CN207180603U - 基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统，包括分别位于地磅前后边界线的视觉传感装置、控制机、与控制机连接的相机同步拍照控制器、输出显示设备和交换机组，交换机组与远程服务器连接，两个视觉传感装置均包括支架、相机、线结构光投射器。进行检测时，控制机对相机、线结构光投射器投射的光平面进行标定，对地磅前后边界线的位置进行测量，之后相机对投射区域进行目标图像采集，控制机对采集到的目标图像进行畸变校正和提取目标图像中所有光斑点的图像坐标，计算所有光斑点在地磅称重平面内的垂直投影点坐标，之后与测量好的地磅前后边界线位置进行比较，判断车辆是否越界，实现了精确判断车轮与地磅前后边界线的位置关系，检测可靠性高。

Description

基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统

技术领域：

本实用新型涉及地磅称重和机器视觉领域，尤其涉及一种基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统。

背景技术：

地磅也称作汽车衡，是一种应用广泛的汽车称重装置，对于矿产开采、冶金、制造等企业，原材料或产品需要依靠汽车运入和运出企业，一般采用载货车辆的重量与空载车辆的重量差来衡量该车所载货物的重量。某些司机为牟取不法利益，经常采用一些作弊手段有意改变车辆的称量结果，如在前车称重时后车提前上磅、后车称重时前车不完全下磅以增加称重重量，或车辆称重时故意将车辆停靠到地磅边界外侧以减小称重重量。对此类作弊行为的防范都涉及到车辆在地磅上的位置检测问题，需要利用检测装置来检测车辆是否位于地磅边界线以内，若检测到车辆越界，可提示称重无效或不进行称重，待司机将车辆移动到合法范围内后再行称量，减少企业因此类作弊导致的经济损失。

现有的地磅上车辆位置检测方法主要有两种：

一种被广泛采用的方法是利用一套红外对射装置，将一对红外发送和接收装置分别安装在地磅边界线的两端，它们的连线位于地磅边界线的上方，当车辆位于地磅称量有效区域内部时，接收端能正常收到发送端发出的红外光，而当有车辆不完全上、下磅时，红外光线被车辆遮挡，接收装置不能收到红外光，依此判定车辆是否存在不完全上、下磅行为。该种检测装置结构比较简单，但红外光线必须位于地磅称量边界线上方，对设备安装位置有比较严格的要求；另外，红外对射装置本质上属于点传感器，存在一定的局限性，由于判断车辆是否越界应以车轮位置为依据，若对射装置安装高度在车辆底盘高度以上，车头、车厢会对红外光产生遮挡造成误判；若对射装置的安装高度在车辆底盘高度以下，如果作弊司机停靠车辆时故意使红外光束穿过车轮间的空隙，接收端仍能收到红外光，导致检测错误。

另一种方法是利用计算机视觉技术，在地磅边界线的一侧，安装一台相机用于拍摄地磅的边界线图像，车辆称重时首先拍摄一幅边界区域的图像，通过图像处理技术判断地磅的边界线是否被车辆遮挡，若发现边界线被遮挡，则判定车辆越界。但由于车辆的前车轮距车头、后车轮距车尾都存在一定的距离，在检测时，即使车头或车尾挡住了边界线，车辆也有可能是在地磅的有效区域内的，因此该种方法比较适合于检测车辆整体的位置是否越界，而不适合根据车轮位置精确判别车辆是否越界。

综上所述，当前地磅上车辆的位置检测方法还都存在一定的局限性，有必要针对此问题研制可靠性更高的装置。

实用新型内容：

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统，可准确检测到车辆前后车轮的位置，依此判断车辆是否越界，其可靠性更高。

本实用新型采用如下技术方案：提供一种基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统，包括两个视觉传感装置、一控制机、分别与所述控制机连接的相机同步拍照控制器、输出显示设备和交换机组，所述交换机组与远程服务器连接，所述的两个视觉传感装置中，其中一个设置在地磅的前边界线旁侧，另一个设置在地磅的后边界线旁侧；

所述的两个视觉传感装置结构相同，均包括支架、相机、线结构光投射器，所述相机安装在支架上部，所述线结构光投射器安装在支架下部，所述相机与所述线结构光投射器通过直流电源模块供电；所述的两个视觉传感装置中的相机均与所述相机同步拍照控制器通过信号线连接、均与所述控制机通过网线连接；设置在地磅前边界线附近的线结构光投射器的投射区域覆盖地磅前边界线以及地磅前边界线附近的区域，所述线结构光投射器投射的光平面在地磅前边界线附近的区域内低于待检测车辆底盘所在的平面、高于地磅称重平面，对在所述投射区域内的车辆的车轮投射条形光斑；设置在地磅后边界线附近的线结构光投射器的投射区域覆盖地磅后边界线以及地磅后边界线附近的区域，所述线结构光投射器投射的光平面在地磅后边界线附近的区域内低于待检测车辆底盘所在的平面、高于地磅称重平面，对在所述投射区域内车辆的车轮投射条形光斑；所述相机的视场覆盖各自对应的线结构光投射器的投射区域。

本实用新型与现有技术相比，具有的优点：

本实用新型的所述两个视觉传感装置中，其中一个设置在地磅的前边界线旁侧，另一个设置在地磅的后边界线旁侧，所述视觉传感装置采用线结构光投射器对投射区域中的车轮投射条形光斑，相比于基于红外对射装置的点传感器方法，更具有优势，且不受车头和车尾的遮挡，检测可靠性高；在利用本实用新型进行车辆位置检测时，首先利用所述控制机的标定模块进行对相机、线结构光投射器投射的光平面进行标定，对地磅前后边界线的位置进行测量，之后所述相机对所述投射区域进行目标图像采集，所述控制机对采集到的目标图像进行畸变校正和提取目标图像中所有光斑点的图像坐标，并计算出所有光斑点在地磅称重平面内的垂直投影点坐标，之后与测量好的地磅前后边界线位置进行比较，来判断车辆是否越界。此基于单目结构光立体视觉原理的检测地磅上车辆位置的装置与方法，将机器视觉领域的单目结构光立体视觉原理应用在地磅称重技术领域，能对车辆的车轮与地磅前后边界线的位置关系作出精准的判断，相对于现有技术取得了显著的效果，检测的可靠性有了很大的提高。

附图说明：

图1为本实用新型实施例提供的一种基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统的构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统在对车轮位置进行判断时的视觉解算原理图；

本实施例中：1-控制机；2-输出显示设备；3-地磅前边界线；4-地磅后边界线；5-支架；6-相机；7-线结构光投射器；8-直流电源模块；9-光平面；10-地磅称重平面；11-条形光斑；12-相机同步拍照控制器；13-交换机组；14-远程服务器。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，本实用新型提供的一种基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统，包括两个视觉传感装置、一控制机1、与所述控制机1通过信号线连接的相机同步拍照控制器12、与所述控制机1通过信号线连接的输出显示设备2、与所述控制机1通过网线连接的交换机组13，所述交换机组13与远程服务器14连接，所述控制机1采用工控机，具有至少2个串行通信端口，具有至少3个以太网卡，所述输出显示设备2采用LED显示屏，与所述控制机1的串行通信接口连接，所述的两个视觉传感装置中，其中之一设置在地磅前边界线3旁侧，另一个设置在地磅后边界线4旁侧(未图示)。

所述的两个视觉传感装置结构相同，均包括支架5、相机6、线结构光投射器7。所述相机6采用具有以太网接口的彩色相机，配定焦镜头，安装在所述支架5的上部，所述线结构光投射器7采用650nm红色线激光器，安装在支架5的下部，所述相机6与所述线结构光投射器7通过直流电源模块8供电；设置在地磅前边界线3附近的线结构光投射器7的投射区域覆盖地磅前边界线3以及地磅前边界线3附近的区域，所述线结构光投射器7投射的光平面9在地磅前边界线3附近的区域内低于待检测车辆底盘所在的平面、高于地磅称重平面10，用于对在所述投射区域内的车辆的车轮投射条形光斑11；设置在地磅后边界线4附近的线结构光投射器7的投射区域覆盖地磅后边界线4以及地磅后边界线4附近的区域，所述线结构光投射器7投射的光平面在地磅后边界线4附近的区域内低于待检测车辆底盘所在的平面、高于地磅称重平面10，用于对在所述投射区域内车辆的车轮投射条形光斑(未图示)；所述相机6的视场覆盖各自对应的线结构光投射器7的投射区域。

所述两个视觉传感装置中的相机6均与所述相机同步拍照控制器12通过信号线连接，所述相机同步拍照控制器12与控制机1的串行通信端口连接；所述两个视觉传感装置中的相机6均与所述控制机1通过网线连接。

所述控制机1上运行软件，软件包含相机控制模块、标定模块、畸变校正模块、图像处理模块和车辆位置检测模块。所述相机控制模块通过串行通信端口向所述相机同步拍照控制器12发送指令，所述相机同步拍照控制器12根据指令向所述两个视觉传感装置中的相机6分别发送拍照控制脉冲信号，控制相机6对各自对应的所述线结构光投射器7的投射区域进行目标图像采集，并将图像通过交换机组13传送到远程服务器14上保存管理；所述标定模块用于利用采集后的目标图像进行相机6的标定、线结构光投射器7投射的光平面9的标定和地磅前后边界线(3、4)位置的标定；所述畸变校正模块用于对采集后的目标图像进行畸变校正；所述图像处理模块用于对畸变校正后的目标图像进行处理以实现目标图像中条形光斑上像素点的提取，所述车辆位置检测模块用于根据所述标定模块得到的信息计算所述像素点的实际空间坐标和其投影到地磅称重平面的投影坐标，并对所述投影坐标与标定后的地磅边界线位置进行比较，得出车轮是否越界的结果，同时将检测结果通过交换机组13传送到远程服务器14上保存管理，检测结果通过控制机1的串行通信端口和通信线输出至输出显示设备2上。

利用上述基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统进行地磅上车辆位置检测的方法，包括以下步骤：

步骤1、对两个视觉传感装置中的相机、线结构光投射器投射的光平面，以及地磅的前后边界线位置进行标定：

步骤101、采用基于平面标定靶标对相机进行标定：

利用平面棋盘格靶标，在所述线结构光投射器的投射区域选取一垂直于地磅称重平面的位置设置所述平面棋盘格靶标，在该位置棋盘格靶标平面上建立平面世界坐标系O_W-x_Wy_W，其中O_W表示平面世界坐标系的坐标原点，x_W表示平面世界坐标系的X向坐标轴，y_W表示平面世界坐标系的Y向坐标轴，并使X向坐标轴x_W位于靶标平面与地磅称重平面的交线上，如图2所示，记相机光心为O_C，目标点Q在像平面上的有畸变像点为q'，对应的无畸变像点为q，在x_Wy_W平面上的透视投影点为P，根据相机的针孔模型，P、Q、q、O_C四点共线；进一步根据右手法则建立三维世界坐标系O_W-x_Wy_Wz_W，其中z_W表示三维世界坐标系的Z向坐标轴，世界坐标系下的点的坐标记为(x^(W),y^(W),z^(W))，在所述三维世界坐标系O_W-x_Wy_Wz_W下，靶标平面为x_Wy_W平面，对应的二维平面世界坐标系为O_W-x_Wy_W，地磅称量平面为x_Wz_W平面，对应的二维平面世界坐标系为O_W-x_Wz_W；所述控制机控制相机拍摄该位置靶标图像，再移动靶标到其他位置和方向并拍摄靶标图像两次以上，标定出相机的内、外参数及镜头畸变参数，它们是主点坐标(u₀,v₀)、焦比f_u和f_v、相机坐标系和世界坐标系间进行坐标变换的旋转矩阵R_CW和平移向量T_CW、镜头的径向畸变参数k₁和k₂；根据上述标定的结果计算得到相机光心O_C在三维世界坐标系O_W-x_Wy_Wz_W中的坐标根据标定结果还可对相机采集的原始图像进行畸变校正，生成校正图像，校正原理是根据镜头畸变模型由理想像点q的图像坐标(u,v)计算其对应的真实的有畸变像点q'的图像坐标(u',v')，再利用双线性插值的方法求取q点的颜色值；

记校正后图像点q的坐标(u,v)与该图像点在x_Wy_W平面上的透视投影点P的O_W-x_Wy_W坐标(x^(W),y^(W))间存在的射影变换关系为

其中(c₁,c₂,...,c₈)为参数。对x_Wy_W平面的靶标原始图像进行畸变校正，在校正后图像上提取诸棋盘格特征点图像坐标，由这些特征点的图像坐标及它们的O_W-x_Wy_W世界坐标通过最小二乘法计算得出公式(1)中参数(c₁,c₂,...,c₈)的估计值；

步骤102、采用双平行平面方法标定出所述线结构光投射器投射的光平面与x_Wy_W平面间以相机光心为中心的射影变换关系：

标定靶标在x_Wy_W平面时，采集光条在靶标上的光条图像，记光条直线为L₁，其三维世界坐标直线方程为

其中k和b₁为参数；将靶标移动到第二个平面位置，使该位置的靶标平面Ⅱ与x_Wy_W平面平行，距离为已知的h，采集此位置靶标上的光条图像，记光条直线为L₂,由于L₁与L₂平行，其三维世界坐标直线方程可表示为

其中b₂为参数；直线L₂在x_Wy_W平面的透视投影直线记为L₂'，由于L₂'与L₂和L₁均平行，其三维世界坐标直线方程可表示为

其中b₂'为参数；利用步骤101的标定结果对两幅图像进行畸变校正，分别生成校正图像，提取光条点坐标；利用公式(1)计算第一幅校正图像中的所有光条点在x_Wy_W平面上的投影点世界坐标，同理计算第二幅校正图像中的所有光条点在x_Wy_W平面上的投影点世界坐标，分别将两条直线上光条点的投影点世界坐标带入(2)和(4),利用最小二乘法估计出k、b₁、b₂'的值，从而拟合出L₁和L₂'的直线方程；利用L₂'的直线方程以及L₂与L₂'间的透视投影关系可计算得从而拟合出L₂的直线方程；

在结构光平面上建立光平面坐标系O_S-x_Sy_S，坐标原点定义为L₁上世界坐标为(0,b₁,0)的点O_S，x_S坐标轴在L₁上，指向世界坐标为(1,k+b₁,0)的点A的方向，y_S坐标轴指向L₂方向，y_S坐标轴与直线L₂相交于D点，则O_S与D间的距离即为直线L₁和L₂间的距离，记为d，由公式(2)和(3)计算得由光平面坐标系定义，O_S点的光平面坐标为(0,0)，A点的光平面坐标为D点的光平面坐标为(0,d)；记D点的三维世界坐标为可计算得取L₂'上两点B'和C'，它们的O_W-x_Wy_W世界坐标分别是B'(0,b₂')和C'(1,k+b₂')，它们在光平面上的透视投影点分别为B和C，记它们的世界坐标分别是和利用透视关系计算得 进一步计算B、D间的距离和C、D间的距离得到B、C两点的光平面坐标分别为和其中sgn(·)表示符号函数；

以相机光心为透视中心，记光平面x_Sy_S上的点Q的光平面坐标(x^(S),y^(S))与其对应的x_Wy_W平面上的透视投影点P的O_W-x_Wy_W世界坐标(x^(W),y^(W))间存在以下射影变换关系：

其中h_i(i＝1,2,...8)为参数，利用前述的四组射影点对，分别是O_S和O_S、A和A、B和B'、C和C'，将O_S点的O_W-x_Wy_W世界坐标、O_S点的光平面坐标、A点的O_W-x_Wy_W世界坐标、A点的光平面坐标、B'点的O_W-x_Wy_W世界坐标、B点的光平面坐标、C'点的O_W-x_Wy_W世界坐标、C点的光平面坐标带入公式(5)可得到关于h_i(i＝1,2,...8)的线性方程组，解方程组得到h_i(i＝1,2,...8)的值；

步骤103、计算所述结构光坐标系O_S-x_Sy_S与所述三维世界坐标系O_W-x_Wy_Wz_W的变换关系：

按右手规则由结构光平面坐标系生成三维坐标系O_S-x_Sy_Sz_S，光平面上的点Q的三维世界坐标(x^(W),y^(W),z^(W))由其光平面坐标(x^(S),y^(S))经坐标变换获得，公式为

公式(6)中，R_SW和T_SW分别为两个坐标系变换的旋转矩阵和平移向量。三维结构光坐标系的三个坐标轴的单位向量在三维世界坐标系下分别为

其中O_S、A、D点的世界坐标已经在步骤102中获得，由此可得旋转矩阵R_SW＝(X_S,Y_S,Z_S)；由O_S点的世界坐标得到T_SW＝(0,b₁,0)^T；

步骤104、对地磅的前后边界线位置进行测量：根据步骤101中三维世界坐标系的定义，测量地磅前后两条边界线在地磅称重平面x_Wz_W中的位置，得到它们的O_W-x_Wz_W平面世界坐标直线方程；

步骤2、对车辆位置进行检测：

步骤201、控制机的相机控制模块控制相机对各自对应的线结构光投射器的投射区域进行目标图像采集；采集后的目标图像传输给所述畸变校正模块，其根据步骤101中得出的相机参数对采集后的目标图像进行畸变校正；

步骤202、对畸变校正后的目标图像中光斑点坐标的提取：所述图像处理模块对畸变校正后的目标图像进行处理，获得目标图像中所有光斑点的图像坐标，记为q_i(u_i,v_i)，i＝1,2,...,N，这里N为提取出的光斑点总数；

步骤203、计算光斑点在地磅称重平面的垂直投影点世界坐标：所述控制机的车辆位置检测模块针对每个光斑点q_i(u_i,v_i)，i＝1,2,...,N，利用公式(1)计算其在x_Wy_W平面上的透视投影点的O_W-x_Wy_W世界坐标再利用公式(5)计算出该光斑点在光平面的坐标再利用公式(6)计算光斑点在三维世界坐标系O_W-x_Wy_Wz_W的三维世界坐标最后得出其在地磅称重平面上的垂直投影点的O_W-x_Wz_W世界坐标

步骤204、车轮越界判定及结果输出：控制机的车辆位置检测模块分别对可得到的前后车轮每个光斑点在地磅称重平面的垂直投影点坐标与步骤104中得到的地磅前边界线的O_W-x_Wz_W世界坐标直线方程、地磅后边界线的O_W-x_Wz_W世界坐标直线方程进行比较，若存在光斑投影点在对应直线的外侧则判定待检测车辆越界，当所有光斑投影点均在两条直线内侧则判定待检测车辆不越界；根据检测结果通过串行通信口输出不同控制信号到LED显示屏，显示“越界”或“不越界”的信息。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种基于单目结构光的地磅上车辆位置检测系统，其特征在于，包括：两个视觉传感装置、一控制机、分别与所述控制机连接的相机同步拍照控制器、输出显示设备和交换机组，所述交换机组与远程服务器连接，所述的两个视觉传感装置中，其中一个设置在地磅的前边界线旁侧，另一个设置在地磅的后边界线旁侧；

所述的两个视觉传感装置结构相同，均包括支架、相机、线结构光投射器，所述相机安装在支架上部，所述线结构光投射器安装在支架下部，所述相机与所述线结构光投射器通过直流电源模块供电；所述的两个视觉传感装置中的相机均与所述相机同步拍照控制器通过信号线连接、均与所述控制机通过网线连接；设置在地磅前边界线附近的线结构光投射器的投射区域覆盖地磅前边界线以及地磅前边界线附近的区域，所述线结构光投射器投射的光平面在地磅前边界线附近的区域内低于待检测车辆底盘所在的平面、高于地磅称重平面，对在所述投射区域内的车辆的车轮投射条形光斑；设置在地磅后边界线附近的线结构光投射器的投射区域覆盖地磅后边界线以及地磅后边界线附近的区域，所述线结构光投射器投射的光平面在地磅后边界线附近的区域内低于待检测车辆底盘所在的平面、高于地磅称重平面，对在所述投射区域内车辆的车轮投射条形光斑；所述相机的视场覆盖各自对应的线结构光投射器的投射区域。