魏漢明，趙 靚

(山西省信息產業(yè)技術研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

近年，隨著高速公路交通運輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，運輸車輛中大型貨運車輛、帶掛汽車、集裝箱運輸車的數(shù)量和比重持續(xù)增長[1]。運輸車輛的軸載重量對路面是一種重復性的疲勞作用，標準軸載重量下不會發(fā)生對路面的結構性破壞，一旦在超限車輛的作用下，就會發(fā)生結構性的破壞，造成路面網(wǎng)裂、變形、松散和坑槽等病狀。超限超載運輸車輛通常都是一些改裝拼裝車輛，大量的超載運輸車輛長時間處于超負荷運轉狀態(tài)，使車輛的制動和操作安全性能降低。大量事實也已經(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[2]。

超限運輸危害巨大，嚴重破壞了公路基礎設施，縮短了公路的使用壽命[3]。遏制不合規(guī)車輛上路的關鍵是準確地測量出車輛輪廓的實際尺寸，通過對動態(tài)車輛輪廓測量技術研究，實現(xiàn)對車輛輪廓的準確檢測，具有很強的實用價值[4]。在傳統(tǒng)測量工作中，治超管理員需人工進行車輛長寬高的測量以及疏導和管理路面交通等工作，勞動強度非常大，測量工作困難重重?；诒炯夹g開發(fā)的測量系統(tǒng)，憑借其良好的準確性、實時性以及非接觸式等突出優(yōu)勢實現(xiàn)自動測量、在線檢測等功能，提高了測量工作的準確性和自動化程度，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)結構設計

本研究在硬件方面利用脈沖激光測距技術，準確測量車輛寬高尺寸，實現(xiàn)對車輛輪廓不停車檢測，提高測量精度。在軟件方面，重點利用多元回歸算法的技術方法處理得到的基本數(shù)據(jù)?；谝陨戏椒ɡ碚撗芯?，形成動態(tài)車輛輪廓測量系統(tǒng)，提高動態(tài)車輛檢測工作的自動化程度。

系統(tǒng)總體結構：首先通過脈沖式激光測距技術完成對前端動態(tài)通行車輛數(shù)據(jù)采集，利用以太網(wǎng)協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧焦た貦C中處理數(shù)據(jù)。計算出的數(shù)據(jù)通過外部顯示設備進行展示。

圖1 車輛綜合檢測系統(tǒng)結構示意圖

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程：通過硬件測量模塊進行數(shù)據(jù)采集，軟件處理模塊進行數(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)軟件調用，構成對數(shù)據(jù)流由產生、處理、展示的完整閉環(huán)管理。

圖2 車輛綜合檢測系統(tǒng)結構示意圖

2 技術關鍵

2.1 脈沖式激光測距技術

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

在實際的工程應用中，激光測距距離是物體行進的速度與時間的乘積，如公式(1)所示：

(1)

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

圖3 脈沖測距原理圖

激光測距主要難點在于得到發(fā)送光信號時間與接收到光信號時間的差值Δt，發(fā)出激光信號的時間t1是確定的，關鍵在于找到反射回來的激光脈沖信號，確定接收回波脈沖信號的t2時刻。

脈沖計數(shù)測量時間的原理是在發(fā)射激光脈沖信號的同時，觸發(fā)定時器工作，接收到回波瞬間終止定時器，此時可以從定時器的讀出個數(shù)M，計數(shù)脈沖的頻率為T0。

由脈沖計數(shù)法原理可以得出信號傳輸時間Δt：

(2)

通常發(fā)射脈沖信號之后到觸發(fā)計數(shù)脈沖會有一定的延時t1，接收到回波前也會產生測量誤差，記作t2。可以看出時間的測量是存在系統(tǒng)誤差的，如公式(3)所示。脈沖計數(shù)示意圖如圖4所示。

(3)

圖4 脈沖計數(shù)實際情況

減小原理誤差的方法有多種，一種方法為提高計數(shù)脈沖的頻率，頻率越高則時間分辨率越高，即時間誤差越小。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)計數(shù)脈沖指令的周期，減小發(fā)射脈沖和觸發(fā)計數(shù)脈沖之間的延遲，同樣可以減少時間誤差。激光測距是通過激光的往返時間來測定距離，具有峰值功率高、檢測速度快、重復頻率高等優(yōu)點。

2.2 多元線性回歸分析法

多元線性回歸分析是利用多個自變量與因變量存在線性關系并進行的回歸分析。設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，X1，X2，…Xk為回歸系數(shù)；b1為X1，X2，…Xk固定時，X1每增加一個單位對y的效應，即X1對y的偏回歸系數(shù)，同理b2為X1，X2，…Xk固定時，X2每增加一個單位對y的效應，即X2對y的偏回歸系數(shù)[6]。

多元性回歸模型的參數(shù)計算，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)的標準方程組如以下公式：

(4)

(5)

b=(x1x)-1·(x1y)

(6)

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

3 總結信息

系統(tǒng)運行可選用無人值守模式。設備正常工作后，動態(tài)車輛輪廓測量系統(tǒng)會自啟動并完成初始化檢查工作，隨后進入自動測量狀態(tài)。當有車輛通過檢測區(qū)域時，系統(tǒng)自動開啟動態(tài)車輛尺寸檢測并記錄測量時間，當結束測量時，系統(tǒng)自動將相關數(shù)據(jù)通過接口傳輸至外部展示設備進行展示。如圖5所示為現(xiàn)場外接顯示屏顯示數(shù)據(jù)。

圖5 外接顯示屏數(shù)據(jù)展示

4 結論

本文對一種動態(tài)車輛輪廓測量技術進行了較詳細的論述。主要通過脈沖式激光測距技術、多元線性回歸分析算法實現(xiàn)對動態(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。