基于激光掃描技術的車輛外廓尺寸動態測量系統的設計

王振華，許琳娜，蘇現征

（大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028）

基于激光掃描技術的車輛外廓尺寸動態測量系統的設計

王振華，許琳娜，蘇現征

（大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028）

根據GB21861-2014國標要求，車輛檢測機構2016年必須使用電子汽車輪廓檢測設備，在這種背景下，結合車輛外廓尺寸動態測量中面臨的測量物體體積大而不規則、距離遠、動態性強等問題，本文給出了一種基于激光掃描技術的車輛外廓測量方案，充分利用了激光掃描技術精度高、范圍大、實時快速、動態測量的優勢，進行了系統設計和實驗驗證。實際測試表明：系統可以對行進中的車輛進行實時、動態、非接觸化測量，在國家相關部門規定的速度內，測量時間在30S以內，系統運行穩定且可靠。解決了我國長期以來依靠人工測量導致的效率低下、出錯頻繁的弊端，也順應了當下國家的強制標準，具有較大的實際推廣意義。

激光掃描；外廓尺寸；車輛；激光掃描儀

近年來，據相關部門發布的白皮書得知，車輛超載超限已經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，車輛超限超載占到50%左右[1]，由此可見，車輛違法超限超載不但大大縮短了橋梁和公路的使用壽命，而且嚴重影響國家財產和人民生命安全。為了從根本上消除車輛違法超限超載現象，國家相關部門早在2014年就制定了國家強制性標準《道路車輛外廓尺寸、軸荷、及質量限值》（GB1589O2004），并在相關配套法律法規中規定車輛的結構不得私自改造，需要對整車的尺寸進行測量，通過實際調研得知，現在國內車輛檢測機構在對車輛整車外廓進行測量時，主要通過人工利用角度尺或者標桿進行測量，這種測量方式要求車輛必須處于靜止狀態[2]，人為誤差大，機械勞動強度較大，這種方式隨著車輛的不斷增加和不能滿足現代自動化、非接觸測量的要求，淘汰已經成為必然。在這種背景下，國家相關部門及時制定了新的強制標準[3]，其中GB21861-2014要求車輛檢測機構2016年必須使用電子汽車輪廓檢測設備，本文結合實際需求和順應國家政策，設計并實現了一種基于激光掃描技術的車輛外廓尺寸動態測量系統，可以實現對車輛在規定速度行駛下高精度、非接觸外廓測量，從一定角度說，系統的實際推廣使用，對從根源上消除車輛超載超限，保障人民生命財產安全和切實維護交通安全運行具有十分重要的現實意義[4]。

1 系統測量原理

一般來說，車輛外廓尺寸是個三維概念，包括高度、長度和寬度，利用模糊控制算法來簡化系統以處理更多的信息量，采用相應的傳感器技術和二維激光掃描技術來完成具體的檢測任務[5]，通過STM32控制芯片來控制激光二維掃描儀和采集其它輔助傳感器的工作狀態并實時給出相關信息，結合配套的機械結構實現對動態車輛外廓的實時、精確、非接觸測量，系統的立體結構示意圖如圖1所示，圖中，①為行駛路線，②為駛入段，③為駛出端，④、⑤為二維激光掃描儀，⑥為車輛，其中兩個二維激光掃描儀用于獲取檢測環境平面內的距離圖像，相對普通圖像數據冗余比較少，各測量點方向角度有序，基本不會產生干擾噪點，運行穩定可靠。系統的設定的車輛有效檢測范圍為：1.8米＜長度＜17.4米，寬度＜7.2米，高度＜7.2米，系統采用方便拆卸的機械標準件，可以根據實際情況擴展檢測范圍[6]。

圖1 系統的立體結構示意圖

1.1 車輛三維外廓獲取原理

參考圖1，車輛⑥從安裝有二維激光掃描儀④的駛入端②駛入，開始測量后，二維激光掃描儀④、⑤一直處于開機狀態獲取數據，二維激光掃描儀④從車輛側面上方掃描車輛的橫向輪廓和高度，通過內置相關算法，可以準確獲取一側的輪廓尺寸，另外一側的輪廓可以利用對稱算法直接得出；二維激光掃描儀⑤從車輛正面上方掃描車輛的縱向輪廓，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次數據，采用數據緩沖法，一旦檢測到有車輛進入待測區域，即開始緩沖所有數據，并通過STM32微處理器對數據進行全速運算處理，系統采用的處理器型號為STM32F103RBT6，采用的二維激光掃描儀為德國西克公司的系列產品[7]。測量原理示意圖如圖2所示。

圖2 系統車輛三維外廓獲取示意圖

1.2 系統的圖像畸變處理

由于激光掃描過程中采用的矢量坐標碼描述，根據激光掃描成像原理，矢量碼應構成一封閉的多邊形，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出現的次數 （0≤i≤7），系統采用激光束和矢量碼來拾取激光點時，正常的情況下會出現一個閃亮的點，這個點在矢量碼坐標下是關于矢徑A和矢量方向角α的函數，在系統激光掃描函數中是關于A的坐標和圖形矢量碼的函數[8]，系統二維掃描光路圖如圖3所示。

圖3 系統二維掃描光路圖

基于以上分析，由于電機動態特性產生的延時和由振鏡動態形變以及枕形誤差產生的誤差，會導致圖像產生畸變，會嚴重影響系統測量的精確度，所以必須對圖像畸變進行處理，除了在硬件上使步進電機有精確的細分定位，使激光振鏡有較小的振動外，經過多次嘗試，在算法上，最終選擇拉格朗日插值法對圖像的邊緣模糊進行修正[9]。由于輸出圖像中的像素可能會映射到原圖像中沒有灰度定義的像素點之間，可能會導致圖像邊緣模糊，所以采用拉格朗日插值法確定這些未定義點的灰度值是十分必要的，拉格朗日算法運算速度快、硬件要求低，完全適應系統采用的STM32F103系列處理器，實踐表明，拉格朗日插值法可以有效消除圖像邊緣模糊現象，在很大程度上可以糾正圖像的畸變。

2 測量系統的結構

系統主要由兩個二維激光掃描儀、兩個高精度步進電機 （用于調整二維激光掃描儀的位置）、LCD顯示模塊、圖像處理模塊、超限超載報警模塊、無線通信模塊RS485、控制模塊STM32F103RBT6以及上位機組成，系統通過無線模塊RS485進行通信，采用12864液晶屏作為人機交互模塊，在圖像處理模塊里內置拉格朗日插值算法，消除圖像的邊緣模糊[10]，語音報警模塊由主控芯片STM32F103RBT6和MXW588分段式語音模塊組成，在語音模塊里存儲了56段語音片段（包括數字和字母信息以及相關車輛歸屬地信息），在STM32F103芯片控制下，與上位機通信，分時播報語音，12864液晶屏主要用來顯示相關信息 （比如測試過程中的提示信息和測量結果等），系統的總體結構框圖如圖4所示。

圖4 系統總體結構框圖

3 測量系統的軟硬件設計

系統的硬件結構較為簡單，在上文中已經給出了較為詳細的介紹，在這里不在累述，主要介紹系統的軟件設計。為了人機交互更為便捷以及便于利用計算機聯網，系統設計了配套的上位機軟件，上位機由labview編寫，協調和控制下位機工作，通過上位機給下位機發送測量指令，下位機開始工作，測量完成后把數據通過通信模塊傳給上位機，上位機收到測量數據后與數據庫進行比對 （為了提高系統的精確性[11]，這里采用測量三次，然后取平均值，并給出一個相對小的誤差區間，只要在這個區間以內，就認為所測車輛合格），并給出比對結果，同時調用顯示子函數和報警子函數，以給出測量結果，上位機程序流程圖如圖5所示。兩個二維激光掃描儀接收到開始測量指令后，開始采集車輛的三維輪廓圖像，并對圖像進行濾波和畸變修正，通過RS485無線通信模塊把圖像數據送到STM32主控模塊，主控模塊對圖像經行進一步處理后（比如二值化和灰度化），通過RS485模塊把數據發送到上位機[12]，系統獲取車輛三維輪廓軟件流程圖如圖6所示，系統的輪廓計算公式以及誤差分析，將在測量試驗中分析。

圖5 上位機程序流程圖

圖6 獲取車輛三維輪廓軟件流程圖

4 測量試驗

為了實際驗證系統的穩定性和精確性，以及系統對不同類型車輛的兼容性是否完善，選擇實際的車輛檢測機構安裝系統[13]，同時選擇不同的車輛在不同的速度下進行測量，以保證實驗驗證的普遍性和真實性，在系統的安裝過程中，由于人為或者地形的因素，誤差難免存在，所以在實際實驗測量時，適當增大合格區間，然后通過軟件進行校正。

系統選擇四種不同類型的車輛，分別為微型車、小型車、中型車、大型車，每輛車連續測量3次，根據國家相關標準，測量時，車輛車速應該低于10km/h，分別計算了4中車型測量數據的相對誤差和標準差，以驗證系統的精確性和穩定性，測量數據記錄表如表一所示，根據相對誤差和標準差可以看出，隨著車型的增大，相對誤差減小[14]，而且標準差相對較小，說明系統穩定性較好。

表1 系統測量試驗記錄表

由于人為和設備總是存在誤差，系統的誤差是不可避免的，誤差主要出現在二維激光掃描儀的機械誤差和由于車輛運動產生的圖像移位誤差，下面詳細介紹。

1）系統的機械誤差分析：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，在實際操作過程中會由于用力過大或者過小而損壞掃描儀精密器件，也會造成一定偏光誤差，而且在根據車輛實際大小自動調整過程中，由于步進電機會產生震動，也會給掃描儀的掃描過程產生干擾，使圖像邊緣變得模糊，這種誤差主要通過軟件補償來減小。

2）車輛運動產生的圖像移位誤差：系統在車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獲取車輛的三維輪廓，其工作原理是通過抓拍運動車輛前后兩次的瞬時圖片，根據車輛與CCD之間的相對位置關系，參照測試場預定的測標線[15]，通過二維激光掃描儀設定的算法，準確得出測試車輛的三維輪廓尺寸，由于CCD的分辨率有限，測量時由于車輛運動使圖像邊緣模糊和分辨率不足會造成檢測誤差，這種誤差主要通過硬件補償減小。

圖7 二維掃描儀安裝示意圖

5 結束語

研發的基于激光掃描技術的車輛外廓尺寸動態測量系統，實現了對一定速度行駛下的車輛外廓進行實時、非接觸、高精度的動態測量，從一定程度上改變了長期以來我國車輛檢測機構采用人工測量導致的效率低下、精度低、受環境影響較大等弊端，同時也順應了國家相關部門最新的國家標準（GB21861-2014國標要求，車輛檢測機構2016年必須使用電子汽車輪廓檢測設備），通過對4種不同車型的車輛進行測量得知，該系統具有實時性強、精度高、受環境影響小等優點，完全滿足國家的相關強制標準。

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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：201605263

王振華（1990—），男，山東泰安人，碩士研究生，中國電子學會會員。研究方向：嵌入式開發與控制。