CN110725188B - 一种道路车载三维激光系统的系统精度场地校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路车载三维激光系统的系统精度场地校验方法，包括DMI纵向距离精度校验、三维激光设备精度校验实验、IMU Z方向位移变量校验实验及校验结果评价分析，本发明用以指导和规范路面检测技术人员的实地校验操作，解决三维激光检测技术推广应用的难点，保证系统输出数据的可靠性。

Description

一种道路车载三维激光系统的系统精度场地校验方法

技术领域

本发明涉及公路工程中路面检测专业技术内的车载三维激光系统校验领域，具体涉及一种道路车载三维激光系统的系统精度场地校验方法。

背景技术

发展以三维激光(也称线激光或结构光)检测技术为代表的路面自动化检测技术，是解决我国当前在路面技术状态监测，状况评价，养护维修领域面临的道路养护里程巨大、评价指标精度不足、技术人员成本昂贵等问题的必由之路。现阶段，道路管养部门逐步将基于三维激光检测技术的车载三维激光系统应用在国省干线道路的路面技术指标及病害检测中。

集成了三维激光设备，惯性测量单元(IMU)和距离传感器(DMI)的车载三维激光系统将能获取修正后的测量坐标系内道路表面的三维点云数据。获取的点云数据内包含了由IMU采集的车体三轴位移数据、DMI采集的车体纵向行驶距离数据、三维激光设备采集的道路横断面数据。依照车载三维激光系统的数据采集流程，DMI能够记录以角增量值为代表的纵向距离，反映在最终激光数据形式中为各激光测点的Y方向坐标；IMU则由车体的三轴加速度来代表车辆的行驶位移，使用Z方向位移变量来修正三维激光采集的各点Z方向坐标；而三维激光设备输出道路表面各激光测点坐标，包括X方向及Z方向。这些数据是用来生成道路平面模型和各类指标、病害计算的基础数据，但受限于各集成设备间误差传递影响，最终数据精度的可靠性仍有待验证。因此，为了保证获取数据的可靠性，每次检测项目实施前需要由检测单位对检测车辆的系统精度(即上述数据采集设备的精度)进行场地校验。

现阶段的场地校验过程往往被简化或省略，这是由于国内道路管养部门的车载三维激光系统有来自于众多供应商的整车系统，也有自行组装集成的系统。这些车载系统的原理一致，设备构成近似，但仍存在细部结构差异或检测参数不同等多项问题。设备供应商不能随着公路行业高度专业性的检测项目因地制宜的调整或校验车载三维激光系统，所能给予的售后支持乏力；三维激光技术的高技术门槛也使得自行组装集成系统的维护校准成为管养部门的难题。同时，研究领域内还未达成统一的车载三维激光系统的校验方案，仅有对个别设备的单独校准。以上各点对三维激光技术在路面检测领域的推广应用有极大的阻碍。因此，在车载三维激光系统参与的路面检测项目中，急需一种广泛适用于各类车载三维激光系统的系统精度场地检验方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种系统精度场地校验方法，针对车载三维激光系统，该系统特指集成了基于三维激光(线激光或结构光)三角法检测原理的三维激光检测设备、惯性测量单元(IMU)和距离传感器(DMI)的组合系统。这一场地校验方法用以指导和规范路面检测技术人员的实地校验操作，解决三维激光检测技术推广应用的难点，保证系统输出数据的可靠性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种道路车载三维激光系统的系统精度场地校验方法，包括以下步骤：

步骤1：DMI纵向距离精度校验

DMI纵向精度的校验采用累积误差为评价指标，对实际驾驶中出现的直线行驶段、左转弯段和右转弯段三种工况在长距离行驶区间内予以校准；

步骤2：三维激光设备精度校验

三维激光设备精度的校验采用相对误差为评价指标，通过对比标准块规尺寸测量结果来校准三维激光设备的精度；

步骤3：IMU Z方向位移变量校验

IMU Z方向位移变量校验采用绝对误差为评价指标，在直行路段模拟实验车体颠簸倾斜时，输出三维激光设备Z方向数据，来校准IMU的Z方向修正效果；

步骤4：校验结果评价分析

将步骤1至步骤3中的结果进行汇总，参考各项指标标准阈值，得到相应评价结果，当上述指标均低于标准阈值时，则认为车载三维激光系统的系统精度合格，能够进行检测项目的数据采集，输出数据具有较高可靠性；否则，应当针对未达标项目进行针对性调试。

进一步地，步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1：按照田径跑道样式布置环形车道，所述环形车道包括两条直线段与两条曲线段，并在直线段与曲线段间布置能被三维激光设备识别的三维激光标识物；

步骤1.2：用道路喷漆在环形车道上标记出用来指引车辆驾驶人员沿着既定路线行驶的车辆两侧车轮轮迹，再用测距轮依次测设内、外两侧车轮轮迹的各曲线段和直线段长度，即DMI设备顺时针及逆时针行驶的轨迹，各段长度标记为内圈曲线段：l_1-inner和l_3-inner，内圈直线段：l_2-inner和l_4-inner，总长为l_inner；外圈曲线段：l_1-outer和l_3-outer，外圈直线段：l_2-outer和l_4-outer，总长为l_outer，同时，确定测试车辆行驶圈数r，保证行驶总距离在1km以上，即r*(l_inner+l_outer)＞1km；

步骤1.3：调试待检测的三维激光系统，保证其能完整、准确的获取激光数据后，让检测车辆在环形车道上按预设线路行进，在车辆达到检测速度后，启动车载三维激光系统采集路面数据，待系统采集圈数达到r圈后，调转行驶方向，重复上述采集过程，最后，将采集到的顺时针、逆时针两个方向的三维激光数据导出，用于之后的精度校验；

步骤1.4：从导出的三维激光断面数据中人工识别三维激光标识物，并按照标识物来抓取对应的激光断面作为直线段及曲线段的分界线，以此切割激光数据为独立区块，各区块的长度按首尾激光断面DMI坐标差计算；

步骤1.5：对比步骤1.2中实际量测与步骤1.4计算出的各区块的距离误差，得到总长累积误差d_total、内圈直线段累积误差d_{inner-straight}、内圈曲线段累积误差d_inner-curve、外圈直线段累积误差d_{outer-straight}及外圈曲线段累积误差d_outer-curve，用于精度的校准与分析，各指标的计算公式分别如下：

d_total＝∑(l_i-inner-j+l_i-outer-j)-r*(l_inner+l_outer)

d_{inner-straight}＝∑(l_2-inner-j+l_4-inner-j)-r*(l_2-inner+l_4-inner)

d_inner-curve＝∑(l_1-inner-j+l_3-inner-j)-r*(l_1-inner+l_3-inner)

d_{outer-straight}＝∑(l_2-outer-j+l_4-outer-j)-r*(l_2-outer+l_4-outer)

d_outer-curve＝∑(l_1-outer-j+l_3-outer-j)-r*(l_1-outer+l_3-outer)

式中：i为环形车道的独立区块编号，j为检测记录行驶的第j圈。

进一步地，环形车道直线段100m，曲线段内径36.5m，单圈内圈全长400m，三维激光标识物的高程为100mm。

进一步地，步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1：在场地中规划一条用于车载三维激光系统试检的直行路段，包括加速段、匀速段和缓冲段以此对应检测车从启动加速至匀速行驶到减速停止的过程，然后在匀速段设置数据采集区域，区域内放置3块工业设备精度校验标准块规，使其能被三维激光设备的检测区间所覆盖，且标准块规依次处于车载三维激光设备检测区间的左边缘处、中心处及右边缘处；每个标准块规由3个长宽一致但高程不同的矩形区域组成，分别为区域1、区域2和区域3，区域1、区域2和区域3的高程依次为5mm、15mm及35mm；

步骤2.2：启动车载三维激光系统后，沿预设路线行进并采集数据采集区域的激光数据，再将数据按区域高程的不同切割为3部分，并从每个部分中截取5个不相邻的激光断面；

步骤2.3：用于精度验证试验的标准块规具有工业精度的三维尺寸，宽度w_(1，2，3)，即三维激光坐标系X方向，高度h_(1，2，3)，即三维激光坐标系Z方向，块规的各区域宽度w_m和高度h_m由三维激光测点的坐标计算得出，具体方法为：对选取的每一个激光横断面，编号记录为n，依据块规与路面的高程差异，甄别出块规起始点和终止点的坐标，并输出起止点间各点的坐标，此时，起始点x_n-start和终止点x_n-end差值即为块规区域宽度w，例如将块规的区域m第n条激光线记录为δ_w-m-n，此时区域内起止点z_n-start…z_n-end各点Z坐标的平均值

即为块规的高度h，记录为δ_h-m-n；最终以各位置的相对误差平均值δ_w和δ_h、变异系数Cv_w和Cv_h以及各区域指标的均值为评价指标，各指标的计算公式如下：

δ_w＝∑δ_w-m-n

δ_h＝∑δ_h-m-n

δ_w-m-n＝|w_m-(x_n-end-x_n-start)|/w_m

δ_h-m-n＝|h_m-(z_n-start+…+z_n-end)/N_n|/h_m

Cv_w＝∑σ_w-m/δ_w-m

Cv_h＝∑σ_h-m/δ_h-m

Cv_w-m＝σ_w-m/δ_w-m

Cv_h-m＝σ_h-m/δ_h-m式中：m为块规的区域编号，取1，2或3，n为单个块规区域内的激光断面编号，N为激光断面起止点内的激光点数量，且包括起止点。

进一步地，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：布置车辆颠簸行驶车道，分别在车辆左右轮胎轮迹间布置500mm长的轮胎垫木，左右垫木间纵向相邻，并在道路中线处水平放置矩形块，保证其能被三维激光设备所识别，同时矩形块起始位置与轮胎垫木起始位置保证一定轴面间距，所述轴面间距通过测量试验车体的后车轮轴距离激光检测断面的纵向间距得到，同时标记出数据采集区域，由包含轮胎垫木的纵向颠簸状态区间一和相同长度的水平状态区间二组成；

步骤3.2：标记出车辆行驶中线及数据采集区域各断面位置，用来指引车辆驾驶人员沿着既定路线行驶；开启车载三维激光系统后，由驾驶人员沿预定路线行驶并采集区域内的数据，按照100mm的断面间隔选取20个激光横断面，其中1～10是车体颠簸行驶时的断面，而11～20则为水平行驶状态下的断面，将分类后的断面数据以人工辨别的方式切割出每个激光横断面中包含的矩形块区域；

步骤3.3：采用矩形块来对比颠簸状态时IMU设备对三维激光Z方向数据的精度矫正效果，通过游标卡尺对水平放置好的矩形块前，中，后部测设块规的高度h₁，h₂，h₃，取其平均值为h₀，再从每个激光横断面的矩形块区域输出各激光点的Z方向坐标值，并求取每个激光断面的Z轴均值表示为z₁～z₂₀；

步骤3.4：三维激光测量值与游标卡尺得到的真值间的绝对误差记录为Δ_k-GT，k取1或2；区间一和区间二之间的绝对误差记录为Δ_1-2；测量值与真值间的最大绝对误差记录为

区间一和区间二之间的最大绝对误差记录为

而各指标的绝对误差计算公式如下：

其中，l为区间一的激光断面编号；z为区间二的激光断面编号；Z为激光断面的高程均值；h₀为矩形块平均高程真值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法分别校准了车载三维激光系统内三项采样设备在不同工况下的精度，能够对车载三维激光系统的工作性能进行系统、全面的评估，以代替以往单一精度的评估方案。

本发明方法校准分析结果除了反馈车载三维激光系统的可靠性外，结果输出的多指标体系能定向帮助和指导检测人员调试车载三维激光系统中一项或多项检测参数以提升检测水平。

本发明方法的场地校验设计对比以往校准方案能够给予精度校验结果更接近实际检测项目的状态，且实验方法在场地中易于实现。

附图说明

图1是车载三维激光系统校准实施步骤流程图；

图2是DMI纵向距离精度校验时的环形车道场地布置示意图；

图3是三维激光设备精度校验时的实验场地及块规布置示意图；

图4是三维激光设备精度校验时的标准块规尺寸三视图；其中(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图；

图5是IMU Z方向位移变量校验时的场地设置示意图；

图6是IMU Z方向位移变量校验时校验场地中轮胎垫木的尺寸三视图；其中(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

在车载三维激光系统场地校准时，将需要校准三个方面：DMI的纵向距离精度、IMU中的Z方向位移变量精度、三维激光设备中激光测点的X方向、Z方向精度。本发明依照以上方面分别设计了相应的校准实验，图1列出了所设计校准实施步骤的流程图。

(1)DMI纵向距离精度校准

DMI纵向精度的校验方案将采用累积误差为评价指标，对实际驾驶中出现的直线行驶段、左转弯段和右转弯段三种工况在长距离行驶区间内予以校准。场地校验工具有：三维激光标识物(一般为尺寸满足激光设备辨识的立方块)，道路喷漆，测距轮。

a.环形校验场地布置；按照图2所示样式来划分环形车道为4段，(可以采用标准田径跑道代替实验车道，直线段100m，曲线段内径36.5m，内圈全长400m)，并在直线段与曲线段临界的横断面上放置三维激光标识物，保证在检测区间内能被设备准确识别。

b.轮迹里程距离测设；用道路喷漆在环形车道上标记出用来指引车辆驾驶人员沿着既定路线行驶的车辆两侧车轮轮迹，再用测距轮依次测设内、外两侧车轮轮迹的各曲线段和直线段长度，即DMI设备顺时针及逆时针行驶的轨迹(根据DMI设备的安装位置分别对应)，各段长度记录在表1中分别标记为内圈曲线段：l_1-inner和l_3-inner，内圈直线段：l_2-inner和l_4-inner，总长为l_inner；外圈曲线段：l_1-outer和l_3-outer，外圈直线段：l_2-outer和l_4-outer，总长为l_outer。同时，确定测试车辆校验圈数r，保证行驶总距离在1km以上，即r*(l_inner+l_outer)＞1km。

c.DMI里程数据采集；调试待检测的三维激光系统，保证其能完整、准确的获取激光数据后，让检测车辆在环形车道上按预设线路行进，在车辆达到检测速度后，启动车载三维激光系统采集路面数据，待系统采集圈数达到r圈(以单圈全长400m为例，则r＝2)后，调转行驶方向，重复上述采集过程。最后，将采集到的顺时针、逆时针两个方向的三维激光数据导出，用于之后的精度校验；

d.DMI纵向距离计算；从导出的三维激光断面数据中人工识别三维激光标识物，并按照标识物来抓取对应的激光断面(一般为标识物中线)作为直线段及曲线段的分界线，以此切割激光数据为独立的区段，各段的长度按首尾激光断面DMI坐标差计算并记录，将第2圈内侧(DMI位于内侧时)的3号区块的直线段标记为l_3-inner-2。

e.纵向累积误差校验；对比实际量测和检测数据中计算出的各段的距离误差，得到总长累积误差d_total、内圈直线段累积误差d_{inner-straight}、内圈曲线段累积误差d_inner-curve、外圈直线段累积误差d_{outer-straight}及外圈曲线段累积误差d_outer-curve，用于精度的校准与分析，并填入表1。各指标的计算公式分别如下：

d_total＝∑(l_i-inner-j+l_i-outer-j)-r*(l_inner+l_outer)

d_{inner-straight}＝∑(l_2-inner-j+l_4-inner-j)-r*(l_2-inner+l_4-inner)

d_inner-curve＝∑(l_1-inner-j+l_3-inner-j)-r*(l_1-inner+l_3-inner)

d_{outer-straight}＝∑(l_2-outer-j+l_4-outer-j)-r*(l_2-outer+l_4-outer)

d_outer-curve＝∑(l_1-outer-j+l_3-outer-j)-r*(l_1-outer+l_3-outer)

式中：i为环形车道各段的编号，j为检测记录中行驶的第j圈。

表1 DMI纵向距离精度校验实验表

(2)三维激光设备精度校准

三维激光设备精度的校验方案将采用相对误差为评价指标，通过对比标准块规尺寸测量结果来校准三维激光设备的精度。场地校验工具有：校验标准块规(由3块高程不同的矩形区域组成，块规尺寸参见图4)，道路喷漆，卷尺。

a.校验车道设置；在场地规划一条用于车载三维激光系统试检的直行路段，包括加速段，匀速段，缓冲段以此对应检测车从启动加速至匀速行驶到减速停止的过程(根据检测速度来设置，50m为宜)。按照图3所示，在匀速段的1/3至1/2处设置数据采集区域，区域中心的道路横断面上放置3块工业设备精度的校验标准块规，使其能被三维激光设备的检测区间所覆盖，且标准块规依次处于车载三维激光系统检测区间的左边缘处、中心处(即道路中线)、右边缘处。每个块规由3个长宽一致但高程不同的矩形区域组成，区域1，2，3的高程依次为5mm，15mm，35mm。

b.块规激光横断面获取；启动车载三维激光系统后，沿预设路线行进并采集数据采集区域的激光数据，再将数据按区域高程的不同切割为3部分，并从每个部分中截取5个不相邻的激光断面。

c.块规尺寸测量对比；

用于精度验证试验的标准块规具有工业精度的三维尺寸，宽度w_(1，2，3)，即三维激光坐标系X方向，高度h_(1，2，3)，即三维激光坐标系Z方向，标准块规的实际尺寸可根据设备差异微调，并将其填入表2。块规的各区域宽度w_m和高度h_m(m为区域编号，可取1，2，3)由三维激光测点的坐标计算得出，具体方法为：对选取的每一个激光横断面编号编辑为n，依据块规与路面的高程差异，人工识别甄别出每个块规的坐标区域，并输出块规区域内各点的坐标，此时，起始点x_n-start和终止点x_n-end差值即为块规中的区域宽度w，例如将左边缘处块规的区域m第n条激光线记录为δ_w-m-n，此时区域内起止点z_n-start…z_n-end各点(激光点数量记录为N)Z坐标的平均值

即为块规的高度h，记录为δ_h-m-n。最终以各位置的相对误差平均值δ_w和δ_h、变异系数Cv_w和Cv_h以及各区域指标的均值为评价指标，各指标的计算公式如下：

δ_w＝∑δ_w-m-n

δ_h＝∑δ_h-m-n

δ_w-m-n＝|w_m-(x_n-end-x_n-start)|/w_m

δ_h-m-n＝|h_m-(z_n-start+…+z_n-end)/N_n|/h_m

Cv_w＝∑σ_w-m/δ_w-m

Cv_h＝∑σ_h-m/δ_h-m

Cv_w-m＝σ_w-m/δ_w-m

Cv_h-m＝σ_h-m/δ_h-m

式中：δ_w-m-nm为块规的区域编号，n为单个块规区域内的激光断面编号，N为激光断面起止点(包括起止点)内的激光点数量。

表2三维激光设备精度校验实验表

(3)IMU Z方向位移变量校验

IMU Z方向位移变量校验方案将采用绝对误差为评价指标，在直行路段模拟实验车体颠簸倾斜时，输出三维激光设备Z方向数据，来校准IMU的Z方向修正效果。实验工具：三维激光标准块规，轮胎垫木，道路喷漆。实验具体流程如下：

a.颠簸状态实验设置；按照图5所示样式来布置车辆颠簸行驶车道，分别在车辆左右轮胎轮迹间布置轮胎垫木(尺寸为500mm长，200mm宽，100mm高的三角块状，如图6)，左右垫木间纵向相邻，并在道路中线处放置矩形块(尺寸可为2000mm长，10mm宽，10mm高的矩形体)，保证其能被三维激光设备所识别，同时矩形块起始位置应与轮胎垫木起始位置保证一定轴面间距，可由直尺测量试验车体的后车轮轴距离激光检测断面的纵向间距得到。同时标记出数据采集区域共2000mm长，分别由包含轮胎垫木的纵向颠簸状态区间一和相同长度的水平状态区间二组成。

b.车体颠簸状态下激光断面获取；用道路喷漆标记出车辆行驶中线，用来指引车辆驾驶人员沿着既定路线行驶；开启车载三维激光系统后，由驾驶人员沿预定路线行驶并采集区域内的数据。按照100mm的断面间隔选取20个激光横断面带入后续计算，其中1～10是车体颠簸行驶时的断面，而11～20则为水平行驶状态下的断面，将分类后的断面数据以人工辨别的方式切割出每个激光横断面中包含的矩形块区域代入后续计算。

c.横断面高程对比；同样矩形块来对比颠簸状态时IMU设备对三维激光Z方向数据的精度矫正效果。通过游标卡尺对水平放置好的矩形块前，中，后部测设块规的高度h₁，h₂，h₃，取其平均值为h₀，再从每个激光横断面的矩形块区域输出各激光点的Z方向坐标值，并求取每个激光断面的Z轴均值表示为z₁～z₂₀并记录在表3中。

d.绝对误差计算；此时，三维激光测量值与游标卡尺得到的真值间的绝对误差记录为Δ_k-GT，k取1或2；区间一和区间二间的绝对误差记录为Δ_1-2；测量值与真值间的最大绝对误差记录为

区间一和区间二间的最大绝对误差记录为

而各指标的绝对误差计算公式如下：

其中，l为区间一的激光断面编号；z为区间二的激光断面编号；Z为激光断面的高程均值；h₀为矩形块平均高程真值。

表3 IMU Z方向位移变量校验实验表

(4)校验结果评价分析

上述3项实验的结果经过汇总，可以依照表4中的各项指标对照，得到相应评价结果。当上述指标均低于标准阈值时，该方法认为车载三维激光系统的系统精度合格，能够进行检测项目的数据采集，输出数据具有较高可靠性。当其中一项超过标准阈值，可修改某一项设备参数以提升精度。

表4三维激光系统校验结果评价实验表

Claims (5)

1.一种道路车载三维激光系统的系统精度场地校验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：DMI纵向距离精度校验

DMI纵向精度的校验采用累积误差为评价指标，对实际驾驶中出现的直线行驶段、左转弯段和右转弯段三种工况在长距离行驶区间内予以校准；

步骤2：三维激光设备精度校验

三维激光设备精度的校验采用相对误差为评价指标，通过对比标准块规尺寸测量结果来校准三维激光设备的精度；

步骤3：IMU Z方向位移变量校验

IMU Z方向位移变量校验采用绝对误差为评价指标，在直行路段模拟实验车体颠簸倾斜时，输出三维激光设备Z方向数据，来校准IMU的Z方向修正效果；

步骤4：校验结果评价分析

将步骤1至步骤3中的结果进行汇总，参考各项指标标准阈值，得到相应评价结果，当上述指标均低于标准阈值时，则认为车载三维激光系统的系统精度合格，能够进行检测项目的数据采集，输出数据具有较高可靠性；否则，应当针对未达标项目进行针对性调试。

2.根据权利要求1所述的一种道路车载三维激光系统的系统精度场地校验方法，其特征在于，步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1：按照田径跑道样式布置环形车道，所述环形车道包括两条直线段与两条曲线段，并在直线段与曲线段间布置能被三维激光设备识别的三维激光标识物；

步骤1.2：用道路喷漆在环形车道上标记出用来指引车辆驾驶人员沿着既定路线行驶的车辆两侧车轮轮迹，再用测距轮依次测设内、外两侧车轮轮迹的各曲线段和直线段长度，即DMI设备顺时针及逆时针行驶的轨迹，各段长度标记为内圈曲线段：l_1-inner和l_3-inner，内圈直线段：l_2-inner和l_4-inner，总长为l_inner；外圈曲线段：l_1-outer和l_3-outer，外圈直线段：l_2-outer和l_4-outer，总长为l_outer，同时，确定测试车辆行驶圈数r，保证行驶总距离在1km以上，即r*(l_inner+l_outer)＞1km；

步骤1.3：调试待检测的三维激光系统，保证其能完整、准确的获取激光数据后，让检测车辆在环形车道上按预设线路行进，在车辆达到检测速度后，启动车载三维激光系统采集路面数据，待系统采集圈数达到r圈后，调转行驶方向，重复上述采集过程，最后，将采集到的顺时针、逆时针两个方向的三维激光数据导出，用于之后的精度校验；

步骤1.4：从导出的三维激光断面数据中人工识别三维激光标识物，并按照标识物来抓取对应的激光断面作为直线段及曲线段的分界线，以此切割激光数据为独立区块，各区块的长度按首尾激光断面DMI坐标差计算；

步骤1.5：对比步骤1.2中实际量测与步骤1.4计算出的各区块的距离误差，得到总长累积误差d_total、内圈直线段累积误差d_{inner-straight}、内圈曲线段累积误差d_inner-curve、外圈直线段累积误差d_{outer-straight}及外圈曲线段累积误差d_outer-curve，用于精度的校准与分析，各指标的计算公式分别如下：

d_total＝Σ(l_i-inner-j+l_i-outer-j)-r*(l_inner+l_outer)

d_{inner-straight}＝Σ(l_2-inner-j+l_4-inner-j)-r*(l_2-inner+l_4-inner)

d_inner-curve＝Σ(l_1-inner-j+l_3-inner-j)-r*(l_1-inner+l_3-inner)

d_{outer-straight}＝Σ(l_2-outer-j+l_4-outer-j)-r*(l_2-outer+l_4-outer)

d_outer-curve＝Σ(l_1-outer-j+l_3-outer-j)-r*(l_1-outer+l_3-outer)

式中：i为环形车道的独立区块编号，j为检测记录行驶的第j圈。

3.根据权利要求2所述的一种道路车载三维激光系统的系统精度场地校验方法，其特征在于，环形车道直线段100m，曲线段内径36.5m，单圈内圈全长400m，三维激光标识物的高程为100mm。

4.根据权利要求1所述的一种道路车载三维激光系统的系统精度场地校验方法，其特征在于，步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1：在场地中规划一条用于车载三维激光系统试检的直行路段，包括加速段、匀速段和缓冲段以此对应检测车从启动加速至匀速行驶到减速停止的过程，然后在匀速段设置数据采集区域，区域内放置3块工业设备精度校验标准块规，使其能被三维激光设备的检测区间所覆盖，且标准块规依次处于车载三维激光设备检测区间的左边缘处、中心处及右边缘处；每个标准块规由3个长宽一致但高程不同的矩形区域组成，分别为区域1、区域2和区域3，区域1、区域2和区域3的高程依次为5mm、15mm及35mm；

步骤2.2：启动车载三维激光系统后，沿预设路线行进并采集数据采集区域的激光数据，再将数据按区域高程的不同切割为3部分，并从每个部分中截取5个不相邻的激光断面；

步骤2.3：用于精度验证试验的标准块规具有工业精度的三维尺寸，宽度w_(1，2，3)，即三维激光坐标系X方向，高度h_(1，2，3)，即三维激光坐标系Z方向，块规的各区域宽度w_m和高度h_m由三维激光测点的坐标计算得出，具体方法为：对选取的每一个激光横断面，编号记录为n，依据块规与路面的高程差异，甄别出块规起始点和终止点的坐标，并输出起止点间各点的坐标，此时，起始点x_n-start和终止点x_n-end差值即为块规区域宽度w，例如将块规的区域m第n条激光线记录为δ_w-m-n，此时区域内起止点z_n-start…z_n-end各点Z坐标的平均值

即为块规的高度h，记录为δ_h-m-n；最终以各位置的相对误差平均值δ_w和δ_h、变异系数Cv_w和Cv_h以及各区域指标的均值为评价指标，各指标的计算公式如下：

δ_w＝Σδ_w-m-n

δ_h＝Σδ_h-m-n

δ_w-m-n＝|w_m-(x_n-end-x_n-start)|/w_m

δ_h-m-n＝|h_m-(z_n-start+…+z_n-end)/N_n|/h_m

Cv_w＝∑σ_w-m/δ_w-m

Cv_h＝∑σ_h-m/δ_h-m

Cv_w-m＝σ_w-m/δ_w-m

Cv_h-m＝σ_h-m/δ_h-m式中：m为块规的区域编号，取1，2或3，n为单个块规区域内的激光断面编号，N为激光断面起止点内的激光点数量，且包括起止点。

5.根据权利要求1所述的一种道路车载三维激光系统的系统精度场地校验方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：布置车辆颠簸行驶车道，分别在车辆左右轮胎轮迹间布置500mm长的轮胎垫木，左右垫木间纵向相邻，并在道路中线处水平放置矩形块，保证其能被三维激光设备所识别，同时矩形块起始位置与轮胎垫木起始位置保证一定轴面间距，所述轴面间距通过测量试验车体的后车轮轴距离激光检测断面的纵向间距得到，同时标记出数据采集区域，由包含轮胎垫木的纵向颠簸状态区间一和相同长度的水平状态区间二组成；

步骤3.2：标记出车辆行驶中线及数据采集区域各断面位置，用来指引车辆驾驶人员沿着既定路线行驶；开启车载三维激光系统后，由驾驶人员沿既定路线行驶并采集区域内的数据，按照100mm的断面间隔选取20个激光横断面，其中1～10是车体颠簸行驶时的断面，而11～20则为水平行驶状态下的断面，将分类后的断面数据以人工辨别的方式切割出每个激光横断面中包含的矩形块区域；

步骤3.3：采用矩形块来对比颠簸状态时IMU设备对三维激光Z方向数据的精度矫正效果，通过游标卡尺对水平放置好的矩形块前，中，后部测设块规的高度h₁，h₂，h₃，取其平均值为h₀，再从每个激光横断面的矩形块区域输出各激光点的Z方向坐标值，并求取每个激光断面的Z轴均值表示为z₁～z₂₀；

步骤3.4：三维激光测量值与游标卡尺得到的真值间的绝对误差记录为Δ_k-GT，k取1或2；区间一和区间二之间的绝对误差记录为Δ_1-2；测量值与真值间的最大绝对误差记录为

区间一和区间二之间的最大绝对误差记录为

而各指标的绝对误差计算公式如下：

其中，l为区间一的激光断面编号；z为区间二的激光断面编号；Z为激光断面的高程均值；h₀为矩形块平均高程真值。

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