基于三维线激光技术的多点激光车辙检测误差分析

摘要:针对13点激光检测设备的传感器数量和检测车辆行驶的不稳定性,导致车辙深度检查结果出现明显误差的问题,应用高精度、高密度的新型三维线激光检测技术和研发的室内车辙形态模拟设备,定量评估了非均布13点激光车辙检测设备的检测精度及可靠性。结果表明:13点激
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  摘要:针对13点激光检测设备的传感器数量和检测车辆行驶的不稳定性,导致车辙深度检查结果出现明显误差的问题,应用高精度、高密度的新型三维线激光检测技术和研发的室内车辙形态模拟设备,定量评估了非均布13点激光车辙检测设备的检测精度及可靠性。结果表明:13点激光检测设备对隆起型车辙的检测误差和离差性均明显高于对无隆起车辙的检测,且相对误差均超过了5%。
  关键词:车辙检测;三维线激光成像技术;13点激光检测技术;检测精度
  中图分类号:U418.6文献标志码:B
  0引言
  点激光传感器检测设备由于传感器数目的限制,往往无法准确地获取车辙断面形态,尤其当实际车辙横断面宽度大于检测车宽度时,少于13点的点激光检测设备的误差尤为明显[15];另一方面,检测车沿着实际车辙轮迹带行驶,稍有偏差就会无法得到准确的车辙深度数据,从而导致测得的车辙深度偏于保守[67]。
  随着激光技术的发展,三维线激光成像检测技术应运而生,其高密度和高精度的检测优点,为实现点激光传感器检测精度的校验提供了平台。然而,目前三维线激光成像技术仍处于前期探索阶段,其检测精度及可靠性等需要进一步验证。基于此,本文验证三维线激光成像系统对车辙深度检测的精度、重复可靠性及相关性,并定量地评估在相同车辙严重程度下13点激光检测设备对不同车辙形态的检测精度误差。
  1车辙深度计算原理
  1.1三维线激光成像检测原理
  三维线激光成像技术的车辙深度检测原理为:首先,用激光作为检测光源照射待测路面,如果被测物体表面不平整,就会因其表面的高低起伏使激光线发生变形,根据激光线变形进行计算分析,就可以得到被测道路路面的凹凸状况;然后,应用CCD(电荷耦合器件)摄像机每隔一段距离接收并记录一次待测三维图像,从而获得待测路面的二维变形条纹图像,该二维变形图像包含了待测路面轮廓各点的几何信息;利用数字图像处理的方法对二维变形路面图像进行处理,并提取光条中心线,通过标定计算出车辙变形曲线,从而获得车辙深度。三维线激光检测原理如图1所示[810]。
  由图1所示的几何关系,可以得出车辙深度h为
  h=ah′bsin θ-h′cos θ
  式中:a为激光器与路表面虚交点至透镜的距离;b为透镜至CCD感光面的距离;θ为路表面法线与成像镜头光轴的夹角;h′为像点在成像面上的位移;在测量过程中,参数a、b、θ、h′均为常数。根据上述计算原理可以计算出车辙的深度变化。
  1.213点激光车辙深度计算原理
  中国目前广泛采用13点激光检测设备对路面车辙病害进行检测分析,因此,本文对13点激光检测原理及其对应的车辙深度计算方法进行分析。
  图2显示了13点激光检测仪器的激光传感器布置情况:沿着左右轮迹带的两侧分别布置了4个垂直激光传感器;在整个检测仪器的两端分别布设了2个斜射激光传感器,从而使检测范围达到36 m;仪器中间布设1个垂直激光传感器,用于检测2个车辙间隆起部分(最高)的高度。每一个激光传感器会检测到参考平面与对应道路断面间的距离,以13点激光检测仪器的左侧部分为例,从中间到最左端传感器的检测高度分别为D1~D7。
  将13个离散激光传感器所得到的检测高度数据依次连接成近似连续的道路模拟横断面,则对应的左右车辙深度可通过包络线法计算得到。
  2三维线激光成像检测的车辙深度识别与检测精度评估[KH*2]
  本文试验所用的三维线激光传感器为LMI科技公司的Gocator 2075型传感器。其扫描频率约为700 Hz,即激光设备每秒可采集、提取并计算约700个图像数据。三维线激光检测设备每秒沿路面横断面上的扫描点数约为1 600个,横向激光点密度为每0.55 mm一个。
  试验选用碾压车辙成型的沥青车辙板(300 mm×300 mm×60 mm)作为测量对象。使用游标卡尺(精度为01 mm)对真实车辙深度进行测量,对车辙不同位置(两边与中间点)的深度测量值取平均值,作为最终的测量真实值。三维线激光检测设备以60 km·h-1的速度对车辙板的车辙深度数据进行5次采集,由于车辙板的辙槽底部近似平整,因此对辙槽底部的激光数据点进行平均化处理,作为一次的车辙深度测量值。经前期三维线激光检测设备的参数标定试验可知,设备的最佳架设高度为1.4 m,检测宽度为1 400 mm,最佳曝光值为1 200 μs。
  应用三维线激光成像设备采集的6组不同深度的车辙数据与人工测量值的对比结果如表1所示。
  由表1可以看出,测量相对误差大部分在2%以内,证明三维激光检测仪同样可以满足工程上高精度的测量要求。试验结果表明,5次测量的绝对误差范围在0.1~0.8 mm之间。根据《车载式路面激光车辙仪》(JTG 076—2009)规范要求,分别计算每组测量结果的偏差系数,结果如表2所示。6组检测试验的重复测量偏差系数均小于规范要求的5%。
  313点激光测量系统的车辙深度检测精度及可靠性评估[KH*2]
  将三维线激光成像设备所测量的车辙横断面深度数据作为参考值,用13点激光检测系统检测7种常见车辙,并对其形态精度及可靠性进行评估分析,如图3所示。
  13点激光检测与三维线激光检测的车辙横断面对比如图4所示。通过对三维线激光检测到的车辙横断面数据进行40项移动平均化处理,可得到近于真实的道路车辙横断面及与其对应的车辙深度。基于此参考横断面,对13点激光检测数据点进行模拟,得到13点激光检测点的分布情况,同时对其进行相应的车辙深度计算。
  以图4为例,该车辙类型为中间凹陷形态,则13点激光检测的左右车辙深度的绝对误差与相对误差可以应用下列公式进行计算
  dL =D3DL-D13L, δL =dL/D3DL  dR =D3DR-D13R, δR =dR/D3DR
  式中:D3DL、D3DR分别为三维线激光检测得到的左、右车辙深度;D13L、D13R分别为13点激光检测得到的左、右车辙深度;
  dL和dR分别为13点激光检测左、右车辙深度的绝对误差,δL和δR分别为13点激光检测左、右车辙深度的相对误差。
  为了分析13点激光检测设备对7种不同形态的车辙深度测量的精度误差,本文开发了用于模拟车辙形态和深度的模型,如图5所示。其中,车辙模型宽度为真实道面宽度的1/3,纹理深度为0.2~0.4 mm,满足中国对沥青混凝土路面构造深度的要求。
  图5用于13点激光车辙检测设备精度标定的车辙形态模拟设备
  由图3可知,a型与c型车辙形态相似,f型和g型车辙形态相似,因此本次试验将这4种车辙形态分别作为2种形态进行分析。三维线激光检测与13点激光检测的a、b、c型车辙横断面数据对比结果如图6、7所示。应用包络线法分别计算2组车辙横断面的车辙深度,结果如表3所示。
  由图6、7可以看出,13点激光检测系统对于车辙横断面下凹(低于测定基准线)部分的检测结果是较为接近参考横断面(三维线激光检测数据)的,但是对于车辙横断面隆起(高于测定基准线)部分的检测结果相差较大。
  (1)由表3的对比结果可以看出,b型车辙形态的车辙深度检测结果绝对误差与相对误差整体大于a或c型车辙形态的检测误差,这表明车辙横断面的隆起部分对13点激光检测结果的影响较大,即13点激光检测系统往往难以捕捉到车辙横断面隆起部分的最高点。
  (2)对于a或c型车辙形态,随着车辙深度的增大,其检测相对误差与绝对误差整体呈现下降趋势;而对于b型车辙形态,这种变化并不明显。这是因为:b型车辙形态的每一个车辙凹槽两侧均会隆起,而13点激光检测系统对隆起部分的检测并不准确,这使得b型车辙形态检测结果的误差并无明显规律。
  应用13点激光检测系统对d、e、f和g型车辙形态进行全横断面模拟检测,检测结果如图8~10所示。由模拟结果可以看出, f或g型车辙形态横断面的检测结果最接近参考车辙横断面,e型车辙形态横断面的检测结果次之,而d型车辙形态横断面的检测结果最差。
  表4列举了在d、e、f和g型车辙形态下的13点激光检测车辙深度结果的绝对误差与相对误差。对比结果发现以下2点。
  (1)f或g型车辙形态的13点检测相对误差和绝对误差均最小,e型车辙形态次之,d型车辙形态的结果误差最大。可见,13点激光检测系统对车辙两端隆起部分的获取情况很差,尤其当两侧隆起部分不大时,往往会很难获取到车辙隆起部分。
  (2)随着车辙严重程度的提高,车辙形态的检测相对误差与绝对误差均会降低,其中f或g型车辙形态的检测误差随车辙深度的增加变化很小,这也表明了对于无隆起的车辙,其严重程度对13点激光检测结果的影响并不明显。
  4结语
  本文提出了一种三维线激光成像设备的室内车辙检测标定方法,并对其进行了精度、重复可靠性与相关性分析,验证了三维线激光成像设备的测量精度、重复可靠性和相关性均满足工程高精度的检测要求。
  基于由三维线激光检测设备获取的精准可靠的车辙横断面,本文分析了现行13点激光检测设备对中国常见的7种车辙形态的检测精度及可靠性。经对比后发现以下几点。
  (1)13点激光检测设备对隆起型车辙的检测误差明显高于对无隆起车辙的检测。同时,隆起型车辙深度的检测相对误差会随车辙严重程度的提高整体呈现下降的趋势,而无隆起车辙的检测误差不会随车辙严重程度的增大而变化。
  (2)由于13点激光检测设备很难准确获取隆起型车辙的最高点,因此对于隆起型车辙深度的检测结果往往有很大的离差性,即检测的可靠性很难保证。其中,b型车辙检测误差的离差最大,而f或g型车辙检测误差的离差最小。同时,d型和a、c型车辙检测误差的离差相差不大,但是d型车辙的检测误差高于a、c型车辙,由此说明车辙两侧隆起部分对13点激光检测设备检测精度的影响大于中间隆起部分,而检测可靠性与中间隆起部分相差不大。因此,建议在13点激光检测设备的两侧增加激光传感器布设密度来更加准确地获取车辙两侧隆起部分的最高点。
  (3)13点激光检测设备对隆起型车辙的检测误差最高可达近7 mm,这使得某些已达到养护阈值的车辙将会被忽略。同时,13点激光检测设备对于7种形态车辙的检测误差几乎均在5%以上,因此很难满足工程的高精度检测要求。
  参考文献
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