高精度要求的車輛外廓尺寸智能檢測系統設計

施山菁，丁 斌

（南通市計量檢定測試所，江蘇 南通 226011）

0 引言

各類私自改裝超限超載車輛非法上路導致的重大道路交通事故頻發，引起了社會和有關部門的高度重視。2017年3月1日，《機動車安全技術檢驗項目和方法》（GB21861-2014）規定重中型貨車等部分車型進行檢驗時，要求增加“外廓尺寸自動測量”等新檢驗項目[1]。自此，車輛外廓尺寸自動測量與檢驗成為各相關科研機構、企業和高校的研究熱點[2-4]。

車輛外廓尺寸測量模式大致可分為人工檢測和自動化檢測。傳統的人工為主的檢測需要耗費大量人力且效率低。自動化檢測設備集成化程度高、操作效率高，大大降低了勞動強度，能夠滿足當代社會便捷化、智能化和現代化的需求。自動化檢測方案目前分為三種：三坐標測量機、基于數字圖像處理的測量技術和基于激光的測量技術[5]。大型三坐標測量機一般價格高昂；基于數字圖像處理的測量設備大部分對其內部算法與CPU 處理器等依賴程度較高[6,7]；而大多數基于激光測量技術的系統在保持一定測量精度的同時成本較低，故其可推廣性更強、應用程度更高[8,9]。

本文設計了基于STM32 的車輛外廓尺寸測量系統全面感知設備，結合了有人物聯網旗下的導軌式4G 路由器、多組SK12 紅外測距模塊和相關測量裝置配件，構建了一套車輛多維度外廓尺寸智能檢測系統，多方面地提高了實地車輛測距過程中設備集成化、工作智能化和操作舒適化程度。

1 智能檢測系統基本框架

車輛多維度外廓尺寸智能檢測系統如圖1所示。采用多維激光智能傳感器模塊與4G 無線實時傳輸網絡構建車輛外廓尺寸測量系統全面感知設備；采用智能數據安全傳輸協議完成感知設備與終端智能平臺的安全可信數據交互；終端智能平臺實現現場感知模塊實時管理計量數據可視化展示、計量數據的可追溯存儲等功能。

圖1 車輛外廓尺寸智能檢測系統基本框架

2 智能檢測系統工作流程

整個系統在4G 網絡下，首先由測量長、寬、高的SK12紅外測距模塊組成的多維度傳感模塊完成數據采集部分，再通過UART 方式上傳給主控模塊，主控模塊內部節點相互完成數據通信后對數據進行進一步的處理與分析，隨后上傳給有人服務云，同時完成與終端服務器的實時數據傳輸和智能平臺的數據顯示，從而判斷駛入車輛外廓尺寸是否合格。圖2 為車輛外廓尺寸智能檢測系統的實際工作流程。

圖2 車輛外廓尺寸智能檢測系統工作流程

3 智能檢測系統硬件設計

3.1 紅外測距傳感器模塊

本設計中的紅外測距傳感器模塊為SK12 測距模組，該模組利用單點TOF （Time of Flight）技術，采用850 nm LED光源，可實現0.2～18 m 中短距離測量；在數據傳輸中，該設備可支持I2C 和UART 通信，便于系統中自組網絡的搭建與實現；在數據處理方面，該模塊搭載了850 nm 的窄帶濾波片，可結合主控模塊中的卡爾曼濾波算法，得到極低的測量噪聲。圖3 為多維度傳感器模塊工作狀態示意圖，將其分別裝在對應的物理配件上測量駛入車輛的長、寬和高。其中圖3（a）為單個模組收發光線范圍，下半部分中黑色為模組接收部分，灰色為模組LED 發射光斑；圖3（b）為校準裝置結構，測量裝置主要由地軌、載物臺、可調式三腳架、伸縮式萬向調節桿組成，其中地軌沿檢測車道鋪設；載物臺置于地軌，由電機驅動前進，模擬車輛行走狀態；可調式三腳架包括中軸、連接閥以及角支架，中軸的下端面固定安裝有掛鉤，中軸的外壁靠近下端面處設置有連接閥與載物臺連接。

圖3 多維度傳感器模塊工作狀態示意圖

3.2 主控模塊

主控模塊采用的核心板為STM32F103，其主頻為72 MHz，具有低功耗、高性能、低成本以及開發使用方便等優勢[10]。STM32F1 系列單片機相比于STM32F3 系列雖然處理速度相對較慢、內存較小，但是對于本文設計的車輛多維度外廓尺寸智能檢測系統，STM32F3 系列單片機能夠滿足其所需要的內存和芯片處理速度，且其成本相對較低，利于成品開發。

STM32F103RCT6 作為中央處理器，分別與多維度傳感模塊進行UART 通信，形成多個智能傳感節點，并與通信模塊形成自組網進行實時數據交互。STM32 和SK12 測距模組接口連接方式如圖4所示。

圖4 STM32 和SK12 測距模組接口連接方式

3.3 4G 無線通信

本設計方案中4G 通信模塊主要是有人旗下的USRDR801，該模組采用業內商業級高性能嵌入式CPU，通過進行4G 網絡接入，可支持100 Kb/s 的數據傳輸速率，其具體功能框圖如圖4所示。該模塊提供有人云服務，可支持數據上報至私有的有人云服務器地址，具有一定的安全性和可靠性，同時終端界面可查詢網絡狀態、心跳包上報參數。模組工作通過“AT+WKMOD=NET”設置為網絡透傳模式，并且向服務器發送注冊包。注冊包讓服務器能夠識別數據來源設備，并且獲取服務器功能授權的密碼。注冊包功能示意圖如圖5所示。智能采集終端連接服務器成功后，選擇ICCID 碼作為注冊包發送到服務器；同時向服務器發送數據時，在數據前增加注冊包后再發送到服務器端。

圖5 注冊包功能示意圖

4 智能檢測系統軟件設計

本設計通過STM32 核心板，進行云平臺與多維度傳感模塊的信息讀取、交互；在經過硬件系統IO 初始化后，SK12 測距模組讀取數據，經過中值濾波法和動態卡爾曼濾波算法提高系統信噪比；最后通過4G 網絡上傳到云端監測。圖6 為智能檢測系統中設計的軟件程序。

圖6 智能檢測系統軟件程序設計

4.1 動態卡爾曼濾波算法

主控模塊中采用卡爾曼理論的濾波方式，能在不損失系統精度的情況下顯著降低噪聲。動態卡爾曼的算法流程如圖7所示，其中過程噪聲協方差q由終端產品決定，且本算法流程中設定q=2，k為卡爾曼增益系數，它改變濾波器的靈敏度，設定范圍為0～1。

圖7 動態卡爾曼理論濾波算法流程

4.2 終端頁面設計

本系統服務器終端頁面在使用有人監控大屏的基礎上，還通過JAVA 腳本編寫并實現動態實時顯示紅外測距模塊采集車輛尺寸的頁面，如圖8所示。圖9 為終端顯示頁面，用來展示當前所測車輛是否滿足合格尺寸標準。同時，該頁面可顯示所測車輛型號、日合格率以及周測距范圍動態曲線。

圖8 激光測試數據

圖9 終端智能平臺頁面顯示

5 結語

為確保車輛外廓尺寸測量儀量值的準確可靠，本文設計并實現了一種基于STM32 高精度要求的車輛外廓尺寸智能檢測系統。在實際車輛外廓尺寸檢測應用中，該方法為提高測量分類準確性、豐富數據交互動態性提供了一種新的方案，其應用可以推廣至汽車制造廠、車輛管理所、汽車檢測站等場所，市場前景廣闊。