魏漢明，趙 靚

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

近年，隨著高速公路交通運(yùn)輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，運(yùn)輸車輛中大型貨運(yùn)車輛、帶掛汽車、集裝箱運(yùn)輸車的數(shù)量和比重持續(xù)增長(zhǎng)[1]。運(yùn)輸車輛的軸載重量對(duì)路面是一種重復(fù)性的疲勞作用，標(biāo)準(zhǔn)軸載重量下不會(huì)發(fā)生對(duì)路面的結(jié)構(gòu)性破壞，一旦在超限車輛的作用下，就會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞，造成路面網(wǎng)裂、變形、松散和坑槽等病狀。超限超載運(yùn)輸車輛通常都是一些改裝拼裝車輛，大量的超載運(yùn)輸車輛長(zhǎng)時(shí)間處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，使車輛的制動(dòng)和操作安全性能降低。大量事實(shí)也已經(jīng)表明，高速公路上頻頻發(fā)生的交通事故都與不合格車輛上路密切相關(guān)[2]。

超限運(yùn)輸危害巨大，嚴(yán)重破壞了公路基礎(chǔ)設(shè)施，縮短了公路的使用壽命[3]。遏制不合規(guī)車輛上路的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地測(cè)量出車輛輪廓的實(shí)際尺寸，通過對(duì)動(dòng)態(tài)車輛輪廓測(cè)量技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛輪廓的準(zhǔn)確檢測(cè)，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值[4]。在傳統(tǒng)測(cè)量工作中，治超管理員需人工進(jìn)行車輛長(zhǎng)寬高的測(cè)量以及疏導(dǎo)和管理路面交通等工作，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，測(cè)量工作困難重重?；诒炯夹g(shù)開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)，憑借其良好的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性以及非接觸式等突出優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、在線檢測(cè)等功能，提高了測(cè)量工作的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化程度，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究在硬件方面利用脈沖激光測(cè)距技術(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量車輛寬高尺寸，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛輪廓不停車檢測(cè)，提高測(cè)量精度。在軟件方面，重點(diǎn)利用多元回歸算法的技術(shù)方法處理得到的基本數(shù)據(jù)。基于以上方法理論研究，形成動(dòng)態(tài)車輛輪廓測(cè)量系統(tǒng)，提高動(dòng)態(tài)車輛檢測(cè)工作的自動(dòng)化程度。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)：首先通過脈沖式激光測(cè)距技術(shù)完成對(duì)前端動(dòng)態(tài)通行車輛數(shù)據(jù)采集，利用以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧焦た貦C(jī)中處理數(shù)據(jù)。計(jì)算出的數(shù)據(jù)通過外部顯示設(shè)備進(jìn)行展示。

圖1 車輛綜合檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程：通過硬件測(cè)量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，軟件處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終的數(shù)據(jù)流輸出到用戶界面或由二次開發(fā)軟件調(diào)用，構(gòu)成對(duì)數(shù)據(jù)流由產(chǎn)生、處理、展示的完整閉環(huán)管理。

圖2 車輛綜合檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 技術(shù)關(guān)鍵

2.1 脈沖式激光測(cè)距技術(shù)

脈沖式激光系統(tǒng)近年的發(fā)展越來越迅速，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，逐步應(yīng)用到無人機(jī)、航空、建筑等領(lǐng)域[5]。隨著數(shù)字信號(hào)處理方法的不斷發(fā)展與完善給激光測(cè)距領(lǐng)域也帶來了新的發(fā)展思路。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，激光測(cè)距距離是物體行進(jìn)的速度與時(shí)間的乘積，如公式(1)所示：

(1)

其中D表示被測(cè)目標(biāo)與測(cè)距系統(tǒng)相距多遠(yuǎn)；c表示光速，通常c=3.0*108m/s；Δt為光傳播所需時(shí)間，在t1時(shí)刻發(fā)射激光，在t2時(shí)刻收到激光，即Δt=t2-t1。

圖3 脈沖測(cè)距原理圖

激光測(cè)距主要難點(diǎn)在于得到發(fā)送光信號(hào)時(shí)間與接收到光信號(hào)時(shí)間的差值Δt，發(fā)出激光信號(hào)的時(shí)間t1是確定的，關(guān)鍵在于找到反射回來的激光脈沖信號(hào)，確定接收回波脈沖信號(hào)的t2時(shí)刻。

脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量時(shí)間的原理是在發(fā)射激光脈沖信號(hào)的同時(shí)，觸發(fā)定時(shí)器工作，接收到回波瞬間終止定時(shí)器，此時(shí)可以從定時(shí)器的讀出個(gè)數(shù)M，計(jì)數(shù)脈沖的頻率為T0。

由脈沖計(jì)數(shù)法原理可以得出信號(hào)傳輸時(shí)間Δt：

(2)

通常發(fā)射脈沖信號(hào)之后到觸發(fā)計(jì)數(shù)脈沖會(huì)有一定的延時(shí)t1，接收到回波前也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，記作t2。可以看出時(shí)間的測(cè)量是存在系統(tǒng)誤差的，如公式(3)所示。脈沖計(jì)數(shù)示意圖如圖4所示。

(3)

圖4 脈沖計(jì)數(shù)實(shí)際情況

減小原理誤差的方法有多種，一種方法為提高計(jì)數(shù)脈沖的頻率，頻率越高則時(shí)間分辨率越高，即時(shí)間誤差越小。另一種方法為通過選取高性能的芯片減小執(zhí)行發(fā)射脈沖和觸發(fā)計(jì)數(shù)脈沖指令的周期，減小發(fā)射脈沖和觸發(fā)計(jì)數(shù)脈沖之間的延遲，同樣可以減少時(shí)間誤差。激光測(cè)距是通過激光的往返時(shí)間來測(cè)定距離，具有峰值功率高、檢測(cè)速度快、重復(fù)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 多元線性回歸分析法

多元線性回歸分析是利用多個(gè)自變量與因變量存在線性關(guān)系并進(jìn)行的回歸分析。設(shè)y為因變量，X1，X2，…Xk為自變量，則多元線性回歸模型為Y=b0+b1x1+…bkxk+e，其中，b0為常數(shù)項(xiàng)，X1，X2，…Xk為回歸系數(shù)；b1為X1，X2，…Xk固定時(shí)，X1每增加一個(gè)單位對(duì)y的效應(yīng)，即X1對(duì)y的偏回歸系數(shù)，同理b2為X1，X2，…Xk固定時(shí)，X2每增加一個(gè)單位對(duì)y的效應(yīng)，即X2對(duì)y的偏回歸系數(shù)[6]。

多元性回歸模型的參數(shù)計(jì)算，是在誤差平方和(Σe)為最小的情況下，用最小二乘法求解參數(shù)。以二線性回歸模型為例，求解回歸參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方程組如以下公式：

(4)

(5)

b=(x1x)-1·(x1y)

(6)

計(jì)算車輛長(zhǎng)寬高涉及到3個(gè)變量，采用多元回歸算法進(jìn)行處理。將采集到的數(shù)據(jù)樣本通過以上算法進(jìn)行處理，建立車輛輪廓模型。通過多次回波檢測(cè)的方法有效減少激光傳感器主控震蕩頻率提供調(diào)制頻率帶來的漂移誤差和測(cè)量誤差。

3 總結(jié)信息

系統(tǒng)運(yùn)行可選用無人值守模式。設(shè)備正常工作后，動(dòng)態(tài)車輛輪廓測(cè)量系統(tǒng)會(huì)自啟動(dòng)并完成初始化檢查工作，隨后進(jìn)入自動(dòng)測(cè)量狀態(tài)。當(dāng)有車輛通過檢測(cè)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟動(dòng)態(tài)車輛尺寸檢測(cè)并記錄測(cè)量時(shí)間，當(dāng)結(jié)束測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將相關(guān)數(shù)據(jù)通過接口傳輸至外部展示設(shè)備進(jìn)行展示。如圖5所示為現(xiàn)場(chǎng)外接顯示屏顯示數(shù)據(jù)。

圖5 外接顯示屏數(shù)據(jù)展示

4 結(jié)論

本文對(duì)一種動(dòng)態(tài)車輛輪廓測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了較詳細(xì)的論述。主要通過脈沖式激光測(cè)距技術(shù)、多元線性回歸分析算法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)車輛輪廓信息的采集處理，提高車輛通過卡口處采集信息的精確度，提升了車輛通行效率、保障通行安全。