基于激光雷達(dá)的車輛幾何尺寸超限檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳顯龍，陳曉龍

(北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司, 北京 100011)

一、引 言

超限是指公路上的汽車裝載超過了公路的限定值，分為幾何尺寸超限和裝載質(zhì)量超限。即公路上的車輛或其他運(yùn)輸設(shè)備、裝載物的總質(zhì)量以及整個(gè)裝載貨物的車輛的外形尺寸都必須滿足規(guī)定[1]。幾何超限可能會(huì)引發(fā)貨車的重心偏移，同時(shí)對(duì)交通的通暢運(yùn)行和車輛的安全行駛是一種非常明顯的威脅，超限發(fā)生頻率高，對(duì)公路橋梁等設(shè)備也有較大危害[2-4]。國(guó)內(nèi)對(duì)于車輛長(zhǎng)、寬、高的檢測(cè)常用方法包括CCD模式識(shí)別技術(shù)、激光光幕技術(shù)、激光輪轉(zhuǎn)技術(shù)等，這些測(cè)量方式存在測(cè)量響應(yīng)時(shí)間慢、測(cè)試設(shè)備時(shí)間不同步、動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)。本文介紹基于激光雷達(dá)的檢測(cè)控制系統(tǒng)，主要針對(duì)公路載重車輛的幾何尺寸進(jìn)行精確測(cè)量，包括貨運(yùn)車輛的載貨長(zhǎng)度、寬度、高度等，并對(duì)同一車輛各種測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間打包處理，最后根據(jù)相關(guān)規(guī)定判斷車輛是否超限。

二、激光雷達(dá)測(cè)量的基本原理

激光雷達(dá)的工作原理和雷達(dá)基本一致，是基于激光測(cè)距，通過旋轉(zhuǎn)棱鏡改變激光發(fā)射方向，從而測(cè)量某個(gè)平面內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)距離激光雷達(dá)的距離值[5]。激光發(fā)射器以一定的頻率發(fā)射激光脈沖，旋轉(zhuǎn)棱鏡也以一定的頻率旋轉(zhuǎn)，此頻率為激光雷達(dá)數(shù)據(jù)幀的頻率。激光入射到周圍環(huán)境物體上，引起散射，然后激光接收器接受目標(biāo)表面反射后的信號(hào)，與此同時(shí)，計(jì)時(shí)器記錄這個(gè)脈沖激光信號(hào)從發(fā)射到接受的時(shí)間間隔tL[6-7]。這樣，就可以得到激光發(fā)射點(diǎn)到被測(cè)物體之間的距離為

R=ctL/2

(1)

式中，c為光速，c=300 000 km/s。

激光雷達(dá)中的旋轉(zhuǎn)棱鏡，可以將激光雷達(dá)中的脈沖光信號(hào)反射到一個(gè)較大的范圍，如圖1所示。掃描某一區(qū)域，并根據(jù)區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)與激光雷達(dá)的相對(duì)位置返回測(cè)量值。激光雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)為極坐標(biāo)形式，返回的為測(cè)量物體與激光雷達(dá)之間的距離，以及與激光雷達(dá)的相對(duì)角度ω，如圖2所示，轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)為

(2)

圖1 激光雷達(dá)工作原理

圖2 激光雷達(dá)極坐標(biāo)圖

三、車輛幾何超限檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

車輛幾何測(cè)量系統(tǒng)的功能主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)視功能。

1. 尺度空間的建立和標(biāo)定

在標(biāo)定前，需要給出激光雷達(dá)坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換初值[8-9]，兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換可表示為

(3)

由于測(cè)量都在二維平面，故Z軸分量為0。

尺度空間主要用于車輛寬高的測(cè)量，本系統(tǒng)所選擇的激光雷達(dá)掃描角度達(dá)270°，可大范圍地檢測(cè)。但為確保掃描準(zhǔn)確性，消除掃描死角，在測(cè)量車輛寬高時(shí)，采用每車道兩臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量，每臺(tái)掃描儀掃描角度范圍設(shè)定為90°，設(shè)定掃描分辨率為0.5°，即掃描儀每0.5°測(cè)量一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，則每臺(tái)掃描儀共測(cè)量181個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，將其編號(hào)，任意選擇該平面的一個(gè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，為使數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便，一般將一臺(tái)激光雷達(dá)的發(fā)射點(diǎn)設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，再將水平方向和豎直方向設(shè)定為X、Y方向。選取合適的方向，選定181個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，設(shè)定此時(shí)目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)系下的一個(gè)個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，即為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的原始輪廓信息。

2. 車輛寬高測(cè)量

每車道使用兩臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量，測(cè)量車輛寬高的激光雷達(dá)安裝于龍門架兩端，車輛從兩臺(tái)激光雷達(dá)中間通過，每臺(tái)激光雷達(dá)都可以測(cè)量車輛的一個(gè)側(cè)面信息和車頂信息。尺度空間即在龍門架所在平面內(nèi)，當(dāng)待測(cè)車輛通過龍門架時(shí)，兩臺(tái)激光雷達(dá)以垂直于車輛行進(jìn)的方向進(jìn)行掃描，測(cè)距截面即為該垂直平面，最終得到一系列距離信息和角度信息。因?yàn)槌叨瓤臻g已經(jīng)標(biāo)定，當(dāng)有物體進(jìn)入測(cè)量場(chǎng)時(shí)，激光雷達(dá)高頻快速地測(cè)量每一幀測(cè)量數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)都是車輛通過時(shí)激光掃描點(diǎn)的位置信息，將此信息和尺度空間的標(biāo)定量進(jìn)行比較，可剔除環(huán)境信息，這樣便可獲取到車輛的被截表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到車輛垂直于行駛方向截面的輪廓信息(寬、高)，如圖3所示。以左邊的激光測(cè)距儀中心建立直角坐標(biāo)系，將得到的181個(gè)掃描點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值(x，y)。左側(cè)激光雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)可以從中獲得X1min和Y1min，同理，右側(cè)激光雷達(dá)也同樣能得到X2max和Y2max。則以這組數(shù)據(jù)得到的車輛的寬度W和高度H分別為

W=X2max-X1min

(4)

H=|OA|-min(Y1min,Y2max)

(5)

式中，OA為激光測(cè)距儀離地面的垂直距離，為固定值。

通過兩臺(tái)激光雷達(dá)組合測(cè)量，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量出車輛的輪廓信息，并能分辨出車輛重心偏移的情況，無測(cè)量死角[9-10]。

圖3 車輛高度和寬度測(cè)量示意圖

3. 車長(zhǎng)測(cè)量

本系統(tǒng)中由一臺(tái)激光雷達(dá)單獨(dú)用于測(cè)量車長(zhǎng)，系統(tǒng)共安裝了兩個(gè)龍門架，用于寬高測(cè)量的激光雷達(dá)安裝于第一個(gè)龍門架，當(dāng)車輛進(jìn)入測(cè)量區(qū)域時(shí)，開始測(cè)量車輛寬、高，此刻也是開始測(cè)量車輛長(zhǎng)度的時(shí)刻。

測(cè)量車輛長(zhǎng)度的激光雷達(dá)安裝在第二個(gè)龍門架上，每車道使用一臺(tái)測(cè)量，其激光掃描平面平行于車輛行駛方向。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)龍門架上的激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)跳變回到環(huán)境初始數(shù)據(jù)時(shí)，表示車輛已通過第一個(gè)龍門架，系統(tǒng)給予一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，使位于第二個(gè)龍門架上的激光雷達(dá)立即測(cè)量，對(duì)車輛進(jìn)行掃描，并與該激光雷達(dá)的初始環(huán)境數(shù)據(jù)信息對(duì)比，得到車輛縱向的數(shù)據(jù)信息，如圖4所示。圖中，Lx是車輛長(zhǎng)度；通過極坐標(biāo)變換可以從激光雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)中得到Imin、Imax和相對(duì)應(yīng)的θ1、θ2。其中，θ為激光線路與水平面的夾角，θ1為最大角，θ2為最小夾角。則車輛的長(zhǎng)度Lx的計(jì)算公式可表示為

Lx=Imaxcosθ2-Imincosθ1

(6)

圖4 車輛長(zhǎng)度測(cè)量示意圖

4. 多種信息數(shù)據(jù)打包處理

檢測(cè)系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)信息包括攝像頭抓拍的車型、車輛牌照信息、車輛的重量、軸數(shù)、速度等。當(dāng)車輛通過龍門架測(cè)量裝置時(shí)，由于獲取測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)不一致，需要對(duì)各個(gè)設(shè)備在不同時(shí)間段的測(cè)量數(shù)據(jù)同步打包處理。常用的處理方法為依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值5 s為一個(gè)時(shí)間段，在5 s內(nèi)，將檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)信息打包成同一輛汽車的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。當(dāng)車輛行駛速度過快時(shí)，采用此方法可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)打包錯(cuò)誤的情況。

本系統(tǒng)采用時(shí)間服務(wù)的方式同步，即通過大量的調(diào)試，針對(duì)行駛車輛的不同速度可能存在不同的時(shí)間差參數(shù)值，測(cè)出每個(gè)速度段內(nèi)的時(shí)間參數(shù)。首先將每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理以及發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)間都加在一起求出時(shí)間差，作為各設(shè)備微調(diào)的時(shí)間參數(shù)；然后根據(jù)時(shí)間參數(shù)微調(diào)達(dá)到時(shí)間同步；最后將同一車輛的數(shù)據(jù)打包。通過對(duì)不同車輛行駛速度范圍的細(xì)分測(cè)量，能夠得出可靠的時(shí)間參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一車輛不同測(cè)試數(shù)據(jù)的打包處理。

四、車輛幾何尺寸測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的把握，可以將系統(tǒng)的功能描述為：以激光雷達(dá)為直接尺寸測(cè)量設(shè)備，以一定的數(shù)據(jù)處理算法處理雷達(dá)數(shù)據(jù)，以VC6.0為開發(fā)平臺(tái)，以PC機(jī)為上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)的操作，其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

激光雷達(dá)的調(diào)試和參數(shù)設(shè)置一般通過Terminal端口進(jìn)行，由SOPAS_ET軟件通過以太網(wǎng)和PC機(jī)連接?？刂葡到y(tǒng)主要解決的是設(shè)備初始化，電源模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊。設(shè)備初始化主要包括激光雷達(dá)以及上位機(jī)的參數(shù)設(shè)定；電源模塊主要包括電壓的轉(zhuǎn)換、上電保護(hù)；數(shù)據(jù)傳輸模塊主要包括激光雷達(dá)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及其他設(shè)備與上位機(jī)及激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

此外，控制系統(tǒng)還解決了屏蔽干擾、信號(hào)同步、穩(wěn)定電源的問題，也包含預(yù)警模塊進(jìn)行車輛超限提示和LED顯示車輛信息功能。

2. 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖6所示。

1) 車輛進(jìn)入測(cè)量場(chǎng)區(qū)，地感線圈感應(yīng)后，引發(fā)兩個(gè)后續(xù)功能：其一是作為開關(guān)信號(hào)使其他測(cè)量設(shè)備開始工作，其二是測(cè)量載重。

2) 車輛進(jìn)入尺寸測(cè)量區(qū)域，由激光雷達(dá)測(cè)量車輛的長(zhǎng)寬高信息，并由固定的數(shù)碼相機(jī)對(duì)該車輛的車牌進(jìn)行識(shí)別。

3) 對(duì)車輛測(cè)量結(jié)束后，由系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理整合，判定結(jié)果在后面的LED信息顯示板上顯示，包括車型、車牌、載重、車速以及是否超重，進(jìn)而引導(dǎo)違規(guī)車輛進(jìn)入特定區(qū)域接受處理。

4) 整個(gè)測(cè)量和處理過程由視頻監(jiān)控系統(tǒng)全程拍攝。

圖6 測(cè)量工作流程圖

為了提高測(cè)量精確度，減少誤判、誤報(bào)的發(fā)生，每一幀數(shù)據(jù)都可以得到一組尺寸信息，采用多次測(cè)量后，得到多組尺寸信息，利用卡爾曼濾波器剔除隨機(jī)干擾[11]，利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)去掉異常測(cè)量數(shù)據(jù)后得到最終的測(cè)量結(jié)果，最后結(jié)合車輛其他信息，進(jìn)行最終超限判定。

五、結(jié)束語(yǔ)

筆者基于激光雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，利用VC6.0開發(fā)軟件，完成了對(duì)高速公路行駛過程中汽車的長(zhǎng)度、寬度和高度的測(cè)量，并判斷是否超限。系統(tǒng)的設(shè)備能夠適應(yīng)惡劣的自然條件，具有很好的穩(wěn)定性。

本測(cè)量系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，并有全程監(jiān)控，不僅結(jié)束了以往原始的測(cè)量方式，使誤報(bào)、漏報(bào)的情況大量減少，提高了工作的可靠性，而且明顯地縮短了作業(yè)時(shí)間，保證了交通的順暢，提高了工作人員的工作效率。這套車輛幾何尺寸的檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用于北京某高速公路，它不僅對(duì)車輛的尺寸進(jìn)行檢測(cè)，而且還提供豐富的數(shù)據(jù)信息，包括車型、車牌、車載、車速，這些信息在行業(yè)內(nèi)部共享，有效提高了公路交通的運(yùn)作效率，且對(duì)車輛的安全也是一種保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何衛(wèi)新.淺談超載超限運(yùn)輸對(duì)公路的危害及其治理[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2011, 17(5): 119-120.

[2] 史鴻遠(yuǎn).公路超載超限運(yùn)輸?shù)奈：εc治理對(duì)策淺析[J].黑龍江科技信息，2009(28): 108.

[3] 蘇頌.公路貨運(yùn)超限超載的治理[J].黑龍江交通科技，2007,30(12):115-116.

[4] 許文卜，馬躍洲，陳明，等.測(cè)量光幕在輪胎尺寸檢測(cè)中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2010(8):36-40.

[5] 張文會(huì)，關(guān)強(qiáng)，孫鳳英，等.公路運(yùn)輸車輛裝載幾何尺寸超限辨識(shí)[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(4):108-111.

[6] 鄭永超,趙銘軍,張文平,等.激光雷達(dá)技術(shù)及其發(fā)展動(dòng)向[J].紅外與激光工程，2006(23):240-246.

[7] 楊健.相位式激光測(cè)距技術(shù)的研究[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究)，2008(23):11-12.

[8] 張文會(huì)，關(guān)強(qiáng)，鄧紅星，等.車輛裝載幾何參數(shù)超限識(shí)別方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2008，8(3)：97-100.

[9] 蘭增榮,胡友健,隆華平,等.LiDAR技術(shù)在公路勘測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)， 2009,6(1):99-104.

[10] 尹圣寶.激光雷達(dá)測(cè)距新方法研究[D].杭州：浙江大學(xué),2006.

[11] 耿春萍,程度,張治.激光脈沖測(cè)距的測(cè)距精度及誤差分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2007，22(2):28-31.