样可满足工程实际要求。
[0152] B、纵向阶梯校准段
[0153] a、确定检测宽度
[0154] 表10中各测量值的绝对误差均小于0.1_，且随着测量位置从中心至两边，绝对误 差的值由小增大，大致呈线性分布。可依据这一趋势，预计检测宽度。
[0155] 依照校准区段中心线距校准板中线距离的大小，将各检测区段的绝对误差代入进 行均值计算，如表12:
[0156] 表12各检测区段的绝对误差均值
[0158] 注:绝对误差均值为距校准板中心线距离相同的校准区段(例如A与I)的绝对误差 的均值
[0159] 通过Excel的散点图数据模块，得到距中心线距离与绝对误差均值之间的线性回 归方程及相关系数，如图12所示。
[0160] Y = 0.0001X-0.0028；R2 = 0.96 (11)
[0161 ]线性回归结果:相关系数大于0.90，相关性结果满足要求。
[0162] 由工程检测实践可得，绝对误差上限为0. 1mm。代入线性回归方程，X的值为 1028mm，，得出距中心线的极限距离为1028mm，预计检测宽度为2000mm(按100mm向下取整）， 结合三维激光检测系统的固有检测宽度(激光线视场在检测车行进方向的投影，如图13)， 检测宽度的最终值为1200mm(按100mm向下取整）。
[0163] b、校准水平架设夹角
[0164] 为了方便测量而设置了水平架设夹角，即激光在路面的投影与道路横向的水平夹 角。本次实验的水平架设夹角为12°，具体校准过程如下：
[0165] 从纵向阶梯状校准段的五组三维激光检测点高程图像中，截取左右两端相同高程 突变点之间的数据(如图13)，导出高程突变点间长度Lu，利用其与校准段横截面宽度Dj的 三角函数关系计算平均水平架设夹角，计算公式如下：
[0167] 计算结果如表13所示，结果精度小于0.2度，满足实际工程要求。[0168] 表13水平架设夹角的计算
[0170]水平架设夹角的误差主要影响三维激光线视场边缘的检测位置，随着离检测中心 线的距离增大，误差也逐渐增大，配合三维激光检测系统的检测宽度，将角度误差转化为距 离变化进行校准，具体计算公式如下：
[0172] 由上式可计算出，在检测宽度为900.04mm时，检测边缘最大偏移量为27.365mm。
[0173] 本方法推荐静态水平架设夹角精度标准:在结合检测宽度后，检测边缘最大偏移 量应不超过50.000mm。
[0174] C、纵向瓦楞状校准段
[0175] 斜坡性能主要关系到高程精度，斜坡倾角的变化大小难以反应高程精度的变化。 通过已知的斜坡宽度，将斜坡倾角误差转化为高程误差进行指标评价(如图14)，具体计算 公式如下：
[0177] 具体结果整理如表14:
[0178] 表14纵向瓦楞状校准段检测结果转化
[0179]
[0180] 在50mm高程的斜坡检测中，检测值的绝对误差小于0.5mm，相对误差小于1 %，符合 工程实际的要求。
[0181] 本方法推荐静态斜坡性能精度标准：在正常情况下检测，高程绝对误差应小于 0.5mm，在光照条件复杂的情况，即光照不足或检测表面镜面反射强烈的条件以及检测设备 的激光点不足的条件下，高程绝对误差应小于1_，此时仍能符合工程实际要求。
[0182] 2)动态检测精度校准试验
[0183] 在静态实验的基础上加入动态测量条件，模拟实测时的测量环境。三维激光检测 系统中包含有DM测线间距控制装置，在以不同速度行进中仍能保持三维激光线以相同的 线间距对待检测物体进行测量，因此测量速度不影响校准板上的检测断面的数量。将检测 车测量速度划分为10、20、40、60千米每小时，4个等级进行实验，通过趋势线的预测分析，最 终预计在实验室中较难模拟的，但在现行检测过程中普遍采用的速度区间60至80千米每小 时的检测精度状况。在动态测量过程中，由于三维激光线测量间距的限定，所取到的断面数 量有限，加上校准板的同一校准段断面间相似度较高，本发明认为检测车对一个校准区段 的多次测量可认为是对同一断面的重复测量。需要注意的是，三维激光检测系统所得到的 数据结果为初步数据，还需要减去此时调试段的高程，得到的数据才能参与后续精度水平 计算。
[0184] (1)试验准备与数据收集
[0185] 将校准板放在预定的待检测区域内，校准板横断面垂直检测车行进方向，调整支 座，调平水平水准泡。调试三维激光测量系统进入工作状态，将检测车启动开始行进，经过 一段缓冲距离后，按实验要求的匀速通过校准板上方，收集校准段的数据信息。变换测量速 度，重复上述试验过程，直至测量完成。并用游标卡尺测量每个校准区段的高程，将各校准 区段的测量值作为断面真实高程。
[0186] 依照《ASTM C802-2014》的要求，参照静态检测精度校准试验，通过调整DM控制校 准区段检测的重复次数，选取相应的试验组(可以依照试验条件，自行选取），本次实验通过 D頂设置三维激光线间距为2mm，则在5CM长的检测区段里重复次数可达7次以上。
[0187] (2)数据的选取与处理
[0188] 动态试验组的选取与静态校准试验相同，数据的处理与静态校准试验过程相似， 数据结果整理如表15、图15,表16、图16,表17、图17所示：
[0189] 表15横向阶梯状校准段动态检测结果
[0191 ]表16纵向阶梯状校准段动态检测结果 [0192]
[0194] 表17纵向瓦楞状校准段动态检测结果[0195]
[0196] (3)动态实验结论
[0197] ①横向阶梯状校准段
[0198] 随着检测速度的增加，检测值的绝对误差迅速下降（图15)，在检测速度大于58千 米每小时后，所有检测区段的绝对误差小于0.1mm。根据速度-精度趋势线推测，该系统的检 测速度在58千米每小时以上至80千米每小时的速度区间内，横向阶梯状校准段检测精度均 小于0.1mm，达到工程实际的标准。本方法推荐在检测速度在60至80千米每小时区间内，横 向阶梯状校准段检测精度的极大值小于0.1mm，即认为检测合格。
[0199] ②纵向阶梯状校准段
[0200] A、校准检测宽度
[0201 ]结合静态校准实验，代入检测数据，得出结论:在检测速度为60千米每小时时，对 照静态校准试验标准(检测绝对误差应小于0.1mm)，检测宽度为900mm，而在40千米每小时 时，检测宽度为200mm。相应的在80千米每小时时，检测宽度达到了 1100mm。
[0202] 则根据纵向阶梯状校准段的趋势线分析，在60至80千米每小时速度区间内，检测 宽度应选取900mm最为适宜。
[0203] B、校准水平架设夹角
[0204] 与静态校准实验进行相同的过程得到各断面不同高程的三维激光线长，代入检测 数据，得出结论:水平架设夹角的误差与检测速度不呈现相关性，但是结合检测宽度，进行 边缘最大偏差计算时，随着检测速度增大，最大偏差增大，大致呈二次函数分布。检测速度 为40千米每小时时，最大偏差为17.648mm，检测速度为60千米每小时时，最大偏差为 36.843mm。当检测速度超过72.6千米每小时时，最大偏差就会超过50mm;但如果固定检测宽 度，则检测速度不受最高速限制。
[0205] 通过与检测宽度选取的对照，当检测宽度为900mm时，最大偏差小于50mm的既定要 求。
[0206] ③纵向瓦楞状校准段
[0207] 参照静态校准实验，代入检测数据，得出结论:如表18所示，随着检测速度的增加， 检测系统的斜坡性能在提升，根据速度-精度趋势线推测，在检测速度大于54千米每小时 后，检测精度小于0.5mm。在60至80千米每小时速度区间内，检测精度小于0.5mm的既定要 求，所以在纵向瓦楞状校准段的检测中认为检测合格。
[0208] 3)精度检测结果
[0209] 通过静态与动态精度检测试验，校准了该三维激光检测系统的精度，当检测宽度 设定为900mm，检测速度区间为60至80千米每小时时，该三维激光路面检测系统的各项检测 精度均符合既定的要求，则认为检测合格，能够担任检测任务。
[0210] 表18纵向瓦楞状校准段高程绝对误差动态检测结果
[0211]
【主权项】
1. 一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备，其特征在于，包括校准板，校准板 的底部均匀分布有若干能够调节高度的支座，校准板的外沿设有若干水平水准泡，所述校 准板包括沿检测方向依次布置的调试段、横向阶梯状校准段、纵向阶梯状校准段以及纵向 瓦楞状校准段。2. 根据权利要求1所述的一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备，其特征在 于，所述校准板为PLA材料。3. 根据权利要求1所述的一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备，其特征在 于，校准板的底部均勾分布有五个能够调节高度的支座，五个支座分别设置在校准板底部 的四周及中心;校准板的外沿对称设有六个水平水准泡。4. 根据权利要求1所述的一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备，其特征在 于，所述调试段为长〇. 〇5m，宽lm的第一水平面板，且调试段所处平面高程为Omm。5. 根据权利要求4所述的一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备，其特征在 于，所述横向阶梯状校准段包括五块与第一水平面板并列设置的第二水平面板，第二水平 面板的长为〇.〇5m，宽为lm，五块第二水平面板成阶梯状分布，且五块第二水平面板的高程 沿长度方向依次为 _lCtam，_5謹，Ctam，5謹，lCtam〇6. 根据权利要求4所述的一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备，其特征在 于，所述纵向阶梯状校准段包括九块长〇. 15m，宽0. lm的第三水平面板以及两块长0.15m，宽 0.05m的第四水平面板，第三水平面板和第四水平面板均与第一水平面板垂直设置，且第四 水平面板设置在第三水平面板的两侧，第三水平面板和第四水平面板的高程沿宽度方向依 次为 _〇 · 01mm，Omm，0 · 01mm，0 · 02mm，0 · 03mm，0 · 04mm，0 · 03mm，0 · 02mm，0 · 01mm，0mm，-〇· 01mm。7. 根据权利要求4所述的一种车载三维激光路面检测系统的室外校准设备，其特征在 于，所述纵向瓦楞状校准段包括七块长〇. 15m，宽lm的瓦楞状面板，所述瓦楞状面板包括第 五水平面板以及倾斜面板，且第五水平面板与第一水平面板垂直设置，相邻的第五水平面 板通过倾斜面板相连，倾斜面板与水平面上之间的夹角为45°，第五水平面板的高程依次为 25mm，_25mm，25mm，_25mm，25mm，_25mm，25mm 〇8. -种采用权利要求1所述车载三维激光路面检测系统的室外校准设备的校准方法， 其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:检测准备 步骤1.1:将室外校准设备放置在三维激光检测系统检测行进路线正下方的待测区，调 整校准板放置方向，使得校准板横断面与检测行进方向垂直，并通过调节支座保证校准板 基准面的水平； 步骤1.2:将三维激光检测系统的检测平面对准校准板的调试段，并将此时的检测平面 设定为高程零点平面； 步骤1.3:设置三维激光检测系统的测量参数； 步骤2:数据采集 步骤2.1:通过三维激光检测系统采集横向阶梯状校准段的高程； 步骤2.2:通过三维激光检测系统采集纵向阶梯状校准段的高程； 步骤2.3:通过三维激光检测系统采集纵向瓦楞状校准段的高程； 步骤3:数据分析 步骤3.1:对步骤2所采集的数据进行有效性分析； 步骤3.2:将横向阶梯状校准段、纵向阶梯状校准段以及纵向瓦楞状校准段所采集的数 据与真实值进行对比分析； 步骤3.3:根据对比分析结果判断三维激光检测系统是否符合工程实际要求。
【文档编号】G01C25/00GK106092137SQ201610394539
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月6日 公开号201610394539.9, CN 106092137 A, CN 106092137A, CN 201610394539, CN-A-106092137, CN106092137 A, CN106092137A, CN201610394539, CN201610394539.9
【发明人】蔡宜长, 郭牧, 张洪伟, 惠冰, 刘晓芳, 王洲
【申请人】长安大学