全天候車輛輪廓辨識(shí)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)研究

任曉翡

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

1 全天候車輛輪廓辨識(shí)技術(shù)難點(diǎn)重點(diǎn)

本系統(tǒng)利用自動(dòng)化設(shè)備對(duì)車輛邊緣輪廓信息進(jìn)行不停車檢測(cè)，同時(shí)在雨霧環(huán)境下運(yùn)用優(yōu)化算法對(duì)車輛邊緣數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，重新建立車輛邊緣模型，大大提高了車輛邊緣信息在雨霧環(huán)境下信息的精確度。

1.1 脈沖式激光測(cè)距技術(shù)

激光測(cè)距技術(shù)，具有峰值功率高、速度快，頻率高，可測(cè)量動(dòng)態(tài)目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。脈沖式激光測(cè)距技術(shù)利用脈沖激光器對(duì)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)或一列很窄的光脈沖，激光接收器對(duì)碰到物體返回的激光波進(jìn)行探測(cè)，記錄下激光的傳播時(shí)間t，并計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)距離。在掃描器的掃描范圍內(nèi)，可根據(jù)需要設(shè)置保護(hù)區(qū)域，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入保護(hù)區(qū)域時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，根據(jù)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的距離，計(jì)算目標(biāo)的外型輪廓、坐標(biāo)定位等信息。

1.2 高精度動(dòng)態(tài)車輛輪廓辨識(shí)技術(shù)

車輛輪廓檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是利用脈沖式激光測(cè)距技術(shù)準(zhǔn)確地測(cè)量出車輛邊緣輪廓的實(shí)際尺寸。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)車輛邊緣輪廓的辨識(shí)，同時(shí)運(yùn)用多次回波檢測(cè)的方法有效減少激光傳感器主控震蕩頻率提供調(diào)制頻率帶來(lái)的漂移誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)車輛輪廓信息的高精度辨識(shí)。

1.3 RLS自適應(yīng)濾波車輛邊緣模型重構(gòu)

遞推最小二乘法RLS(Recursive Least Square)算法具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，功能較好，收斂速度快，特性穩(wěn)定且收斂特性良好的優(yōu)點(diǎn)。在處理未知統(tǒng)計(jì)環(huán)境下所產(chǎn)生的運(yùn)算結(jié)果信號(hào)或非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)，可以提供優(yōu)良的信號(hào)處理能力。重新建立車輛模型，得到準(zhǔn)確的車輛邊緣輪廓信息，有效減少雨霧環(huán)境下帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤報(bào)率，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛輪廓的全天候辨識(shí)。

2 全天候車輛輪廓辨識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)路線和創(chuàng)新點(diǎn)

全天候車輛輪廓辨識(shí)系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、顯示單元、管理控制單元構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖

實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能，需要的主要技術(shù)：

1) 基于脈沖式激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)車輛輪廓辨識(shí)技術(shù)：激光測(cè)距就是通過(guò)激光往返的時(shí)間來(lái)測(cè)定距離。車輛輪廓辨識(shí)技術(shù)是一種非接觸自動(dòng)檢測(cè)車輛幾何尺寸(主要是車輛的長(zhǎng)度、寬度以及高度)的技術(shù)。在對(duì)車輛幾何尺寸的整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，不需要人為因素的參與，僅僅憑借寬高儀傳感器和上位機(jī)的配合，就能夠使管理人員獲得車輛的邊緣寬高數(shù)據(jù)。在測(cè)量過(guò)程中采用激光雷達(dá)測(cè)量原理，激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖波，激光接收器通過(guò)計(jì)量發(fā)出的激光碰撞物體返回的激光波能量，且當(dāng)返回的能量足夠觸發(fā)門檻值，激光雷達(dá)計(jì)算它到物體的距離值。

2) 多元回歸算法：激光測(cè)距采集到的大量數(shù)據(jù)，要用合適的數(shù)據(jù)處理算法才能得到準(zhǔn)確的車輛邊緣模型。由于計(jì)算車輛尺寸時(shí)涉及到多個(gè)變量，所以在數(shù)據(jù)處理的算法上應(yīng)利用多元回歸算法解決。采用多元回歸方法可全面地考慮多個(gè)因素對(duì)車輛尺寸數(shù)據(jù)的影響，更準(zhǔn)確地建立車輛邊緣模型，減小算法和數(shù)據(jù)處理中帶來(lái)的誤差。

3) RLS自適應(yīng)濾波算法重新建立車輛邊緣模型：RLS濾波器通過(guò)建立邊緣檢測(cè)系統(tǒng)的RLS自適應(yīng)濾波模型實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛邊緣信息的重新建模。可依據(jù)輸入數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性，使自身參數(shù)變化，從而達(dá)到對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波的作用。根據(jù)環(huán)境的改變，在有用信號(hào)和干擾信號(hào)變化規(guī)律未知的情況下，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)變化特性的學(xué)習(xí)與跟蹤，慢慢地掌握其變化規(guī)律，據(jù)使用合適的算法規(guī)則調(diào)整濾波器的濾波性能使其達(dá)到最佳狀態(tài)。

整個(gè)算法分為濾波過(guò)程和自適應(yīng)過(guò)程(即權(quán)值調(diào)整過(guò)程)。根據(jù)它所處理的功能分為有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(FIR)濾波器和無(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(IIR)濾波器兩種結(jié)構(gòu)形式。其次為算法部分，是用來(lái)調(diào)整第一部分中的濾波參數(shù)(即權(quán)值)的。針對(duì)不同的輸入和不同的用途，算法是不一樣的。濾波器在濾波過(guò)程中分為濾波的過(guò)程和自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值的過(guò)程兩個(gè)步驟。濾波器輸出信號(hào):y(n)在調(diào)整過(guò)程中不斷接近參考信號(hào)d(n)，d(n)與y(n)之間的差e(n)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的自適應(yīng)法則，使其對(duì)權(quán)值進(jìn)行不斷的調(diào)整，使得濾波器處于最佳工作狀態(tài)，以完成濾波過(guò)程。從而實(shí)現(xiàn)全天候?qū)囕v寬高信息的高精度檢測(cè)。RLS自適應(yīng)濾波過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2 RLS自適應(yīng)濾波過(guò)程示意圖

本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)有：

1) 本系統(tǒng)內(nèi)采用非接觸式激光測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛輪廓信息辨識(shí)。通過(guò)引入多元回歸算法，濾除激光傳感器主振蕩器產(chǎn)生的調(diào)制頻率誤差，從而提高車輛邊緣輪廓尺寸信息的精度，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)動(dòng)態(tài)車輛的邊緣輪廓信息。

2) 本系統(tǒng)通過(guò)建立邊緣輪廓檢測(cè)過(guò)程的自適應(yīng)模型，運(yùn)用RLS自適應(yīng)濾波算法對(duì)采集的車輛邊緣輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR、IIR濾波，然后自適應(yīng)調(diào)制權(quán)值。有效減少了車輛邊緣輪廓信息在雨霧環(huán)境下的誤報(bào)率，提高了數(shù)據(jù)信息精度，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)囕v輪廓信息的辨識(shí)。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

全天候車輛輪廓辨識(shí)系統(tǒng)能夠達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)有：

1) 非接觸式激光測(cè)量，測(cè)量范圍最大20 m，測(cè)量精度±15 cm；掃描范圍270°，掃描頻率25 Hz/50 Hz。

2) 實(shí)用性強(qiáng)、檢測(cè)過(guò)程可視、測(cè)量速度快，車輛通過(guò)完畢即可實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的結(jié)果。

3) 運(yùn)用RLS自適應(yīng)濾波算法后，雨霧環(huán)境下車輛信息誤報(bào)率減少82%以上。

3 社會(huì)效益

本系統(tǒng)在城市道路、高速公路治超點(diǎn)、國(guó)道卡口的應(yīng)用，能夠減少雨霧環(huán)境下的誤報(bào)率，提升城市智能化管理水平，滿足當(dāng)前城市發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸?shù)囊蟆Ｍㄟ^(guò)自動(dòng)化快速檢驗(yàn)，為執(zhí)法人員提供了有效的執(zhí)法工具，減輕執(zhí)法人員的工作量，大幅度提高檢測(cè)效率；極大地提高了車檢質(zhì)量，對(duì)在路上行駛的車主也是一種很好的安全保障,使檢測(cè)結(jié)果可視化。

4 結(jié)束語(yǔ)

全天候車輛輪廓辨識(shí)系統(tǒng)主要通過(guò)智能優(yōu)化算法，重構(gòu)車輛邊緣輪廓模型的運(yùn)用，優(yōu)化交通組織結(jié)構(gòu)，使道路運(yùn)輸系統(tǒng)有序發(fā)展，避免路面堵車現(xiàn)象，減少?gòu)U氣排放的強(qiáng)度和時(shí)間，保護(hù)基本公共設(shè)施道路環(huán)境，減少大氣環(huán)境污染?？蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備對(duì)車輛邊緣輪廓信息的不停車檢測(cè)，同時(shí)，對(duì)路面行駛車輛寬高尺寸的精確測(cè)量，能夠最大程度的遏制違規(guī)車輛上路，有效地保護(hù)路面，降低違規(guī)車輛對(duì)國(guó)道、高速等重要交通樞紐的破壞，減少路面養(yǎng)護(hù)成本。