車輛外廓尺寸動態(tài)測量裝置的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、    車輛外廓尺寸動態(tài)測量裝置的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)    李源波+宮清華摘 要 根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，2017年3月前各車輛檢測公司必須安裝自動車輛輪廓檢測儀，取代現(xiàn)在的人工測量方法，目前，對車輛外廓尺寸的檢測基本上仍延用過去人工測量方式，沒有較好的智能化測量方法。由于人工測量的不確定性以及費(fèi)時費(fèi)力不安全等原因，迫切需要一種測量儀器對機(jī)動車外廓尺寸進(jìn)行自動測量，以減少測量工作強(qiáng)度及人為因素的干擾。因此就目前發(fā)展局勢來看，基于2d激光掃描儀車輛外廓尺寸測量儀系統(tǒng)對于機(jī)動車外廓檢測具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，本論文重點(diǎn)介紹了車輛外輪廓尺寸測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、測量方法

2、?！娟P(guān)鍵詞】2d激光掃描儀 輪廓識別 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 工作原理1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹車輛外廓檢測系統(tǒng)，具體包括車輛牌照及輪廓測量識別系統(tǒng)。包括具有存儲模塊的車輛外廓測量儀，掃描車輛的橫向輪廓、縱向輪廓和高度后進(jìn)行存儲，以及車牌識別攝像機(jī)，包括的攝像鏡頭和車牌識別控制器，所述車牌識別控制器與所述車輛外廓測量儀連接。在車輛行走狀態(tài)下識別記錄車牌后，經(jīng)車輛外廓測量儀掃描測量出長寬高進(jìn)行存儲，車輛外廓測量儀連接公安外網(wǎng)，經(jīng)和公安網(wǎng)上的數(shù)據(jù)對比后，如果發(fā)現(xiàn)有差異可以發(fā)出預(yù)警信號，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，安裝更換方便，適于推廣應(yīng)用。車輛外廓測量儀采用二個激光掃描傳感器，對被檢測車輛的外廓尺寸進(jìn)行掃描測量，由工控機(jī)儲存的運(yùn)算程序

3、對車輛外廓遮擋激光束的情況進(jìn)行實(shí)時采集，由軟件程序自動運(yùn)算出車輛長、寬、高尺寸，由照相系統(tǒng)拍攝車輛正面、側(cè)面兩張照片，并及時存儲備查和上傳監(jiān)管庫。安裝的牌照自動識別系統(tǒng)，對被檢車輛號牌進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運(yùn)算、準(zhǔn)確解讀車輛號牌。系統(tǒng)自動將檢測出的車輛長、寬、高尺寸等數(shù)據(jù)整合后，對應(yīng)于被檢測的車輛號牌，進(jìn)而完成被檢車輛外廓尺寸的數(shù)據(jù)報表、儲存、比對、打印等功能。輪廓儀可動態(tài)測量、也可靜態(tài)測量，實(shí)時自動保存測得的數(shù)據(jù)和車輛照片，照片及車輛外廓尺寸不能人工修改，測量誤差不超過±1%或20mm。對法規(guī)允許的加寬加高裝置，人工測量、修改的全過程記錄操作修改日志。儀器適應(yīng)于室內(nèi)或室外安裝，設(shè)備安裝在5-

4、6.5米高的龍門架、f桿上，操作簡單、容易施工。接口方式具備普通通訊功能，更容易被二次開發(fā)應(yīng)用。2 系統(tǒng)原理首先，需要計算掃描儀0度線與真實(shí)地面垂線之間的夾角，來獲得由于安裝過程所產(chǎn)生的誤差夾角，然后換算為角度，供直觀觀察和后續(xù)計算用。然后，我們假設(shè)一個方形物體在掃描區(qū)域中，在掃描儀發(fā)出的所有射線中，針對每條射線矢量，我們把射線的角度和長度構(gòu)成的矢量數(shù)據(jù)，通過三角函數(shù)運(yùn)算，變換到平面坐標(biāo)系下，并把坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定到掃描儀的中心，假設(shè)每條矢量的長度為l，角度為a，則每個矢量的坐標(biāo)值為：x=l*sin（a）y=l*cos（a）換算到平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，我們會得到一條曲線。獲得該物體輪廓曲線后，實(shí)際上曲線會

5、存在很多細(xì)微波動，我們通過線性擬合，來消除這種細(xì)微波動，最終獲得滿意的平滑曲線，以三次曲線擬合為例，公式如下：y=p1*x3+p2*x2+p3*x+p4式中，p1、p2、p3、p4為擬合系數(shù)。然后我們對這條曲線進(jìn)行最高點(diǎn)搜索，即可獲得物體的真實(shí)高度，計算左邊虛擬垂線和右邊真實(shí)垂線之間的水平距離，即可獲得物體的真實(shí)寬度。3 車輛長寬高檢測第一步，由測量矢量，運(yùn)算獲得角度范圍內(nèi)的所有垂直矢量數(shù)據(jù)。第二步，由于測量數(shù)據(jù)存在離散性，故必須對計算所得的所有矢量進(jìn)行曲線逼近運(yùn)算，獲取逼近曲線，車輛的橫向輪廓處理過程與縱向輪廓的處理過程相同。第三步，得到縱向及橫向輪廓后，車輛的長寬高至此已經(jīng)很容易得到。從-

6、10度至+80度，每0.25度一個矢量點(diǎn)，共計360點(diǎn)，每次運(yùn)算360點(diǎn)矢量，才可得到360個垂直矢量點(diǎn)，并據(jù)此獲得帶離散性的輪廓數(shù)據(jù)，再進(jìn)行主曲線運(yùn)算，得到平滑輪廓曲線，在此曲線基礎(chǔ)上，進(jìn)行模式匹配獲得長寬高數(shù)據(jù)，共計四次復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算才完成此步。掃描儀每秒輸出25次數(shù)據(jù)，預(yù)計處理器浮點(diǎn)運(yùn)算性能不能完成25次長寬高運(yùn)算，故實(shí)際軟件處理時，采用緩沖法，一旦監(jiān)測到有車輛進(jìn)入?yún)^(qū)域，即開始緩沖所有數(shù)據(jù)，并開始讓處理器全速進(jìn)行運(yùn)算，一旦得到合格的長寬高數(shù)據(jù)，即停止緩沖及運(yùn)算過程。4 三維特征尺寸的測量及三維輪廓的重建本文的最終目的是通過信號采集和軟件的處理來還原出車輛的三維輪廓圖形，并進(jìn)一步得到被測車輛

7、的長、寬、高的特征尺寸，因此要對被測車輛進(jìn)行多次采樣，而每一次采樣中，車身高度及寬度尺寸的獲取是基礎(chǔ)。激光發(fā)光器進(jìn)行線陣排列，從而得到一組平面光源，用此激光來測量車身投影的高度及寬度尺寸。在測量狀態(tài)下，當(dāng)汽車于檢測激光所在平面的方向緩緩駛?cè)霗z測區(qū)域時，由于車身將檢測信號線遮擋，接受裝置的信號將發(fā)生變化。但在實(shí)際檢測過程中，即使最熟練的駕駛員也不能保證汽車絕對直線行駛，也就是說不能保證車輛行駛方向完全垂直于激光所在的平面，車輛行駛方向會發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)角，這將對信號的采集及數(shù)據(jù)的可信度造成一定的影響。在某一個檢查時刻，汽車的行駛方向發(fā)生偏斜，此時系統(tǒng)采樣得到的車身寬度是wp，而實(shí)際的車身寬度應(yīng)為wk

8、，顯然wp>wk，所以當(dāng)知道汽車此時的偏斜角度，通過軟件的處理便可求得理想采樣條件下的車身寬度。為了檢測準(zhǔn)確，需在檢測信號線方面做一下改進(jìn)，采取辦法是設(shè)置前后投影激光。同理，當(dāng)車體偏斜時，由于絕大多數(shù)車輛的頂部是由不規(guī)則曲面構(gòu)成，也存在高度的誤差同樣可以采用這種方法加以修正，只需采用兩套測量高度的激光。在論文的實(shí)車測試階段，發(fā)現(xiàn)只要被測車輛正常通過檢測區(qū)域，其偏斜角度均在±5°以內(nèi)，寬度及高度的測量誤差在-5mm+5mm之間，當(dāng)車輛行駛的最大偏斜角達(dá)到-20°和+20°，最大誤差分別-18mm和+18mm，也能夠滿足gb1589-2004道路車輛外

9、廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值對測量誤差的要求，但±20°的行駛偏斜角在實(shí)際的正常檢測中是不可能出現(xiàn)的，因此本文采用兩套測量激光儀器即可滿足要求。 目前基本上都是用于正交投影生成三視圖，由三視圖重建三維物體的情況，然而實(shí)踐中遇到的物體通常較為復(fù)雜有些很難被分解為一些基本的形體組合這就大大限制了這類算法的應(yīng)用。另外有時一副三視圖對應(yīng)的形體不止一個，目前有一種3d投影的重建算法稱為雙目攝像重建算法，它利用兩個攝像機(jī)在不同的方位拍攝圖像在由拍攝到的兩張2d圖像重建3d物體，這種算法的優(yōu)點(diǎn)是可用于在自然光照耀下進(jìn)行成像和重建的情況，缺點(diǎn)是要用兩個攝像機(jī)而且算法比較復(fù)雜。該物體三維輪廓技術(shù)，

10、它是利用投影原理進(jìn)行物體特征輪廓測量的簡化方法，不同于圖像處理方法的特點(diǎn)在于直接得到尺寸信息，處理速度快，算法簡單，無需圖像處理中的立體匹配。對待被物體斷面的特征尺寸分別進(jìn)行測量，然后將上述的結(jié)果進(jìn)行空間合成，進(jìn)而重建出物體的特征輪廓圖形。本文的這種方法更適合對大型物體，其方法易于實(shí)現(xiàn)。5 方案的優(yōu)點(diǎn)5.1 環(huán)境許可方面產(chǎn)品適用于室內(nèi)、室外各種環(huán)境安裝使用，不需增加用戶基礎(chǔ)建設(shè)成本；整套設(shè)備及軟件的設(shè)計，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，測量精度高、實(shí)現(xiàn)功能全面，獲得技術(shù)質(zhì)量認(rèn)證許可。5.2 識別數(shù)據(jù)上傳方面車輛號牌識別系統(tǒng)采用硬識別，更利于圖像數(shù)據(jù)識別、交換?？梢詫?shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)實(shí)時上傳；無需人為干預(yù)，測量數(shù)據(jù)、車

11、輛照片自動上傳監(jiān)管數(shù)據(jù)庫，保證測量結(jié)果客觀真實(shí)性。5.3 外廓儀測量車輛外廓尺寸測量儀，實(shí)現(xiàn)了自動化測量，測量過程中可變速、可停車，可以安裝在現(xiàn)有的檢測車間內(nèi)，在檢測其他項(xiàng)目的同時就可以自動測量出結(jié)果，更適應(yīng)檢測站實(shí)際情況，減輕勞動強(qiáng)度，測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，誤差小于1%。自動化程度高，全自動測量車輛外廓長、寬、高等尺寸，測量過程無需人工干預(yù)。5.4 外廓儀工作效率工作效率高，速度快，車輛通過后，15秒內(nèi)即可將測量結(jié)果存儲、上傳、比對，車輛長、寬、高尺寸顯示出來，同時將圖片、車版號保存起來，方便查詢和核準(zhǔn)。集成并行算法的軟件，運(yùn)行于多cpu的高性能工業(yè)計算機(jī)上。自動測量低速行駛（3-7km/h）的

12、汽車外廓尺寸（包括貨箱欄板高度）。5.5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及后期維護(hù)具有存儲模塊的車輛外廓測量儀，所述車輛外廓測量儀掃描車輛的橫向輪廓、縱向輪廓和高度后進(jìn)行存儲；車牌識別攝像機(jī)包括攝像鏡頭和車牌識別控制器，連接有供電電源和顯示屏。設(shè)有功能接口和u盤接口。車牌識別控制器與所述車輛外廓測量儀連接。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，用激光測距儀完成全部測量，技術(shù)含量高、故障率低、性能穩(wěn)定，已經(jīng)安裝的3年使用無故障，幾乎沒有后期維護(hù)，采用進(jìn)口高端激光掃描儀，工業(yè)控制機(jī)作為系統(tǒng)主機(jī)，抗干擾強(qiáng)，雨、霧天氣測量結(jié)果準(zhǔn)確，即可用于室內(nèi)，也可用于室外。5.6 外廓儀性能適應(yīng)性更為廣泛。最大測量高度，根椐設(shè)備支架高度不同可達(dá)40來，寬度可達(dá)

13、20米。實(shí)用性強(qiáng)，采用“不停車”通過式檢測方式，對駕駛員操作要求低；設(shè)備安裝不占用場地。測量系統(tǒng)具有明顯的先進(jìn)性、高穩(wěn)定性和可靠性，具備良好的可擴(kuò)展性和靈活性，操縱方便，標(biāo)定及維護(hù)方便，有效使用壽命長。6 總結(jié)與展望目前，汽車檢測行業(yè)，對于車身尺寸的檢測還處于比較落后的階段，甚至很多檢測機(jī)構(gòu)沒有完善、靈活的檢測設(shè)備，很多檢測機(jī)構(gòu)對于車輛外形尺寸的檢測，依然停留在目視和手工卷尺測量的方式上，因此存在測量時間長、測量準(zhǔn)確率低等缺陷，測量效率低，也無法實(shí)現(xiàn)在線自動化檢測的需要。本文從一個全新的角度來研究和分析車輛外廓尺寸測量的檢測方法，對于激光技術(shù)在車輛三維輪廓識別中的問題進(jìn)行了研究，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)

14、，開發(fā)了2d激光掃描儀的車輛外廓尺寸動態(tài)測量裝置，使得系統(tǒng)在汽車正常行駛狀態(tài)下，能夠快速測量出車輛的長、寬、高的特征尺寸，并將被測車輛的整體輪廓在計算機(jī)中還原輸出。激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)正在研究和開發(fā)的設(shè)備，作出了進(jìn)一步展望，希望能夠在更高的技術(shù)支持上做深入研究。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上檢測裝置的設(shè)計可進(jìn)一步優(yōu)化，可從位置上作一些改進(jìn)，增加激光指示器的密度，降低檢測誤差，保證檢測的精度。依照軟件行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)來提高軟件界面的設(shè)計，進(jìn)一步優(yōu)化軟件使用質(zhì)量，使軟件界面更具人性化。萬物沒有十全十美，但求盡善盡美，盡管本文做了許多的努力工作，但在個別方面仍有不盡人意之處，這也符合科學(xué)不斷前進(jìn)的客觀規(guī)律，我們也將不斷改進(jìn)技術(shù)，深入研究，做到更好。參考文獻(xiàn)1gb 7258-2012機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件.2gb 21861-2014機(jī)動車安全檢測項(xiàng)目和方法.3gb 1589-2004道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值.4周小波.一種新型的車輛外廓尺寸檢測系統(tǒng)的設(shè)計j.儀表技術(shù)與傳感器，2014.5程炎星.淺析機(jī)動車