车辆外廓尺寸动态测量装置的设计与实现

李源波++宫清华

摘 要 根据国家有关规定，2017年3月前各车辆检测公司必须安装自动车辆轮廓检测仪，取代现在的人工测量方法，目前，对车辆外廓尺寸的检测基本上仍延用过去人工测量方式，没有较好的智能化测量方法。由于人工测量的不确定性以及费时费力不安全等原因，迫切需要一种测量仪器对机动车外廓尺寸进行自动测量，以减少测量工作强度及人为因素的干扰。因此就目前发展局势来看，基于2D激光扫描仪车辆外廓尺寸测量仪系统对于机动车外廓检测具有重要意义。在此基础上，本论文重点介绍了车辆外轮廓尺寸测量系统结构、工作原理、测量方法。

【关键词】2D激光扫描仪 轮廓识别 系统结构 工作原理

1 系统结构介绍

车辆外廓检测系统，具体包括车辆牌照及轮廓测量识别系统。包括具有存储模块的车辆外廓测量仪，扫描车辆的横向轮廓、纵向轮廓和高度后进行存储，以及车牌识别摄像机，包括的摄像镜头和车牌识别控制器，所述车牌识别控制器与所述车辆外廓测量仪连接。在车辆行走状态下识别记录车牌后，经车辆外廓测量仪扫描测量出长宽高进行存储，车辆外廓测量仪连接公安外网，经和公安网上的数据对比后，如果发现有差异可以发出预警信号，结构设计简单，安装更换方便，适于推广应用。

车辆外廓测量仪采用二个激光扫描传感器，对被检测车辆的外廓尺寸进行扫描测量，由工控机储存的运算程序对车辆外廓遮挡激光束的情况进行实时采集，由软件程序自动运算出车辆长、宽、高尺寸，由照相系统拍摄车辆正面、侧面两张照片，并及时存储备查和上传监管库。安装的牌照自动识别系统，对被检车辆号牌进行数据处理运算、准确解读车辆号牌。系统自动将检测出的车辆长、宽、高尺寸等数据整合后，对应于被检测的车辆号牌，进而完成被检车辆外廓尺寸的数据报表、储存、比对、打印等功能。

轮廓仪可动态测量、也可静态测量，实时自动保存测得的数据和车辆照片，照片及车辆外廓尺寸不能人工修改，测量误差不超过±1%或20MM。对法规允许的加宽加高装置，人工测量、修改的全过程记录操作修改日志。仪器适应于室内或室外安装，设备安装在5-6.5米高的龙门架、F杆上，操作简单、容易施工。接口方式具备普通通讯功能，更容易被二次开发应用。

2 系统原理

首先，需要计算扫描仪0度线与真实地面垂线之间的夹角，来获得由于安装过程所产生的误差夹角，然后换算为角度，供直观观察和后续计算用。

然后，我们假设一个方形物体在扫描区域中，在扫描仪发出的所有射线中，针对每条射线矢量，我们把射线的角度和长度构成的矢量数据，通过三角函数运算，变换到平面坐标系下，并把坐标原点设定到扫描仪的中心，假设每条矢量的长度为L，角度为a，则每个矢量的坐标值为：

x=L*sin（a）

y=L*cos（a）

换算到平面坐标数据后，我们会得到一条曲线。获得该物体轮廓曲线后，实际上曲线会存在很多细微波动，我们通过线性拟合，来消除这种细微波动，最终获得满意的平滑曲线，以三次曲线拟合为例，公式如下：

y=p1*x^3+p2*x^2+p3*x+p4

式中，p1、p2、p3、p4为拟合系数。

然后我们对这条曲线进行最高点搜索，即可获得物体的真实高度，计算左边虚拟垂线和右边真实垂线之间的水平距离，即可获得物体的真实宽度。

3 车辆长宽高检测

第一步，由测量矢量，运算获得角度范围内的所有垂直矢量数据。

第二步，由于测量数据存在离散性，故必须对计算所得的所有矢量进行曲线逼近运算，获取逼近曲线，车辆的横向轮廓处理过程与纵向轮廓的处理过程相同。

第三步，得到纵向及横向轮廓后，车辆的长宽高至此已经很容易得到。

从-10度至+80度，每0.25度一个矢量点，共计360点，每次运算360点矢量，才可得到360个垂直矢量点，并据此获得带离散性的轮廓数据，再进行主曲线运算，得到平滑轮廓曲线，在此曲线基础上，进行模式匹配获得长宽高数据，共计四次复杂数学运算才完成此步。扫描仪每秒输出25次数据，预计处理器浮点运算性能不能完成25次长宽高运算，故实际软件处理时，采用缓冲法，一旦监测到有车辆进入区域，即开始缓冲所有数据，并开始让处理器全速进行运算，一旦得到合格的长宽高数据，即停止缓冲及运算过程。

4 三维特征尺寸的测量及三维轮廓的重建

本文的最终目的是通过信号采集和软件的处理来还原出车辆的三维轮廓图形，并进一步得到被测车辆的长、宽、高的特征尺寸，因此要对被测车辆进行多次采样，而每一次采样中，车身高度及宽度尺寸的获取是基础。激光发光器进行线阵排列，从而得到一组平面光源，用此激光来测量车身投影的高度及宽度尺寸。

在测量状态下，当汽车于检测激光所在平面的方向缓缓驶入检测区域时，由于车身将检测信号线遮挡，接受装置的信号将发生变化。

但在实际检测过程中，即使最熟练的驾驶员也不能保证汽车绝对直线行驶，也就是说不能保证车辆行驶方向完全垂直于激光所在的平面，车辆行驶方向会发生一定偏转角，这将对信号的采集及数据的可信度造成一定的影响。

在某一个检查时刻，汽车的行驶方向发生偏斜，此时系统采样得到的车身宽度是Wp，而实际的车身宽度应为Wk，显然Wp>Wk，所以当知道汽车此时的偏斜角度，通过软件的处理便可求得理想采样条件下的车身宽度。为了检测准确，需在检测信号线方面做一下改进，采取办法是设置前后投影激光。同理，当车体偏斜时，由于绝大多数车辆的顶部是由不规则曲面构成，也存在高度的误差同样可以采用这种方法加以修正，只需采用两套测量高度的激光。在论文的实车测试阶段，发现只要被测车辆正常通过检测区域，其偏斜角度均在±5°以内，宽度及高度的测量误差在-5mm～+5mm之间，当车辆行驶的最大偏斜角达到-20°和+20°，最大误差分别-18mm和+18mm，也能够满足GB1589-2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》对测量误差的要求，但±20°的行驶偏斜角在实际的正常检测中是不可能出现的，因此本文采用两套测量激光仪器即可满足要求。

目前基本上都是用于正交投影生成三视图，由三视图重建三维物体的情况，然而实践中遇到的物体通常较为复杂有些很难被分解为一些基本的形体组合这就大大限制了这类算法的应用。另外有时一副三视图对应的形体不止一个，目前有一种3D投影的重建算法称为双目摄像重建算法，它利用两个摄像机在不同的方位拍摄图像在由拍摄到的两张2D图像重建3D物体，这种算法的优点是可用于在自然光照耀下进行成像和重建的情况，缺点是要用两个摄像机而且算法比较复杂。

该物体三维轮廓技术，它是利用投影原理进行物体特征轮廓测量的简化方法，不同于图像处理方法的特点在于直接得到尺寸信息，处理速度快，算法简单，无需图像处理中的立体匹配。对待被物体断面的特征尺寸分别进行测量，然后将上述的结果进行空间合成，进而重建出物体的特征轮廓图形。本文的这种方法更适合对大型物体，其方法易于实现。

5 方案的优点

5.1 环境许可方面

产品适用于室内、室外各种环境安装使用，不需增加用户基础建设成本；整套设备及软件的设计，符合国家标准，测量精度高、实现功能全面，获得技术质量认证许可。

5.2 识别数据上传方面

车辆号牌识别系统采用硬识别，更利于图像数据识别、交换。可以实现检测数据实时上传；无需人为干预，测量数据、车辆照片自动上传监管数据库，保证测量结果客观真实性。

5.3 外廓仪测量

车辆外廓尺寸测量仪，实现了自动化测量，测量过程中可变速、可停车，可以安装在现有的检测车间内，在检测其他项目的同时就可以自动测量出结果，更适应检测站实际情况，减轻劳动强度，测量数据更加准确，误差小于1%。自动化程度高，全自动测量车辆外廓长、宽、高等尺寸，测量过程无需人工干预。

5.4 外廓仪工作效率

工作效率高，速度快，车辆通过后，15秒内即可将测量结果存储、上传、比对，车辆长、宽、高尺寸显示出来，同时将图片、车版号保存起来，方便查询和核准。集成并行算法的软件，运行于多CPU的高性能工业计算机上。自动测量低速行驶（3-7km/h）的汽车外廓尺寸（包括货箱栏板高度）。

5.5 产品结构及后期维护

具有存储模块的车辆外廓测量仪，所述车辆外廓测量仪扫描车辆的横向轮廓、纵向轮廓和高度后进行存储；车牌识别摄像机包括摄像镜头和车牌识别控制器，连接有供电电源和显示屏。设有功能接口和U盘接口。车牌识别控制器与所述车辆外廓测量仪连接。

产品结构简单，用激光测距仪完成全部测量，技术含量高、故障率低、性能稳定，已经安装的3年使用无故障，几乎没有后期维护，采用进口高端激光扫描仪，工业控制机作为系统主机，抗干扰强，雨、雾天气测量结果准确，即可用于室内，也可用于室外。

5.6 外廓仪性能

适应性更为广泛。最大测量高度，根椐设备支架高度不同可达40来，宽度可达20米。实用性强，采用“不停车”通过式检测方式，对驾驶员操作要求低；设备安装不占用场地。测量系统具有明显的先进性、高稳定性和可靠性，具备良好的可扩展性和灵活性，操纵方便，标定及维护方便，有效使用寿命长。

6 总结与展望

目前，汽车检测行业，对于车身尺寸的检测还处于比较落后的阶段，甚至很多检测机构没有完善、灵活的检测设备，很多检测机构对于车辆外形尺寸的检测，依然停留在目视和手工卷尺测量的方式上，因此存在测量时间长、测量准确率低等缺陷，测量效率低，也无法实现在线自动化检测的需要。本文从一个全新的角度来研究和分析车辆外廓尺寸测量的检测方法，对于激光技术在车辆三维轮廓识别中的问题进行了研究，结合计算机技术，开发了2D激光扫描仪的车辆外廓尺寸动态测量装置，使得系统在汽车正常行驶状态下，能够快速测量出车辆的长、宽、高的特征尺寸，并将被测车辆的整体轮廓在计算机中还原输出。

激光扫描技术作为一项正在研究和开发的设备，作出了进一步展望，希望能够在更高的技术支持上做深入研究。在机械结构上检测装置的设计可进一步优化，可从位置上作一些改进，增加激光指示器的密度，降低检测误差，保证检测的精度。依照软件行业的标准来提高软件界面的设计，进一步优化软件使用质量，使软件界面更具人性化。万物没有十全十美，但求尽善尽美，尽管本文做了许多的努力工作，但在个别方面仍有不尽人意之处，这也符合科学不断前进的客观规律，我们也将不断改进技术，深入研究，做到更好。

参考文献

[1]GB 7258-2012《机动车运行安全技术条件》.

[2]GB 21861-2014《机动车安全检测项目和方法》.

[3]GB 1589-2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》.

[4]周小波.一种新型的车辆外廓尺寸检测系统的设计[J].仪表技术与传感器，2014.

[5]程炎星.浅析机动车外廓尺寸动态自动测量装置的应用[J].技术与研发，2013.

[6]李零虎.汽车检测技术发展状况[J].中国机电工业，2003.

作者简介

李源波（1971-），男。现为山东亿通车辆检测有限公司董事长，职称：高级，山东MBA，中国科学技术大学计算机软件工程专业在职研究生。

宫清华（1968-），女，现为山东亿通车辆检测有限公司总经理，职称：高级，中科大计算机软件工程专业在职研究生。

作者单位

山东亿通车辆检测有限公司 山东省潍坊市昌邑市 261300