高精度要求的车辆外廓尺寸智能检测系统设计

施山菁，丁 斌

（南通市计量检定测试所，江苏 南通 226011）

0 引言

各类私自改装超限超载车辆非法上路导致的重大道路交通事故频发，引起了社会和有关部门的高度重视。2017年3月1日，《机动车安全技术检验项目和方法》（GB21861-2014）规定重中型货车等部分车型进行检验时，要求增加“外廓尺寸自动测量”等新检验项目[1]。自此，车辆外廓尺寸自动测量与检验成为各相关科研机构、企业和高校的研究热点[2-4]。

车辆外廓尺寸测量模式大致可分为人工检测和自动化检测。传统的人工为主的检测需要耗费大量人力且效率低。自动化检测设备集成化程度高、操作效率高，大大降低了劳动强度，能够满足当代社会便捷化、智能化和现代化的需求。自动化检测方案目前分为三种：三坐标测量机、基于数字图像处理的测量技术和基于激光的测量技术[5]。大型三坐标测量机一般价格高昂；基于数字图像处理的测量设备大部分对其内部算法与CPU 处理器等依赖程度较高[6,7]；而大多数基于激光测量技术的系统在保持一定测量精度的同时成本较低，故其可推广性更强、应用程度更高[8,9]。

本文设计了基于STM32 的车辆外廓尺寸测量系统全面感知设备，结合了有人物联网旗下的导轨式4G 路由器、多组SK12 红外测距模块和相关测量装置配件，构建了一套车辆多维度外廓尺寸智能检测系统，多方面地提高了实地车辆测距过程中设备集成化、工作智能化和操作舒适化程度。

1 智能检测系统基本框架

车辆多维度外廓尺寸智能检测系统如图1所示。采用多维激光智能传感器模块与4G 无线实时传输网络构建车辆外廓尺寸测量系统全面感知设备；采用智能数据安全传输协议完成感知设备与终端智能平台的安全可信数据交互；终端智能平台实现现场感知模块实时管理计量数据可视化展示、计量数据的可追溯存储等功能。

图1 车辆外廓尺寸智能检测系统基本框架

2 智能检测系统工作流程

整个系统在4G 网络下，首先由测量长、宽、高的SK12红外测距模块组成的多维度传感模块完成数据采集部分，再通过UART 方式上传给主控模块，主控模块内部节点相互完成数据通信后对数据进行进一步的处理与分析，随后上传给有人服务云，同时完成与终端服务器的实时数据传输和智能平台的数据显示，从而判断驶入车辆外廓尺寸是否合格。图2 为车辆外廓尺寸智能检测系统的实际工作流程。

图2 车辆外廓尺寸智能检测系统工作流程

3 智能检测系统硬件设计

3.1 红外测距传感器模块

本设计中的红外测距传感器模块为SK12 测距模组，该模组利用单点TOF （Time of Flight）技术，采用850 nm LED光源，可实现0.2～18 m 中短距离测量；在数据传输中，该设备可支持I2C 和UART 通信，便于系统中自组网络的搭建与实现；在数据处理方面，该模块搭载了850 nm 的窄带滤波片，可结合主控模块中的卡尔曼滤波算法，得到极低的测量噪声。图3 为多维度传感器模块工作状态示意图，将其分别装在对应的物理配件上测量驶入车辆的长、宽和高。其中图3（a）为单个模组收发光线范围，下半部分中黑色为模组接收部分，灰色为模组LED 发射光斑；图3（b）为校准装置结构，测量装置主要由地轨、载物台、可调式三脚架、伸缩式万向调节杆组成，其中地轨沿检测车道铺设；载物台置于地轨，由电机驱动前进，模拟车辆行走状态；可调式三脚架包括中轴、连接阀以及角支架，中轴的下端面固定安装有挂钩，中轴的外壁靠近下端面处设置有连接阀与载物台连接。

图3 多维度传感器模块工作状态示意图

3.2 主控模块

主控模块采用的核心板为STM32F103，其主频为72 MHz，具有低功耗、高性能、低成本以及开发使用方便等优势[10]。STM32F1 系列单片机相比于STM32F3 系列虽然处理速度相对较慢、内存较小，但是对于本文设计的车辆多维度外廓尺寸智能检测系统，STM32F3 系列单片机能够满足其所需要的内存和芯片处理速度，且其成本相对较低，利于成品开发。

STM32F103RCT6 作为中央处理器，分别与多维度传感模块进行UART 通信，形成多个智能传感节点，并与通信模块形成自组网进行实时数据交互。STM32 和SK12 测距模组接口连接方式如图4所示。

图4 STM32 和SK12 测距模组接口连接方式

3.3 4G 无线通信

本设计方案中4G 通信模块主要是有人旗下的USRDR801，该模组采用业内商业级高性能嵌入式CPU，通过进行4G 网络接入，可支持100 Kb/s 的数据传输速率，其具体功能框图如图4所示。该模块提供有人云服务，可支持数据上报至私有的有人云服务器地址，具有一定的安全性和可靠性，同时终端界面可查询网络状态、心跳包上报参数。模组工作通过“AT+WKMOD=NET”设置为网络透传模式，并且向服务器发送注册包。注册包让服务器能够识别数据来源设备，并且获取服务器功能授权的密码。注册包功能示意图如图5所示。智能采集终端连接服务器成功后，选择ICCID 码作为注册包发送到服务器；同时向服务器发送数据时，在数据前增加注册包后再发送到服务器端。

图5 注册包功能示意图

4 智能检测系统软件设计

本设计通过STM32 核心板，进行云平台与多维度传感模块的信息读取、交互；在经过硬件系统IO 初始化后，SK12 测距模组读取数据，经过中值滤波法和动态卡尔曼滤波算法提高系统信噪比；最后通过4G 网络上传到云端监测。图6 为智能检测系统中设计的软件程序。

图6 智能检测系统软件程序设计

4.1 动态卡尔曼滤波算法

主控模块中采用卡尔曼理论的滤波方式，能在不损失系统精度的情况下显著降低噪声。动态卡尔曼的算法流程如图7所示，其中过程噪声协方差q由终端产品决定，且本算法流程中设定q=2，k为卡尔曼增益系数，它改变滤波器的灵敏度，设定范围为0～1。

图7 动态卡尔曼理论滤波算法流程

4.2 终端页面设计

本系统服务器终端页面在使用有人监控大屏的基础上，还通过JAVA 脚本编写并实现动态实时显示红外测距模块采集车辆尺寸的页面，如图8所示。图9 为终端显示页面，用来展示当前所测车辆是否满足合格尺寸标准。同时，该页面可显示所测车辆型号、日合格率以及周测距范围动态曲线。

图8 激光测试数据

图9 终端智能平台页面显示

5 结语

为确保车辆外廓尺寸测量仪量值的准确可靠，本文设计并实现了一种基于STM32 高精度要求的车辆外廓尺寸智能检测系统。在实际车辆外廓尺寸检测应用中，该方法为提高测量分类准确性、丰富数据交互动态性提供了一种新的方案，其应用可以推广至汽车制造厂、车辆管理所、汽车检测站等场所，市场前景广阔。