基于激光掃描技術(shù)的車(chē)輛外廓尺寸動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王振華，許琳娜，蘇現(xiàn)征

（大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028）

基于激光掃描技術(shù)的車(chē)輛外廓尺寸動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王振華，許琳娜，蘇現(xiàn)征

（大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028）

根據(jù)GB21861-2014國(guó)標(biāo)要求，車(chē)輛檢測(cè)機(jī)構(gòu)2016年必須使用電子汽車(chē)輪廓檢測(cè)設(shè)備，在這種背景下，結(jié)合車(chē)輛外廓尺寸動(dòng)態(tài)測(cè)量中面臨的測(cè)量物體體積大而不規(guī)則、距離遠(yuǎn)、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)等問(wèn)題，本文給出了一種基于激光掃描技術(shù)的車(chē)輛外廓測(cè)量方案，充分利用了激光掃描技術(shù)精度高、范圍大、實(shí)時(shí)快速、動(dòng)態(tài)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)際測(cè)試表明：系統(tǒng)可以對(duì)行進(jìn)中的車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、非接觸化測(cè)量，在國(guó)家相關(guān)部門(mén)規(guī)定的速度內(nèi)，測(cè)量時(shí)間在30S以內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且可靠。解決了我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)依靠人工測(cè)量導(dǎo)致的效率低下、出錯(cuò)頻繁的弊端，也順應(yīng)了當(dāng)下國(guó)家的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，具有較大的實(shí)際推廣意義。

激光掃描；外廓尺寸；車(chē)輛；激光掃描儀

近年來(lái)，據(jù)相關(guān)部門(mén)發(fā)布的白皮書(shū)得知，車(chē)輛超載超限已經(jīng)成為重大交通事故的重要原因之一，在造成橋梁倒塌、路面損壞等重大交通事故中，車(chē)輛超限超載占到50%左右[1]，由此可見(jiàn)，車(chē)輛違法超限超載不但大大縮短了橋梁和公路的使用壽命，而且嚴(yán)重影響國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全。為了從根本上消除車(chē)輛違法超限超載現(xiàn)象，國(guó)家相關(guān)部門(mén)早在2014年就制定了國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《道路車(chē)輛外廓尺寸、軸荷、及質(zhì)量限值》（GB1589O2004），并在相關(guān)配套法律法規(guī)中規(guī)定車(chē)輛的結(jié)構(gòu)不得私自改造，需要對(duì)整車(chē)的尺寸進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)實(shí)際調(diào)研得知，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)車(chē)輛檢測(cè)機(jī)構(gòu)在對(duì)車(chē)輛整車(chē)外廓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，主要通過(guò)人工利用角度尺或者標(biāo)桿進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量方式要求車(chē)輛必須處于靜止?fàn)顟B(tài)[2]，人為誤差大，機(jī)械勞動(dòng)強(qiáng)度較大，這種方式隨著車(chē)輛的不斷增加和不能滿足現(xiàn)代自動(dòng)化、非接觸測(cè)量的要求，淘汰已經(jīng)成為必然。在這種背景下，國(guó)家相關(guān)部門(mén)及時(shí)制定了新的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)[3]，其中GB21861-2014要求車(chē)輛檢測(cè)機(jī)構(gòu)2016年必須使用電子汽車(chē)輪廓檢測(cè)設(shè)備，本文結(jié)合實(shí)際需求和順應(yīng)國(guó)家政策，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于激光掃描技術(shù)的車(chē)輛外廓尺寸動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛在規(guī)定速度行駛下高精度、非接觸外廓測(cè)量，從一定角度說(shuō)，系統(tǒng)的實(shí)際推廣使用，對(duì)從根源上消除車(chē)輛超載超限，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全和切實(shí)維護(hù)交通安全運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

1 系統(tǒng)測(cè)量原理

一般來(lái)說(shuō)，車(chē)輛外廓尺寸是個(gè)三維概念，包括高度、長(zhǎng)度和寬度，利用模糊控制算法來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)以處理更多的信息量，采用相應(yīng)的傳感器技術(shù)和二維激光掃描技術(shù)來(lái)完成具體的檢測(cè)任務(wù)[5]，通過(guò)STM32控制芯片來(lái)控制激光二維掃描儀和采集其它輔助傳感器的工作狀態(tài)并實(shí)時(shí)給出相關(guān)信息，結(jié)合配套的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)車(chē)輛外廓的實(shí)時(shí)、精確、非接觸測(cè)量，系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中，①為行駛路線，②為駛?cè)攵?，③為駛出端，④、⑤為二維激光掃描儀，⑥為車(chē)輛，其中兩個(gè)二維激光掃描儀用于獲取檢測(cè)環(huán)境平面內(nèi)的距離圖像，相對(duì)普通圖像數(shù)據(jù)冗余比較少，各測(cè)量點(diǎn)方向角度有序，基本不會(huì)產(chǎn)生干擾噪點(diǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)的設(shè)定的車(chē)輛有效檢測(cè)范圍為：1.8米＜長(zhǎng)度＜17.4米，寬度＜7.2米，高度＜7.2米，系統(tǒng)采用方便拆卸的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件，可以根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展檢測(cè)范圍[6]。

圖1 系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 車(chē)輛三維外廓獲取原理

參考圖1，車(chē)輛⑥從安裝有二維激光掃描儀④的駛?cè)攵刷隈側(cè)耄_(kāi)始測(cè)量后，二維激光掃描儀④、⑤一直處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)獲取數(shù)據(jù)，二維激光掃描儀④從車(chē)輛側(cè)面上方掃描車(chē)輛的橫向輪廓和高度，通過(guò)內(nèi)置相關(guān)算法，可以準(zhǔn)確獲取一側(cè)的輪廓尺寸，另外一側(cè)的輪廓可以利用對(duì)稱(chēng)算法直接得出；二維激光掃描儀⑤從車(chē)輛正面上方掃描車(chē)輛的縱向輪廓，利用同樣的圖像處理算法，得到圖像的縱向尺寸。二維激光掃描儀每秒輸出25次數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)緩沖法，一旦檢測(cè)到有車(chē)輛進(jìn)入待測(cè)區(qū)域，即開(kāi)始緩沖所有數(shù)據(jù)，并通過(guò)STM32微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全速運(yùn)算處理，系統(tǒng)采用的處理器型號(hào)為STM32F103RBT6，采用的二維激光掃描儀為德國(guó)西克公司的系列產(chǎn)品[7]。測(cè)量原理示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)車(chē)輛三維外廓獲取示意圖

1.2 系統(tǒng)的圖像畸變處理

由于激光掃描過(guò)程中采用的矢量坐標(biāo)碼描述，根據(jù)激光掃描成像原理，矢量碼應(yīng)構(gòu)成一封閉的多邊形，檢查其封閉性的條件為：n1+n2+n3=n5+n6+n7和n3+n4+n5=n7+n0+n1，其中ni為 i出現(xiàn)的次數(shù) （0≤i≤7），系統(tǒng)采用激光束和矢量碼來(lái)拾取激光點(diǎn)時(shí)，正常的情況下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)閃亮的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)在矢量碼坐標(biāo)下是關(guān)于矢徑A和矢量方向角α的函數(shù)，在系統(tǒng)激光掃描函數(shù)中是關(guān)于A的坐標(biāo)和圖形矢量碼的函數(shù)[8]，系統(tǒng)二維掃描光路圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)二維掃描光路圖

基于以上分析，由于電機(jī)動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生的延時(shí)和由振鏡動(dòng)態(tài)形變以及枕形誤差產(chǎn)生的誤差，會(huì)導(dǎo)致圖像產(chǎn)生畸變，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)測(cè)量的精確度，所以必須對(duì)圖像畸變進(jìn)行處理，除了在硬件上使步進(jìn)電機(jī)有精確的細(xì)分定位，使激光振鏡有較小的振動(dòng)外，經(jīng)過(guò)多次嘗試，在算法上，最終選擇拉格朗日插值法對(duì)圖像的邊緣模糊進(jìn)行修正[9]。由于輸出圖像中的像素可能會(huì)映射到原圖像中沒(méi)有灰度定義的像素點(diǎn)之間，可能會(huì)導(dǎo)致圖像邊緣模糊，所以采用拉格朗日插值法確定這些未定義點(diǎn)的灰度值是十分必要的，拉格朗日算法運(yùn)算速度快、硬件要求低，完全適應(yīng)系統(tǒng)采用的STM32F103系列處理器，實(shí)踐表明，拉格朗日插值法可以有效消除圖像邊緣模糊現(xiàn)象，在很大程度上可以糾正圖像的畸變。

2 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由兩個(gè)二維激光掃描儀、兩個(gè)高精度步進(jìn)電機(jī) （用于調(diào)整二維激光掃描儀的位置）、LCD顯示模塊、圖像處理模塊、超限超載報(bào)警模塊、無(wú)線通信模塊RS485、控制模塊STM32F103RBT6以及上位機(jī)組成，系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線模塊RS485進(jìn)行通信，采用12864液晶屏作為人機(jī)交互模塊，在圖像處理模塊里內(nèi)置拉格朗日插值算法，消除圖像的邊緣模糊[10]，語(yǔ)音報(bào)警模塊由主控芯片STM32F103RBT6和MXW588分段式語(yǔ)音模塊組成，在語(yǔ)音模塊里存儲(chǔ)了56段語(yǔ)音片段（包括數(shù)字和字母信息以及相關(guān)車(chē)輛歸屬地信息），在STM32F103芯片控制下，與上位機(jī)通信，分時(shí)播報(bào)語(yǔ)音，12864液晶屏主要用來(lái)顯示相關(guān)信息 （比如測(cè)試過(guò)程中的提示信息和測(cè)量結(jié)果等），系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在上文中已經(jīng)給出了較為詳細(xì)的介紹，在這里不在累述，主要介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。為了人機(jī)交互更為便捷以及便于利用計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了配套的上位機(jī)軟件，上位機(jī)由labview編寫(xiě)，協(xié)調(diào)和控制下位機(jī)工作，通過(guò)上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送測(cè)量指令，下位機(jī)開(kāi)始工作，測(cè)量完成后把數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊傳給上位機(jī)，上位機(jī)收到測(cè)量數(shù)據(jù)后與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì) （為了提高系統(tǒng)的精確性[11]，這里采用測(cè)量三次，然后取平均值，并給出一個(gè)相對(duì)小的誤差區(qū)間，只要在這個(gè)區(qū)間以內(nèi)，就認(rèn)為所測(cè)車(chē)輛合格），并給出比對(duì)結(jié)果，同時(shí)調(diào)用顯示子函數(shù)和報(bào)警子函數(shù)，以給出測(cè)量結(jié)果，上位機(jī)程序流程圖如圖5所示。兩個(gè)二維激光掃描儀接收到開(kāi)始測(cè)量指令后，開(kāi)始采集車(chē)輛的三維輪廓圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行濾波和畸變修正，通過(guò)RS485無(wú)線通信模塊把圖像數(shù)據(jù)送到STM32主控模塊，主控模塊對(duì)圖像經(jīng)行進(jìn)一步處理后（比如二值化和灰度化），通過(guò)RS485模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)[12]，系統(tǒng)獲取車(chē)輛三維輪廓軟件流程圖如圖6所示，系統(tǒng)的輪廓計(jì)算公式以及誤差分析，將在測(cè)量試驗(yàn)中分析。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

圖6 獲取車(chē)輛三維輪廓軟件流程圖

4 測(cè)量試驗(yàn)

為了實(shí)際驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，以及系統(tǒng)對(duì)不同類(lèi)型車(chē)輛的兼容性是否完善，選擇實(shí)際的車(chē)輛檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝系統(tǒng)[13]，同時(shí)選擇不同的車(chē)輛在不同的速度下進(jìn)行測(cè)量，以保證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的普遍性和真實(shí)性，在系統(tǒng)的安裝過(guò)程中，由于人為或者地形的因素，誤差難免存在，所以在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，適當(dāng)增大合格區(qū)間，然后通過(guò)軟件進(jìn)行校正。

系統(tǒng)選擇四種不同類(lèi)型的車(chē)輛，分別為微型車(chē)、小型車(chē)、中型車(chē)、大型車(chē)，每輛車(chē)連續(xù)測(cè)量3次，根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量時(shí)，車(chē)輛車(chē)速應(yīng)該低于10km/h，分別計(jì)算了4中車(chē)型測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差，以驗(yàn)證系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表如表一所示，根據(jù)相對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，隨著車(chē)型的增大，相對(duì)誤差減小[14]，而且標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小，說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

表1 系統(tǒng)測(cè)量試驗(yàn)記錄表

由于人為和設(shè)備總是存在誤差，系統(tǒng)的誤差是不可避免的，誤差主要出現(xiàn)在二維激光掃描儀的機(jī)械誤差和由于車(chē)輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的圖像移位誤差，下面詳細(xì)介紹。

1）系統(tǒng)的機(jī)械誤差分析：由于二維激光掃描儀是高精度儀器，安裝示意圖如圖7所示，從圖中可以看到，由于二維激光掃描儀固定件并不是完全光滑的，總會(huì)有角度偏差，此外，由于固定二維激光掃描儀的螺絲是自攻螺絲，在實(shí)際操作過(guò)程中會(huì)由于用力過(guò)大或者過(guò)小而損壞掃描儀精密器件，也會(huì)造成一定偏光誤差，而且在根據(jù)車(chē)輛實(shí)際大小自動(dòng)調(diào)整過(guò)程中，由于步進(jìn)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，也會(huì)給掃描儀的掃描過(guò)程產(chǎn)生干擾，使圖像邊緣變得模糊，這種誤差主要通過(guò)軟件補(bǔ)償來(lái)減小。

2）車(chē)輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的圖像移位誤差：系統(tǒng)在車(chē)輛一定速度行駛下利用線性CCD圖像原理，利用二維激光掃描儀來(lái)獲取車(chē)輛的三維輪廓，其工作原理是通過(guò)抓拍運(yùn)動(dòng)車(chē)輛前后兩次的瞬時(shí)圖片，根據(jù)車(chē)輛與CCD之間的相對(duì)位置關(guān)系，參照測(cè)試場(chǎng)預(yù)定的測(cè)標(biāo)線[15]，通過(guò)二維激光掃描儀設(shè)定的算法，準(zhǔn)確得出測(cè)試車(chē)輛的三維輪廓尺寸，由于CCD的分辨率有限，測(cè)量時(shí)由于車(chē)輛運(yùn)動(dòng)使圖像邊緣模糊和分辨率不足會(huì)造成檢測(cè)誤差，這種誤差主要通過(guò)硬件補(bǔ)償減小。

圖7 二維掃描儀安裝示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

研發(fā)的基于激光掃描技術(shù)的車(chē)輛外廓尺寸動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一定速度行駛下的車(chē)輛外廓進(jìn)行實(shí)時(shí)、非接觸、高精度的動(dòng)態(tài)測(cè)量，從一定程度上改變了長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)車(chē)輛檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用人工測(cè)量導(dǎo)致的效率低下、精度低、受環(huán)境影響較大等弊端，同時(shí)也順應(yīng)了國(guó)家相關(guān)部門(mén)最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB21861-2014國(guó)標(biāo)要求，車(chē)輛檢測(cè)機(jī)構(gòu)2016年必須使用電子汽車(chē)輪廓檢測(cè)設(shè)備），通過(guò)對(duì)4種不同車(chē)型的車(chē)輛進(jìn)行測(cè)量得知，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足國(guó)家的相關(guān)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。

[1]劉常杰，劉洪偉，郭寅，等.基于掃描激光雷達(dá)的列車(chē)速度測(cè)量系統(tǒng) [J].紅外與激光工程，2015，44（1）：285-290.

[2]吳斌，張放.基于單目視覺(jué)的焊接螺柱位姿參數(shù)測(cè)量技術(shù)研究[J].光電子.激光，2014（10）：1931-1935.

[3]薛彬，邾繼貴，楊凌輝，等.wMPS系統(tǒng)在飛機(jī)水平測(cè)量中的應(yīng)用[J].光電工程，2014，41（8）：22-26.

[4]王偉，于之靖，郭寅，等.多攝像機(jī)空間交會(huì)動(dòng)態(tài)測(cè)量中遮擋問(wèn)題的研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（4）：169-174.

[5]邵學(xué)君.鐵路罐車(chē)（箱）容積三維激光掃描測(cè)量方法[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2014（2）：79-85.

[6]李文輝，楊勝?gòu)?qiáng)，劉桂蓮，等.大尺寸異形軸類(lèi)零件的滾磨光整加工理論分析與試驗(yàn)研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2013（5）：87-92.

[7]時(shí)光，張福民，曲興華.經(jīng)濟(jì)型大尺寸激光自動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程，2013（8）：1957-1965.

[8]高巖，邵雙運(yùn)，馮其波.一種激光掃描自動(dòng)測(cè)量輪對(duì)幾何參數(shù)的方法[J].中國(guó)激光，2013（7）：176-181.

[9]全燕鳴，黎淑梅，麥青群.基于雙目視覺(jué)的工件尺寸在機(jī)三維測(cè)量 [J].光學(xué)精密工程，2013（4）：1054-1061.

[10]夏榜樣，趙傳奇，曹良志，等.環(huán)形元件超臨界水冷堆CSR1000A初步概念設(shè)計(jì) [J].核動(dòng)力工程，2013（1）：15-18.

[11]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)[R].GB21861-2014機(jī)動(dòng)車(chē)安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法實(shí)施，2015.3.15.

[12]周小波，朱勇.一種新型的車(chē)輛外廓尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器，2014，31（4）：126-132.

[13]程炎星，杜穎，楊華西，等.淺析機(jī)動(dòng)車(chē)外廓尺寸動(dòng)態(tài)自動(dòng)測(cè)量裝置的應(yīng)用.技術(shù)與市場(chǎng)，2013，20（3）：33-36.

[14]蔣云清，廖小鵬.激光與三維圖像處理技術(shù)在機(jī)動(dòng)車(chē)外廓尺寸動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用.客車(chē)技術(shù)與研究，2014，12（3）：42-45.

[15]Zhu G，Packirirssamy M，Hosseini M，et al．Modelling and controlofan electrostatically actuated torsional micromirror [J]．Journal of Micromechanics and Microengineering，2006，16（A3）:2044-2052．

Vehicle outer profile size dynamically based on the technology of laser tracking measurement system design

WANG Zhen-hua，XU Lin-na，SU Xian-zheng
（Dalian Jiaotong University Institute of Electrical Information，Dalian 116028，China）

According to GB21861-2014 gb，vehicle inspection agencies must use 2016 electronic automobile contour detection equipment，in this context，combined with dynamic vehicle profile size measurement of measuring large volume and irregular objects，the problem such as distance，strong dynamic，this paper presents a vehicle outside the profile measurement scheme based on laser tracking technology，make full use of the laser tracking technology of high precision，large range，real-time fast，the advantage of dynamic measurement，system design and experimental verification.Actual test shows that the system can real-time，dynamic of moving vehicles，non-contact measurement，within the prescribed by the relevant national authority speed，measuring time within the 30 s，system operation is stable and reliable.Solves our country have long relied on manual measurement caused by the disadvantages of low efficiency，error frequently，also complied with the current national mandatory standard，has great practical popularization significance.

laser tracking；outside the profile size；vehicle；laser scanner

TN248

：A

：1674－6236（2017）14-0131-05

2016-05-21稿件編號(hào)：201605263

王振華（1990—），男，山東泰安人，碩士研究生，中國(guó)電子學(xué)會(huì)會(huì)員。研究方向：嵌入式開(kāi)發(fā)與控制。