齊飛

隨著科技的發(fā)展，基于圖像處理的新型技術(shù)發(fā)展亦越來越廣泛。也隨著自動化智能化的水平進步。重型起重設(shè)備也越來越趨向于自動化智能化。無人天車系統(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)價值。而其包含了眾多技術(shù)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(yīng)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(shù)據(jù)采集的手段，為智能交通系統(tǒng)提供所需的路面運動車輛信息等。

1  背景及設(shè)計簡介

1.1  車型識別系統(tǒng)簡介

車型識別技術(shù)以計算機視覺處理、數(shù)字圖像處理、模式識別等技術(shù)為基礎(chǔ)，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(shè)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(shù)據(jù)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(shù)路線

二維激光雷達被用作車型識別系統(tǒng)的傳感器部分，實時獲取通過車輛的輪廓數(shù)據(jù)，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(jīng)過激光雷達掃描區(qū)域后，根據(jù)每個截面的速度信息將所有的截面數(shù)據(jù)進行空間重組。每隔10cm 對截面做插值，去除多余的截面數(shù)據(jù)，再還原出車輛的真實輪廓。利用圖像識別技術(shù)將三維輪廓轉(zhuǎn)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?qū)⒐饽皇降能囆妥R別系統(tǒng)與圖像車型識別系統(tǒng)的優(yōu)點結(jié)合起來，從而設(shè)計出一套可靠、準確、高效的車型識別系統(tǒng)。

2  車型識別系統(tǒng)整體方案設(shè)計

車型自動識別系統(tǒng)相對于其他傳統(tǒng)的車型識別系統(tǒng)，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(shù)據(jù)，所以本文除了對車型識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shù)要求及選型條件，而且還列舉出了車型自動識別系統(tǒng)使用的激光雷達的各種參數(shù)指標。

車型識別系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)處理的工控機。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、輔助設(shè)備少、移動安裝方便。

激光雷達是車型自動識別系統(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)電機等部件組成，其安裝在支架的頂部，離地約為1m 。雷達鏡面內(nèi)的激光束每個掃描周期內(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 ）將點云的距離數(shù)據(jù)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(yè)級的監(jiān)控攝像頭，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 卡存儲器。具有外部觸發(fā)輸入端口，同步閃光燈（補光燈）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下方0.5m 處。

支架選用優(yōu)質(zhì)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(huán)境中。2.2 激光雷達的選型

激光雷達是車型自動識別系統(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)電機等部件組成，其安裝在支架的頂部，離地約為1m 。雷達鏡面內(nèi)的激光束每個掃描周期內(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 ）將點云的距離數(shù)據(jù)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(tǒng)中使用的激光雷達為德國SICK 公司生產(chǎn)的二維激光雷達LMS111。LMS111系列是SICK推出的一款用于室外區(qū)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(shù)（兩次回波），使得LMS111即使在惡劣環(huán)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(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)場需要，設(shè)置各種圖形的保護區(qū)域，且可以根據(jù)現(xiàn)場的需要，隨時簡單的修改圖形）。LMS111還具有自檢功能，檢測穩(wěn)定，對低反射率物體不敏感等優(yōu)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(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，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(qū)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(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)和傳輸測量數(shù)據(jù)，其中只有Ethernet接口可以實時輸出全部測量數(shù)據(jù)。RS232的傳輸速率有限，因此只適用于參數(shù)配置而不適合用來實時傳輸數(shù)據(jù)

ToF是Time of Flight的縮寫，直譯為飛行時間，通過給目標連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測這些發(fā)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(diào)制之后再進行發(fā)射，一般采用LED或激光來發(fā)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(guān)系到激光雷達測量能力的關(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(guān)系，激光掃描器一般用100%反射率及10%反射率兩個參數(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(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(yīng)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。