CN107588842B - 一种基于激光扫描的货车驱动轴识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，包括激光扫描模块、控制处理模块、自动开合装置、自动清洁装置等。激光扫描模块预埋在车道中央，当车辆在车道通过时，计重系统触发开合装置开启，激光扫描模块扫描测距并将扫描测试数据传输给控制处理模块，经逻辑控制模拟运算，根据货车驱动轴的形状特征进行对比判断，将车辆驱动轴数量传送给计重模块，自动开合装置关闭。在车辆行驶过程中，控制处理模块能够定位到轮轴部分，驱动轴外形有一个明显凸起用于连接传动轴，经过IIR低通滤波处理后，根据驱动轴波形特点计算驱动轴数。本发明用于动态计费称重的整体系统，设计新颖，便于安装、维护，可用于交通运输部提出的货车驱动轴检测。

Description

一种基于激光扫描的货车驱动轴识别系统

技术领域

本发明属于激光检测技术领域，尤其是涉及一种基于激光扫描的货车驱动轴识别系统。

背景技术

随着我国高速公路的发展，公路货运超载现象仍屡禁不绝。为保障公路设施和人民生命财产安全，加强超限运输车辆行驶公路管理，根据《公路法》《公路安全保护条例》等法律、行政法规，我国交通运输部近期颁布了《超限运输车辆行驶公路管理规定》，该规定指出检测驱动轴个数成为了计重超限的重要衡量指标。由于驱动轴在车辆底部，普通设备很难进行检测。目前，在计重收费中还没有有效识别驱动轴数量的相关设备的研究和应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，所述系统基于激光扫描测距原理，通过扫描采集车辆底部形态测试数据进行计算模拟对比，实现对货车驱动轴识别。

一种基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，包括：激光扫描模块、控制处理模块、自动开合装置和自动清洁装置；其中：

所述激光扫描模块预埋在车道中央，扫描光斑垂直向上或斜向上发射；

所述控制处理模块包括用于处理激光回波的IIR低通滤波器，所述控制处理模块提取轮轴波形并且根据驱动轴波形特征对驱动轴进行判断和计数。

优选的，所述激光扫描模块的发射角度与路面成30-90°夹角，扫描范围为100-150°。

优选的，所述激光扫描模块包括一个或多个激光扫描设备。

优选的，所述自动清洁装置安装于透明外壳窗口外，用于清理窗口污染物；所述自动开合装置安装于透明外壳窗口外，设置有开合缝隙。所述外壳窗口涂镀纳米涂层，所述自动开合装置设置有自动加热装置，用于防水、防尘、防雨和防结霜，保护外壳轮廓为曲面形，并且设置有导水槽。

优选的，所述自动开合装置的开合缝隙的宽度为3-5cm，长度为10-20cm。

优选的，所述控制处理模块根据驱动轴上连接传动轴的凸起部分导致的波形特征区分驱动轴和非驱动轴。

优选的，所述控制处理模块第一步通过IIR低通滤波器对回波进行滤波，公式(1)如下：

其中：z是关于输入信号的z变换，[b,a]为巴特沃斯滤波器系数，由butter函数(2)计算如下：

[b,a]＝butter(n,Wn,’low’) (2)

其中：n为阶数，Wn为截止频率，low为关键字表明低通。

优选的，所述控制处理模块第二步进行极坐标至平面直角坐标的坐标系转换，根据扫描地面和车身的相邻两扫描点的纵坐标变化定位轮轴。

优选的，所述控制处理模块第三步取当前轮轴波形进行特征对比区分驱动轴和非驱动轴。

优选的，所述控制处理模块第三步通过动态斜率极值判断法或高度序列方差比较法区分驱动轴和非驱动轴。

本发明能够很好的解决计重过程中的货车驱动轴数量检测，系统工作可靠、施工方便、便于维护，对外界雨、雪、霜、露恶劣天气环境有很好的适应性。

附图说明

图1是激光测距货车驱动轴识别系统工作示意图。

图2是激光测距货车驱动轴识别系统结构图。

图3是自动开合装置的结构图。

图4是驱动轴非驱动轴形状特征对比图。

图5是激光测距货车驱动轴识别系统工作流程图。

图6是驱动轴非驱动轴波形特征对比图。

图7是激光扫描模块单帧长度和高度波形示意图。

图8是驱动轴判断方法之动态斜率极值判断法流程图。

图9是驱动轴判断方法之高度序列方差比较判断法流程图。

附图标记说明：

1-激光测距货车驱动轴识别系统、2-扫描光幕、3-车辆、4-路面、5-透光保护玻璃板、6-激光测距扫描模块、7-自动清洁装置、8-控制处理模块、9-自动开合装置窗口、10-自动开合装置、11-驱动轴、12-非驱动轴。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的一种基于激光扫描的货车驱动轴识别系统进行详细描述。

一种基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，包括：激光扫描模块、控制处理模块、自动开合装置、自动清洁装置等。激光扫描测距模块预埋在行车道路中央，扫描光斑垂直向上或斜向上发射，发射角度与路面成30-90°夹角，扫描范围为100-150°。

激光扫描模块内部安装有一个或多个激光扫描设备，使用传输装置和控制处理运算模块连接，将采集数据实时传递并进行分析运算。激光扫描测距模块安装在透光保护外壳内部，发光面有透光保护玻璃，并涂镀特殊纳米涂层，该涂层有效防水防尘，不易结雾结霜。窗口安装清理污物的自动控制清理装置，当激光测距仪根据测距检测到窗口污染时，自动清理装置进行窗口清理。激光扫描测距模块安装在称台板或者公路下方，外部安装有自动开合装置，开合装置有3-5cm宽10-20cm长的开合缝隙，无车辆经过时，开合保护装置闭合，当有车辆通过检测时，计重系统传输给激光扫描模块工作信号，开合保护装置打开，并进行扫描测距，控制处理模块接收激光扫描模块数据，根据测试采集数据运算模拟对照驱动轴形状特征库进行对比判断计算出轴数量和驱动轴数量，并传送给动态计费称重系统输出计重结果。开合保护装置保护盖有自动加热功能，防止雪水结冰，在施工中系统配有导水导雨槽。

如图5所示，激光扫描模块预埋在车道中央，当车辆在车道通过时，计重系统触发开合装置开启，激光扫描模块扫描测距并将扫描测试数据传输给控制处理模块，传送数据经逻辑控制模拟运算，根据货车驱动轴的形状特征进行对比判断，将车辆驱动轴数量传送给计重模块，自动开合装置关闭。

货车常见的驱动形式有4*2、6*2、6*4、6*6、8*4等，其中前面数字表示车轮总数，后面数字表示驱动轮数，故8*4指该车共有4轴，其中两轴为驱动轴。如图6所示为6*2载货车底盘俯视和后视的示意图，可以看到驱动轴和非驱动轴外形有显著差别。

在车辆行驶过程中，控制处理模块首先定位到轮轴部分，驱动轴外形有一个明显凸起用于连接传动轴，经过IIR低通滤波处理后，驱动轴波形特点显著，根据波形特点的不同就能够计算驱动轴数，能够显著的区分驱动轴和非驱动轴。如图6所示为典型的驱动轴和非驱动轴的波形比较。

控制处理模块实时处理激光扫描模块采集到的数据，具体过程如下：

步骤一：原始波形的滤波，经过控制处理模块的IIR低通滤波处理，公式(1)如下：

其中：z是关于输入信号的z变换，[b,a]为巴特沃斯滤波器系数，由butter函数(2)计算如下：

[b,a]＝butter(n,Wn,’low’) (2)

其中：n为阶数，Wn为截止频率，low为关键字表明低通。

步骤二：数据处理，坐标系转换，定位轮轴位置。

车辆经过时，激光扫描模块上传测量到的车辆轮廓的极坐标的极半径(ρ₁，ρ₂，ρ₃，……，ρ_n)和对应的极角(θ₁，θ₂，θ₃，……，θ_n)。

通过坐标系的变换将被测点的极坐标转换为平面直角坐标，即：

(x₁＝ρ₁·cosθ₁，y₁＝ρ₁·sinθ₁)，(x₂＝ρ₂·cosθ₂，y₂＝ρ₂·sinθ₂)，(x₃＝ρ₃·cosθ₃，y₃＝ρ₃·sinθ₃)，……，(x_n＝ρ_n·cosθ_n，y_n＝ρ_n·sinθ_n)，由此得到一系列长度序列[x₁,x₂,x₃....x_i]及高度序列[y₁,y₂,y₃....y_i]，长度序列和高度序列反应了车辆底盘横截面的特征，如下图7所示。

一般来说车辆底盘与地面有一定距离，因此，可以根据扫描地面和车身的相邻两扫描点的纵坐标变化，来判断是否是轮轴，如果从地面到车身纵坐标没有发生剧烈变化，可以认为是轮轴，相反认为非轮轴。从而可以精确定位轮轴的位置。

步骤三：轮轴定位后，提取当前波形特征，判断驱动轴。举例以下两种方法可实现。

方法一，动态斜率极值判断法。

寻找极值点，局部计算斜率，判断上升下降趋势，找到极值点。通过极值点的位置、斜率变化程序和阈值来确定是否是驱动轴。驱动轴至少有一个波谷，中间波谷极值大于一定阈值，且斜率变化较缓。如果中间没有波谷，则必定为非驱动轴；如果中间有波谷，但是中间波谷阈值或者斜率变化不符合要求，则也判定为非驱动轴。流程如图8所示。

方法二，高度序列方差比较法。

计算车底盘多点高度方差，通过方差的特点判定驱动轴。流程如图9所示。

具体定义如下：

设一辆车被激光扫描到的帧数为N，第i帧中计算的车高值为Height[i]，最终车高为VelHeight。第i帧中扫描到的车底盘点数为M，第i帧中扫描到的车底盘的第j点的高度信息为MulHeight[i][j]，则车底盘多点高度方差MulCarBodySD的计算公式(3）为：

高度方差反应了车底盘高度方向的平整度，该值越小说明底盘越平整，反之则越不平整。驱动轴外形有一个明显凸起，相对于非驱动轴，平整度较差，通过该值的大小可以判定是否为驱动轴。

此外，还可以加入一些充分条件用来辅助判断，比如结合当前轴数和车型，对于货车一般都是采用发动机前置，后轮驱动的方式，那么第一根轴肯定不会是驱动轴，对于不同的车型，也可以对应的排除掉一些常见情况。

步骤四：判断车辆是否完全经过，经过后向动态称重设备发送轴数和驱动轴信息。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，包括：激光扫描模块、控制处理模块、自动开合装置和自动清洁装置；其特征在于：

所述激光扫描模块预埋在车道中央，扫描光斑垂直向上或斜向上发射；

所述控制处理模块包括用于处理激光回波的IIR低通滤波器，所述控制处理模块提取轮轴波形并且根据驱动轴波形特征对驱动轴进行判断和计数；

所述控制处理模块根据驱动轴上连接传动轴的凸起部分导致的波形特征区分驱动轴和非驱动轴；

根据波形特征区分驱动轴和非驱动轴的方法为动态斜率极值判断法或高度序列方差比较法；

所述的动态斜率极值判断法为：寻找极值点，局部计算斜率，判断上升下降趋势，找到极值点；通过极值点的位置、斜率变化程序和阈值来确定是否是驱动轴；驱动轴至少有一个波谷，中间波谷极值大于一定阈值，且斜率变化较缓；如果中间没有波谷，则必定为非驱动轴；如果中间有波谷，但是中间波谷阈值或者斜率变化不符合要求，则也判定为非驱动轴；

所述的高度序列方差比较法为：设一辆车被激光扫描到的帧数为N，第i帧中计算的车高值为Height[i]，最终车高为VelHeight；第i帧中扫描到的车底盘点数为M，第i帧中扫描到的车底盘的第j点的高度信息为MulHeight[i][j]，则车底盘多点高度方差 的计算公式为：

高度方差反应了车底盘高度方向的平整度，该值越小说明底盘越平整，反之则越不平整；驱动轴外形有一个明显凸起，相对于非驱动轴，平整度较差，通过该值的大小可以判定是否为驱动轴。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，其特征在于：所述激光扫描模块的发射角度与路面成30-90°夹角，扫描范围为100-150°。

3.根据权利要求2所述的基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，其特征在于：所述激光扫描模块包括一个或多个激光扫描设备。

4.根据权利要求1或3所述的基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，其特征在于：所述自动清洁装置安装于透明外壳窗口外，用于清理窗口污染物；所述自动开合装置安装于透明外壳窗口外，设置有开合缝隙；所述外壳窗口涂镀纳米涂层，所述自动开合装置设置有自动加热装置，用于防水、防尘、防雨和防结霜，保护外壳轮廓为曲面形，并且设置有导水槽。

5.根据权利要求4所述的基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，其特征在于：所述自动开合装置的开合缝隙的宽度为3-5cm，长度为10-20cm。

6.根据权利要求1所述的基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，其特征在于：所述控制处理模块第一步通过IIR低通滤波器对回波进行滤波，公式（1）如下：

（1）

其中：z是关于输入信号的z变换，[b,a]为巴特沃斯滤波器系数，由butter函数（2）计算如下：

[b,a] = butter(n,Wn,’low’) （2）

其中：n为阶数，Wn为截止频率，low为关键字表明低通。

7.根据权利要求6所述的基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，其特征在于：所述控制处理模块第二步进行极坐标至平面直角坐标的坐标系转换，根据扫描地面和车身的相邻两扫描点的纵坐标变化定位轮轴。

8.根据权利要求7所述的基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，其特征在于：所述控制处理模块第三步取当前轮轴波形进行特征对比区分驱动轴和非驱动轴。

9.根据权利要求8所述的基于激光扫描的货车驱动轴识别系统，其特征在于：所述控制处理模块第三步通过动态斜率极值判断法或高度序列方差比较法区分驱动轴和非驱动轴。