车辆外廓三维测量仪的设计及其精度分析

郭文霏

摘 要：2015年3月1日实施的国家标准GB21861-2014《机动车安全技术检测项目和方法》，要求各个机动车检测站必须对机动车的外廓尺寸进行强制检测，并要求对大中型客货车、专项作业车、挂车必须使用自动测量装置进行检测。过去的检验方法已不适应新的要求，急需一种能自动检测车辆外廓的仪器。本文提出一种车辆外廓三维测量仪，以激光扫描仪为主要测距设备，结合光电测量光幕、对射开关等，可完成车辆外廓尺寸的自动检测，且测量精度高，性能可靠。

关键词：车辆三维测量;机动车外廓;激光扫描仪;自动检测

中图分类号：U495 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0076-02

1 技术背景

机动车超载超限已成为严重影响人们生命财产安全、危及社会经济秩序的一个突出问题。为了从源头上治理机动车超载超限，国家近年颁布实施了国家标准GB1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》对机动车外廓尺寸等技术参数作了明确的限定，而GB21861-2014《机动车安全技术检测项目和方法》则对这些参数的查验和检测提出了新的要求，不但要求把机动车的外廓尺寸作为强制检测项目，而且要求对大中型客货车、专项作业车、挂车的检测必须使用自动测量装置，且测量误差不超过±1%或±50mm。因此过去用钢尺卷尺等人工检验方法已不适应新的要求。而现有的技术中，有些外廓测量仪是静态检测，测量效率低;有些则需设置龙门架，不但安装调试困难而且成本高;而且现有的外廓仪能测量半挂车销轴距的不多。此外廓测量仪不仅能快速精确的测量车辆的相关参数，测量精度高，测量过程不影响车辆的正常行驶，同时满足测量精度和测量速度的要求。

2 技术方案

（1）在车辆行驶车道两侧垂直地面设置一对光电测量光幕1（11、12），光幕所检测到的高度范围应覆盖普通车辆车头的最凸部位的高度。

（2）在行车中心线的前方高处设置一个测长扫描仪5，设置高度应高于最大被测车高的0.5-1米，用于测量车辆的长度。测长扫描仪5与光电测量光幕1之间的距离必须大于最大被测车长1-1.5米。为保证测量精度，扫描面垂直于地面且平行于行车方向，并位于行车中心线上。

（3）光电测量光幕1前方、车辆行驶车道两侧分别设置一个激光扫描仪，其中一个距地面约5米（测高扫描仪4），另一个距地面约1.2米（测宽扫描仪6），用于测量车高、车宽及车厢栏板高。为保证测量精度，两个扫描仪的扫描面均要垂直于地面及行车方向。

（4）光电测量光幕1的前方地面设置一对对射开关2（21、22），与测长扫描仪读数结合可得出车辆的轴距。

（5）对以上采集到的数据通过计算机程序进行运算，便可得到车辆的三维图形，再对后视镜等影响车辆外廓尺寸的数据进行智能剔除，可得出车辆的外廓尺寸，并对检测数据进行存储和管理。

（6）测半挂车的销轴距时，可在靠近光电测量光幕1的前方再设置一组较长的光电测量光幕3（31、32），测量高度应能覆盖半挂车的鞍部。当半挂车行驶通过时，此光幕可辨别挂车鞍部的位置，结合上述车辆的三维数据和对射开关测得的轴距，可计算出被测半挂车的销轴距。

车辆外廓测量仪安装调试后，先将光电测量光幕、红外对射开关、测长扫描仪、测宽扫描仪和测高扫描仪的位置关系数据输入到控制系统，建立测量空间的初始数据。检测时，车辆以3-7km/h的速度驶进检测区域，当车头触发光电测量光幕1时，测长扫描仪开始对车头的距离进行读数;车辆行进期间，测长扫描仪不断读数;当车尾离开光电测量光幕时，测长扫描仪停止读数。测长扫描仪的起始读数值与终止读数值之差就是车辆的长度。车辆行进时，测长扫描仪对车长不断读数的同时，测高扫描仪和测宽扫描仪也不断对车辆进行扫描，得出扫描仪每一次读数时扫描面上的截面数据及宽高。通过计算机软件计算并模拟构建车辆的三维图像，去除后视镜等因素，便可得出车辆的长度、宽度和高度数据。如图1所示。

3 结构设计

根据以上技术方案，考虑外观及便于安装调试，对仪器进行整合。因测宽扫描仪的安装高度约为1.2米，两组光电测量光幕相距不远，故设计一立柱A，其两侧面分别安装光电测量光幕1和2的接收端，正面安装侧宽扫描仪;且将仪器总的电控和通信部分装于立柱A内。光电测量光幕1和2的发射端则装于立柱B的两侧。考虑外观及零件的统一性，立柱A与立柱B形状大小相同。对装于5米高的测高和测宽扫描仪，分别设置一个检测箱，外面安装扫描仪，内部安装扫描仪的电控部分。因测量光幕及扫描仪的扫描面都有垂直于地面的要求，所以这些测量部件都设置有角度调整机构。为提高可靠性，在扫描仪外侧还设有防尘遮光装置，避免尘埃覆盖于扫描仪的测量面而影响测量的可靠性。同时还有遮光的作用，减少外界光线对扫描仪产生干扰，影响测量结果。该装置由固定侧和滑动侧组成，采用气缸来控制装置的开合。整套车辆外廓三维测量仪的结构简单，安装及调试方便，且测量准确可靠。

4 精度分析

4.1 激光扫描仪的分辨率对测量精度的影响

根据测量原理可知：高度方向的误差为h=p*cos（θ），长度方向的誤差为l=p*sin（θ），宽度方向的误差为w=2p*sin（θ）。其中p为激光扫描仪的分辨率，本设备为±1cm;θ为激光扫描线与地面垂直方向的夹角。由于cos（θ）≤1、sin（θ）≤1，激光扫描仪的分辨率对高度、长度的测量结果造成的误差≦1cm，宽度的测量结果造成的误差≤2cm，满足国标对外廓仪的误差要求。

4.2 激光扫描仪的采样间隔对测量精度的影响

激光扫描仪在扫描面上的采样间隔影响到车辆截面表面的采样点数，间隔越小，采样点越多，对车辆三维成像越为真实、精确。

车辆水平方向的采样间隔：

△x=（hd-hw）*[tan（θ+β）-tanθ]

车辆垂直方向的采样间隔：

△y=△x/tan（θ+β）=（hd-hw）*[1-tanθ/tan（θ+β）]

其中：hd为激光扫描仪的安装高度（5m），hw为扫描点的高度，θ为扫描线与地面垂直方向的夹角，β为相邻扫描线的夹角，本装置为0.25度。

设检测车道宽为6米，则测宽、测高扫描仪距离行车中心线的距离为3米，以1.5米高、1.8米宽的汽车最低点的宽度来计算水平采样最大间隔：θ=arctan[（3-1.8/2）/5]=22.8°

△Xmax=（5-1.5）x[tan（22.8°+0.25°）-tan22.8°]= 0.018m

即水平采样间隔小于2cm。

垂直方向的采样间隔的影响为车辆越宽，采样点高度越低，采样间隔越大。以3米宽的车辆采样高为0的采样点计算垂直采样最大间隔：θ=arctan[（3-3/2）/5]=16.7°

△Ymax=（5-0）x[1-tan16.7°/tan（16.7°+0.25°）]= 0.0471m

即垂直方向最大采样间隔小于5cm。而实际上，车辆高度不可能为0，因此车辆最宽处采样间隔远小于此值。

从车辆实际采样效量来看，水平方向和垂直方向的采样间隔能满足实际检测需求。

4.3 车速及扫描间隔对车长测量精度的影响

测宽、测高激光扫描仪的扫描间隔影响对车辆表面的采样频率，间隔越小，扫描次数越多，获取车辆的横截面数据越多，三维成像越为精确。而车速的快慢影响每个扫描间隔时间内车辆前进的距离，同样影响获取车辆的横截面数据的多少。

激光扫描仪的扫描速度是固定的，本设备的扫描间隔是20ms，当检测车辆行驶速度为7km/h时，一个扫描间隔内车辆行驶的距离为：7×1000/3600×0.02=0.038m。即长度方向采样间隔为3.8cm

因此，我们对检测车辆的行驶速度要求为3-7km/h之间。车辆在此速度范围行驶通过检测区域，测量误差合符外廓仪的国标要求。

我们对一台牵引车进行实车试验，测量数据如表1所示。

5 结语

本文主要介绍了一种车辆外廓三维测量仪，此仪器于2016年已实现量产，并已应用于国内多个机动车检测站，在实际应用中取得了良好的效果。实践表明，此外廓三维测量仪技术先进、功能齐全，不仅性能稳定可靠、测量精度高、重复性好，而且操作简单、快捷，得到了广大用户的一致好评。

參考文献

[1] 陈显龙，陈晓龙.基于激光雷达的车辆几何尺寸超限检测系统设计[J].测绘通报，2014（3）：9-11.

[2] 程炎星，杜颖，杨华西，麻伟明.浅析机动车外廓尺寸动态测量装置的应用[J].技术与市场，2013，20（3）：33-36.