CN108732583A - 基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置及方法。所述检测装置包括数据处理装置、信号收发装置、激光测距仪、光束接收装置、图像采集装置和光学透镜；所述激光测距仪安装在待检测车辆的尾部，随着待检测车辆一起向前运动，实时测量车辆与光束接收装置之间的距离，并转换为车辆行驶的实时速度，所述的图像采集装置通过光学透镜与光束接收装置连接，可以高速采集光束接收装置上的激光光束图像，并实时标定光束图像在平面位置的信息，从而实时得出待检测车辆左右摆动的幅度，然后通过信号收发装置将速度和摆幅信息发送到数据处理装置，提供车辆行驶状态的准确表征。
Description
技术领域
本发明专利涉及激光检测技术领域，尤其涉及一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置及方法。
背景技术
在车辆性能的检测领域，车辆碰撞试验是评估车辆安全性能指标最常见的一种试验方法。为了充分评测车辆碰撞试验效果，需要对车辆碰撞前的各种状态进行仔细设定和测试，如检测车辆行驶的速度、车辆左右摆动的幅度等。
目前对行驶车辆的运动状态进行检测的方法主要分为两大类：一是外部检测法，包括红外、超声、视频等技术；二是内部检测法，包括轮速传感、加速度传感、GPS测速等技术。张辉等人(一种基于摄像头拍摄时间差的车辆速度检测方法及装置，专利号：CN201710130104.8)通过将摄像头固定安装在车辆上，车辆运动时，摄像头间隔时间t分别对路面进行两次拍摄，对获得的图像进行分析计算，得到车辆运动的速度；张融融等人(利用加速度传感器检测车辆运动状态的方法和装置，专利号：CN201210470401.4)通过加速度传感器检测车辆加速度值，并在预设时间内进行加速度值统计分析，当统计信息与预设模型匹配时，即可得到车辆运行状态；潘盛辉等人(车辆运动状态检测装置，专利号：CN201220562484.5)利用MEMS惯性传感器电路模块和轮速传感器接口电路模块对车辆运动信息进行收集，由ARM微处理器模块进行融合处理，输出车辆的运动状态参数。这些技术方案都是应用于交通运输中车辆的运动速度和方向检测，然而专门针对车辆碰撞试验过程中车辆左右摆动的幅度和运动速度的综合参量实时检测，还没有较好的解决方案，因而在一定程度上影响了碰撞试验结果的准确性。
激光测距技术是以激光器作为光源进行测距，由于激光具有单色性好、方向性强、能量高等特点，激光测距仪广泛应用于光学测距、三维成像、无人驾驶等领域。根据激光器工作方式，激光测距仪可分为连续输出状态相位式激光测距和脉冲式激光测距。
发明内容
为了解决当前车辆碰撞试验过程中对行驶汽车摆动、速度等综合参量检测的难题，本发明专利提出了一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置及方法，该检测方法将激光测距仪与光束成像技术相结合，可以碰撞试验过程中车辆左右摆动幅度和速度的实时检测问题，并具有测量精度高、实时性好的优点
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案为：所述一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置，包括数据处理装置、信号收发装置、安装在待测车辆上的激光测距仪、固定设置在行驶道路上的光束接收装置和固定于光束接收装置后方的图像采集装置，在图像采集装置与光束接收装置之间设有光学透镜；所述激光测距仪、光束接收装置和图像采集装置三者的光学轴心在同一直线上，其激光测距仪发射的激光光束垂直照射到光束接受装置的光学屏上，且激光光束照射在光束接受装置光学屏上的激光光束图像在光学屏的平面坐标轴上的初始坐标为原点；所述图像采集装置和激光测距仪通过信号收发装置与数据处理装置通讯连接。
本发明较优的技术方案：所述检测装置还包括设置在待测车辆前方的试验碰撞墙，所述激光测距仪、光束接收装置、图像采集装置与试验碰撞墙在同一直线上。
本发明较优的技术方案：所述光束接收装置包括光阑、镜筒支架和与所述激光测距仪激光波长相匹配的光学屏，在光束接收装置的光学屏上设有平面坐标轴；所述光束接受装置的光阑选用可调孔径光阑，并通过调节光阑限制所述光束接收装置的视场范围；所述光束接受装置的镜筒支架选用高精度三维调节支架，通过调节镜筒支架使得所述光束接收装置的光学屏垂直于道路路面。
本发明较优的技术方案：所述激光测距仪通过固定装置安装在待测车辆的尾部，其固定装置包含三维调节支架和安装底座，所述固定装置的三维调节支架用于调整所述激光测距仪发射的激光光束的方向，激光测距仪安装在三维调节支架上，并通过安装底座安装在车辆尾部。
本发明较优的技术方案：所述数据处理装置为工控机或计算机。
本发明提供的一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测方法，其特征在于使用权利要求1至4中任意一项所述的检测装置进行检测，包括具体步骤如下：
(1)将激光测距仪固定安装在待检测车辆的尾部，其激光光束发射方向与待检测车辆行驶方向相反；
(2)将光束接收装置固定于行驶道路上，与待检测车辆的初始距离为S0，其光学屏垂直于道路路面；
(3)将图像采集装置固定于光束接收装置后方，并在图像采集装置与光束接收装置之间安装有光学透镜，调整激光测距仪、光束接收装置以及图像采集装置三者光学轴心在一条直线上，使激光光束平行于道路路面，垂直照射到光束接收装置上，且激光光束照射在光束接收装置光学屏上形成的激光光束图像的初始坐标位于光学屏的平面坐标轴原点(0，0)处；
(4)当待检测车辆向前行驶时，通过激光测距仪每间隔时间t(通常为ms量级)发射一次脉冲激光光束F0、F1、F2……Fn-1、Fn，并接收由光束接收装置反射的脉冲激光光束R0、R1、R2……Rn-1、Rn，记录每次发射与接收脉冲激光光束时间差t0、t1、t2……tn-1、tn(通常为ns量级)，第n次发射与接收脉冲激光时，待测车辆的行驶时间为n*t，并按照公式①计算出待测车辆向前行驶时间n*t时，待检测车辆与光束接收装置的距离为Sn：
并按照公式②计算出此时待检测车辆的行驶速度vn：
公式①和公式②中，tn、tn-1远小于t：
c为光速；
tn为第n次激光发射与接收脉冲激光光束时间差；
tn-1为第n-1次激光发射与接收脉冲激光光束时间差
t为激光测距仪发射脉冲激光光速的间隔时间；
Sn为待测车辆向前行驶时间n*t时，待检测车辆与光束接收装置的距离；
Sn-1为待测车辆向前行驶时间n-1*t时，待检测车辆与光束接收装置的距离；
(5)同时，设定激光测距仪与图像采集装置时间同步，激光光束照射到光束接收装置上，形成的激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的坐标位置被图像采集装置实时采集，其坐标位置序列为(0，0)、(x1，y1)、(x2，y2)……(xn-1，yn-1)、(xn，yn)，并根据运动距离、间隔时间与运动速度之间的关系，当待检测车辆向前行驶时间为n*t时，按照公式③计算出待检测车辆的平面摆动速度μn,并按照公式④计算出待检测车辆的平面摆动角度θ：
上述公式③和④中：
xn待检测车辆向前行驶时间为n*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的横向坐标；
yn待检测车辆向前行驶时间为n*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的纵向坐标；
xn-1待检测车辆向前行驶时间为n-1*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的横向坐标；
yn-1待检测车辆向前行驶时间为n-1*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的纵向坐标；
t为激光测距仪发射脉冲激光光速的间隔时间。
本发明中的激光测距仪安装在待检测车辆的尾部，随着待检测车辆一起向前运动，实时测量车辆与光束接收装置之间的距离，并转换为车辆行驶的实时速度，通过信号收发装置向数据处理装置发送车辆运动速度的信息；所述的光束接收装置用于接收激光测距仪发出的激光光束，并实时记录光束图像在平面上的坐标位置；所述的图像采集装置通过光学透镜与光束接收装置连接，可以高速采集光束接收装置上的激光光束图像，并实时标定光束图像在平面位置的信息，从而实时得出待检测车辆左右摆动的幅度，然后通过信号收发装置向数据处理装置发送车辆摆动幅度的信息；所述的信号收发装置可以实现激光测距仪、图像采集装置以及其他拓扑设备与数据处理装置之间的通信连接，其通信连接方式可采用有线或无线或混合方式；所述的数据处理装置通过信号收发装置向激光测距仪和图像采集装置发送控制命令，以及处理信号收发装置上传的待检测车辆在行驶过程中的摆动和速度信息，并通过计算机显示和存储这些信息，为车辆碰撞试验评估提供参考。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述的装置及方法，通过将激光测距技术和光束成像技术相结合，有效地对车辆的向前行驶速度和左右摆动幅度进行测量，解决了车辆碰撞试验过程中的某些重要参数获取的技术难题；
(2)本发明可以充分利用激光测距技术的高精度和光束成像技术的高分辨率，实现对检测车辆的向前行驶速度和左右摆动幅度进行高精度实时测量，提供车辆行驶状态的准确表征。
附图说明
图1本发明的原理结构图；
图2是本发明中脉冲时序图；
图3是本发明中激光光束图像坐标采集图。
图中：1—激光测距仪，11—激光光束，12—激光测距仪固定装置，2—光束接收装置，21—激光光束图像，22—平面坐标轴，3—图像采集装置；31—光学透镜，4—信号收发装置，5—数据处理装置，6—待检测车辆，7—试验碰撞墙。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加容易理解，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种基于激光测距成像的车辆摆动和速度的检测装置，如图1所示，包括激光测距仪1、光束接收装置2、图像采集装置3、信号收发装置4、数据处理装置5、待检测车辆6、试验碰撞墙7。所述激光测距仪1、光束接收装置2和图像采集装置3三者的光学轴心在同一直线上，其激光测距仪1发射的激光光束11垂直照射到光束接受装置2的光学屏上，且激光光束11照射在光束接受装置2光学屏上的激光光束图像21在光学屏的平面坐标轴2-2上的初始坐标为原点。
如图1所示，所述的激光测距仪1通过激光测距仪固定装置12安装固定在待检测车辆6的尾部，其固定装置7包含三维调节支架和安装底座，所述固定装置7的三维调节支架用于调整所述激光测距仪1发射的激光光束11的方向，激光测距仪1安装在三维调节支架上，并通过安装底座安装在车辆尾部，随着待检测车辆6一起向前运动，实时测量待检测车辆6与光束接收装置2之间的距离，并转换为待检测车辆6行驶速度，通过信号收发装置4向数据处理装置5发送待检测车辆6运动速度的信息。
如图1所示，所述光束接收装置2包括光阑、镜筒支架和与所述激光测距仪1激光波长相匹配的光学屏，在光束接收装置2的光学屏上设有平面坐标轴2-2，光束接收装置2用于接收激光测距仪1发出的激光光束11，并实时记录激光光束图像21在平面坐标轴22上的坐标位置；所述光束接受装置2的光阑选用可调孔径光阑，并通过调节光阑限制所述光束接收装置2的视场范围；所述光束接受装置2的镜筒支架选用高精度三维调节支架，通过调节镜筒支架使得所述光束接收装置2的光学屏垂直于道路路面。
如图1所示，在图像采集装置3与光束接收装置2的光学屏之间设有光学透镜31，所述的图像采集装置3通过光学透镜31与光束接收装置2进行光学连接，可以高速采集光束接收装置2上的激光光束图像21，并实时标定激光光束图像21在平面坐标轴22上的位置信息，从而实时得出待检测车辆6左右摆动的幅度，然后通过信号收发装置4向数据处理装置5发送待检测车辆6左右摆动幅度的信息。
本发明中信号收发装置4可以实现激光测距仪1、图像采集装置3以及其他拓扑设备与数据处理装置5之间的通信连接，其通信连接方式可采用有线或无线或混合方式；所述的数据处理装置5通过信号收发装置4向激光测距仪1和图像采集装置3发送控制命令，以及处理信号收发装置4上传的待检测车辆6在行驶过程中的摆动和速度信息，并通过计算机显示和存储这些信息，为车辆碰撞试验评估提供参考。
作为本发明的一个实施例，激光测距仪1选用905nm近红外激光作为激光光源，并采用脉冲式激光测距原理、无线信号传输方式，以实现高速测量待检测车辆6的行驶速度；光束接收装置2选用905nm近红外激光可吸收的光学屏幕；图像采集装置3选用近红外高速CCD摄像机，光束接收装置2中的激光光束图像21经过光学透镜31聚焦到CCD摄像机镜头内，实时记录激光光束图像21在平面坐标轴22上的坐标位置，从而测量待检测车辆6的左右摆动信息；激光测距仪1与信号收发装置4之间采用无线网络通信连接方式，图像采集装置3与信号收发装置4之间采用有线网络通信连接方式。
当待检测车辆6向试验碰撞墙7行驶时，激光测距仪1高速采集待检测车辆6与光束接收装置2之间的距离以及运动时间，通过运动转换关系即可得到待检测车辆6的行驶速度，同时激光测距仪1发出的激光光束11照射到光束接收装置2上，激光光束图像21在平面坐标轴22上的坐标位置及时间被图像采集装置3实时采集，同样通过运动转换关系可得到待检测车辆6在平面位置上摆动信息，其具体检测过程如下：
(1)将激光测距仪1通过激光测距仪固定装置12安装固定在待检测车辆6的尾部，其激光光束11发射方向与待检测车辆6行驶方向相反；
(2)将光束接收装置2固定于正对试验碰撞墙7的待测车辆行驶道路上，光束接受装置2与待检测车辆6的初始距离为S0，其光学屏垂直于道路路面；将图像采集装置3固定于光束接收装置2后面，通过光学透镜31与光束接收装置2进行光学连接；
(3)调整激光测距仪1、光束接收装置2以及图像采集装置3三者光学轴心在一条直线上，使激光光束11平行于道路路面，垂直照射到光束接收装置2上，且激光光束图像21在平面坐标轴22上的初始坐标位置为原点(0，0)；
(4)当待检测车辆6向前行驶时，激光测距仪1每间隔时间t(间隔时间t通常为ms量级)发射一次脉冲激光光束F0、F1、F2……Fn-1、Fn，并接收由光束接收装置2反射的脉冲激光光束R0、R1、R2……Rn-1、Rn，记录每次发射与接收脉冲激光光束时间差t0、t1、t2……tn-1、tn(时间差tn通常为ns量级)，脉冲时序图如图2所示；
(5)第n次发射与接收脉冲激光时，待测车辆的行驶时间为n*t，采用“光速－时间”飞行原理，当待检测车辆6向前行驶时间为n*t时，并按照公式①计算出待检测车辆与光束接收装置的距离为Sn：
并按照公式②计算出此时待检测车辆的行驶速度vn：
公式①和公式②中，tn、tn-1远小于t：
c为光速；
tn为第n次激光发射与接收脉冲激光光束时间差；
tn-1为第n-1次激光发射与接收脉冲激光光束时间差
t为激光测距仪发射脉冲激光光速的间隔时间；
Sn为待测车辆向前行驶时间n*t时，待检测车辆与光束接收装置的距离；
Sn-1为待测车辆向前行驶时间n-1*t时，待检测车辆与光束接收装置的距离；
(6)同时，设定激光测距仪1与图像采集装置3时钟同步，激光光束11照射到光束接收装置2上，形成的激光光束图像21在平面坐标轴22上的坐标位置被图像采集装置3实时采集，其坐标位置序列为(0，0)、(x1，y1)、(x2，y2)……(xn-1，yn-1)、(xn，yn)，如图3所示；
(7)根据运动距离、间隔时间与运动速度之间的关系，当待检测车辆向前行驶时间为n*t时，按照公式③计算出待检测车辆的平面摆动速度μn,并按照公式④计算出待检测车辆的平面摆动角度θ：
上述公式③和④中：
xn待检测车辆向前行驶时间为n*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的横向坐标；
yn待检测车辆向前行驶时间为n*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的纵向坐标；
xn-1待检测车辆向前行驶时间为n-1*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的横向坐标；
yn-1待检测车辆向前行驶时间为n-1*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的纵向坐标；
t为激光测距仪发射脉冲激光光速的间隔时间。
通过上述方法可以实现对检测车辆的向前行驶速度和左右摆动幅度进行高精度实时测量，并通过数据处理中心将测量的数据输出，提供车辆行驶状态的准确表征，为车辆碰撞试验评估提供参考。
在本发明技术方案的描述中，需要说明的是，如出现术语“前后”、“左右”、“正反”等，其指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
综上所述，本发明列举了的一个实施例，但本发明不仅限于上述实施例，只要以任何相同或相似的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置，其特征在于：该检测装置包括数据处理装置(5)、信号收发装置(4)、安装在待测车辆(6)上的激光测距仪(1)、固定设置在行驶道路上的光束接收装置(2)和固定于光束接收装置(2)后方的图像采集装置(3)，在图像采集装置(3)与光束接收装置(2)之间设有光学透镜(31)；所述激光测距仪(1)、光束接收装置(2)和图像采集装置(3)三者的光学轴心在同一直线上，其激光测距仪(1)发射的激光光束(11)垂直照射到光束接受装置(2)的光学屏上，且激光光束(11)照射在光束接受装置(2)光学屏上的激光光束图像(21)在光学屏的平面坐标轴(22)上的初始坐标为原点；所述图像采集装置(3)和激光测距仪(1)通过信号收发装置(4)与数据处理装置(5)通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括设置在待测车辆(6)前方的试验碰撞墙(7)，所述激光测距仪(1)、光束接收装置(2)、图像采集装置(3)与试验碰撞墙(7)在同一直线上。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置，其特征在于：所述光束接收装置(2)包括光阑、镜筒支架和与所述激光测距仪(1)激光波长相匹配的光学屏，在光束接收装置(2)的光学屏上设有平面坐标轴(22)；所述光束接受装置(2)的光阑选用可调孔径光阑，并通过调节光阑限制所述光束接收装置(2)的视场范围；所述光束接受装置(2)的镜筒支架选用高精度三维调节支架，通过调节镜筒支架使得所述光束接收装置(2)的光学屏垂直于道路路面。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置，其特征在于：所述激光测距仪(1)通过固定装置(7)安装在待测车辆(6)的尾部，其固定装置(7)包括安装底座和固定在安装底座上的三维调节支架，所述激光测距仪(1)安装在三维调节支架上，并通过安装底座安装在车辆尾部，在三维调节支架的作用下调整激光测距仪(1)发射的激光光束(11)的方向。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测装置，其特征在于：所述数据处理装置(5)为工控机或计算机。
6.一种基于激光测距成像的车辆速度和摆动幅度的检测方法，其特征在于使用权利要求1至4中任意一项所述的检测装置进行检测，包括具体步骤如下：
(1)将激光测距仪固定安装在待检测车辆的尾部，其激光光束发射方向与待检测车辆行驶方向相反；
(2)将光束接收装置固定于行驶道路上，与待检测车辆的初始距离为S0，其光学屏垂直于道路路面；
(3)将图像采集装置固定于光束接收装置后方，并在图像采集装置与光束接收装置之间安装有光学透镜，调整激光测距仪、光束接收装置以及图像采集装置三者光学轴心在一条直线上，使激光光束平行于道路路面，垂直照射到光束接收装置上，且激光光束照射在光束接收装置光学屏上形成的激光光束图像的初始坐标位于光学屏的平面坐标轴原点(0，0)处；
(4)当待检测车辆向前行驶时，通过激光测距仪每间隔时间t发射一次脉冲激光光束F0、F1、F2……Fn-1、Fn，并接收由光束接收装置反射的脉冲激光光束R0、R1、R2……Rn-1、Rn，记录每次发射与接收脉冲激光光束时间差t0、t1、t2……tn-1、tn，第n次发射与接收脉冲激光时，待测车辆的行驶时间为n*t，并按照公式①计算出待测车辆向前行驶时间n*t时，待检测车辆与光束接收装置的距离为Sn：
并按照公式②计算出此时待检测车辆的行驶速度vn：
公式①和公式②中，tn、tn-1远小于t：
c为光速；
tn为第n次激光发射与接收脉冲激光光束时间差；
tn-1为第n-1次激光发射与接收脉冲激光光束时间差
t为激光测距仪发射脉冲激光光速的间隔时间；
Sn为待测车辆向前行驶时间n*t时，待检测车辆与光束接收装置的距离；
Sn-1为待测车辆向前行驶时间n-1*t时，待检测车辆与光束接收装置的距离；
(5)同时，设定激光测距仪与图像采集装置时间同步，激光光束照射到光束接收装置上，形成的激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的坐标位置被图像采集装置实时采集，其坐标位置序列为(0，0)、(x1，y1)、(x2，y2)……(xn-1，yn-1)、(xn，yn)，并根据运动距离、间隔时间与运动速度之间的关系，当待检测车辆向前行驶时间为n*t时，按照公式③计算出待检测车辆的平面摆动速度μn,并按照公式④计算出待检测车辆的平面摆动角度θ：
上述公式③和④中：
xn待检测车辆向前行驶时间为n*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的横向坐标；
yn待检测车辆向前行驶时间为n*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的纵向坐标；
xn-1待检测车辆向前行驶时间为n-1*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的横向坐标；
yn-1待检测车辆向前行驶时间为n-1*t时激光光束图像在光学屏平面坐标轴上的纵向坐标；
t为激光测距仪发射脉冲激光光速的间隔时间。
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