一种公路车辆尺寸与重量自动测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种公路车辆尺寸与重量自动测量系统及方法，尤其是动态快速测量车辆长、宽、高、重量的一体化系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的迅速发展，公路建设规模越来越大，我国公路总里程已经超过了400万公里，居世界第一。公路货运客运对国民经济发展关系重大，但是为了追求更大的利润，车辆超限运输已成为非常普遍的问题，然而车辆的严重的超高、超宽、超长、超重，给公路运输带来极大的危害，严重危及人民群众生命财产和国家财产安全。为了避免超限车辆上路，各级收费站以及重要的公路入口等地方都建立了超限检测项目，对超限车辆做到早发现早处理，消除安全隐患。
[0003]但是治理超限是一项非常复杂与艰苦的工作，我国每年都在治超方面投入了大量的资金，超限现象得到了缓解，但是治理效果还是不过理想。造成治理效果不理想的原因中很重要的一项是车辆的超限检测手段及设备不够完善。目前主要用于车辆检测设备分工比较明确，各个设备间在测量手段上没有交集，这样就造成了设备的浪费与空间的浪费；并且对于车辆的长宽高等几何尺寸，主要还是依靠限高栏以及人眼经验观测、卷尺直接接触式等方式测量，这就造成测量精度低、测量效率差、增加操作人员的工作量及劳动时间，而且降低了交通运输速度。
【发明内容】
[0004]本发明针对目前超限检测手段的不足，提出了一种利用二维激光雷达与轴式称重衡有机结合的方式动态快速测量车辆的外形尺寸以及重量的超限检测系统，并能够将检测结果输出到现有的计算机中进行判断车辆是否超限。该系统具有测量范围最高为30米，精度控制在厘米级；测重精度高，车辆通过速度快，不影响车辆的正常行驶，极大的减少了操作人员的工作量，能够同步得到车辆的外形尺寸与重量信息，并且能够对车辆进行分离，防止将两辆或多辆车辆当作一辆测量。
[0005]本发明的具体技术方案如下:
[0006]一种公路车辆尺寸与重量自动测量系统，包括前龙门架7、后龙门架8、激光雷达、轴式称重衡6、服务器9、测重传感器10、承重支柱11、限位杆12 ;轴式称重衡6放置在前龙门架7和后龙门架8之间，距离前龙门架7半米左右；测重传感器10与称重支柱11分别放置在轴式称重衡6下方的四个角处，只能上下运动的限位杆12放置在轴式称重衡6底下的沟槽中；服务器9与前龙门架7和后龙门架8上的激光雷达通过网线连接；服务器9与轴式称重衡6通过RS232串口线连接；前龙门架7和后龙门架8平行放置；在前龙门架7上安装扫描平面垂直于路面的激光雷达，每个车道的两侧设置两台激光雷达，每多一个车道就增加一台测量雷达；在后龙门架8上安装扫描平面平行于车辆行驶方向、垂直于路面的激光雷达，安装位置在每条车道的中间；后龙门架8上的激光雷达测量车辆距离后龙门架8的距离；在每条车道上靠近前龙门架7的位置安装轴式称重衡6，使车辆驶入前龙门架7后便将前轴驶上了轴式测量衡6进行称重测量，车辆驶出前龙门架7后最后一组车轴驶上轴式称重衡6进行称重测量，车辆驶离轴式称重衡6后对每一次的测量结果累加得到车辆的总体重量；轴式称重衡6中测重传感器10用于将压力转换为电信号，承重支柱11用于支撑轴式称重衡6，限位杆12保证了轴式称重衡6只有一个自由度，即只存在垂直于路面的运动。
[0007]包括5个激光雷达；3个固定在前龙门架7上，2个固定在后龙门架8上，对两个车道内的车辆进行测量。
[0008]采用双激光雷达组合测量车辆的宽高信息，采用激光雷达分离不同的车辆的方法；采用间接测量的方式测量车辆的长度信息。
[0009]包括车辆宽尚的测量、车辆长度的测量与车辆重量的测量；
[0010]所述车辆宽高的测量方法如下:
[0011]前龙门架7上激光雷达扫描平面垂直于车辆行驶方向，当车辆通过这一扫描平面时，由于激光雷达不间断的快速扫描，得到一系列的车辆轮廓信息，通过坐标变换将车辆的轮廓信息转换到既定坐标系中的坐标点，在既定坐标系中对车辆轮廓进行卡尔曼滤波与直线拟合得到车辆轮廓的平滑直线，将这一组组信息中的横纵坐标的最大值与最小值找出来，即 XmM，Xmin，YmM，Ymin，由公式
[0012]H = H0-Yfflin
[0013]W = Xfflax-Xfflin
[0014]其中，Htl为激光雷达距离路面的高度，H为车辆高度，W为车辆宽度；
[0015]每一个轮廓都得到一个宽度高度值，经过处理，剔除掉一些明显的非宽高数据，在将这一系列的数据取均值，作为最后测得的车辆的宽高信息；
[0016]同时当有车辆进入前龙门架7上某个车道的激光雷达的扫面平面时，该车道上的激光雷达回波信号便会发生明显的变化，激光雷达的数据经网线传至服务器9，经服务器9解算后产生车辆驶入信号Qin，再由服务器9经过RS232串口线通知轴式称重衡6开始称重工作；同理，当车辆驶出前龙门架7后，激光雷达的回波信号又会产生突变，经服务器9解算后产生驶出信号Qwt，同时再由服务器9经过RS232串口线通知轴式称重衡6停止称重工作；服务器9根据Qin、Qwt作为车辆的分离信号，将在这两个信号之间的轴式称重衡6的称重数据进行累加得到整车重量；
[0017]所述车辆长度的测量方法如下:
[0018]在后龙门架8上安装的激光雷达用于测量车辆的长度，当车辆刚好驶出前龙门架7时，后龙门架8上的激光雷达测得一个距离值Lx，即此时车辆距离后龙门架的距离，由于前龙门架7与后龙门架8之间的距离是已知的，即在安装时就固定了，为U，由公式
[0019]L = L0-Lx
[0020]得到车辆的长度L ;
[0021]所述车辆重量的测量方法如下:
[0022]在某个车道上的轴式称重衡6根据车辆的驶入信号Qin判断是否在该车道上有车辆驶入，当判断有车辆驶入时开始工作计重，当收到驶出信号Q-后，计重结束，累加求和得到车辆的整体重量，当再次收到驶入信号时开始下一辆车的计重。
[0023]在对过往车辆测量前，先对测量系统进行设置及标定，针对不同的车道车速要求及测量精度要求，调整前龙门架7与后龙门架8上的激光雷达，选择合适的扫描频率，对没有车辆通过时的路面进行扫描，将其状态设置为初始状态，标定结果保存在服务器9中，对轴式称重，6行进行称重标定，确保输出结果的准确性。
[0024]以下是对于本发明的上述技术方案及设计原理所作的进一步阐述:
[0025]第一部分为本系统的尺寸测量部分，包括龙门架，二维激光雷达以及一些配套的固定装置；
[0026]第二部分为本系统的重量测量部分，包括轴式称重衡以及固定装置；
[0027]第三部分为本系统的测量软件与通信部分，包括用于读取与处理二维激光雷达数据和轴式称重衡数据的软件以及与主服务器进行通信的通信协议。
[0028]本发明所述的第一部分使用三台二维激光雷达测量单个车道上的车辆的长宽高信息，每增加一条车道需要增加两台二维激光雷达。并使用第三部分所述的软件提供的卡尔曼滤波器等对初始数据进行滤波，进而采用直线拟合的方式得到车辆的轮廓线，从而得到车辆的尺寸信息，并将尺寸信息通过第三部分所述的通信协议传递到服务器，供超限检测的高层决议。同时二维激光雷达为第二部分的测重提供车辆分离信息。
[0029]本发明所述第二部分通过轴式称重衡测量车辆单轴的重量，当车辆全部通过轴式测量衡后再对每个轴的重量进行累加得到全车的重量。并将重量信息通过第三部分所述的通信协议传递到服务器，供超限检测的高层决议。同时依靠第一部分所述的二维激光雷达判断车辆的驶入与驶出。
[0030]本系统使用高扫描频率、高精度、高分辨率的二维激光雷使得受检车辆不必因此而减慢速度甚至停车接受检测，达到了实时高速测量的目的。轴式称重衡采用限制自由度设计，使得轴式称重衡承重面只有垂直于车辆行驶方向的运动，避免了车辆行驶方向的分力，是测量更准确。同时利用二维激光雷达分离车辆使得轴式称重衡能够准确得到单辆车辆的重量。上面所述的三个部分有机的结合在一起完成了车辆的超限检测，缺一不可。
【附图说明】
[0031]图1是本系统的整体结构示意图。
[0032]图2是本系统的车辆宽高尺寸测量示意图。
[0033]图3是本系统的车辆长度测量示意图。
[0034]图4是本系统的车辆重量测量示意图。
[0035]图5是本系统的车辆宽高测量中的既定坐标系。
[0036]图中，各部件结构为二维激光雷达1、2、3、4、5，轴式称重衡6，前龙门架7、后龙门架8、服务器9，测重传感器10，承重支柱11，限位杆12。
【具体实施方式】
[0037]下面将结合附图和实施过程对本发明做进一步的描述说明，但该描述仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0038]第一，安装:
[0039]由于超限车辆有些情况车辆已经变形，或者货物的装载已使得车辆的轮廓不规贝1J，给几何测量带来极大困难，为了克服这一情况造成的难题，有必要对车厢侧面的轮廓也进行测量，在车貌不规则的情况下，要求能够很好的扫描出车辆的轮廓信息，避免因车辆的变形和货物的不正确装载带来的测量错误。激光雷达应该安装在道路的两边，利用双激光雷达组合测量车辆的高度与宽度，如图1与图2所示，在前龙门架7上安装扫描平面垂直于路面的激光雷达