CN109828282A - 一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统及方法。此基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统及方法，通过扫描频率为60Hz的激光雷达及可见光反射式光电开关对提高了车辆外廓参数的测量精度，检测过程中车辆无需停车，减少了检测所需时间，提高了检测效率，检测结果通过图片及PDF报表的方式展示，增强了检测结果的可读性及可信度，检测结果数据上传至服务器保存，提高了检测结果数据的安全性。

Description

一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统及方法

本发明属于车辆外廓自动检测领域，具体是一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统及方法。

背景技术

当前，部分车辆车主为达到超载运输、获取高额利润的目的，会对其车辆进行多种多样的非法改装与加装，为此有关部门需要对超限的各种车辆外廓尺寸进行检测。目前大多数车辆检测机构已依据GB1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》新国标的要求，采用了基于光幕的车辆外廓尺寸自动测量系统对车辆外廓尺寸进行精确测量。

当前涉及车辆外廓尺寸自动检测系统有：发明专利(申请号：201610595422.7，名称：车辆外廓尺寸光幕测量装置及方法)利用光幕测量车辆的外廓尺寸；发明专利(申请号：201610248454.X，名称：一种光幕式汽车外廓尺寸检测装置)利用光幕测量车辆的外廓尺寸；发明专利(申请号：201310306743.7，名称：一种运动车辆的外廓尺寸快速自动检测装置)使用检测场地两侧的激光光幕对来粗略估计车辆的外廓尺寸；发明专利(申请号：200920202124.2，名称：一种车辆外廓尺寸动态自动测量装置)使用红外光幕传感器和一线红外定位开关来对车辆的外廓尺寸进行精确测量；发明专利(申请号：201610595421.2，名称：车辆外廓尺寸测量装置及方法)使用光幕及测距仪实现宽度，长度和高度以及外廓的测量；周小波,朱勇(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(4):102-105)使用基于激光光幕、超声波传感器等设备对车辆的外廓尺寸进行测量；阮展逸(汽车外廓尺寸红外光幕全自动测量方法研究[J].计量与测试技术,2017,44(1):99-100)采用光幕测量方法对汽车外廓尺寸进行全自动测量；彭玉华,孙朝伟,成秉军等(基于CAN总线的红外光幕式车辆外廓尺寸自动测量仪研发[J].汽车技术,2018(3):60-62)提出一种基于CAN总线的红外光幕式机动车外廓尺寸自动测量技术，实现了对车辆外廓尺寸快速、精确的自动测量。张文会,关强,孙凤英等(公路运输车辆装载几何尺寸超限辨识[J].东北林业大学学报,2009,37(4):108-111)应用激光扫描测距传感器获取通过车辆外廓各点数据得到车辆高度和宽度，应用光幕和光电开关测量车辆长度；李东兴(车辆外廓尺寸检测系统设计[D].石家庄铁道大学,2014)利用投影测量原理，通过光幕传感器构造立体平行光源,通过检测车辆对平行光束的遮挡来测量车辆外廓尺寸。

这些系统主要存在的不足如下：

1)绝大多数车辆检测站测量车辆外廓的场地都为开放或半开放环境，受气温、湿度、扬尘及其他各种天气因素影响，光幕传感器较容易损坏，光幕传感器的维修过程较为复杂，成本也相对较高。

2)从光幕法测量车辆外廓的原理可知，其测量出的车辆长度参数有不小的几率会存在较大误差，这就会导致需要复检或手工测量，降低了检测站的检测效率，也浪费了宝贵的时间。

综上所述，基于光幕法测量车辆外廓尺寸并非是绝大多数车辆检测机构的最佳选择。

发明内容

为了克服光幕法测量车辆外廓尺寸现有技术上的不足，本发明提出一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统及方法。

本发明的技术方案在于：

一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统，由硬件模块和软件模块构成，其特征在于：所述硬件模块由三只激光雷达、四对光电开关、三只串口服务器、模数信号网口转换器、交换机、上位机和三只激光雷达安装柱构成；三只激光雷达分别称为左激光雷达、右激光雷达和前激光雷达，三只激光雷达安装柱分别称为左激光雷达安装柱、右激光雷达安装柱和前激光雷达安装柱，左激光雷达、右激光雷达和前激光雷达分别安装在左激光雷达安装柱、右激光雷达安装柱和前激光雷达安装柱上；三只激光雷达通过串口线分别与三只串口服务器连接，三只串口服务器均采用网线与交换机连接；采用四对光电开关分别称为第1对光电开关、第2对光电开关、第3对光电开关和第4对光电开关，光电开关对安装在检测车道两侧，并与模数信号网口转换器采用串口线连接，模数信号网口转换器与交换机采用网线连接；交换机与上位机采用网线连接；所述软件模块包括服务器数据管理软件及上位机数据采集及分析软件，上位机数据采集及分析软件将检测结果上传至服务器数据管理软件存储，上位机数据采集及分析软件内置于上位机内。

所述的一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统，其特征在于：所述的激光雷达安装高度为4800-5300mm，激光雷达的扫描频率为60Hz。

所述的一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统，其特征在于：所述的四对光电开关为反射式光电开关，发射光种类为可见光，每对光电开关之间的安装距离为4500-4800mm。

所述的一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统，其特征在于：所述的上位机数据采集及分析软件的功能包括检测环境基本参数配置、合法加载项参数配置、联网及单机数据读取、车辆扫描轮廓实时显示、车辆外廓尺寸测量、车辆轮廓视图绘制、检测结果PDF报表生成和检测结果联网上传。

一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)判断车辆是否进入检测区域，具体为：从左、右激光雷达传感器获取每一时刻对应的左、右雷达点云数据帧，记t时刻左雷达点云数据帧为LP_t＝{(X_i,Y_i)|i＝0,1,...,d-1}，d为每帧数据帧中包含的坐标点数目；记t时刻右雷达点云数据帧为RP_t＝{(X_i,Y_i)|i＝0,1,...,d-1}，d也为每帧数据帧中包含的坐标点数目；设置Y轴方向阈值记为h₀并过滤坐标点，将LP_t与RP_t中满足Y_i＜h₀的点去除；统一坐标系后合并LP_t与RP_t记为P_t，即P_t＝LP_t∪RP_t；找出P_t中X坐标最小值记为x_min，X坐标最大值记为x_max；则检测区域中物体位于左、右激光雷达扫描平面处的宽度记为w_t，w_t＝x_max-x_min；当w_t大于阈值w₀，即w_t＞w₀时，则判断车辆进入检测区域；判断车辆进入检测区域后，上位机数据采集及分析软件开始记录通过左、右激光雷达采集到的点云数据；

2)判断车辆是否离开检测区域，具体为：与判断车辆是否进入外廓尺寸检测区域方法相似，若w_t从w_t＞w₀变为w_t＜w₀，则判断车辆从检测区域中驶离；判断车辆从检测区域中驶离后，系统不再记录左、右激光雷达传来的点云数据；

3)车辆长度的计算，具体为：当车辆离开检测区域的那一刻，收集此时前激光雷达传来的一帧点云数据，并换算出这一帧点云数据中每个点的坐标值，然后在该帧点云数据中寻找X轴坐标值最小的点，设此点的X轴坐标值大小为s，前激光雷达传感器与左、右激光雷达扫描平面的水平距离记为L，则车辆长度L_Car的计算公式为：

L_Car＝L-s (1)；

4)车辆宽度和高度的计算，具体为：当车辆离开检测区域时，系统已记录了检测开始时刻到结束时刻这一时间段中的所有左、右激光雷达传来的点云数据集，将这些点云数据经过坐标转换，得到在统一坐标系下的点云数据集，并计算所有这些点云数据中最大的X坐标值为x_max，最小的X坐标值为x_min，则车辆宽度W的计算如公式(2)所示；计算出所有这些点云数据中最大的Y坐标值即为车辆的高度；

W＝x_max-x_min (2)；

5)车辆轮轴距离的测量，具体为：通过光电开关组测量数据可计算得到的车辆平均速度，与车辆驶过一个轴距路程所需的平均时间则车辆轴距l的计算如公式(3)所示；

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本发明的有益效果如下：

本发明的一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统，通过扫描频率为60Hz的激光雷达及可见光反射式光电开关对提高了车辆外廓参数的测量精度，检测过程中车辆无需停车，减少了检测所需时间，提高了检测效率，检测结果通过图片及PDF报表的方式展示，增强了检测结果的可读性及可信度，检测结果数据上传至服务器保存，提高了检测结果数据的安全性。本发明测量精度高，实用性强，成本低，具有很好的实用价值及推广前景。

附图说明

图1为本发明主视图；

图2为本发明右视图；

图3为本发明俯视图；

图中：1-右激光雷达，2-左激光雷达，3-前激光雷达，4-前激光雷达安装柱，5-左激光雷达安装柱，6-右激光雷达安装柱，7-地面，8-检测车道中轴线，9-光电开关对1发射端，10-光电开关对1接收端，11-光电开关对2发射端，12-光电开关对2接收端，13-光电开关对3发射端，14-光电开关对3接收端，15-光电开关对4发射端，16-光电开关对4接收端，17-第1只串口服务器，18-交换机，19-模数信号网口转换器，20-第2只串口服务器，21-第3只串口服务器，22-上位机。

具体实施方式

下面结合实施例来详细阐述本发明的一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统的技术方案实现。

本系统组成包括激光雷达传感器,分别有左激光雷达、右激光雷达、前激光雷达。所述的左激光雷达与右激光雷达设置在车辆检测通道进口横梁的左上角与右上角,前激光雷达设置在车辆检测通道出口横梁的正中间位置。本系统设备安装及连接示意图如图1-3所示。左、右、前激光雷达传感器产生的数据都通过以太网交换机转换成TCP/IP协议数据传递给上位机。上位机根据接收到的三份点云数据分别价算出被检车辆的长度参数，宽度参数，高度参数。

一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测方法如下：

1)判断车辆是否进入检测区域，具体为：从左、右激光雷达传感器获取每一时刻对应的左、右雷达点云数据帧，记t时刻左雷达点云数据帧为LP_t＝{(X_i,Y_i)|i＝0,1,...,d-1}，d为每帧数据帧中包含的坐标点数目；记t时刻右雷达点云数据帧为RP_t＝{(X_i,Y_i)|i＝0,1,...,d-1}，d也为每帧数据帧中包含的坐标点数目；设置Y轴方向阈值记为h₀并过滤坐标点，将LP_t与RP_t中满足Y_i＜h₀的点去除；统一坐标系后合并LP_t与RP_t记为P_t，即P_t＝LP_t∪RP_t。找出P_t中X坐标最小值记为x_min，X坐标最大值记为x_max；则检测区域中物体位于左、右激光雷达扫描平面处的宽度记为w_t，w_t＝x_max-x_min；当w_t大于阈值w₀，即w_t＞w₀时，则判断车辆进入检测区域；判断车辆进入检测区域后，上位机数据采集及分析软件开始记录通过左、右激光雷达采集到的点云数据；

2)判断车辆是否离开检测区域，具体为：与判断车辆是否进入外廓尺寸检测区域方法较为类似，若w_t从w_t＞w₀变为w_t＜w₀，则判断车辆从检测区域中驶离；判断车辆从检测区域中驶离后，系统不再记录左、右激光雷达传来的点云数据；

3)车辆长度的计算，具体为：当车辆离开检测区域的那一刻，收集此时前激光雷达传来的一帧点云数据，并换算出这一帧点云数据中每个点的坐标值，然后在该帧点云数据中寻找X轴坐标值最小的点，设此点的X轴坐标值大小为s，前激光雷达传感器与左、右激光雷达扫描平面的水平距离记为L，则车辆长度L_Car的计算公式为：

L_Car＝L-s (1)；

4)车辆宽度和高度的计算，具体为：当车辆离开检测区域时，系统已记录了检测开始时刻到结束时刻这一时间段中的所有左、右激光雷达传来的点云数据集，将这些点云数据经过坐标转换，得到在统一坐标系下的点云数据集，并计算所有这些点云数据中最大的X坐标值为x_max，最小的X坐标值为x_min，则车辆宽度W的计算如公式(2)所示；计算出所有这些点云数据中最大的Y坐标值即为车辆的高度；

W＝x_max-x_min (2)；

5)车辆轮轴距离的测量，具体为：通过光电开关组测量数据可计算得到的车辆平均速度，与车辆驶过一个轴距路程所需的平均时间则车辆轴距l的计算如公式(3)所示；

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本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统，由硬件模块和软件模块构成，其特征在于：所述硬件模块由三只激光雷达、四对光电开关、三只串口服务器、模数信号网口转换器、交换机、上位机和三只激光雷达安装柱构成；三只激光雷达分别称为左激光雷达、右激光雷达和前激光雷达，三只激光雷达安装柱分别称为左激光雷达安装柱、右激光雷达安装柱和前激光雷达安装柱，左激光雷达、右激光雷达和前激光雷达分别安装在左激光雷达安装柱、右激光雷达安装柱和前激光雷达安装柱上；三只激光雷达通过串口线分别与三只串口服务器连接，三只串口服务器均采用网线与交换机连接；采用四对光电开关分别称为第1对光电开关、第2对光电开关、第3对光电开关和第4对光电开关，光电开关对安装在检测车道两侧，并与模数信号网口转换器采用串口线连接，模数信号网口转换器与交换机采用网线连接；交换机与上位机采用网线连接；所述软件模块包括服务器数据管理软件及上位机数据采集及分析软件，上位机数据采集及分析软件将检测结果上传至服务器数据管理软件存储，上位机数据采集及分析软件内置于上位机内。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统，其特征在于：所述的激光雷达安装高度为4800-5300mm，激光雷达的扫描频率为60Hz。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统，其特征在于：所述的四对光电开关为反射式光电开关，发射光种类为可见光，每对光电开关之间的安装距离为4500-4800mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测系统，其特征在于：所述的上位机数据采集及分析软件的功能包括检测环境基本参数配置、合法加载项参数配置、联网及单机数据读取、车辆扫描轮廓实时显示、车辆外廓尺寸测量、车辆轮廓视图绘制、检测结果PDF报表生成和检测结果联网上传。

5.一种基于激光雷达的车辆外廓尺寸自动检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)判断车辆是否进入检测区域，具体为：从左、右激光雷达传感器获取每一时刻对应的左、右雷达点云数据帧，记t时刻左雷达点云数据帧为LP_t＝{(X_i,Y_i)|i＝0,1,...,d-1}，d为每帧数据帧中包含的坐标点数目；记t时刻右雷达点云数据帧为RP_t＝{(X_i,Y_i)|i＝0,1,...,d-1}，d也为每帧数据帧中包含的坐标点数目；设置Y轴方向阈值记为h₀并过滤坐标点，将LP_t与RP_t中满足Y_i＜h₀的点去除；统一坐标系后合并LP_t与RP_t记为P_t，即P_t＝LP_t∪RP_t；找出P_t中X坐标最小值记为x_min，X坐标最大值记为x_max；则检测区域中物体位于左、右激光雷达扫描平面处的宽度记为w_t，w_t＝x_max-x_min；当w_t大于阈值w₀，即w_t＞w₀时，则判断车辆进入检测区域；判断车辆进入检测区域后，上位机数据采集及分析软件开始记录通过左、右激光雷达采集到的点云数据；

2)判断车辆是否离开检测区域，具体为：与判断车辆是否进入外廓尺寸检测区域方法相似，若w_t从w_t＞w₀变为w_t＜w₀，则判断车辆从检测区域中驶离；判断车辆从检测区域中驶离后，系统不再记录左、右激光雷达传来的点云数据；

3)车辆长度的计算，具体为：当车辆离开检测区域的那一刻，收集此时前激光雷达传来的一帧点云数据，并换算出这一帧点云数据中每个点的坐标值，然后在该帧点云数据中寻找X轴坐标值最小的点，设此点的X轴坐标值大小为s，前激光雷达传感器与左、右激光雷达扫描平面的水平距离记为L，则车辆长度L_Car的计算公式为：

L_Car＝L-s (1)；

4)车辆宽度和高度的计算，具体为：当车辆离开检测区域时，系统已记录了检测开始时刻到结束时刻这一时间段中的所有左、右激光雷达传来的点云数据集，将这些点云数据经过坐标转换，得到在统一坐标系下的点云数据集，并计算所有这些点云数据中最大的X坐标值为x_max，最小的X坐标值为x_min，则车辆宽度W的计算如公式(2)所示；

W＝x_max-x_min； (2)

计算出所有这些点云数据中最大的Y坐标值即为车辆的高度；

5)车辆轮轴距离的测量，具体为：通过光电开关组测量数据可计算得到的车辆平均速度与车辆驶过一个轴距路程所需的平均时间则车辆轴距l的计算如公式(3)所示；

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