齐飞

随着科技的发展，基于图像处理的新型技术发展亦越来越广泛。也随着自动化智能化的水平进步。重型起重设备也越来越趋向于自动化智能化。无人天车系统作为一种新兴并以趋近于完善的技术，展现出了其重要的生产价值。而其包含了众多技术的支持，其中要让无人天车长上眼睛，能够识别包括车型等众多可扫描物体的信息。就需要通过激光雷达进行完整的扫描操作。同时激光雷达在车型扫描上的应用也不仅仅局限于此，越来越多地采用视频图像激光检测方法作为交通数据采集的手段，为智能交通系统提供所需的路面运动车辆信息等。

1  背景及设计简介

1.1  车型识别系统简介

车型识别技术以计算机视觉处理、数字图像处理、模式识别等技术为基础，对摄像机所拍摄的车辆图像或者视频图像进行处理分析，通过激光雷达及其他辅助设备对车辆的轮廓进行扫描并重建，再从重建后的车辆轮廓数据中提取出用于车型识别的各种特征，最后进行匹配得出车型，从而完成识别过程。

1.2   技术路线

二维激光雷达被用作车型识别系统的传感器部分，实时获取通过车辆的轮廓数据，并通过辅助摄像头来检测车辆的轴型等信息，当车辆完全经过激光雷达扫描区域后，根据每个截面的速度信息将所有的截面数据进行空间重组。每隔10cm 对截面做插值，去除多余的截面数据，再还原出车辆的真实轮廓。利用图像识别技术将三维轮廓转化成二维平面灰度图，对该二维灰度图进行分析及特征提取，最后把提取出的特征量放入车型分类器中分类。这样，能够将光幕式的车型识别系统与图像车型识别系统的优点结合起来，从而设计出一套可靠、准确、高效的车型识别系统。

2  车型识别系统整体方案设计

车型自动识别系统相对于其他传统的车型识别系统，其特征之一是使用了二维激光雷达作为传感器部分，捕获车型的点云数据，所以本文除了对车型识别系统的结构组成及各个部件的功能进行阐述外，还分析了二维激光雷达的参数要求及选型条件，而且还列举出了车型自动识别系统使用的激光雷达的各种参数指标。

车型识别系统其结构主要由4个部分组成：1台激光雷达、2个特征辅助识别摄像头、1个金属支架和1台用作后台数据处理的工控机。该系统结构简单、辅助设备少、移动安装方便。

激光雷达是车型自动识别系统的关键部分，主要由传感器头、扫描器、数据处理器及内部旋转电机等部件组成，其安装在支架的顶部，离地约为1m 。雷达镜面内的激光束每个扫描周期内做一次垂直扫描，每次扫描过后都可以通过其自带的以太网数据接口（Ethernet ）将点云的距离数据传到后台的工控机上，以便于工控机能实时获取车辆轮廓、快速重建车辆的三维模型并进行特征提取。

特征辅助识别摄像头采用的是工业级的监控摄像头，集成高像素的图像传感器，内置高性能DSP 为图像处理核心，内置控制CPU 和大容量SD 卡存储器。具有外部触发输入端口，同步闪光灯（补光灯）触发端口，高清摄像、高清监控效果明显。将其安装在激光雷达下方0.5m 处。

支架选用优质不锈钢材料，长为1m ，耐腐蚀，抗撕裂，防火防紫外线，坚固耐用，能够长期暴露于各种复杂天气、环境中。2.2 激光雷达的选型

激光雷达是车型自动识别系统的关键部分，主要由传感器头、扫描器、数据处理器及内部旋转电机等部件组成，其安装在支架的顶部，离地约为1m 。雷达镜面内的激光束每个扫描周期内做一次垂直扫描，每次扫描过后都可以通过其自带的以太网数据接口（Ethernet ）将点云的距离数据传给后台的工控机上，以便于工控机能实时获取车辆轮廓、快速重建车辆的三维模型并进行特征提取。

车型自动识别系统中使用的激光雷达为德国SICK 公司生产的二维激光雷达LMS111。LMS111系列是SICK推出的一款用于室外区域防撞、测量及安防的激光扫描器。LMS111同西克其他扫描器一样，采用成熟的ToF原理，非接触式检测，且加入了最新的多次回波检测技术（两次回波），使得LMS111即使在恶劣环境下也能准确测量。LMS111的主要特点为：IP67的防护等级，雾气校正功能及内部集成加热器，保证其能用于户外，大监控范围（270°的扫描角度)，灵活的区域配置（可以根据现场需要，设置各种图形的保护区域，且可以根据现场的需要，随时简单的修改图形）。LMS111还具有自检功能，检测稳定，对低反射率物体不敏感等优点，是室外型防撞/障碍测量或物体外形测量的最佳方案。主要用于港口设备防撞，重型设备室外防撞，高速公路车型分类及超限检测，铁路路轨障碍物检测，室外机器人防撞及导航等。

LMS111有5个电气接口，其中底部有4个M12的螺纹接口（接航空插头），正面还有一个辅助接口

　各个接口的针脚定义如下面几幅图所示。注意供电接口的输入电压有两种：传感器电压为DC 10.8 V~ 30 V ，典型功耗10W；加热电压为DC 24 V ± 20 %，典型功耗40W。如果不需要加热可以只接VS和GND两根线（在一些高纬度地区冬天气温极低，可能导致激光雷达不能正常工作，所以激光雷达里面就要集成自动加热装置。LMS111的工作环境温度为：–30 °C ~ +50 °C）。

LMS111有多种不同的接口（Ethernet、CAN、RS232）用于配置传感器参数和传输测量数据，其中只有Ethernet接口可以实时输出全部测量数据。RS232的传输速率有限，因此只适用于参数配置而不适合用来实时传输数据

ToF是Time of Flight的缩写，直译为飞行时间，通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测这些发射和接收光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。ToF的照射单元都是对光进行高频调制之后再进行发射，一般采用LED或激光来发射高性能脉冲光，主要采用红外光。

被测目标物体表面反射率是关系到激光雷达测量能力的关键参数。而影响物体表面反射率的因素主要有物体表面颜色和表面类型（亚光，高亮，平滑，粗糙等）。我们通常定义柯达白板的表面反射率为100%，因此根据这一定义光亮表面的反射率一般会大于100%。

激光雷达的工作距离和物体表面反射率有类线性关系，激光扫描器一般用100%反射率及10%反射率两个参数条件表示工作距离。

根据反射原理，反射角等于入射角（incident angle：是入射光线与入射表面法线的夹角）。如果激光束入射角较小，就会造成激光束的反射光束不能返回到接收器。在该点的测量值就会显示为无物体，也就是数据丢失的情况。如：高亮汽车漆、抛光的金属表面类似镜反射。

当激光垂直物体表面入射时（入射角为90°），这时返回的激光能量最大。当激光与物体表面成一定入射角，则反射能力会有相应的损失，入射角越小，返回扫描器的光越少，检测距离也就越近。