一种车辆轮廓及轴距自动测量系统的自标定测量算法

摘要

本发明公开一种车辆轮廓及轴距自动测量系统的自标定测量算法，包括以下步骤：步骤1，测量系统数据；步骤2，启动系统，距离测量单元进行测地校正，并获取校正参数传输给综合数据处理单元；步骤3，测量被测车辆并传输数据；计算车辆轮廓和轴距。本发明能够自动测量包括车长、宽、高在内的车辆轮廓以及车辆轴距的数据，既保证测量精度，又提高测量效率。

说明书

技术领域

本发明涉及测量领域，特别是一种车辆轮廓及轴距自动测量系统的自标定测量算法。

背景技术

随着经济的快速发展，我国每年新增机动车数量惊人，为防止部分客货车私自改装车辆尺寸，公安部交通管理局车辆管理处每年都必须对车辆进行外轮廓尺寸检测。当前采用的传统人工测量方法效率较低，人工成本较高，而且受被测车辆的复杂结构影响和受测量工具的制约，测量精度具有较大误差。这就迫切要求采用自动方法和自动装置对车辆外轮廓尺寸进行检测，既保证测量精度，又提高测量效率。

为实现测量车辆尺寸的自动化监测，近年来也有一些自动测量方法和装置，目前从已有的车辆检测方法和装置相关的资料以及相关专利资料查明，当前对车辆尺寸进行检测的测量装置主要包括激光扫描仪、激光雷达、成像装置、光幕传感器阵列等。申请号为201210119598.7的中国专利公开了一种基于光幕的车辆尺寸自动测量系统及其测量方法，该系统需要多个光幕传感器阵列，结构复杂，功耗较大，此外一旦传感器阵列中有传感器损坏，不易检测和后期维修。申请号为201020645084.1的中国专利公布了一种利用激光扫描仪和成像装置的车辆尺寸自动检验测量装置，该装置以成像装置为主，激光扫描仪为辅，成本较高，结构复杂，而且图像易受到复杂背景、光线和阴影的影响，工作不稳定。申请号为201210175516.0的中国专利公开了一种利用激光雷达扫描进行车辆尺寸的测量方法和装置，该方法存在以下缺点：(1)不能检测车辆的轴距；(2)不能去除车辆后视镜对宽度的影响；(3)由于雷达安装位置的限制，在车辆宽度的扫描中存在死角，所测车辆宽度只是车辆上表面宽度，不一定是车辆的最大宽度。(4)该方法无法达到本申请查新项目的精度要求。总之，现有的车辆尺寸自动测量方法和装置成本较高，性能不全，可用性不高。

发明内容

为克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种车辆轮廓及轴距自动测量系统的自标定测量算法。

一种车辆轮廓及轴距自标定测量算法，包括以下步骤：

步骤1，系统启动前，测量近端拱门架的宽度L6和高度L7；

步骤2，启动系统，第二距离测量单元的第二激光雷达和第三距离测量单元的第三激光雷达自动进行测地校正，并获取校正参数传输给综合数据处理单元，综合数据处理单元运算得到第二激光雷达标准角α1和第三激光雷达标准角α2；

步骤3，被测车辆进入检测通道，分别触发轮廓测量控制单元和轴距测量控制单元，轮廓测量控制单元向第一距离测量单元发送信号，轴距测量控制单元向第一距离测量单元发送信号，第一距离测量单元根据触发信号扫描车辆获得车辆的相关参数；第二距离测量单元和第三距离测量单元扫描车辆获得车辆的相关参数；三个距离测量单元将所获得的车辆参数实时传输给综合数据处理单元；

步骤4，车辆驶出检测通道，三个距离测量单元获得的参数传输给综合数据处理单元完毕，综合数据处理单元根据步骤1至步骤3获得的相关参数计算得到车辆轮廓及轴距的数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本技术方案结构简单，由3个距离传感器和2组测量传感器构成，安装位置方便，易于维护；(2)被测车辆只需低速通过检测通道即可，无需停留，车辆完全通过检测通道后即可得出测量结果，整个检测时间不会超过30秒，和人工测量相比，大大节约了人力成本和提高了时间效率；(3)利用安装在不同高度的2个激光雷达实现对不同高度车辆的高和宽的无死角准确测量；(4)利用安装在车头行进正前方的激光雷达精确测量运动中的车辆的轴距；(5)利用直方图原理，基于凸出采样点过滤消除干扰数据，能够在车辆宽度测量过程中，消除反光镜等数据的干扰；(6)测量精度通过误差分析和实验测试，在保证安装精度符合要求的情况下，各个值的测量误差能够控制在1％以内。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明系统总体框架示意图；

图3是车长测量原理图；

图4是车宽车高测量前激光雷达测地校正测量标准角原理图；

图5是车宽车高测量原理图；

图6是轴距测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施方式详细地描述本发明提供的车辆轮廓及轴距自动测量系统及测量方法。应理解，这些实施仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种车辆轮廓及轴距自动测量系统，包括三个距离测量单元、轮廓测量控制单元、轴距测量控制单元、取证单元、综合数据处理单元和检测通道；所述的检测通道由近端拱门架和远端拱门架组成，两个拱门架平行且均垂直于水平面，所述的距离测量单元、轮廓测量控制单元、轴距测量控制单元、取证单元设置于检测通道上；三个距离测量单元分别为第一距离测量单元B1、第二距离测量单元B2和第三距离测量单元B3，所述的轮廓测量控制单元与第一距离测量单元B1连接，轴距测量控制单元与第一距离测量单元B1连接，距离测量单元与综合数据处理单元连接，综合数据处理单元还分别与第二距离测量单元B2和第三距离测量单元B3连接，所述的取证单元监控并记录车辆运行检测的实时状态。

具体地，所述三个距离测量单元分别为第一距离测量单元B1、第二距离测量单元B2和第三距离测量单元B3，所述的第一距离测量单元B1安装在远端拱门架横梁中央，第二距离测量单元B2和第三距离测量单元B3以不同高度安装在近端拱门架的两个立柱上以实现对不同高度车辆的高和宽的无死角准确测量，例如，在实际测量中，测量单元离被测车辆越远精度越低，若第二距离测量单元B2和第三距离测量单元B3位于同样高度，很难同时满足大型车辆和中小型车辆的测量要求，若处于不同高度，则测量中小型车辆时，距离地面较低距离测量单元距被测车辆距离更进，测量的数据较为精确，测量大型车辆时，距离地面较高距离测量单元距离车辆更进，测量的数据较为精确；一般的中小型车辆其车辆高度在1.5米至2米之间，因此距离地面较低的距离测量单元固定与近端拱门架立柱距地面的3米处，而大型车辆的高度一般超过3米，因此距离地面较高的距离测量单元固定与近端拱门架立柱距地面的3.5米处。每个距离测量单元均包括一个激光雷达和一个距离测量前端处理器，所述距离测量前端处理器的数据传输端与激光雷达连接，距离测量前端处理器发射端与综合数据处理单元连接，第一距离测量单元B1的第一距离测量前端处理器接收端与轮廓测量控制单元和轴距测量控制单元连接。其中，所述激光雷达采用单线激光雷达，该雷达一帧发射多条扫描线，当扫描线扫描到障碍物时，激光雷达接收到扫描线反射回的信号可以测量出雷达和障碍物之间该扫描线的长度以及该扫描线与地面法向量(方向向下)的夹角。所述距离测量前端处理器可以为嵌入式开发板镶嵌在激光雷达中或者其他具有计算和收发信号功能的装置，距离测量前端处理器与综合数据处理单元、轮廓测量控制单元和轴距测量控制单元的连接方式可以为无线连接，也可以为有线连接，通过这种安装方式，第一距离测量前端处理器可以将轮廓测量控制单元或轴距测量控制单元的触发信号传输给激光雷达使激光雷达开始或停止扫描以及将激光雷达扫描获得的参数传输给综合数据处理单元进行数据运算。

所述的轮廓测量控制单元包括一组轮廓测量传感器和轮廓测量前端处理器组成，所述轮廓测量传感器由两个光电管组成，一个光电管为第一发送端，另一个光电管为第一接收端，轮廓测量传感器第一发送端位于近端拱门架横梁中央，轮廓测量传感器第一接收端位于轮廓测量传感器第一发送端在水平面上的投影位置，轮廓测量前端处理器数据传输端与轮廓测量传感器第一发送端连接，轮廓测量前端处理器发送端分别与三个距离测量单元的距离测量前端处理器接收端连接。其中，所述轮廓测量前端处理器可以为嵌入式开发板镶嵌在轮廓测量传感器第一发送端中，轮廓测量前端处理器与距离测量单元的距离测量前端处理器接收端的连接方式可以为无线连接，也可以为有线连接，通过这种安装方式，当车辆触发轮廓测量传感器时，轮廓测量前端处理器将信号传递给距离测量单元，控制激光雷达开始或停止扫描车辆。

作为本发明的一种改进，轮廓测量控制单元分别与第二距离测量单元B2和第三距离测量单元B3连接，具体地，第二距离测量单元B2的第二距离测量前端处理器接收端与轮廓测量控制单元连接，第三距离测量单元B3的第三距离测量前端处理器接收端与轮廓测量控制单元连接。这种连接方式可以使第二距离测量单元B2和第三距离测量单元B3的扫描起始于车辆触发轮廓控制单元之时。

轴距测量控制单元包括一组轴距测量传感器和轴距测量前端处理器组成，所述轴距测量传感器由两个光电管组成，一个光电管为第二发送端，另一个光电管为第二接收端，轴距测量传感器第二发送端安装于近端拱门架立柱一侧，轴距测量传感器第二接收端安装于检测通道中间且靠近近端拱门架的位置，所述轴距测量传感器第二接收端和第一距离测量单元B1、轮廓测量传感器组成一个平面，该平面垂直于水平面；所述的轴距测量前端处理器数据传输端与轴距测量传感器第二发送端连接，轴距测量前端处理器发送端与第一距离测量单元的距离测量前端处理器接收端连接。其中，所述轴距测量前端处理器可以为嵌入式开发板镶嵌在轴距测量传感器第一发送端中，轴距测量前端处理器与第一距离测量单元的距离测量前端处理器接收端的连接方式可以为无线连接，也可以为有线连接，通过这种安装方式，当车辆车轮触发轴距测量传感器时，轴距测量前端处理器将信号传递给第一距离测量单元，控制第一激光雷达开始或停止扫描车辆。

所述取证单元由多个摄像机组成，监控并记录车辆运行检测的实时状态，在本发明中取证单元有4个摄像机组成，分别为A1、A2、A3、A4，分别设置于近端拱门架横梁靠近中央位置、远端拱门架靠近中央位置、近端拱门架两个立柱上端。

所述综合数据处理单元一般为具有运算功能的计算机，用来接收各距离测量单元扫描获得的数据并通过程序元算得到车辆轮廓和轴距的精确数值。

一种车辆轮廓及轴距自标定测量算法，测量算法包括以下步骤：

步骤1，系统启动前，测量近端拱门架的宽度L6和高度L7；

步骤2，启动系统，第二距离测量单元B2的第二激光雷达和第三距离测量单元B3的第三激光雷达自动进行测地校正，并获取校正参数传输给综合数据处理单元，综合数据处理单元运算得到第二激光雷达标准角α1和第三激光雷达标准角α2；

步骤3，被测车辆进入检测通道，分别触发轮廓测量控制单元和轴距测量控制单元，轮廓测量控制单元向第一距离测量单元B1发送信号，轴距测量控制单元向第一距离测量单元B1发送信号，第一距离测量单元B1根据触发信号扫描车辆获得车辆的相关参数；第二距离测量单元B2和第三距离测量单元B3扫描车辆获得车辆的相关参数；三个距离测量单元将所获得的车辆参数实时传输给综合数据处理单元；

步骤4，车辆驶出检测通道，三个距离测量单元获得的参数传输给综合数据处理单元完毕，综合数据处理单元根据步骤1至步骤3获得的相关参数计算得到车辆轮廓及轴距的数据。

步骤2中第二激光雷达测地校正得到第二激光雷达标准角α1的具体方法为：首先第二激光雷达发射一帧的扫描线扫描没有被测车辆时的检测通道进行测地校正，将第二激光雷达与地面之间的扫描线的长度及扫描线与水平面法向量(方向向下)的夹角的数据传输给综合数据处理单元；然后综合数据处理单元选取分布于检测通道中心线两侧的两根扫描线及其与水平面法向量(方向向下)的夹角，与水平面法向量(方向向下)的夹角较大的扫描线定义为第二激光雷达基准线M1，另一根为第二激光雷达辅助线M2，M1与水平面法向量夹角(方向向下)定义为β1，M2与水平面法向量夹角(方向向下)定义为β2；然后计算第二激光雷达标准角α1

$>\alpha 1=\arccos \frac{M1-M2·\cos (\beta 1-\beta 2)}{\sqrt{{M1}^2+{M2}^2-2·M1·M2·\cos (\beta 1-\beta 2)}};$>

步骤2中第三激光雷达测地校正得到第三激光雷达标准角α2的具体获取方法为：首先第三激光雷达发射一帧的扫描线扫描没有被测车辆时的检测通道，将第三激光雷达与地面之间的扫描线的长度及扫描线与水平面法向量(方向向下)的夹角的数据传输给综合数据处理单元；然后综合数据处理单元选取分布于检测通道中心线两侧的两根扫描线及其与水平面法向量(方向向下)的夹角，与水平面法向量(方向向下)的夹角较大的扫描线比定义为第三激光雷达基准线M3，另一根为第三激光雷达辅助线M4，M3与水平面法向量(方向向下)夹角定义为β3，M4与水平面法向量(方向向下)夹角定义为β4；然后计算第三激光雷达标准角α2

$>\alpha 2=\arccos \frac{M3-M4·\cos (\beta 3-\beta 4)}{\sqrt{{M3}^2+{M4}^2-2·M3·M4·\cos (\beta 3-\beta 4)}};$>

步骤3中扫描测量车辆包括车辆长度测量、车辆宽度测量、车辆高度测量和车辆轴距测量；

车辆长度测量中被测车辆头部通过测量通道上的近端拱门架，车辆头部触发轮廓测量控制单元，轮廓测量控制单元发出信号给第一距离测量单元B1，第一距离测量单元B1中的第一激光雷达发射一帧的扫描线扫描车辆并获取参数，包括车辆头部触发轮廓测量控制单元时第一距激光雷达与车辆头部之间扫描线的长度D1_h和扫描线与地面的法向量(方向向下)的夹角θ1_h，h的取值范围为车辆头部触发轮廓测量控制单元时第一激光雷达发射一帧的扫描线的数量；当车辆尾部通过测量通道上的近端拱门架，车辆尾部触发轮廓测量控制单元，轮廓测量控制单元发出信号给第一距离测量单元B1，第一距离测量单元B1中的第一激光雷达发射一帧的扫描线扫描车辆并获取参数，包括车辆尾部触发轮廓测量控制单元时第一激光雷达与车辆头部之间扫描线的长度D2_i和扫描线与地面的法向量(方向向下)的夹角θ2_i，i的取值范围为车辆尾部触发轮廓测量控制单元时第一激光雷达发射一帧的扫描线的数量开始扫描车辆并获取参数；

车辆高度和车辆宽度同时进行测量，测量过程中被测车辆进入检测通道的近端拱门架，两侧不同高度的第二距离测量单元B2第二激光雷达发射扫描线和第三距离测量单元B3第三激光雷达发射扫描线扫描到车辆信号，在车尾越过检测通道的近端拱门架时，第二距离测量单元B2和第二距离测量单元B3完成对车辆的扫描，这一过程中获取参数包括：第二激光雷达与车辆之间扫描线的长度D3_(j,k)和第三激光雷达与车辆之间扫描线的长度D4_(m,n)，以及第二激光雷达发射的扫描线与地面的法向量(方向向下)的夹角θ3_(j,k)和第三激光雷达发射的扫描线与地面的法向量(方向向下)的夹角θ4_(m,n)，其中j的取值范围为第二激光雷达发射一帧的扫描线的数量，k的取值范围为第二激光雷达发射的帧数，m的取值范围为第三激光雷达发射一帧的扫描线的数量，n的取值范围为第三激光雷达发射的帧数；

车辆轴距测量中被测车辆第一组车轮通过轴距测量控制单元时，触发轴距测量，轴距测量控制单元发送信号至第一距离测量单元B1，第一距离测量单元B1中的第一激光雷达发射一帧的扫描线扫描车辆并获取参数，包括第一组车轮触发轴距测量控制单元时第一激光雷达与车辆头部之间扫描线的长度D5_x和扫描线与地面的法向量的夹角θ5_x，x的取值范围为车辆第一组车轮触发轴距测量控制单元时第一激光雷达发射一帧的扫描线的数量；此后，对每次车轮的触发信号，第一距离测量单元B1均扫描被测车辆，并获得最后一组车轮通过轴距测量控制单元时的参数，包括最后一组车轮触发轴距测量控制单元时第一激光雷达与车辆头部之间扫描线的长度D6_y和扫描线与地面的法向量(方向向下)的夹角θ6_y，y的取值范围为车辆最后一组车轮触发轴距测量控制单元时第一激光雷达发射一帧的扫描线的数量。

步骤4中综合数据处理单元具体计算过程为：

车长的计算方法：首先综合数据处理单元选取车头触发轮廓测量控制单元时第一距离测量单元B1中第一激光雷达发射一帧的扫描线中水平面投影最短的扫描线，记为D1_min，其与地面法向量(方向向下)夹角记为θ1_min，具体方法为：综合数据处理单元计算第一激光雷达发射的扫描线在水平面投影距离K1_h＝D1_h×sinθ1_h，选取最小的K1_h对应的扫描线记为D1_min；选取车尾触发轮廓测量控制单元时第一距离测量单元B1中第一激光雷达发射一帧的扫描线中水平面投影最短的扫描线，记为D2_min，其与地面法向量夹角(方向向下)记为θ2_min，具体方法为：综合数据处理单元计算第一激光雷达发射的扫描线在水平面投影距离K2_i＝D2_i×sinθ2_i，选取最小的K2_i对应的扫描线记为D2_min；计算车辆长度$>L_l=\sqrt{{{D1}_{\min }}^2+{{D2}_{\min }}^2-2·{D1}_{\min }·{D2}_{\min }·\cos ({\theta 1}_{\min }-{\theta 2}_{\min })};$>

车宽的计算方法：将第二激光雷达测量的D3_(j,k)和θ3_(j,k)用第二激光雷达标准角α1校正获得第二激光雷达发射的每条扫描线在地面上的投影长度

W1_(j,k)＝D3_(j,k)·cos(θ3_(j,k)-β1-α1)；

将第三激光雷达测量的D4_(m,n)和θ4_(m,n)用第三激光雷达标准角α2校正获得第三激光雷达发射的每条扫描线在地面上的投影长度

W2_(m,n)＝D4_(m,n)·cos(θ4_(m,n)-β3-α2)；

然后从W1_(j,k)和W2_(m,n)选取最小值L4＝min{W1_(j,k)}和L5＝min{W2_(m,n)}；最后计算车宽L_w＝L6-L4-L5；

车高的计算方法：根据第二激光雷达标准角α1和第二激光雷达基准线M1计算第二激光雷达距离地面的高度L31＝M1×sinα1，根据第三激光雷达标准角α2和第三激光雷达基准线M3计算第二激光雷达距离地面的高度L32＝M3×sinα2；将第二激光雷达测量的D3_(j,k)和θ3_(j,k)用第二激光雷达标准角α1校正获得第二激光雷达发射的每条扫描线垂直于地面上的投影长度H1＝D3_(j,k)·sin(θ3_(j,k)-β1-α1)，将第三激光雷达测量的D4_(m,n)和θ4_(m,n)用第三激光雷达标准角α2校正获得第二激光雷达发射的每条扫描线垂直于地面上的投影长度H2＝D4_(m,n)·sin(θ4_(m,n)-β3-α2)；计算利用第二激光雷达测量的数据得到的车辆高度L_h1＝L31+H1，计算利用第三激光雷达测量的数据得到的车辆高度L_h2＝L32+H2，从L_h1和L_h2中选取较大的数值作为车辆高度L_h＝max{L_h1,L_h2}；车长的计算方法：首先综合数据处理单元选取第一组车轮触发轴距测量控制单元时第一距离测量单元B1中第一激光雷达发射一帧的扫描线中水平面投影最短的扫描线，记为D5_min，其与水平面法向量夹角记为θ5_min，具体方法为：综合数据处理单元计算第一激光雷达发射的扫描线在水平面投影距离K5_x＝D5_x×sinθ5_x，选取最小的K5_x对应的扫描线记为D5_min；选取最后一组车轮触发轴距测量控制单元时第一距离测量单元B1中第一激光雷达发射一帧的扫描线中水平面投影最短的扫描线，记为D6_min，其与水平面法向量夹角记为θ6_min，具体方法为：综合数据处理单元计算第一激光雷达发射的扫描线在水平面投影距离K6_y＝D6_y×sinθ6_y，选取最小的K6_y对应的扫描线记为D6_min；计算车辆长度$>L_{\mathrm{wb}}=\sqrt{{{D5}_{\min }}^2+{{D6}_{\min }}^2-2·{D5}_{\min }·{D6}_{\min }·\cos ({\theta 5}_{\min }-{\theta 6}_{\min })}.$>