一種動態(tài)車輛輪廓測量技術(shù)的研究*

魏漢明，趙 靚

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

近年，隨著高速公路交通運輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，運輸車輛中大型貨運車輛、帶掛汽車、集裝箱運輸車的數(shù)量和比重持續(xù)增長[1]。運輸車輛的軸載重量對路面是一種重復(fù)性的疲勞作用，標(biāo)準(zhǔn)軸載重量下不會發(fā)生對路面的結(jié)構(gòu)性破壞，一旦在超限車輛的作用下，就會發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞，造成路面網(wǎng)裂、變形、松散和坑槽等病狀。超限超載運輸車輛通常都是一些改裝拼裝車輛，大量的超載運輸車輛長時間處于超負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，使車輛的制動和操作安全性能降低。大量事實也已經(jīng)表明，高速公路上頻頻發(fā)生的交通事故都與不合格車輛上路密切相關(guān)[2]。

超限運輸危害巨大，嚴重破壞了公路基礎(chǔ)設(shè)施，縮短了公路的使用壽命[3]。遏制不合規(guī)車輛上路的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地測量出車輛輪廓的實際尺寸，通過對動態(tài)車輛輪廓測量技術(shù)研究，實現(xiàn)對車輛輪廓的準(zhǔn)確檢測，具有很強的實用價值[4]。在傳統(tǒng)測量工作中，治超管理員需人工進行車輛長寬高的測量以及疏導(dǎo)和管理路面交通等工作，勞動強度非常大，測量工作困難重重?；诒炯夹g(shù)開發(fā)的測量系統(tǒng)，憑借其良好的準(zhǔn)確性、實時性以及非接觸式等突出優(yōu)勢實現(xiàn)自動測量、在線檢測等功能，提高了測量工作的準(zhǔn)確性和自動化程度，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究在硬件方面利用脈沖激光測距技術(shù)，準(zhǔn)確測量車輛寬高尺寸，實現(xiàn)對車輛輪廓不停車檢測，提高測量精度。在軟件方面，重點利用多元回歸算法的技術(shù)方法處理得到的基本數(shù)據(jù)。基于以上方法理論研究，形成動態(tài)車輛輪廓測量系統(tǒng)，提高動態(tài)車輛檢測工作的自動化程度。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)：首先通過脈沖式激光測距技術(shù)完成對前端動態(tài)通行車輛數(shù)據(jù)采集，利用以太網(wǎng)協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧焦た貦C中處理數(shù)據(jù)。計算出的數(shù)據(jù)通過外部顯示設(shè)備進行展示。

圖1 車輛綜合檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程：通過硬件測量模塊進行數(shù)據(jù)采集，軟件處理模塊進行數(shù)據(jù)處理，最終的數(shù)據(jù)流輸出到用戶界面或由二次開發(fā)軟件調(diào)用，構(gòu)成對數(shù)據(jù)流由產(chǎn)生、處理、展示的完整閉環(huán)管理。

圖2 車輛綜合檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 技術(shù)關(guān)鍵

2.1 脈沖式激光測距技術(shù)

脈沖式激光系統(tǒng)近年的發(fā)展越來越迅速，應(yīng)用范圍也不斷擴大，逐步應(yīng)用到無人機、航空、建筑等領(lǐng)域[5]。隨著數(shù)字信號處理方法的不斷發(fā)展與完善給激光測距領(lǐng)域也帶來了新的發(fā)展思路。

在實際的工程應(yīng)用中，激光測距距離是物體行進的速度與時間的乘積，如公式(1)所示：

(1)

其中D表示被測目標(biāo)與測距系統(tǒng)相距多遠；c表示光速，通常c=3.0*108m/s；Δt為光傳播所需時間，在t1時刻發(fā)射激光，在t2時刻收到激光，即Δt=t2-t1。

圖3 脈沖測距原理圖

激光測距主要難點在于得到發(fā)送光信號時間與接收到光信號時間的差值Δt，發(fā)出激光信號的時間t1是確定的，關(guān)鍵在于找到反射回來的激光脈沖信號，確定接收回波脈沖信號的t2時刻。

脈沖計數(shù)測量時間的原理是在發(fā)射激光脈沖信號的同時，觸發(fā)定時器工作，接收到回波瞬間終止定時器，此時可以從定時器的讀出個數(shù)M，計數(shù)脈沖的頻率為T0。

由脈沖計數(shù)法原理可以得出信號傳輸時間Δt：

(2)

通常發(fā)射脈沖信號之后到觸發(fā)計數(shù)脈沖會有一定的延時t1，接收到回波前也會產(chǎn)生測量誤差，記作t2?？梢钥闯鰰r間的測量是存在系統(tǒng)誤差的，如公式(3)所示。脈沖計數(shù)示意圖如圖4所示。

(3)

圖4 脈沖計數(shù)實際情況

減小原理誤差的方法有多種，一種方法為提高計數(shù)脈沖的頻率，頻率越高則時間分辨率越高，即時間誤差越小。另一種方法為通過選取高性能的芯片減小執(zhí)行發(fā)射脈沖和觸發(fā)計數(shù)脈沖指令的周期，減小發(fā)射脈沖和觸發(fā)計數(shù)脈沖之間的延遲，同樣可以減少時間誤差。激光測距是通過激光的往返時間來測定距離，具有峰值功率高、檢測速度快、重復(fù)頻率高等優(yōu)點。

2.2 多元線性回歸分析法

多元線性回歸分析是利用多個自變量與因變量存在線性關(guān)系并進行的回歸分析。設(shè)y為因變量，X1，X2，…Xk為自變量，則多元線性回歸模型為Y=b0+b1x1+…bkxk+e，其中，b0為常數(shù)項，X1，X2，…Xk為回歸系數(shù)；b1為X1，X2，…Xk固定時，X1每增加一個單位對y的效應(yīng)，即X1對y的偏回歸系數(shù)，同理b2為X1，X2，…Xk固定時，X2每增加一個單位對y的效應(yīng)，即X2對y的偏回歸系數(shù)[6]。

多元性回歸模型的參數(shù)計算，是在誤差平方和(Σe)為最小的情況下，用最小二乘法求解參數(shù)。以二線性回歸模型為例，求解回歸參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方程組如以下公式：

(4)

(5)

b=(x1x)-1·(x1y)

(6)

計算車輛長寬高涉及到3個變量，采用多元回歸算法進行處理。將采集到的數(shù)據(jù)樣本通過以上算法進行處理，建立車輛輪廓模型。通過多次回波檢測的方法有效減少激光傳感器主控震蕩頻率提供調(diào)制頻率帶來的漂移誤差和測量誤差。

3 總結(jié)信息

系統(tǒng)運行可選用無人值守模式。設(shè)備正常工作后，動態(tài)車輛輪廓測量系統(tǒng)會自啟動并完成初始化檢查工作，隨后進入自動測量狀態(tài)。當(dāng)有車輛通過檢測區(qū)域時，系統(tǒng)自動開啟動態(tài)車輛尺寸檢測并記錄測量時間，當(dāng)結(jié)束測量時，系統(tǒng)自動將相關(guān)數(shù)據(jù)通過接口傳輸至外部展示設(shè)備進行展示。如圖5所示為現(xiàn)場外接顯示屏顯示數(shù)據(jù)。

圖5 外接顯示屏數(shù)據(jù)展示

4 結(jié)論

本文對一種動態(tài)車輛輪廓測量技術(shù)進行了較詳細的論述。主要通過脈沖式激光測距技術(shù)、多元線性回歸分析算法實現(xiàn)對動態(tài)車輛輪廓信息的采集處理，提高車輛通過卡口處采集信息的精確度，提升了車輛通行效率、保障通行安全。