专利名称：基于光幕的车辆尺寸自动测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种车辆尺寸检测系统，尤其是一种基于光幕的车辆尺寸自动测量系统及其测量方法。
背景技术：
汽车工业的发展，极大地促进了社会经济的发展，但也因此带来很多交通问题。在每年频繁发生的交通事故中，因车辆外型尺寸而引发下列交通事故的比例不断上升部分用于客/货运用途的车辆使用者为了获取更大的经济利益，通过改装车辆尺寸以增加车辆容积，达到增加车辆一次性运输降低运输成本之目的，这一举措严重违反了车辆使用的安全标准，由于超大外型尺寸的车辆转载的货物也较大，在通过具有较小承受力的桥梁或路面宽度不允许两辆超宽车辆并行时往往发生危险，每年因车辆超载发生的交通事故屡见不鲜。为了保证车辆的安全性，车辆每年都必须进行年检，但是，目前检测车辆尺寸时往往是以人工测量方式进行的，其存在的问题是1、检测结果误差较大，无法保证测量的准确性；
2、检测时间较长，工作效率低，且占用较多人力和物力资源；3、自动化程度低，不能满足机动车辆管理部门对机动化车辆实施信息化管理的发展需求。针对上述问题，目前的主要解决办法是采用摄像机图像抓拍的方法获取车辆外形尺寸。专利申请号为03114546. 9的文献中给出了“基于图象处理的车辆外型尺寸检测系统”，其通过图象采集单元获得正视图、侧视图、俯视图三幅车辆外形图象，进入存储器，数字处理器从存储器中依次读入三幅车辆外形图象数据，经过对机动车辆外形图象分析，从车辆的正视图得到车辆的高度和宽度，从车辆的侧视图得到车辆的高度和长度，从车辆的俯视图得到车辆的宽度和长度，对检测到的三组数据进行加权平均得出具有可靠的和精确的车辆外型尺寸。该技术方案虽然能够得到机动车辆的外形尺寸，但是，其存在的问题是1、受摄象机最佳视角和拍摄范围限制，摄取的机动车外形尺寸也存在误差；2、该技术方案中缺少明显的参照物像来进行参数修正，使得检测结果存在误差。专利文献ZL200920079045. 7提出了“获取运动中车辆图像计量车辆外廓尺寸的全自动测量装置，其实现方式是通过在倒”L”形立柱钢架的侧面和顶部安装两组或多组摄像机对过往的车辆进行拍摄，从而得到车辆的侧视图和俯视图，以及通过在假想虚拟空间内图像连拍再拼接最后得到车辆的长度，并且，其测宽机构和测高、测长机构根据所拍摄图片中对地面标志物和立面标志物的遮挡情况,从图片中未被遮挡的两边或上下之间的距离数值获得车辆实际的宽度或高度。该技术方案虽然都能够实现对机动车辆外壳尺寸的测量，但是，其存在的问题是1、所拍摄的车辆俯视截图、侧视截图由于和其对应的测宽、测高、测长标志物不在同一个平面内，其测量结果往往会有误差，例如，当车辆并非垂直行进而呈现角度偏差行进时，或车辆被拍摄的位置没有达到构成清晰影像的物距范围时，测宽机构从昂俯视图中未被遮挡的两边之间距离得出车辆宽度，往往不是车辆的宽度，同理得出用这种方法测量车辆的高度也会有误差；2、当通过连拍图片并拼还接图片从而获得某一区域内车辆的长度时，由于动态连拍往往造成面图像存在变形或扭曲，则无法实现图像之间的无缝拼接，从而不能精确第计算车辆的长度尺寸。综上所述，采用摄像机抓拍图像进而测量车辆外形尺寸的方法存在以下问题1、当采用测量标志物方法测量时，由于地面标志物或立面标志物同所拍摄图像的截图不在一个平面内，造成图像外形尺寸误差；2、受摄像机最佳视角和拍摄范围的限制，所拍摄的图像往往存在误差；3、当采用地面参照物测量时，由于缺少明确的参照物象作为测量车辆外形尺寸的参数修正，使得图像处理、分析过程复杂，从而增加了测量难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、测量精度高且测量方便的基于光幕的车辆尺寸自动测量系统及其测量方法。本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的一种基于光幕的车辆尺寸自动测量系统，由测量主机、信号采集装置和光幕传感器阵列连接构成，所述的光幕传感器阵列是由测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器构成的立体结构，测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器的输出端与信号采集装置相连接，测量主机接收光幕传感器阵列传送的检测信号后计算待测车辆高度、车辆览度、长度。而且，所述的测高光幕传感器包括一个发光器LI和与其对应的收光器SI，该测高光幕传感器相对安装在垂直于地面的Z轴平面内；所述的测长光幕传感器包括二个发光器L2、L3和与其对应的二个收光器S2、S3，二个发光器L2、L3和二个收光器S2、S3分别相对安装在平行于地面的X轴平面内；所述的测宽光幕传感器包括二个发光器L4、L5和二个收光器S4、S5，二个发光器L4、L5和二个收光器S4、S5分别相对安装在垂直于Z轴并且由X轴、Y轴组成的上、下二个平面之间。而且，所述的光幕传感器阵列还包括一个测位姿光幕传感器，该测位姿光幕传感器包括两排相互平行的测宽光幕传感器，每排测宽光幕传感器的安装位置为在由Y轴、X轴组成的平面上沿X轴方向画一条中心线，沿中心线两侧前后错落各排放各一组光幕传感器，两组光幕传感器之间沿X轴方向平行；沿Y轴方向、以中心线为界相互之间隔开一段距离，形成一个长条形状的沿X轴方向的无光幕区域。而且，所述的信号采集装置用内置方法插装于测量主机内并通过串口与测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器及测位姿光幕传感器相连接。而且，所述的信号采集装置用外置方法通过串口或网络接口与测量主机相连接并通过串口与测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器及测位姿光幕传感器相连接。而且，所述的测量主机还与一车位检测传感器相连接用于检测是否有待测车辆以控制信号采集器的工作。一种基于光幕的车辆尺寸自动测量方法，包括以下步骤步骤I :通过预先埋设的车位检测传感器，检测是否有待测车辆；步骤2 :如果检测到待测车辆，信号采集器将触发光幕传感器阵列开始工作；步骤3 :当待测车辆进入光幕传感器阵列时，在一个采集周期内通过测高光幕传感器、测位姿光幕传感器和测宽光幕传感器采集相应的信号并传送给测量主机，由测量主机测量车辆高度、车辆位姿和车辆宽度；步骤4 当待测车辆处于静止状态且落入测量车辆长度的光幕区域时，测长光幕传感器采集信号并传送给测量主机，由测量主机进行测量车辆长度。而且，所述步骤3中测量车辆高度的方法是当待测车辆进入测高光幕传感器范围时，沿Z轴方向被遮挡光轴的最高位置；所述步骤3中测量车辆 位姿通过以下数学模型计算得到tag 9 = (H2-H1)/LT1式中0为车辆位姿，Hl为中心线到a点的距离，a点为一个测位姿光幕传感器光幕沿Y轴方向上最大值；H2为中心线到b点的距离，b点为另一测位姿光幕传感器沿Y轴方向上最大值；LT1为两个测位姿光幕传感器的距离；所述步骤3中测量车辆宽度W通过以下计算模型得到W = cos 0 *LT4其中，0为车辆位姿，LT4的长度值等于a、d之间的距离，a、d为沿Y轴方向光幕被遮挡光轴的最小值和光幕被遮挡光轴的最大值。而且，所述步骤4中测量车辆长度LT采用以下数学模型计算得到LT = S2/cos 0式中，ST2 = ST-STl，ST值等于沿X轴方向a、b之间的距离，a为沿X轴方向光幕的最小值，b为沿X轴方向光幕的最大值；STl = sin 0 *ff, W 为车辆宽度。本发明的优点和积极效果是本发明设计合理，通过测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器对待测车辆进行车辆高度、宽度、长度的检测，同时通过测位姿光幕传感器对车辆的姿态进行检测，再根据车辆的姿态对车辆的长度、宽度进行倾斜角度的有效补偿，从而实现了对车辆尺寸的准确测量功能，解决了摄像机图像拍照测量方法因摄像截图和地面标志物及立面标志物不在同一个平面内而造成的图像外形尺寸的误差，提高了测量精度和稳定性，无论从处理简便程度、抗干扰能力和可维护性都有显著的提高。
图I是本发明的系统连接示意图；图2是四种光幕传感器的安装布局示意图；图3是本发明的测量方法处理流程图；图4是测量车辆高度的原理示意图；图5是测位姿光幕传感器的布局示意图；图6是测量车辆位姿的原理示意图；图7是测量车辆宽度的原理示意图(位姿角度0为零)；图8是测量车辆宽度的原理示意图(位姿角度0不为零)；图9是测量车辆长度的原理示意图(位姿角度0为零)；图10是测量车辆长度的原理示意图(位姿角度0不为零)。
具体实施例方式以下结合附图对本发明实施例做进一步详述一种基于光幕的车辆尺寸自动测量系统，如图I所示，由测量主机、信号采集装置和光幕传感器阵列连接构成，该光幕传感器阵列由测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器和测位姿光幕传感器构成的立体结构，测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器和测位姿光幕传感器的输出端通过RS232串口与信号采集装置相连接，信号采集装置可以插装于测量主机内，也可以通过串口或网口与测量主机相连接，在测量主机内安装有车辆尺寸计算�？橛糜诩扑愦獬盗靖叨�、车辆宽度、长度和位姿并将测量结果通过主机显示出来。该光幕传感器阵列在一个信号采集周期内实时测量车辆的高度、位姿和宽度，在静态时测量车辆的长度。如图2所示，光幕传感器阵列的安装布局为测高光幕传感器包括一个发光器LI和与其对应的收光器SI，该测高光幕传感器相对安装在垂直于地面的Z轴平面内；测长光幕传感器包括二个发光器L2、L3和与其对应的二个收光器S2、S3，二个发光器L2、L3和二个收光器S2、S3分别相对安装在平行于地面的X轴平面内；测宽光幕传感器包括二个发光器L4、L5和二个收光器S4、S5，二个发光器L4、L5和二个收光器S4、S5分别相对安装在垂直于Z轴并且由X轴、Y轴组成的上、下二个平面之间；测位姿光幕传感器包括两排相互平行的测宽光幕传感器，即四个发光器L4、L5、L6、L7和与其相对应的四个收光器S4、S5、L6、S7，每排测宽光幕传感器的安装位置在由Y轴、X轴组成的平面上沿X轴方向画一条中心线，沿中心线两侧前后错落各排放各一组光幕传感器，两组光幕传感器之间沿X轴方向平行；沿Y轴方向、以中心线为界相互之间隔开一段距离，形成一个长条形状的沿X轴方向的无光幕区域。光幕传感器原理就是利用每一根红外线(红外线的数量和密集程度由设定的光轴数量和光轴之间间距而定)，在测量车辆高度、宽度、长度时，分别将车辆切割成数十个测量平面，获取其中高度最高的平面高度作为车辆的高度，获取其中宽度最宽的平面宽度作为车辆的宽度，获取其中长度最长的平面长度作为车辆的长度。摄像测量和光幕测量的根本区别在于光幕测量方法是直接测量待测车辆，解决了摄像测量方法受镜头清晰度、最佳视角、可拍摄范围、相机标定等因素影响较大的问题。同时，采用测位姿光幕传感器可以获得准确的车辆位姿，该车辆位姿是一个极为关键的参数，通过对车辆位姿进行倾斜角度补偿获得准确的车辆宽度和车辆长度。—种基于光幕的车辆尺寸自动测量方法，如图3所示，包括以下步骤1、通过预先埋设的车位检测传感器，检测是否有待测车辆；2、如果检测到待测车辆，信号采集器将触发光幕传感器阵列开始工作；3、当待测车辆进入光幕传感器阵列时，在一个采集周期内通过测高光幕传感器、测位姿光幕传感器和测宽光幕传感器采集相应的信号并传送给测量主机，由测量主机测量车辆高度、车辆位姿和车辆宽度；下面对车辆高度、车辆位姿和车辆宽度的测量方法分别进行说明(I)车辆高度测量方法如图4所示，当待测车辆进入测高光幕传感器范围时，将对测高光幕传感器(发光器LI和收光器SI)产生遮光，沿Z轴方向被遮挡光轴的最高位置L1_S1_6 (光幕L1_S1从下向上第6根光轴)就是待测车辆的高度。
(2)车辆位姿测量方法，如图5及图6所示，当待测车辆穿过中心线两侧的若干排光幕时，会对垂直穿过车身的光幕产生遮挡，取车身穿过两排测宽机构最边缘的两颗被遮挡光轴作为二个点，组成一条线，将这条线和中心线构成一个倾斜角度e，该倾斜角度称之为车辆位姿，该车辆位姿e通过以下数学模型计算得到tag 0 = (H2-H1)/LT1式中H1为中心线到 a点的距离，a点为被遮挡光幕(测位姿光幕传感器的发光器L4和收光器S4)沿Y轴方向上最大值；H2为中心线到b点的距离，b点为被遮挡光幕(测位姿光幕传感器的发光器L6和收光器S6)沿Y轴方向上最大值；LT1为发光器L4和收光器S4之间的光幕与发光器L6和收光器S6之间的光幕的距离，图6中，0 = 01。(3)车辆宽度测量方法如图7所示，当待测车辆进入测宽光幕传感器范围时，将对测宽光幕传感器(测宽传感器的发光器L4和收光器S4、发光器L5和收光器S5)产生遮光，如果车辆位姿0为0，则通过沿Y轴方向被遮挡光轴的最小值L4_S4_6 (光幕L4_S4从中间向左第6根光轴)和最大值L5_S5_6 (光幕L5_S5从中间向右第6根光轴)即可计算出车辆的宽度；如果车辆位姿9不为0，如图8所示，则根据车辆位姿0对车辆宽度进行倾斜角度补偿，从而获得准确的待测车辆宽度，车辆宽度W(图中LT3)的计算模型为W = cos 0 *LT4其中，0为车辆位姿(倾斜角度)，LT4的长度值等于a、d之间的距离，a、d为沿Y轴方向光幕被遮挡光轴的最小值L5_S5_6和光幕被遮挡光轴的最大值L4_S4_6，0 = 0 2。4、当待测车辆处于静止状态且落入测量车辆长度的光幕区域时，测长光幕传感器采集信号并传送给测量主机，由测量主机进行测量车辆长度。车辆长度测量方法如图9所示，当车辆进入测长光幕传感器范围时，将对测长光幕传感器(侧长光幕传感器的发光器L2和收光器S2、发光器L3和收光器S3)产生遮光,如果车辆位姿9为0，则通过沿X轴方向被遮挡光轴的最小值L2_S2_7(光幕L2_S2从中间向左第7根光轴)和最大值L3_S3_8(光幕L3_S3从中间向右第8根光轴)即可计算出车辆的长度；如果车辆位姿9不为0，如图10所示，则根据车辆位姿0对车辆长度进行倾斜角度补偿，从而获得准确的车辆宽度。车辆长度LT的计算模型为LT = ST2/cos 0式中，ST2 = ST-STl，ST值等于沿X轴方向a、b之间的距离，a为沿X轴方向光幕(发光器L4和收光器S4)或(发光器L5和收光器S5)的最小值，b为沿X轴方向光幕(发光器L6和收光器S6)或(发光器L7和收光器S7)的最大值；STl = sin 0 *ff, W 为车辆宽度。通过上述步骤，可以实现对车辆高度、车辆宽度和长度实现精确的测量功能。需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式
中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种基于光幕的车辆尺寸自动测量系统，其特征在于由测量主机、信号采集装置和光幕传感器阵列连接构成，所述的光幕传感器阵列是由测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器构成的立体结构，测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器的输出端与信号采集装置相连接，测量主机接收光幕传感器阵列传送的检测信号后计算待测车辆闻度、车辆览度、长度。
2.根据权利要求I所述的基于光幕的车辆尺寸自动测量系统，其特征在于所述的测高光幕传感器包括一个发光器LI和与其对应的收光器SI,该测高光幕传感器相对安装在垂直于地面的Z轴平面内；所述的测长光幕传感器包括二个发光器L2、L3和与其对应的二个收光器S2、S3，二个发光器L2、L3和二个收光器S2、S3分别相对安装在平行于地面的X轴平面内；所述的测宽光幕传感器包括二个发光器L4、L5和二个收光器S4、S5，二个发光器L4、L5和二个收光器S4、S5分别相对安装在垂直于Z轴并且由X轴、Y轴组成的上、下二个平面之间。
3.根据权利要求I或2所述的基于光幕的车辆尺寸自动测量系统，其特征在于所述的光幕传感器阵列还包括一个测位姿光幕传感器，该测位姿光幕传感器包括两排相互平行的测宽光幕传感器，每排测宽光幕传感器的安装位置为在由Y轴、X轴组成的平面上沿X轴方向画一条中心线，沿中心线两侧前后错落各排放各一组光幕传感器，两组光幕传感器之间沿X轴方向平行；沿Y轴方向、以中心线为界相互之间隔开一段距离，形成一个长条形状的沿X轴方向的无光幕区域。
4.根据权利要求3所述的基于光幕的车辆尺寸自动测量系统，其特征在于所述的信号采集装置用内置方法插装于测量主机内并通过串口与测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器及测位姿光幕传感器相连接。
5.根据权利要求3所述的基于光幕的车辆尺寸自动测量系统，其特征在于所述的信号采集装置用外置方法通过串口或网络接口与测量主机相连接并通过串口与测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器及测位姿光幕传感器相连接。
6.根据权利要求I或2所述的基于光幕的车辆尺寸自动测量系统，其特征在于所述的测量主机还与一车位检测传感器相连接用于检测是否有待测车辆以控制信号采集器的工作。
7.根据权利要求I至6任一项所述系统的测量方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I :通过预先埋设的车位检测传感器，检测是否有待测车辆； 步骤2 :如果检测到待测车辆，信号采集器将触发光幕传感器阵列开始工作； 步骤3 :当待测车辆进入光幕传感器阵列时，在一个采集周期内通过测高光幕传感器、测位姿光幕传感器和测宽光幕传感器采集相应的信号并传送给测量主机，由测量主机测量车辆高度、车辆位姿和车辆宽度； 步骤4:当待测车辆处于静止状态且落入测量车辆长度的光幕区域时，测长光幕传感器采集信号并传送给测量主机，由测量主机进行测量车辆长度。
8.根据权利要求7所述的基于光幕的车辆尺寸自动测量方法，其特征在于所述步骤3中测量车辆高度的方法是当待测车辆进入测高光幕传感器范围时，沿Z轴方向被遮挡光轴的最高位置； 所述步骤3中测量车辆位姿通过以下数学模型计算得到tag 9 = (H2-H1)/LT1 式中9为车辆位姿，Hl为中心线到a点的距离，a点为一个测位姿光幕传感器光幕沿Y轴方向上最大值；H2为中心线到b点的距离，b点为另一测位姿光幕传感器沿Y轴方向上最大值；LT1为两个测位姿光幕传感器的距离； 所述步骤3中测量车辆宽度W通过以下计算模型得到 W = cos 0 *LT4 其中，0为车辆位姿，LT4的长度值等于a、d之间的距离，a、d为沿Y轴方向光幕被遮挡光轴的最小值和光幕被遮挡光轴的最大值。
9.根据权利要求7所述的基于光幕的车辆尺寸自动测量方法，其特征在于所述步骤4中测量车辆长度LT采用以下数学模型计算得到LT = ST2/cos 9 式中，ST2 = ST-STLST值等于沿X轴方向a、b之间的距离，a为沿X轴方向光幕的最小值，b为沿X轴方向光幕的最大值； STl = sin 9 n, W为车辆宽度。
全文摘要
本发明涉及一种基于光幕的车辆尺寸自动测量系统及其测量方法，该系统由测量主机、信号采集装置和光幕传感器阵列连接构成，所述的光幕传感器阵列是由测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器构成的立体结构，测高光幕传感器、测宽光幕传感器、测长光幕传感器的输出端与信号采集装置相连接，测量主机接收光幕传感器阵列传送的检测信号后计算待测车辆高度、车辆宽度、长度。本发明设计合理，实现了对车辆尺寸的准确测量功能，解决了摄像机图像拍照测量方法因摄像截图和地面标志物及立面标志物不在同一个平面内而造成的图像外形尺寸的误差，提高了测量精度和稳定性，无论从处理简便程度、抗干扰能力和可维护性都有显著的提高。
文档编号G01B11/00GK102620662SQ201210119598
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者刘征 申请人:无锡普智联科高新技术有限公司
专业数控铣床产品供应商
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