基于激光雷達技術的道路車輛超限檢測技術應用分析

■林 典

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

超限超載治理事關人民生命財產安全，各級政府和交通管理部門均建設了大量超限檢測基礎設施。 隨著科技的發展，治超從單純依靠人力的模式，向無人化、智能化的科技非現場執法轉變，道路貨運車輛超限不停車檢測系統（簡稱“非現場超限檢測”）是取得執法依據的重要工具。 強制性國家標準中對不同車型的輪廓尺寸限值作了明確規定[1]，但在傳統的治超系統中，受限于技術、設備、場景等因素，僅僅能針對重量進行檢測和判定，而對車輛超長、超寬、超高等輪廓超限行為難以精準測量，易引發安全事故[2]。隨著科學技術的發展，基于TOF 技術原理的激光雷達已在工業測量、自動駕駛等多個領域得到廣泛應用[3]，在車檢線、部分固定治超站等已采用激光雷達進行靜態外輪廓測量[4]，而對于非現場治超動態條件下的外輪廓測量，尚未形成成熟的應用方法，也沒有相關的國家檢測標準?；诖?，本文結合福建省實施非現場治超檢測試點工程中的應用分析，提出影響非現場治超激光雷達的主要因素，并總結合理有效的技術要求，為后續大規模實施非現場治超輪廓檢測及相關標準的制定提供技術依據。

1 技術原理

激光雷達測量車輛輪廓是依據激光脈沖飛行時間TOF（Time of flight）來獲取被檢測車輛表面的點云信息，從而獲取外輪廓曲線，并通過點云計算尺寸。 車輛的外輪廓曲線由極坐標系下的無數個點構成的，點的坐標由（L，θ）兩個參數構成。 其中距離L 通過激光測距原理測得，通過計時器測算激光由發射到接收到反射回波的時間差，再乘上光速獲得。當激光發射器發出激光光束后，內部計時器記錄時間t1；當激光光束碰到物體后，其部分光束原路返回并達到激光接收器，內部計時器記錄時間t2，則激光測距儀與物體之間的距離為：

而角度θ 是在處理算法上通過數據比對識別出第一個有效掃描范圍的測量點，并依次匹配其所對應的距離L，這樣完成一個完整有效點的測量，最后采用算法將所有有效點進行粗大誤差篩除后，取各點平均值繪制輪廓曲線[5]。

2 系統方案

在非現場超限檢測中使用的激光雷達可分為單線激光雷達和多線激光雷達2 種，在結構和布置上有所不同，具體參數如表1 所示。

表1 單線激光雷達和多線激光雷達參數比對

2.1 單線激光雷達布置方式

由于建立三維車輛輪廓點云的方法不同，單線雷達和多線雷達在非現場超限檢測系統中的布置方式不同， 以一個雙向雙車道的非現場檢測點為例，采用單線雷達的典型布置方式如圖1 所示。

圖1 采用單線雷達的雙向雙車道車輛外輪廓現場檢測點布置方式

單線雷達的布置方案一般采用3 根L 桿或門架。 位于稱重區中心線正上方的L 桿上裝有4 個激光雷達（如道路平整落差小，無中央綠化帶等遮擋物，交界處可優化減少1 個激光雷達）分別安裝在每個車道的兩端， 垂直車輛行駛方向進行車道掃描，通過該門架可以得到車輛的寬度和高度信息；稱重區中心線前后約25 m 的L 桿或門架上各安裝有1個激光器，掃描平面平行于車輛行駛方向，可以得到車輛的長度信息，通過后臺軟件算法，輔助一定的動態補償參數，形成三維動態建模，生成點云圖和車輛輪廓數據。 現場安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 單線雷達現場安裝示意圖

單線激光雷達的激光源發出的線束是單線，在角頻率上反應靈敏，具有掃描速度快、分辨率強、可靠性高的優點，但因為只能作平面掃描，需配置多臺激光聯動測量。 現場安裝時對安裝調試工藝要求高，雷達需盡量達到水平，并同時測量多個外部環境指標數據進行細部調校，具體應注意做到：所有雷達的安裝高度需設置為5～7 m 左右；激光雷達激光掃描區域不可以有遮擋，可去掉遮擋或調整雷達避開遮擋；盡量安裝在門架上，以滿足長度測量激光的靈敏度要求；可增加牢固的外罩以及穩定牢固的支架來減少振動對雷達測量的影響，注意調整保護罩角度，避免陽光直射。

2.2 多線激光雷達布置方式

多線雷達的布置方案（圖3）一般在安裝抓拍相機的稱重區中心線前或后側約25 m 的L 桿或門架上安裝1 臺激光雷達，斜向覆蓋檢測區域；遇到路面不規則或者有遮擋物的情況，需在前后各安裝1 臺。 雷達掃描距離最多可達到300 m，其通過對掃描區域內的車輛點云進行三維動態建模，提取車輛外輪廓尺寸、車輛特征等信息。 現場安裝示意圖如圖4 所示。

圖3 采用多線雷達的雙向雙車道車輛外輪廓現場檢測點布置方式

圖4 多線雷達現場安裝示意圖

應用在治超上的多線激光雷達一般采用固態雷達，常用線束達到300 線以上，有MEMS、FLASH、OPA 等多種技術路線，可識別物體的高度信息并進行三維建模[6]，產品具有探測距離遠，掃描點云密度高，安裝調試簡易，維護方便等特點，產品造價略高但可拓展性強，2 m 范圍內有一定的探測盲區，因現場環境受限，在線性路面上車流量大的時候會出現遮擋。 在選型及安裝調試過程中應注意做到：車道數量多，車況復雜的點位謹慎選擇多線激光，安裝選點應盡量選擇視野開闊無遮擋的地方，避開前后的樹枝，桿件等遮擋物；雷達安裝最佳高度為6 m，至少不低于5.5 m，以減少貨車、掛車等大件運輸車對雷達檢測區域的遮擋；根據路面寬度及行車方向調整好測量角度，一般雷達固定后水平方向與車道線夾角45°，垂直方向下傾10°～12°時效果最佳。

3 試驗研究

2022 年以來，福建省在各地市開展了國省道非現場超限檢測工程的推廣實施，目前在大多數點位均配置了不同品牌、不同方案的車輛外輪廓檢測系統。 為研究設計方案的測量準確度，確定技術要求，使用標準參考車輛對2 個品牌的2 種不同方案（單線雷達和多線雷達）外輪廓測量進行了試驗。

試驗使用3 種參考標準車輛在無雨霧干擾天氣狀態下進行，包括1 輛二軸小型貨車、1 輛三軸剛性貨車和1 輛六軸鉸接貨車； 為排除其他干擾因素，參考車輛通過檢測區時勻速直線行駛。 在試驗前，使用激光測距儀和鋼卷尺測量靜態下參考車輛實際外廓尺寸，得到長度、寬度和高度的參考標準值。 隨后在不同運行速度下，由外輪廓測量系統測量行駛中車輛的外輪廓值，每個速度測量3 次，與參考標準值進行比對得到測量誤差。 試驗結果如表2、3 所示，表中長、寬、高尺寸各行依次對應二軸、三軸、六軸貨車，單線及多線雷達分別選用一款品牌產品。

表2 車輛外輪廓測量試驗結果（單線雷達）

表3 車輛外輪廓測量試驗結果（多線雷達）

試驗結果顯示，無論是單線雷達還是多線雷達，動態下對車輛外輪廓測量均有一定誤差，滿足設計要求的長度最大測量誤差不大于±300 mm，寬度最大測量誤差不大于±100 mm，高度最大測量誤差不大于±50 mm范圍；單線雷達寬度測量誤差略小于多線雷達。

現行國家校準規范[9]為路面條件良好的低速勻速狀態下的校準要求，但受車速、路面狀況、車輛不規范駕駛等因素影響，實際路面動態測量系統誤差與現行國家校準規范仍有差距。 當前廣東、浙江、江西等多省份已經相繼出臺了關于高速動態輪廓檢測的地方標準，建議福建省也可根據非現場治超的實際應用場景制定相關技術及校準標準。

4 測量影響因素分析

對于治超系統而言，需要車輛外輪廓測量結果具有較高的準確度和可靠性，以提高作為超限執法依據的可信度。 因此，對于外輪廓測量系統，需要考察其重復性誤差和示值誤差2 個指標。 系統的性能取決于使用的激光雷達本身的性能，以及用于三維建模和尺寸提取的算法。

在非現場治超檢測的場景下，激光發射和接收中，由于激光雷達本身特性和外部環境因素共同導致發出的激光在抵達接收機時具有不同程度的能量衰減，同時還會改變光點的形態，造成點云的不準確，進而影響車輛外輪廓測量的準確度。 非現場超限檢測時的車輛點云如圖5 所示。 影響激光衰減的因素可分為激光雷達自身屬性、檢測目標的激光反射性質以及大氣透射率這三方面[7-8]，測距衰減公式為：

圖5 非現場超限檢測激光雷達點云

式中，R 為激光測量距離，K 為激光雷達自身特性，τ 為大氣穿透率，ρTAR為探測目標的反射率。

對于激光雷達自身特性而言，其測距的準確度主要與信噪比密切相關， 當信噪比高于一定閾值時，測量數據的分布可較好地服從正態分布；當信噪比降低，測試數據的分布范圍變大，重復性誤差增大。 測距的準確度取決于飛行時間的測量準確度，即發射和接收脈沖觸發時間的準確度以及晶振的頻率穩定度；發射脈沖和晶振頻率穩定度由內部電路決定，而接收脈沖觸發時間準確度與激光脈沖的波形相關。 在外部，大氣中的氣體的吸收、氣溶膠和各種離散的隨機分布粒子等都會對激光產生衰減效應，大氣中不均勻的溫度則會引起大氣湍流，會引起激光的閃爍、膨脹和漂移等效應，這些效應都會給激光光束帶來傳輸損耗，最終使得到達被檢測目標時激光光束強度減弱，因此、晴、雨、雪、霧、霾都會造成點云的失真。 此外，諸如不同顏色車身、金屬和非金屬的不同材料、不同濕度的車輛外表面，也會造成被測車輛反射率不同，引起點云的變化。

由于非現場治超檢測時， 車輛處于運動狀態，車輛的運行速度、加速度、偏航等參數對飛行時間的計算造成較大的不確定性；車輛在運行中造成車身上的光影變化、車后的水霧，以及非測量主體（如非機動車、行人）的干擾，道路振動進一步造成了測量不確定度的增大。 基于上述影響因素，在路面安裝點位選擇時，應盡量選擇道路平直，平整度好，無坑洼，散水性好的路面，避開如云霧的山谷、坡面等易產生強對流的路面， 避開路況復雜的交叉路口，做好標志標線規劃，加強標牌引導，分離機動車與非機動車道，施劃實線，盡量減少跟車及并行的出現概率，減少非機動車及行人的干擾。

5 結語

實施公路貨運車輛的非現場超限檢測是提升國家治理能力的重要工程，也是智慧交通的重要環節。 使用激光雷達為原理的測量系統作為車輛外輪廓檢測的工具，可以有效解決車輛外輪廓超限動態檢測的難題。 本文通過對激光雷達的原理、布置方案、影響因素的分析，結合福建省實施非現場治超檢測點建設的實際， 對選型和安裝要點進行了闡述；通過試驗，獲得了多種類型輪廓檢測系統的測量誤差特性。 下一步，將選取更多樣本，在各類環境條件、 不同行駛行為下進行進一步的試驗研究，為制定相關技術標準奠定基礎。