車輛外廓尺寸動態(tài)測量裝置的設計與實現(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時費力不安全等原因，迫切需要一種測量儀器對機動車外廓尺寸進行自動測量，以減少測量工作強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)對于機動車外廓檢測具有重要意義。在此基礎上，本論文重點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。

【關(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行存儲，以及車牌識別攝像機，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)出預警信號，結(jié)構(gòu)設計簡單，安裝更換方便，適于推廣應用。

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行掃描測量，由工控機儲存的運算程序?qū)囕v外廓遮擋激光束的情況進行實時采集，由軟件程序自動運算出車輛長、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)，對被檢車輛號牌進行數(shù)據(jù)處理運算、準確解讀車輛號牌。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，對應于被檢測的車輛號牌，進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。儀器適應于室內(nèi)或室外安裝，設備安裝在5-6.5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)應用。

2 系統(tǒng)原理

首先，需要計算掃描儀0度線與真實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)運算，變換到平面坐標系下，并把坐標原點設定到掃描儀的中心，假設每條矢量的長度為L，角度為a，則每個矢量的坐標值為：

x=L*sin（a）

y=L*cos（a）

換算到平面坐標數(shù)據(jù)后，我們會得到一條曲線。獲得該物體輪廓曲線后，實際上曲線會存在很多細微波動，我們通過線性擬合，來消除這種細微波動，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*x^3+p2*x^2+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行最高點搜索，即可獲得物體的真實高度，計算左邊虛擬垂線和右邊真實垂線之間的水平距離，即可獲得物體的真實寬度。

3 車輛長寬高檢測

第一步，由測量矢量，運算獲得角度范圍內(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行曲線逼近運算，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-10度至+80度，每0.25度一個矢量點，共計360點，每次運算360點矢量，才可得到360個垂直矢量點，并據(jù)此獲得帶離散性的輪廓數(shù)據(jù)，再進行主曲線運算，得到平滑輪廓曲線，在此曲線基礎上，進行模式匹配獲得長寬高數(shù)據(jù)，共計四次復雜數(shù)學運算才完成此步。掃描儀每秒輸出25次數(shù)據(jù)，預計處理器浮點運算性能不能完成25次長寬高運算，故實際軟件處理時，采用緩沖法，一旦監(jiān)測到有車輛進入?yún)^(qū)域，即開始緩沖所有數(shù)據(jù)，并開始讓處理器全速進行運算，一旦得到合格的長寬高數(shù)據(jù)，即停止緩沖及運算過程。

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，并進一步得到被測車輛的長、寬、高的特征尺寸，因此要對被測車輛進行多次采樣，而每一次采樣中，車身高度及寬度尺寸的獲取是基礎。激光發(fā)光器進行線陣排列，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，而實際的車身寬度應為Wk，顯然Wp>Wk，所以當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。為了檢測準確，需在檢測信號線方面做一下改進，采取辦法是設置前后投影激光。同理，當車體偏斜時，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，當車輛行駛的最大偏斜角達到-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，然而實踐中遇到的物體通常較為復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用。另外有時一副三視圖對應的形體不止一個，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)點是可用于在自然光照耀下進行成像和重建的情況，缺點是要用兩個攝像機而且算法比較復雜。

該物體三維輪廓技術(shù)，它是利用投影原理進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行測量，然后將上述的結(jié)果進行空間合成，進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，其方法易于實現(xiàn)。

5 方案的優(yōu)點

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，不需增加用戶基礎建設成本；整套設備及軟件的設計，符合國家標準，測量精度高、實現(xiàn)功能全面，獲得技術(shù)質(zhì)量認證許可。

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?？梢詫崿F(xiàn)檢測數(shù)據(jù)實時上傳；無需人為干預，測量數(shù)據(jù)、車輛照片自動上傳監(jiān)管數(shù)據(jù)庫，保證測量結(jié)果客觀真實性。

5.3 外廓儀測量

車輛外廓尺寸測量儀，實現(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)，在檢測其他項目的同時就可以自動測量出結(jié)果，更適應檢測站實際情況，減輕勞動強度，測量數(shù)據(jù)更加準確，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。

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。集成并行算法的軟件，運行于多CPU的高性能工業(yè)計算機上。自動測量低速行駛（3-7km/h）的汽車外廓尺寸（包括貨箱欄板高度）。

5.5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及后期維護

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行存儲；車牌識別攝像機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，采用進口高端激光掃描儀，工業(yè)控制機作為系統(tǒng)主機，抗干擾強，雨、霧天氣測量結(jié)果準確，即可用于室內(nèi)，也可用于室外。

5.6 外廓儀性能

適應性更為廣泛。最大測量高度，根椐設備支架高度不同可達40來，寬度可達20米。實用性強，采用“不停車”通過式檢測方式，對駕駛員操作要求低；設備安裝不占用場地。測量系統(tǒng)具有明顯的先進性、高穩(wěn)定性和可靠性，具備良好的可擴展性和靈活性，操縱方便，標定及維護方便，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，甚至很多檢測機構(gòu)沒有完善、靈活的檢測設備，很多檢測機構(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、測量準確率低等缺陷，測量效率低，也無法實現(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行了研究，結(jié)合計算機技術(shù)，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中還原輸出。

激光掃描技術(shù)作為一項正在研究和開發(fā)的設備，作出了進一步展望，希望能夠在更高的技術(shù)支持上做深入研究。在機械結(jié)構(gòu)上檢測裝置的設計可進一步優(yōu)化，可從位置上作一些改進，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)的標準來提高軟件界面的設計，進一步優(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，這也符合科學不斷前進的客觀規(guī)律，我們也將不斷改進技術(shù)，深入研究，做到更好。

參考文獻

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[6]李零虎.汽車檢測技術(shù)發(fā)展狀況[J].中國機電工業(yè)，2003.

作者簡介

李源波（1971-），男?，F(xiàn)為山東億通車輛檢測有限公司董事長，職稱：高級，山東MBA，中國科學技術(shù)大學計算機軟件工程專業(yè)在職研究生。

宮清華（1968-），女，現(xiàn)為山東億通車輛檢測有限公司總經(jīng)理，職稱：高級，中科大計算機軟件工程專業(yè)在職研究生。

作者單位

山東億通車輛檢測有限公司 山東省濰坊市昌邑市 261300