陳顯龍，陳曉龍

(北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司, 北京 100011)

一、引 言

超限是指公路上的汽車裝載超過了公路的限定值，分為幾何尺寸超限和裝載質(zhì)量超限。即公路上的車輛或其他運輸設(shè)備、裝載物的總質(zhì)量以及整個裝載貨物的車輛的外形尺寸都必須滿足規(guī)定[1]。幾何超限可能會引發(fā)貨車的重心偏移，同時對交通的通暢運行和車輛的安全行駛是一種非常明顯的威脅，超限發(fā)生頻率高，對公路橋梁等設(shè)備也有較大危害[2-4]。國內(nèi)對于車輛長、寬、高的檢測常用方法包括CCD模式識別技術(shù)、激光光幕技術(shù)、激光輪轉(zhuǎn)技術(shù)等，這些測量方式存在測量響應(yīng)時間慢、測試設(shè)備時間不同步、動態(tài)測量誤差大等缺點。本文介紹基于激光雷達的檢測控制系統(tǒng)，主要針對公路載重車輛的幾何尺寸進行精確測量，包括貨運車輛的載貨長度、寬度、高度等，并對同一車輛各種測量數(shù)據(jù)進行時間打包處理，最后根據(jù)相關(guān)規(guī)定判斷車輛是否超限。

二、激光雷達測量的基本原理

激光雷達的工作原理和雷達基本一致，是基于激光測距，通過旋轉(zhuǎn)棱鏡改變激光發(fā)射方向，從而測量某個平面內(nèi)的多個點距離激光雷達的距離值[5]。激光發(fā)射器以一定的頻率發(fā)射激光脈沖，旋轉(zhuǎn)棱鏡也以一定的頻率旋轉(zhuǎn)，此頻率為激光雷達數(shù)據(jù)幀的頻率。激光入射到周圍環(huán)境物體上，引起散射，然后激光接收器接受目標(biāo)表面反射后的信號，與此同時，計時器記錄這個脈沖激光信號從發(fā)射到接受的時間間隔tL[6-7]。這樣，就可以得到激光發(fā)射點到被測物體之間的距離為

R=ctL/2

(1)

式中，c為光速，c=300 000 km/s。

激光雷達中的旋轉(zhuǎn)棱鏡，可以將激光雷達中的脈沖光信號反射到一個較大的范圍，如圖1所示。掃描某一區(qū)域，并根據(jù)區(qū)域內(nèi)各個點與激光雷達的相對位置返回測量值。激光雷達的測量數(shù)據(jù)為極坐標(biāo)形式，返回的為測量物體與激光雷達之間的距離，以及與激光雷達的相對角度ω，如圖2所示，轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)為

(2)

圖1 激光雷達工作原理

圖2 激光雷達極坐標(biāo)圖

三、車輛幾何超限檢測方案設(shè)計

車輛幾何測量系統(tǒng)的功能主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)視功能。

1. 尺度空間的建立和標(biāo)定

在標(biāo)定前，需要給出激光雷達坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換初值[8-9]，兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換可表示為

(3)

由于測量都在二維平面，故Z軸分量為0。

尺度空間主要用于車輛寬高的測量，本系統(tǒng)所選擇的激光雷達掃描角度達270°，可大范圍地檢測。但為確保掃描準確性，消除掃描死角，在測量車輛寬高時，采用每車道兩臺激光雷達測量，每臺掃描儀掃描角度范圍設(shè)定為90°，設(shè)定掃描分辨率為0.5°，即掃描儀每0.5°測量一個目標(biāo)點，則每臺掃描儀共測量181個目標(biāo)點，將其編號，任意選擇該平面的一個點為坐標(biāo)原點，為使數(shù)據(jù)處理簡便，一般將一臺激光雷達的發(fā)射點設(shè)定為坐標(biāo)原點，再將水平方向和豎直方向設(shè)定為X、Y方向。選取合適的方向，選定181個目標(biāo)點，設(shè)定此時目標(biāo)點的測量數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)系下的一個個坐標(biāo)點，即為現(xiàn)場環(huán)境的原始輪廓信息。

2. 車輛寬高測量

每車道使用兩臺激光雷達測量，測量車輛寬高的激光雷達安裝于龍門架兩端，車輛從兩臺激光雷達中間通過，每臺激光雷達都可以測量車輛的一個側(cè)面信息和車頂信息。尺度空間即在龍門架所在平面內(nèi)，當(dāng)待測車輛通過龍門架時，兩臺激光雷達以垂直于車輛行進的方向進行掃描，測距截面即為該垂直平面，最終得到一系列距離信息和角度信息。因為尺度空間已經(jīng)標(biāo)定，當(dāng)有物體進入測量場時，激光雷達高頻快速地測量每一幀測量數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)都是車輛通過時激光掃描點的位置信息，將此信息和尺度空間的標(biāo)定量進行比較，可剔除環(huán)境信息，這樣便可獲取到車輛的被截表面的點云數(shù)據(jù)，進而得到車輛垂直于行駛方向截面的輪廓信息(寬、高)，如圖3所示。以左邊的激光測距儀中心建立直角坐標(biāo)系，將得到的181個掃描點測量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值(x，y)。左側(cè)激光雷達測得的數(shù)據(jù)可以從中獲得X1min和Y1min，同理，右側(cè)激光雷達也同樣能得到X2max和Y2max。則以這組數(shù)據(jù)得到的車輛的寬度W和高度H分別為

W=X2max-X1min

(4)

H=|OA|-min(Y1min,Y2max)

(5)

式中，OA為激光測距儀離地面的垂直距離，為固定值。

通過兩臺激光雷達組合測量，能夠準確地測量出車輛的輪廓信息，并能分辨出車輛重心偏移的情況，無測量死角[9-10]。

圖3 車輛高度和寬度測量示意圖

3. 車長測量

本系統(tǒng)中由一臺激光雷達單獨用于測量車長，系統(tǒng)共安裝了兩個龍門架，用于寬高測量的激光雷達安裝于第一個龍門架，當(dāng)車輛進入測量區(qū)域時，開始測量車輛寬、高，此刻也是開始測量車輛長度的時刻。

測量車輛長度的激光雷達安裝在第二個龍門架上，每車道使用一臺測量，其激光掃描平面平行于車輛行駛方向。當(dāng)?shù)谝粋€龍門架上的激光雷達測量數(shù)據(jù)跳變回到環(huán)境初始數(shù)據(jù)時，表示車輛已通過第一個龍門架，系統(tǒng)給予一個啟動信號，使位于第二個龍門架上的激光雷達立即測量，對車輛進行掃描，并與該激光雷達的初始環(huán)境數(shù)據(jù)信息對比，得到車輛縱向的數(shù)據(jù)信息，如圖4所示。圖中，Lx是車輛長度；通過極坐標(biāo)變換可以從激光雷達的測量數(shù)據(jù)中得到Imin、Imax和相對應(yīng)的θ1、θ2。其中，θ為激光線路與水平面的夾角，θ1為最大角，θ2為最小夾角。則車輛的長度Lx的計算公式可表示為

Lx=Imaxcosθ2-Imincosθ1

(6)

圖4 車輛長度測量示意圖

4. 多種信息數(shù)據(jù)打包處理

檢測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)信息包括攝像頭抓拍的車型、車輛牌照信息、車輛的重量、軸數(shù)、速度等。當(dāng)車輛通過龍門架測量裝置時，由于獲取測量數(shù)據(jù)的時間點不一致，需要對各個設(shè)備在不同時間段的測量數(shù)據(jù)同步打包處理。常用的處理方法為依據(jù)經(jīng)驗值5 s為一個時間段，在5 s內(nèi)，將檢測系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)信息打包成同一輛汽車的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。當(dāng)車輛行駛速度過快時，采用此方法可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)打包錯誤的情況。

本系統(tǒng)采用時間服務(wù)的方式同步，即通過大量的調(diào)試，針對行駛車輛的不同速度可能存在不同的時間差參數(shù)值，測出每個速度段內(nèi)的時間參數(shù)。首先將每個設(shè)備的數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理以及發(fā)送到數(shù)據(jù)庫的時間都加在一起求出時間差，作為各設(shè)備微調(diào)的時間參數(shù)；然后根據(jù)時間參數(shù)微調(diào)達到時間同步；最后將同一車輛的數(shù)據(jù)打包。通過對不同車輛行駛速度范圍的細分測量，能夠得出可靠的時間參數(shù)值，實現(xiàn)了對同一車輛不同測試數(shù)據(jù)的打包處理。

四、車輛幾何尺寸測量控制系統(tǒng)設(shè)計

1. 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

通過對整個系統(tǒng)功能的把握，可以將系統(tǒng)的功能描述為：以激光雷達為直接尺寸測量設(shè)備，以一定的數(shù)據(jù)處理算法處理雷達數(shù)據(jù)，以VC6.0為開發(fā)平臺，以PC機為上位機進行相關(guān)的操作，其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

激光雷達的調(diào)試和參數(shù)設(shè)置一般通過Terminal端口進行，由SOPAS_ET軟件通過以太網(wǎng)和PC機連接?？刂葡到y(tǒng)主要解決的是設(shè)備初始化，電源模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊。設(shè)備初始化主要包括激光雷達以及上位機的參數(shù)設(shè)定；電源模塊主要包括電壓的轉(zhuǎn)換、上電保護；數(shù)據(jù)傳輸模塊主要包括激光雷達與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及其他設(shè)備與上位機及激光雷達的數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

此外，控制系統(tǒng)還解決了屏蔽干擾、信號同步、穩(wěn)定電源的問題，也包含預(yù)警模塊進行車輛超限提示和LED顯示車輛信息功能。

2. 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的運行流程如圖6所示。

1) 車輛進入測量場區(qū)，地感線圈感應(yīng)后，引發(fā)兩個后續(xù)功能：其一是作為開關(guān)信號使其他測量設(shè)備開始工作，其二是測量載重。

2) 車輛進入尺寸測量區(qū)域，由激光雷達測量車輛的長寬高信息，并由固定的數(shù)碼相機對該車輛的車牌進行識別。

3) 對車輛測量結(jié)束后，由系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理整合，判定結(jié)果在后面的LED信息顯示板上顯示，包括車型、車牌、載重、車速以及是否超重，進而引導(dǎo)違規(guī)車輛進入特定區(qū)域接受處理。

4) 整個測量和處理過程由視頻監(jiān)控系統(tǒng)全程拍攝。

圖6 測量工作流程圖

為了提高測量精確度，減少誤判、誤報的發(fā)生，每一幀數(shù)據(jù)都可以得到一組尺寸信息，采用多次測量后，得到多組尺寸信息，利用卡爾曼濾波器剔除隨機干擾[11]，利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)去掉異常測量數(shù)據(jù)后得到最終的測量結(jié)果，最后結(jié)合車輛其他信息，進行最終超限判定。

五、結(jié)束語

筆者基于激光雷達檢測技術(shù)，利用VC6.0開發(fā)軟件，完成了對高速公路行駛過程中汽車的長度、寬度和高度的測量，并判斷是否超限。系統(tǒng)的設(shè)備能夠適應(yīng)惡劣的自然條件，具有很好的穩(wěn)定性。

本測量系統(tǒng)能實現(xiàn)自動測量，并有全程監(jiān)控，不僅結(jié)束了以往原始的測量方式，使誤報、漏報的情況大量減少，提高了工作的可靠性，而且明顯地縮短了作業(yè)時間，保證了交通的順暢，提高了工作人員的工作效率。這套車輛幾何尺寸的檢測系統(tǒng)已經(jīng)成功運用于北京某高速公路，它不僅對車輛的尺寸進行檢測，而且還提供豐富的數(shù)據(jù)信息，包括車型、車牌、車載、車速，這些信息在行業(yè)內(nèi)部共享，有效提高了公路交通的運作效率，且對車輛的安全也是一種保障。

參考文獻：

[1] 何衛(wèi)新.淺談超載超限運輸對公路的危害及其治理[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報，2011, 17(5): 119-120.

[2] 史鴻遠.公路超載超限運輸?shù)奈：εc治理對策淺析[J].黑龍江科技信息，2009(28): 108.

[3] 蘇頌.公路貨運超限超載的治理[J].黑龍江交通科技，2007,30(12):115-116.

[4] 許文卜，馬躍洲，陳明，等.測量光幕在輪胎尺寸檢測中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2010(8):36-40.

[5] 張文會，關(guān)強，孫鳳英，等.公路運輸車輛裝載幾何尺寸超限辨識[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009(4):108-111.

[6] 鄭永超,趙銘軍,張文平,等.激光雷達技術(shù)及其發(fā)展動向[J].紅外與激光工程，2006(23):240-246.

[7] 楊健.相位式激光測距技術(shù)的研究[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究)，2008(23):11-12.

[8] 張文會，關(guān)強，鄧紅星，等.車輛裝載幾何參數(shù)超限識別方法[J].交通運輸工程學(xué)報，2008，8(3)：97-100.

[9] 蘭增榮,胡友健,隆華平,等.LiDAR技術(shù)在公路勘測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報， 2009,6(1):99-104.

[10] 尹圣寶.激光雷達測距新方法研究[D].杭州：浙江大學(xué),2006.

[11] 耿春萍,程度,張治.激光脈沖測距的測距精度及誤差分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2007，22(2):28-31.