CN114485462A - 一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统及方法，通过部署高精度激光测距仪以及将光学测量仪挂载在龙门架上，并通过高精度激光测距仪与光学测量仪的配合能够实现对待测车辆外形轮廓检的实时检测和异常轮廓定位。

Description

一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统及方法

技术领域

本发明属于高铁、城轨及电力机车等轨道交通车辆外形轮廓检测技术领域，具体涉及一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统及方法。

背景技术

目前随着国家轨道交通的快速发展，对高铁、城轨及电力机车的通行安全要求日益严格，为确保铁路车辆的正常运行及安全因素，按照铁道部规定，车辆接近建筑物或者任何设备的时候，不允许超过轮廓尺寸线。车辆的任何部位，在任何情况下均不得超出车辆限界规定的尺寸。随着车辆加工制造工艺的进步，车辆外形轮廓加工制造精度要求逐步提高，因此对车辆外形轮廓的检测要求日益严格，结合车辆的特点进行分析，可将车辆轮廓检测的特点归纳为：动态、大尺寸、高精度。

目前的检测技术主要分为接触式和非接触式测量，接触式测量主要是通过人工利用卷尺辅助轮廓模板、铅锤线等工具进行测量，显然在检测精度及检测效率等方面无法满足生产检测需求。因此，测量检测技术逐步替代接触式检测成为轨道交通车辆外形轮廓出厂检验的主要非接触式技术手段，目前对车辆外形轮廓检测大都采用手持激光扫描仪、激光跟踪仪等高端设备，但此应用仅满足小尺寸静态局部检测，检测范围能力不足且需要激光靶点的辅助，局限性太强。此外，现有技术中还有采用激光光幕、双目立体视觉技术、激光扫描仪等的结合，来实现车辆轮廓的动态检测，该技术的典型应用是在机动车检测站及高速公路上实现大型货车的超限检测。该技术虽然算法成熟较高，但是其最大缺点就是受环境影响较大，且由图像处理灰度失真、几何畸变、噪声干扰、特殊结构(平坦区域、重复相似结构)等问题会引入较大的检测误差，检测精度往往无法满足实际使用的要求。

综上所述，目前现有技术主要包括接触式测量和非接触式测量，存在的问题包括检测精度不能满足需求、检测效率低下、检测方法适用范围的局限性太强以及检测覆盖率不能满足需求等。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统及方法，能够实现轨道交通车辆外形轮廓的高精度、全覆盖及通用的检测。

本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统，包括：激光测距仪、龙门架和光学测量仪；所述激光测距仪与设置于待测车辆上的反光板配合测量待测车辆的实时位移；所述龙门架用于固定所述光学测量仪，所述龙门架的长宽高的设置满足待测车辆无接触通行；所述光学测量仪用于采集待测车辆的轮廓数据，所述光学测量仪的激光线包络覆盖待测车辆的所有截面，实现对待测车辆的全覆盖检测。

进一步地，所述激光测距仪设置于所述龙门架的正下方的中心位置。

进一步地，所述激光测距仪能够旋转。

进一步地，所述龙门架的顶部边框、侧面边框及底部边框的尺寸均可调节。

进一步地，所述龙门架的顶部边框采用程控可升降横梁。

进一步地，所述龙门架选取重量轻、不易变形的材质制作。

进一步地，所述光学测量仪为激光3D相机或大尺寸三维扫描仪，所述激光 3D相机或大尺寸三维扫描仪的安装数量、安装位置及安装角度根据待测车辆的技术要求和光学测量仪的有效检测范围及工作特性进行计算得到。

本发明提供的一种采用权利要求1所述的车辆外形轮廓检测系统的用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统，包括以下步骤：

步骤1、组装所述车辆外形轮廓检测系统；

步骤2、对所述车辆外形轮廓检测系统进行校正；

步骤3、启动光学测量仪对待测车辆进行扫描，包括待测车辆的侧面、顶面和底面，得到待测车辆车身上各点的三维点云数据；

步骤4、对所述三维点云数据进行滤波处理；

步骤5、基于所述三维点云数据中的公共标靶球进行特征匹配高精度拼接，拟合得到轨道中心线；选取轨道中心线上任意一点作为坐标原点，将所述三维点云数据进行坐标转换；

步骤6、对所述步骤5得到的三维点云数据进行轮库计算，再将计算结果与标准限界数据在同一坐标系内进行自动比对得到判定待测车辆是否满足要求。

进一步地，所述步骤2中对所述车辆外形轮廓检测系统进行校正中的对光学测量仪的校正过程为，通过在待测车辆的运行轨道的同一平面内布置6个标靶球，在与标靶球相距设定距离的位置架设全站仪，通过测试调整完成对光学测量仪的校正。

进一步地，所述步骤2中对所述车辆外形轮廓检测系统进行校正中的系统校正为采用校正工装和激光跟踪仪实现。

有益效果：

1、本发明通过部署高精度激光测距仪以及将光学测量仪挂载在龙门架上，并通过高精度激光测距仪与光学测量仪的配合能够实现对待测车辆外形轮廓检的实时检测和异常轮廓定位；

2、本发明中通过采用高精度程控可升降横梁，再将光学测量仪安装固定在横梁上通过横梁的高精度上下位移可覆盖不同高度不同种类的车型；并通过将光学测量仪安装固定在龙门架两侧立柱上，可覆车身两侧及转向架外侧的检测位置；通过场地地坑中的光学测量仪，可覆盖车底及转向架内侧的检测位置，针对件检测车型的范围，通过分析计算调整横梁的高度及光学测量仪的数量，可完成覆盖整车轮廓无死角检测；

3、本发明采用基于结构光的激光3D相机具有较强抗干扰能力，自身修正调整畸变系数可在复杂环境下进行检测，其检测的分辨率可达到25μm辅之高采样率可完全覆盖车身上任一点，此外，通过相机标定，确定相机的坐标系，相机返回车身点云数据坐标，上位机对数据进行成熟算法滤波计算可达到预想的高检测精度及重复精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统及方法的原理示意图。

图2为本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统中的激光测距仪的布置剖面图。

图3为本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测方法的流程图。

图4为本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测方法的采用采用采用激光3D工业相机的实施例。

图5为本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测方法的采用大尺寸三维扫描仪的实施例。

图6为本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测方法中的校验过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统及方法，其核心思想是：采用光学测量仪获取车辆截面的流线及轮廓曲线图像，采集轮廓曲线图像获得每一个像素的空间坐标，得到车辆截面上各点的轮廓信息，车辆的行进速度测量采用激光测距仪进行检测，实时检测车辆外形轮廓，原理图如图1 所示。

本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统，包括：激光测距仪、光学测量仪和龙门架。

其中，激光测距仪用于测量车辆的实时位移。激光测距仪固定设置在地面，通过与设置于车辆设定位置的反光板相配合实现对车辆实时位移的测量。激光测距仪的部署如图2所示。

进一步地，为了保证人员的正常通行不对激光测距仪的测量过程造成影响，本发明将激光测距仪设置在龙门架正下方的中心位置，将反光板挂接在车辆的尾部，此外，为了便于实际操作，将激光测距仪固定安装在电动推杆上，电动推杆放置于位于龙门架正下方的中心位置的地坑内，实际测量时，根据被测量车辆的车底与地面的实际距离控制调节电动推杆的升降，保证激光测距仪不与车底的设备接触。激光测距仪测量车辆的位移时，激光测距仪的激光点穿过待测车辆的车底与地面之间的空隙打到位于车尾的反光板上实现车辆的实时位移检测。

进一步地，为了能够测量不同方向驶来的待测车辆，激光测距仪能够旋转，例如，激光测距仪能够旋转180°即可保证能够测量来自相反方向的车辆；激光测距仪能够旋转360°即可保证能够测量来自多个方向的车辆。此外，还可以采用将激光测距仪安装在电动推杆的转台上的方式实现激光测距仪的旋转。

龙门架用于固定光学测量仪。为了保证能够测量多种类型的车辆，龙门架的顶部边框、侧面边框及底部边框均高度可调节，例如，龙门架的顶部为升降横梁，底部为高度调整装置。进一步地，为了提高龙门架的耐用性，通常选取重量轻、不易变形的材质制作龙门架。此外，为了提高测量的精度，龙门架的加工精度为误差小于1mm，且表面平整度高。进一步地，为了提高组装的便捷性，采用可拆卸的设计方式。例如，轨道交通车辆最大断截面轮廓尺寸按照1cm 的间距进行x、y、z三个方向的自由调整，高度和宽度可调整至车辆最大端截面轮廓，长度可调整至200mm。

光学测量仪用于采集待测车辆的轮廓数据，通过与龙门架的配合实现对不同车型车辆的测量，即配合龙门架使激光线包络覆盖所有车型整车最大及最小截面，实现对所有车型整车的全覆盖检测。根据轨道交通车辆的技术要求、光学测量仪的有效检测范围及工作特性，计算出需要安装光学测量仪的数量、安装位置及安装角度。

根据光学测量仪的工作特性及待测车辆的检测范围，光学测量仪的搭建需要覆盖最大车型及最小车型，即多台相机的有效检测范围全方位无盲区进行拼接。例如，以德国ATC5-2040CS系列激光3D相机为例，单台激光3D相机的有效检测范围为与相机的距离在344mm～1144mm之内；在有效范围内，单台激光3D相机的覆盖测量线长度范围即检测视野范围为563mm～1549mm。

实际测量过程中，首先，根据轨道交通车辆的技术要求、光学测量仪的有效检测范围及工作特性，计算出需要安装的光学测量仪的数量、安装位置及安装角度；然后，以龙门架中心作为坐标原点(0，0)，标定各光学测量仪的安装坐标(x，y)、安装高度(与地面的距离)、宽度(与坐标原点的距离)及角度；最后，在设备安装完毕后，通过结构调整使相机的角度尽量满足垂直，通过系统的标定对安装坐标及角度进行精细的标定后进行补偿以满足系统的使用要求。

具体来说，车辆外形轮廓检测装置的标定及装配过程如下：

1、相机出厂标定。

相机内参的标定，使用平板标定法，标定好相机内参和畸变系数，具体做法如下：首先，将激光线投射到一个标定板上，同时检测标定板的圆心坐标和激光二维坐标，将标定板世界坐标系转换到相机坐标系下；之后，在五个位置上放置标定板，得到5个位置的标定板圆心坐标和激光线的二维坐标，拟合5 个不同位置下标定板所在的三维平面方程；最后，根据标定板平面方程和激光二维坐标求出激光的三维坐标，使用所有的激光三维坐标来拟合激光的平面方程AX+BY+CZ＝D，生成平面方程系数A、B、C、D。

2、相机安装位置调整。

使用激光水平仪在支架区域内进行相机坐标建立，将多台激光3D相机安装在设计的位置上，使得多台激光器的线激光投射到一个截面；并且调整微调机构使得激光器和3D相机可以覆盖所有检测区域。

3、轨道中心标定(世界坐标原点)及相机坐标及角度标定。

通过将已知尺寸的标定工装放置于轨道上，多台相机组成的测量系统对其进行逆向建模处理，通过调整标定工装的尺寸建立标定工装的模型，反推出轨道中心坐标、相机坐标及安装的角度作为后续测量的补偿值。

4、线性度标定及像素标定。

标定的目的是，标定相机的像素物理尺寸，标定测试距离与像素间物理尺寸之间的线性关系。相机位置标定完成后，将标定工装至于相机的有效范围内，从距离相机有效检测范围内，每间隔1cm激光相机对标定工装进行数据采集一次，进行相机有效范围内的线性度标定。通过标定可以获得在相机有效范围待测物体距离相机的距离与像素间的实际物理尺寸的线性关系。

5、自动校准及计量。

自动校准的目的旨在每次测量前验证系统的测量精度是否满足使用要求，如不满足实现自动调整无需人为干预，自动校准的步骤如下：

a)系统供电，打开测量软件，系统完成自检。

b)将校正装置置于轨道上，保证激光相机轮廓可以采集到。

c)软件点击“自动校准”。

d)自动采集数据与标准工装数据进行对比。

e)输出校准报告，如合格可进行正常车辆检测。

f)如不合格，系统自动根据当前测试数据去修改系统配置参数，使其满足使用的精度要求。

计量是指采用校正工装和激光跟踪仪验证测试精度是否满足技术指标要求，计量结果如果不能满足技术指标要求则可根据激光跟踪仪的数据调整系统精度，调整后重复进行计量直至通过。计量过程包括：

a)将标定工装置于轨道上。

b)激光跟踪仪建立世界坐标系。

c)激光跟踪仪在工装的上、下、左、右四个截面分别取十个点进行测量，记录坐标值(x、y)

d)激光限界系统对标定工装进行测量，与激光跟踪仪的数据进行对比。

e)调整标定工装的宽度及高度，重复上述步骤。

f)当三次测量的结果与激光跟踪仪的结果全部满足技术指标＜1mm，视为计量通过。

本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统，能够实现：对轨道交通上的高铁、城轨、电力机车、地铁等各种车型进行外观轮廓检测，实现全类型全车型覆盖检测；检测精度可以达到±1毫米，重复精度可达到±1毫米，可对车身异常处进行标记精准定位，定位精度5毫米，实现高精度检测；能够覆盖整个车身(包括车底及转向架内侧)实现全面数据采集计算，并可实行三维重建，实现整车检测覆盖率100％；能够适应车间复杂的检测环境，不需要人为干预实现快速通用外观检测，在全天候高复杂检测环境下实现快速高精度检测，极大提高检测效率；整车数据保存可追溯，供大数据分析计算，分析车身关键部位外观数据，可反哺加工制造工艺，实现为加工制造工艺提供有力的数据支撑。

本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测方法，根据车辆类型及编号等创建检测任务完成对采集的多个站点数据进行实时存储、滤波、高精度拼接、坐标系转换、三维建模，与标准的限界数据进行比对，标记超限的轮廓，界面显示超限的数据及位置信息等。系统软件遍历三维模型数据生成最大整车最大轮廓图形，与该轮廓的三维模型数据一并进行输出打印。方法流程示意图如图3所示。

本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测方法，测试过程包括以下步骤：

步骤1、启动光学测量仪待测车辆进行扫描，包括待测车辆的侧面、顶面和底面，得到待测车辆的车身上各点的三维点云数据(x、y、z)。

步骤2、获取各光学测量仪内的三维点云数据(x、y、z)，并对三维点云数据进行滤波处理。

例如，可以设立工作站，采用运行于工作站上的测量软件通过RJ45网线或车间WIFI对光学测量仪进行控制，采集光学测量仪的三维点云数据进行滤波处理并存储到工作站本地。

步骤3、基于各光学测量仪内的三维点云数据中的公共标靶球进行特征匹配高精度拼接，拟合出轨道中心线；将轨道中心线上任意一点作为坐标原点，将各光学测量仪获取的三维点云数据进行坐标转换。

具体来说，测量软件通过相邻站点间扫描的公共标靶球进行特征匹配高精度拼接，并拟合出轨道中心线。

本发明中，标靶球的安装原则包括：标靶球之间的间隔不小于10米；标靶球不在同一直线上；标靶球的放置高度不一致；相邻两个各光学测量仪需扫到至少公共三个标靶球。此外，标靶球的安装方式为，采用立柱加托盘的方式，可以固定在地面上，也可采用灵活不固定的方便挪动。一般情况，设置三个标靶球即可满足检测要求。

步骤4、对步骤3得到的三维点云数据进行轮库计算，并与标准限界数据在同一坐标系内进行自动比对得到判定结果。

测量软件对转换完成的整车三维点云数据进行轮库计算，并与标准限界数据在同一坐标系内进行自动比对，得到待测车辆是否超限、超限位置或超量数量等结果。对三维点云特征拟合，并根据所建立的特征，将不同的模型模拟装配到一起，进行相应的数据分析，与标准三维模型进行拟合对比分析，并以色谱图的形式标注出扫描模型与标准模型之间的差异。生成三维点云及测试报表，输出打印。导入车辆的标准格式三维模型，与测量的模型进行对比分析。

光学测量仪可采用激光3D工业相机。

实施例1：

本实施例中采用激光3D工业相机作为光学测量仪实现对待测车辆的检测，激光3D工业相机的部署如图4所示。

现有的激光3D工业相机的工作过程为：线激光发射器发射线激光在车辆上形成激光轮廓线，工业相机对激光轮廓线进行拍照记录，再通过三维映射获得轮廓的空间信息。通过对激光3D工业相机的畸变系数及旋转矩阵内参的标定，完成像素坐标、图像坐标、相机坐标及世界坐标系的转换映射。

针对车辆的每一待检测截面，采用多个一体式激光3D工业相机进行其轮廓线的获取。激光器发射线性结构光到达待检测截面，线性激光在车辆外轮廓截面上显示出连续的曲线，激光3D工业相机采集截面上的轮廓曲线，通过计算得到截面上的点集的空间坐标与尺寸，将测量数据与设计数据比较，对各截面进行实时限界判别，如有超限进行声光报警并对超限位置进行标记，同时，获得整车最大限界和车辆底部限界。

激光3D工业相机得到的截面轮廓，图像上不同高度处的轮廓点表示车辆不同位置的轮廓点坐标，对图像上的轮廓曲线进行采样，可获得轮廓上各点的尺寸数据。

对于单一截面中的激光3D相机获得的轮廓曲线数据进行计算，得到高精度的截面外轮廓，确定车辆该截面的限界，与软件识别的以dwg或PDF格式输入标准限界对比，确定该界面是否超限。然后根据多个截面的包络状态与车辆空间结构关系，得出整车的限界数据，并进行记录绘制。

为获取高精度的截面限界数据，需要将同一时刻的多台激光3D相机采集的数据进行综合处理与计算，得出车辆的空间坐标集合。如下图所示，在激光3D 相机采集数据中，获取车辆的轮廓曲线，从而得出单一截面的限界，通过对单一截面在时序中的轮廓数据记录与计算，可以得出在整车限界数据；通过对各截面车底限界及车辆检测过程中的位移信息，可以得到车底最大限界数据。

系统对采集的每个轮廓的数据进行计算拟合，进行超限计算及超限定位，分析区域特征，形成点云图形，并导入解析标准的模板，与其在同一坐标系内进行对比生成超差柱状图。提取用户需要的数据，如最大轮廓、区域最宽、最高值最终形成测试报告并保存测试数据及图形。

此外，本发明中还可采用大尺寸三维扫描仪代替激光3D相机。

实施例2：

本实例里中采用大尺寸三维扫描仪作为光学测量仪，采用本发明提供的一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测设备及系统完成对待测车辆的检测，过程如图5所示，具体过程如下：

每个大尺寸三维扫描仪均有自身坐标系，相邻两个大尺寸三维扫描仪对公共标靶进行识别处理，提取相同的特征点，作为拼接的配准基础，轨道中心线任选一点作为世界坐标的原点，建立每个大尺寸三维扫描仪坐标系和世界坐标系的对应关系f(x)，完成每个大尺寸三维扫描仪三维点云向世界坐标系的转换。此外，为了进一步节省检测时间，当坐标转换完成后，先进行每个轮廓超限比对，再进行拼接三维拟合。

1、测量和建立轨道中心线。

直接通过扫描仪对地面轨道进行扫描，软件算法拟合轨道中心线，轨道中心线上任选一点作为圆心，进行三维数据坐标转换。也可在拼接完成后，选取车辆中心点，海量数据里待测目标的特征提取及计算拟合，轨道中心线拟合精度2～3mm。

本实施例中，采用将全站仪架设在轨道中心线上的任一点上，该点即为坐标原点，对四个棱镜球进行坐标测量，测量结果作为后续对三维坐标进行转换的依据，转换精度较高。

2、校正装置及系统。

2.1校正装置

根据轨道交通车辆最大断截面轮廓尺寸按照1cm的间距进行x、y、z三个方向的自由调整，高度和宽度可调整至车辆最大端截面轮廓，长度可调整至 200mm。安装调试后，检验激光三维扫描仪安装固定在上部移动升降装置和下部移动装置上后，检验激光三维激光扫描仪技术指标是否满足要求，获取测距中误差a、测角中误差b和点位(X、Y、Z三个方向)，作为后续点位计算的修正值，校验过程如图6所示。后续设备计量检验不合格后，调整系统精度。检验工具为：高精度全站仪1台，标靶球6个。

检验过程包括：

2.1.1、在轨道地面上，将6个标靶球任意摆放同一平面上；

2.1.2、再将全站仪架设距离标靶球几米远的位置，已知点原点；

2.1.3、调平全站仪，采用激光对中，对准原点；

2.1.4、整平对中后瞄准1号点位上的标靶上下左右进行定向计算圆心，方位角设为0度，记录距离值和坐标值；

2.1.5、再分别瞄准2，3，4，5，6号点位的标靶上下左右进行定向计算圆心，获取6个点的坐标、距离以及方位角；

2.1.6、将全站仪移走，调整上部移动测量升降装置，使装置上面的激光三维扫描仪在高点和低点激光对中始终为O点，整平对中后扫描；

2.1.7、扫描数据实时自动存储至工作站，二次开发的测量软件自动处理数据，获得O点扫描仪到6个点位上标靶中心之间的距离，以及点位上标靶中心之间扫描时转动的水平角，自动写入配置文件供系统调用，也可用专用逆向建模软件处理将数据手动写入配置文件；二次开发测量软件中，建立误差理想模型算法，自动对上述数据进行计算，得到测距中误差a、测角中误差b和点位误差(X、Y、Z三个方向)，并保存至相应配置文件。其中下部移动测量装置上的激光三维扫描仪同理步骤2.1.4～2.1.8。

2.2系统计量校正。

系统计量校正的目的是：验证系统的测量精度是否满足＜±1mm，验证系统的重复精度是否满足＜±1mm，后续设备计量检验，及调整系统精度，对系统测量线性系数进行标定。系统计量校正采用的工具为校正工装和激光跟踪仪。

系统计量校正的过程包括：

2.2.1、将标定工装置于铁轨上。

2.2.2、移动测量装置，模拟测量机车多站点对校正工装进行扫描。

2.2.3、数据实时自动存储至工作站，二次开发测量软件对存储的点云数据自动进行逆向建模处理，得到校正工装上每个点的三维坐标(x、y、z)，及校正工装的三维模型、中心原点。

2.2.4、架设好激光跟踪仪，调平后对校正工装采点建模，确定工装模型坐标原点。(或对校正工装贴靶点，采用手持三维扫描仪进行扫描建模)

2.2.5、激光跟踪仪对校正工装的上面、地面、左面、右面，分别采样6个点，记录这几个点的三维坐标。

2.2.6、在二次开发测量软件上，输入步骤2.2.5中的6个点的三维坐标，输出三维扫描仪测量处理的该几个位置三维坐标，分别在x、y、z三个方向对系统测量精度、重复精度进行比对。

2.2.7、调整校正工装的高度及宽度，重复步骤2.2.2～2.2.6，对系统线性度测量是否满足指标进行验证。

如计量校正不满足技术指标，则重新进行装配位置和器件精度检验及微调装配位置修改，相关参数及线性系数进行修改，直至计量校正合格满足技术指标。

3、测量误差分析。

3.1综合测量误差因素。

三维激光扫描仪测量误差的来源包括系统误差和偶然误差。其中，系统误差具有积累性，系统误差可以通过公式改正或者用一定的测量方式抵消；偶然误差具有随机性人为无法控制的，采用多次重复观测，取其平均数来抵消。三维激光扫描仪测量误差分为三类：仪器误差、目标物体反射面相关误差、多路径误差和外界条件引起的误差。

3.1.1、仪器误差。

其中，仪器误差源自于仪器本身，由于仪器本身的性能缺陷使得测量值与实际值之间存在一定的误差，包括激光测距的误差、扫描角度误差：

激光测距误差。激光发射器向目标物体发射激光脉冲信号，在目标物体表面会形成一个激光光斑，目标物体距扫描仪越远，光斑直径d越大。理论上认为，扫描仪测量的距离应该是激光中心轴线投射到目标上位置所对应的数据S，但实际测量时，扫描仪获得的数据是根据第一次回波来确定的，而该反射点可以是光斑范围内的任意位置，因此误差往往与测距长度.s成正比，距离S越长，误差越大，称为“比例误差”；由于测距系统内部激光发射器与反光镜之间还存在一定的距离，使得测得的距离与实际距离存在一个固定的差距，称为“固定误差”。

扫描角度的误差。扫描角度误差包括水平扫描角度和竖直扫描角度的误差。扫描角度引起的误差主要来自于扫描镜面平面角误差、扫描镜转动的微小震动、扫描电机不均匀转动控制误差等因素的综合影响。

3.1.2、目标物体反射面相关误差。

误差往往来自于被扫描的目标物体，扫描仪激光发射器发出脉冲信号，抵达目标物体反射面后会发生激光反射，该过程中会因为反射面倾斜或者表面粗糙不光滑而导致测量的距离和角度发生一定的偏差。

3.1.3、多路效应产生的误差。

当激光扫描仪对目标物体边缘进行扫描时，产生的光斑落在目标物体边缘上。系统接收到～部由被测目标物体边缘表面A点反射回来的能量，以及另一部分由交界处的相邻物体边缘表面B点反射回来的能量，两种不同的反射能量发生干涉，使得系统测距结果产生误差。如果目标物体边缘交界处其他物体在激光扫描仪有效测程以外，如图中所示C点，那么系统只能接收到落在目标物体边缘的部分光斑内的能量，因此无法获得该交界点的测量信息。

3.1.4、外界环境产生的误差。

该类误差往往来自于外界环境中的空气温度、气压、湿度等客观因素。空气温度、气压、湿度会对光在空气中的传播有一定的影响，当测量距离较远时，光在空气中传播速度、传播方向都会存在～定的偏差，因此三维激光扫描仪需在一定的温度范围内工作才能减小环境误差。

3.2、系统测量误差分析。

选取一组观测值取算术平均值之后，改正值之和恒等于零，作为数据校验的依据，根据白塞尔公可求得距离、水平扫描角度和竖直扫描角度的误差值，即根据激光3D相机的X、Y和Z方向的误差值求得综合误差值。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统，其特征在于，包括：激光测距仪、龙门架和光学测量仪；所述激光测距仪与设置于待测车辆上的反光板配合测量待测车辆的实时位移；所述龙门架用于固定所述光学测量仪，所述龙门架的长宽高的设置满足待测车辆无接触通行；所述光学测量仪用于采集待测车辆的轮廓数据，所述光学测量仪的激光线包络覆盖待测车辆的所有截面，实现对待测车辆的全覆盖检测。

2.根据权利要求1所述的车辆外形轮廓检测系统，其特征在于，所述激光测距仪设置于所述龙门架的正下方的中心位置。

3.根据权利要求1所述的车辆外形轮廓检测系统，其特征在于，所述激光测距仪能够旋转。

4.根据权利要求1所述的车辆外形轮廓检测系统，其特征在于，所述龙门架的顶部边框、侧面边框及底部边框的尺寸均可调节。

5.根据权利要求4所述的车辆外形轮廓检测系统，其特征在于，所述龙门架的顶部边框采用程控可升降横梁。

6.根据权利要求1所述的车辆外形轮廓检测系统，其特征在于，所述龙门架选取重量轻、不易变形的材质制作。

7.根据权利要求1所述的车辆外形轮廓检测系统，其特征在于，所述光学测量仪为激光3D相机或大尺寸三维扫描仪，所述激光3D相机或大尺寸三维扫描仪的安装数量、安装位置及安装角度根据待测车辆的技术要求和光学测量仪的有效检测范围及工作特性进行计算得到。

8.一种采用权利要求1所述的车辆外形轮廓检测系统的用于轨道交通的车辆外形轮廓检测系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、组装所述车辆外形轮廓检测系统；

步骤2、对所述车辆外形轮廓检测系统进行校正；

步骤3、启动光学测量仪对待测车辆进行扫描，包括待测车辆的侧面、顶面和底面，得到待测车辆车身上各点的三维点云数据；

步骤4、对所述三维点云数据进行滤波处理；

步骤5、基于所述三维点云数据中的公共标靶球进行特征匹配高精度拼接，拟合得到轨道中心线；选取轨道中心线上任意一点作为坐标原点，将所述三维点云数据进行坐标转换；

步骤6、对所述步骤5得到的三维点云数据进行轮库计算，再将计算结果与标准限界数据在同一坐标系内进行自动比对得到判定待测车辆是否满足要求。

9.根据权利要求8所述的车辆外形轮廓检测方法，其特征在于，所述步骤2中对所述车辆外形轮廓检测系统进行校正中的对光学测量仪的校正过程为，通过在待测车辆的运行轨道的同一平面内布置6个标靶球，在与标靶球相距设定距离的位置架设全站仪，通过测试调整完成对光学测量仪的校正。

10.根据权利要求8所述的车辆外形轮廓检测方法，其特征在于，所述步骤2中对所述车辆外形轮廓检测系统进行校正中的系统校正为采用校正工装和激光跟踪仪实现。

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