齊飛

隨著科技的發展，基于圖像處理的新型技術發展亦越來越廣泛。也隨著自動化智能化的水平進步。重型起重設備也越來越趨向于自動化智能化。無人天車系統作為一種新興并以趨近于完善的技術，展現出了其重要的生產價值。而其包含了眾多技術的支持，其中要讓無人天車長上眼睛，能夠識別包括車型等眾多可掃描物體的信息。就需要通過激光雷達進行完整的掃描操作。同時激光雷達在車型掃描上的應用也不僅僅局限于此，越來越多地采用視頻圖像激光檢測方法作為交通數據采集的手段，為智能交通系統提供所需的路面運動車輛信息等。

1  背景及設計簡介

1.1  車型識別系統簡介

車型識別技術以計算機視覺處理、數字圖像處理、模式識別等技術為基礎，對攝像機所拍攝的車輛圖像或者視頻圖像進行處理分析，通過激光雷達及其他輔助設備對車輛的輪廓進行掃描并重建，再從重建后的車輛輪廓數據中提取出用于車型識別的各種特征，最后進行匹配得出車型，從而完成識別過程。

1.2   技術路線

二維激光雷達被用作車型識別系統的傳感器部分，實時獲取通過車輛的輪廓數據，并通過輔助攝像頭來檢測車輛的軸型等信息，當車輛完全經過激光雷達掃描區域后，根據每個截面的速度信息將所有的截面數據進行空間重組。每隔10cm 對截面做插值，去除多余的截面數據，再還原出車輛的真實輪廓。利用圖像識別技術將三維輪廓轉化成二維平面灰度圖，對該二維灰度圖進行分析及特征提取，最后把提取出的特征量放入車型分類器中分類。這樣，能夠將光幕式的車型識別系統與圖像車型識別系統的優點結合起來，從而設計出一套可靠、準確、高效的車型識別系統。

2  車型識別系統整體方案設計

車型自動識別系統相對于其他傳統的車型識別系統，其特征之一是使用了二維激光雷達作為傳感器部分，捕獲車型的點云數據，所以本文除了對車型識別系統的結構組成及各個部件的功能進行闡述外，還分析了二維激光雷達的參數要求及選型條件，而且還列舉出了車型自動識別系統使用的激光雷達的各種參數指標。

車型識別系統其結構主要由4個部分組成：1臺激光雷達、2個特征輔助識別攝像頭、1個金屬支架和1臺用作后臺數據處理的工控機。該系統結構簡單、輔助設備少、移動安裝方便。

激光雷達是車型自動識別系統的關鍵部分，主要由傳感器頭、掃描器、數據處理器及內部旋轉電機等部件組成，其安裝在支架的頂部，離地約為1m 。雷達鏡面內的激光束每個掃描周期內做一次垂直掃描，每次掃描過后都可以通過其自帶的以太網數據接口（Ethernet ）將點云的距離數據傳到后臺的工控機上，以便于工控機能實時獲取車輛輪廓、快速重建車輛的三維模型并進行特征提取。

特征輔助識別攝像頭采用的是工業級的監控攝像頭，集成高像素的圖像傳感器，內置高性能DSP 為圖像處理核心，內置控制CPU 和大容量SD 卡存儲器。具有外部觸發輸入端口，同步閃光燈（補光燈）觸發端口，高清攝像、高清監控效果明顯。將其安裝在激光雷達下方0.5m 處。

支架選用優質不銹鋼材料，長為1m ，耐腐蝕，抗撕裂，防火防紫外線，堅固耐用，能夠長期暴露于各種復雜天氣、環境中。2.2 激光雷達的選型

激光雷達是車型自動識別系統的關鍵部分，主要由傳感器頭、掃描器、數據處理器及內部旋轉電機等部件組成，其安裝在支架的頂部，離地約為1m 。雷達鏡面內的激光束每個掃描周期內做一次垂直掃描，每次掃描過后都可以通過其自帶的以太網數據接口（Ethernet ）將點云的距離數據傳給后臺的工控機上，以便于工控機能實時獲取車輛輪廓、快速重建車輛的三維模型并進行特征提取。

車型自動識別系統中使用的激光雷達為德國SICK 公司生產的二維激光雷達LMS111。LMS111系列是SICK推出的一款用于室外區域防撞、測量及安防的激光掃描器。LMS111同西克其他掃描器一樣，采用成熟的ToF原理，非接觸式檢測，且加入了最新的多次回波檢測技術（兩次回波），使得LMS111即使在惡劣環境下也能準確測量。LMS111的主要特點為：IP67的防護等級，霧氣校正功能及內部集成加熱器，保證其能用于戶外，大監控范圍（270°的掃描角度)，靈活的區域配置（可以根據現場需要，設置各種圖形的保護區域，且可以根據現場的需要，隨時簡單的修改圖形）。LMS111還具有自檢功能，檢測穩定，對低反射率物體不敏感等優點，是室外型防撞/障礙測量或物體外形測量的最佳方案。主要用于港口設備防撞，重型設備室外防撞，高速公路車型分類及超限檢測，鐵路路軌障礙物檢測，室外機器人防撞及導航等。

LMS111有5個電氣接口，其中底部有4個M12的螺紋接口（接航空插頭），正面還有一個輔助接口

　各個接口的針腳定義如下面幾幅圖所示。注意供電接口的輸入電壓有兩種：傳感器電壓為DC 10.8 V~ 30 V ，典型功耗10W；加熱電壓為DC 24 V ± 20 %，典型功耗40W。如果不需要加熱可以只接VS和GND兩根線（在一些高緯度地區冬天氣溫極低，可能導致激光雷達不能正常工作，所以激光雷達里面就要集成自動加熱裝置。LMS111的工作環境溫度為：–30 °C ~ +50 °C）。

LMS111有多種不同的接口（Ethernet、CAN、RS232）用于配置傳感器參數和傳輸測量數據，其中只有Ethernet接口可以實時輸出全部測量數據。RS232的傳輸速率有限，因此只適用于參數配置而不適合用來實時傳輸數據

ToF是Time of Flight的縮寫，直譯為飛行時間，通過給目標連續發送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測這些發射和接收光脈沖的飛行（往返）時間來得到目標物距離。ToF的照射單元都是對光進行高頻調制之后再進行發射，一般采用LED或激光來發射高性能脈沖光，主要采用紅外光。

被測目標物體表面反射率是關系到激光雷達測量能力的關鍵參數。而影響物體表面反射率的因素主要有物體表面顏色和表面類型（亞光，高亮，平滑，粗糙等）。我們通常定義柯達白板的表面反射率為100%，因此根據這一定義光亮表面的反射率一般會大于100%。

激光雷達的工作距離和物體表面反射率有類線性關系，激光掃描器一般用100%反射率及10%反射率兩個參數條件表示工作距離。

根據反射原理，反射角等于入射角（incident angle：是入射光線與入射表面法線的夾角）。如果激光束入射角較小，就會造成激光束的反射光束不能返回到接收器。在該點的測量值就會顯示為無物體，也就是數據丟失的情況。如：高亮汽車漆、拋光的金屬表面類似鏡反射。

當激光垂直物體表面入射時（入射角為90°），這時返回的激光能量最大。當激光與物體表面成一定入射角，則反射能力會有相應的損失，入射角越小，返回掃描器的光越少，檢測距離也就越近。