齊飛

隨著科技的發(fā)展，基于圖像處理的新型技術(shù)發(fā)展亦越來(lái)越廣泛。也隨著自動(dòng)化智能化的水平進(jìn)步。重型起重設(shè)備也越來(lái)越趨向于自動(dòng)化智能化。無(wú)人天車系統(tǒng)作為一種新興并以趨近于完善的技術(shù)，展現(xiàn)出了其重要的生產(chǎn)價(jià)值。而其包含了眾多技術(shù)的支持，其中要讓無(wú)人天車長(zhǎng)上眼睛，能夠識(shí)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(dá)進(jìn)行完整的掃描操作。同時(shí)激光雷達(dá)在車型掃描上的應(yīng)用也不僅僅局限于此，越來(lái)越多地采用視頻圖像激光檢測(cè)方法作為交通數(shù)據(jù)采集的手段，為智能交通系統(tǒng)提供所需的路面運(yùn)動(dòng)車輛信息等。

1  背景及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

1.1  車型識(shí)別系統(tǒng)簡(jiǎn)介

車型識(shí)別技術(shù)以計(jì)算機(jī)視覺處理、數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別等技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)攝像機(jī)所拍攝的車輛圖像或者視頻圖像進(jìn)行處理分析，通過激光雷達(dá)及其他輔助設(shè)備對(duì)車輛的輪廓進(jìn)行掃描并重建，再?gòu)闹亟ê蟮能囕v輪廓數(shù)據(jù)中提取出用于車型識(shí)別的各種特征，最后進(jìn)行匹配得出車型，從而完成識(shí)別過程。

1.2   技術(shù)路線

二維激光雷達(dá)被用作車型識(shí)別系統(tǒng)的傳感器部分，實(shí)時(shí)獲取通過車輛的輪廓數(shù)據(jù)，并通過輔助攝像頭來(lái)檢測(cè)車輛的軸型等信息，當(dāng)車輛完全經(jīng)過激光雷達(dá)掃描區(qū)域后，根據(jù)每個(gè)截面的速度信息將所有的截面數(shù)據(jù)進(jìn)行空間重組。每隔10cm 對(duì)截面做插值，去除多余的截面數(shù)據(jù)，再還原出車輛的真實(shí)輪廓。利用圖像識(shí)別技術(shù)將三維輪廓轉(zhuǎn)化成二維平面灰度圖，對(duì)該二維灰度圖進(jìn)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?qū)⒐饽皇降能囆妥R(shí)別系統(tǒng)與圖像車型識(shí)別系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，從而設(shè)計(jì)出一套可靠、準(zhǔn)確、高效的車型識(shí)別系統(tǒng)。

2  車型識(shí)別系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

車型自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)相對(duì)于其他傳統(tǒng)的車型識(shí)別系統(tǒng)，其特征之一是使用了二維激光雷達(dá)作為傳感器部分，捕獲車型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以本文除了對(duì)車型識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及各個(gè)部件的功能進(jìn)行闡述外，還分析了二維激光雷達(dá)的參數(shù)要求及選型條件，而且還列舉出了車型自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)使用的激光雷達(dá)的各種參數(shù)指標(biāo)。

車型識(shí)別系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)主要由4個(gè)部分組成：1臺(tái)激光雷達(dá)、2個(gè)特征輔助識(shí)別攝像頭、1個(gè)金屬支架和1臺(tái)用作后臺(tái)數(shù)據(jù)處理的工控機(jī)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輔助設(shè)備少、移動(dòng)安裝方便。

激光雷達(dá)是車型自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要由傳感器頭、掃描器、數(shù)據(jù)處理器及內(nèi)部旋轉(zhuǎn)電機(jī)等部件組成，其安裝在支架的頂部，離地約為1m 。雷達(dá)鏡面內(nèi)的激光束每個(gè)掃描周期內(nèi)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(wǎng)數(shù)據(jù)接口（Ethernet ）將點(diǎn)云的距離數(shù)據(jù)傳到后臺(tái)的工控機(jī)上，以便于工控機(jī)能實(shí)時(shí)獲取車輛輪廓、快速重建車輛的三維模型并進(jìn)行特征提取。

特征輔助識(shí)別攝像頭采用的是工業(yè)級(jí)的監(jiān)控?cái)z像頭，集成高像素的圖像傳感器，內(nèi)置高性能DSP 為圖像處理核心，內(nèi)置控制CPU 和大容量SD 卡存儲(chǔ)器。具有外部觸發(fā)輸入端口，同步閃光燈（補(bǔ)光燈）觸發(fā)端口，高清攝像、高清監(jiān)控效果明顯。將其安裝在激光雷達(dá)下方0.5m 處。

支架選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，長(zhǎng)為1m ，耐腐蝕，抗撕裂，防火防紫外線，堅(jiān)固耐用，能夠長(zhǎng)期暴露于各種復(fù)雜天氣、環(huán)境中。2.2 激光雷達(dá)的選型

激光雷達(dá)是車型自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要由傳感器頭、掃描器、數(shù)據(jù)處理器及內(nèi)部旋轉(zhuǎn)電機(jī)等部件組成，其安裝在支架的頂部，離地約為1m 。雷達(dá)鏡面內(nèi)的激光束每個(gè)掃描周期內(nèi)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(wǎng)數(shù)據(jù)接口（Ethernet ）將點(diǎn)云的距離數(shù)據(jù)傳給后臺(tái)的工控機(jī)上，以便于工控機(jī)能實(shí)時(shí)獲取車輛輪廓、快速重建車輛的三維模型并進(jìn)行特征提取。

車型自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中使用的激光雷達(dá)為德國(guó)SICK 公司生產(chǎn)的二維激光雷達(dá)LMS111。LMS111系列是SICK推出的一款用于室外區(qū)域防撞、測(cè)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(cè)，且加入了最新的多次回波檢測(cè)技術(shù)（兩次回波），使得LMS111即使在惡劣環(huán)境下也能準(zhǔn)確測(cè)量。LMS111的主要特點(diǎn)為：IP67的防護(hù)等級(jí)，霧氣校正功能及內(nèi)部集成加熱器，保證其能用于戶外，大監(jiān)控范圍（270°的掃描角度)，靈活的區(qū)域配置（可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，設(shè)置各種圖形的保護(hù)區(qū)域，且可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要，隨時(shí)簡(jiǎn)單的修改圖形）。LMS111還具有自檢功能，檢測(cè)穩(wěn)定，對(duì)低反射率物體不敏感等優(yōu)點(diǎn)，是室外型防撞/障礙測(cè)量或物體外形測(cè)量的最佳方案。主要用于港口設(shè)備防撞，重型設(shè)備室外防撞，高速公路車型分類及超限檢測(cè)，鐵路路軌障礙物檢測(cè)，室外機(jī)器人防撞及導(dǎo)航等。

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

　各個(gè)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(qū)冬天氣溫極低，可能導(dǎo)致激光雷達(dá)不能正常工作，所以激光雷達(dá)里面就要集成自動(dòng)加熱裝置。LMS111的工作環(huán)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(shù)和傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，其中只有Ethernet接口可以實(shí)時(shí)輸出全部測(cè)量數(shù)據(jù)。RS232的傳輸速率有限，因此只適用于參數(shù)配置而不適合用來(lái)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)

ToF是Time of Flight的縮寫，直譯為飛行時(shí)間，通過給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測(cè)這些發(fā)射和接收光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。ToF的照射單元都是對(duì)光進(jìn)行高頻調(diào)制之后再進(jìn)行發(fā)射，一般采用LED或激光來(lái)發(fā)射高性能脈沖光，主要采用紅外光。

被測(cè)目標(biāo)物體表面反射率是關(guān)系到激光雷達(dá)測(cè)量能力的關(guān)鍵參數(shù)。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(dá)白板的表面反射率為100%，因此根據(jù)這一定義光亮表面的反射率一般會(huì)大于100%。

激光雷達(dá)的工作距離和物體表面反射率有類線性關(guān)系，激光掃描器一般用100%反射率及10%反射率兩個(gè)參數(shù)條件表示工作距離。

根據(jù)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(huì)造成激光束的反射光束不能返回到接收器。在該點(diǎn)的測(cè)量值就會(huì)顯示為無(wú)物體，也就是數(shù)據(jù)丟失的情況。如：高亮汽車漆、拋光的金屬表面類似鏡反射。

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