基于激光测距机的公路横纵坡测植方法
基于激光测距机的公路横纵坡测植方法
作者:何莉[1] 何明[1] 曹民[2] 张德津[2] 王磊[1] 陈泽[1]
公路横坡和纵坡是判断道路结构性能的重要指标,设计不合理将直接影响交通运行效率及安全,降低公路通行能力,造成运输时间和经济上的损失,甚至诱发交通事故。研究公路横纵坡数据检测方法为道路交通部门验收新道路、制定已运行公路的定期保养、维护或直修决策提供依据,具有重要理论价值和工程意义 。国外学者为实现公路横纵坡数据自动检测开展了相关研究,国内关千横纵坡的研究主要关注设计及其对交通安全方面的影响[3] , 而测拭方法尚无报道。公路横纵坡均很小,且受车辆长期运行及环境等因素的影响,路而形成的车辙、纹理等会严重影响检测精度.测址困难。典型代表有惯导测虽方法、超声波测蜇方法及激光测侬方法。惯导测址方法是采用惯性导航传感器对路面横纵坡进行测显,如加拿大的LCMS (Laser Crack Measurement System) , 该系统采用三维激光传感技术,结合1个高精度的惯性测蜇单元CIMU)获取路面的横纵坡数据[ R 。该方法忽略了车辆在行驶过程中与路 面产生的夹角,因而测扯不够准确。超声波测址方法将声波测距传感器和惯性导航单元相结合进行测揽.如澳大利亚GIPSI-TRAC(Global and Inertial Positioning System lntegration for Tracking Route Alignment and Cross-fall), 通过惯导系统协同声波测距传感器和全球定位系统(GPSJ导航单元共同生成3维路面图,再分解得到公路横纵坡数据 。该方法易受环境因索影响,检测局限性较大。激光传感器具有速度快、精度高、屈程大、抗光电干扰能力强等优点,被广泛应用于测批与检测领域 。国内外已有学者将激光传感器应用在车辙、平整度等公路检测行业 。本文提出了一 种采用激光测距仪阵列构建测批平面,获取测扯平面与路面、水平面的角度关系,进而计算横纵坡值的检测方法。考虑激光测距机CLRF)安装方向与测撮平面竖轴方向有相对角度,将导致检测系统测翟精度降低甚至达不到检测要求,为此设计了 一 种基于相对运动的激光测距机方位标定方法。选取实际路段进行检测,实验数据显示本文提出的横纵坡检测及标定方法可有效提高测鼠精度,满足公路路基路面现场测试规程要求。
2 基于激光传感器的公路横纵坡检测方法
2.1 横纵坡检测原理
横坡的计算分两种悄形:
l)对无中央分隔带的道路,横坡指路拱表面直线部分的坡度;
2)对有中央分隔带的道路,横坡指路面与中央分隔带交界处及路面边缘与路肩交界处两点的高程差与水平距离的比值。纵坡指沿道路行进方向、上下起伏的坡度.同横坡一 样均以百分率表示。 横纵坡值很小,一 般公路纵坡值都在9% 以下,横坡为 0.3% ~ 5% ,高速公路应不超过 3% ,不易准确测措,实现快速检测更加困难 。检测公路(尤其是高速公路)横纵坡值的方法及设备的选择十分重要。为满足高精度和高速悄况下的测量要求,选用激光测距机,这类传感器测最精度高,采集频率快,且不易受环境因素影响,因而采用2个距离传感器构成1个测虽单元。理想情形下,通过获得距离传感摇连线及测距点连线的夹角,再结合IMU获取横滚和俯仰角,即可得到横纵坡值。
对于公路路况不良甚至恶劣的情形,如路而车辙深、起伏大、纹理复杂等,采用多个激光测距机共同形成激光传感器阵列,构建一个激光测量平面,获取该平面与路面的位置关系;同时,记录激光测量平面运动过程中随路面起伏出现的各种姿态信息,利用几何关系和三角原理获得公路横纵坡数据。沿道路前进方向的纵断面方向,由测址平面与路面及水平面的角度关系,可以得到公路纵坡数据;同理.在沿道路横截面方向,得到公路横坡数据。
2.2 横纵坡检测平台结构
公路横纵坡数据检测平台主要由1个结合CPS的IMU和4个激光测距机组成,如图2所示。其中,4台激光传感器分别安装在平台的4个角上.形成1个矩形激光测量平面。通过激光测屈平面与路面的位置关系分解获得路面信息。惯性导航单元与激光测诅平面平行安装,用于采集激光测蜇平面的姿态信息。在进行实际道路检测时,根据激光测呈平面与路面的角度关系获得路面横纵坡数据。平台尾端2台激光测距机用千测植路面横坡数据,同时前端2台激光器测量值作为横坡参考;平台左侧2台激光器用于测址路面纵坡数据,右侧2台激光器测批值作为纵坡参考。
2.3 横纵坡计算方法
检测系统结构,假设后左激光测距机的读数为B,,'后右激光测距机的读数为B戎个激光测距机的出射光线与横梁垂直同理,纵轴方向上. 2个激光传感器获取激光测掀平面与路面及水平面的纵断面夹角,从而获得纵坡角度。
3 公路横纵坡激光检测系统几何标定
为满足测械精度要求,测量前祸要对检测系统进行标定,一 些学者对公路检测系统中激光传感器的标定方法进行了深入的研究,如邹媛媛等针对线结构光视觉传感器提出了基于扯块的标定方法,提高了精度和效率降低了成本山等氐」提出激光态弯沉检测仪的标定方法,解决了激光多普勒仪几何角度标定间题; Haselich 等在Unnikrishnan和Herbert标定算法的基础上提出了三维激光相机标定方法,提高了标定效率和相机检测精度;余祖俊等针对三维激光扫描测址系统提出了基于移位坐标的标定方法,与常规三维坐标法相比精度明显提高;黄钊等基于TDC十STM32激光测距系统,应用拟合算法设计了对测拯结果进行标定的方法,使测距系统能实时反映目标距离值。然而,目前关丁公路横纵坡检测系统标定方法的文献尚不多见。
由于激光测距机难以做到平行测量,前述方法测得的公路横坡和纵坡信息通常不准确。同时,惯性导航单元存在系统误差,需要对惯性导航补偿系数进行标定,下面分别介绍相应的标定方法。
3.1 激光传感器角度的标定
为标定激光传感器相对角度,设计了 一 种基千相对运动的标定方法 。将测证平面静止放登 ,移位平台水平置千测扯平面下。移位平台在垂直方向士200 mm范围内移动,该平台下方距离传感器可跟踪测星其移动距离为s。由SIcosa,=S2cosa2=S3cosa3=S,cosa1, (2)式中a1、a2、m和a, 分别为左前、右前、左后、右后4个激光测距机与竖直方向的夹角,测得移位平台移动距离分别为s,、S2、s3和s.。通过测量获得s、S、S2、S3和s, 的值,计算得到需要标定的角度a,、a2、a, 和a, o
3.2 惯性导航单元比例系数的标定
对于惯件导航单元,有3个补偿系数需要标定,分别为惯导的仪器偏差 W o 、惯导迟滞误差 凶 以及补偿系数。 Q 。和 凶 容易确定 ,可通过反复试验 (约 10 次)获得 ,因此主要针对横滚补偿系数 K g 设计 了一 种标定方法。当测址平面随汽车以固定角度倾斜而发生姿态变化时,采集4个激光传感器到地面的距离值计算得到测拭平面与路面的夹角,连续重复测呈以标定TMU姿态角。
4 实验结果分析
为满足高速测拈和高精度的要求,实验方案选用的激光测距机采集频率为16 kHz, 测献精度为0.01 mm; 选用的惯性导航单元采集的横滚和俯仰角精度为0.1 °,采集频率为100 Hz。选取一段水平地面,先标定激光测距机和惯性导航单元姿态参数,然后结合横纵坡检测原理进行公路横纵坡测址。在进行实际道路横纵坡数据检测时,通过分析激光测品平面与路面和水平面的角度即可计算得到该路段横纵坡数据。针对车载平台静止和行驶两种状态,分别进行测试,得到不同的检测数据,并得到相应的结论。
4.1 静态测试数据及分析
公路横纵坡检测系统静态标定误差实验数据如表1所示,主要测试了横坡和纵坡分别为¢,.,1 = -Z.4%和¢,.,1 = 2.41% 的两种情形。R 为横滚值,P 为俯仰值,趴 为后左激光传感器测屈值,B R 为后右激光传感器测撮值,¢ mnn 为传统人上测掀得到的横纵坡值,¢cal为计算得到的横纵坡值,E 叩n 为采用人工测蜇方式的测员误差,E心1为经过标定后的测最误差,D = l542 mm为后左、右激光传感器距离值 。
上述两组测试方案分别代表横坡和纵坡测址,且选取了横坡值较小的情形。由传统人工检测结果与本文的检测方法测试结果对比可知,两组测试方案系统测最误差在0.05%以内,统计标准差为0.016, 公路横纵坡检测系统标定后静态检测精度高,系统稳定性好。
4.2 动态测试数据及分析
为验证标定后的公路横纵坡检测系统动态检测结果的准确性,选取长度为50 m的实际路段,进行实验。以人工测量值作为参考数据,将检测系统沿测试路段分别以30 km/h、60 km/h的速度进行路面横坡数据采集,获得的结果如图4所示。其中,manual为人工测量数据,orientation系列为未标定时测量数据,test系列为标定后测量得到的数据。
将获得的50 m检测数据及人工值以每Sm作平均,得到9组数据,并计算其测量重复性和相关性,再挑选一条平均纵坡2%左右的50m路段,如上述方法进行纵坡测量。测试数据的重复度体现了系统的稳定性,该值越高越好;相关度体现两组值的相似程度,值越高说明两组值越接近。由实验数据可知: 1)系统标定后的检测结果与人工值的绝对误差均在0.1%范围内; 2)标定后,横纵坡测量数据的重复性有较大提高,横坡数据重复度由90%左右提高到95%以上,纵坡数据由95%左右提高到97%以上; 3)横纵坡测量相关度也有较大提高,标定后测试数据的相关度均达到99.9%。
通过以上分析验证,提出的检测系统可以对公路横纵坡数据进行有效检测,设计的标定方法明显提升了公路横纵坡数据检测的精确性。比较4.1节和4.2节可以得出结论: 1)对于动态或静态测试要求,该测量方法均能满足公路路基路面现场测试规程要求(测量重复度达到95%以上); 2)相同条件下,静态测试较动态测试数据准确,更接近真实值。因为动态测试情况下,系统可能会受到颠簸等因素而影响测量效果,也说明检测系统行驶速度对测量精度有 一 定程 度 的影 响 ;3)对千动态测械,检测系统的行驶速度越慢,获得测量数据的相关度和重复度越高。
5结论
提出采用4台激光测距机构成激光测距阵列,并结合惯性导航单元构建测量平面,实现对公路横纵坡的检测。为提高精度,设计了 一 种基于相对运 动 的标定 方法 ,通 过获取 激光测距 阵列 的偏差 角修正 前期测 最数据进行标定,从而有效提高了测量精度。通过实验,验证提出的检测及标定方法有效、实用,在重复度和相关度方面均有提升。而工程中如何降低系统检测速度对测量精度的影响,使系统能在更高速度下达到测量精度要求,是下一 步的研究重点 。
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