車輛裝載長度測量系統研發*

謝春麗，孫鳳英，閆春利

（東北林業大學交通學院，黑龍江哈爾濱 150040）

0 引言

近年來，隨著我國經濟和交通事業的發展，公路運輸獲得了快速發展，然而，長期以來，公路貨運卻出現了一種非法超限（超高、超寬、超長、超重）運輸。據不完全統計，超限運輸使公路和橋梁的使用壽命普遍縮短，特別是高速公路，壽命損失高達60%～80%，全國平均年直接經濟損失10億元以上［1，2］。由此而引發的交通事故占交通事故總數的30%以上，占貨車事故的55%以上，造成的經濟損失占事故經濟損失的50%左右，交通稅費流失巨大。許多超限車輛以低速或超低速運行，嚴重降低了道路通行能力，影響了道路利用率和總體經濟效益。沿途造成大氣污染和噪聲污染，破壞了人類的生態環境［3］。因此，超限運輸危害巨大，對人、路、車、環境等方面都有很大影響。為更有效地治理車輛超限問題，本課題組研發了超限運輸車輛門禁控制系統［4，5］，能夠測量車輛裝載高和寬的幾何尺寸，對于車輛裝載的長度由于裝載貨物材質、幾何形狀差別較大，很難實現準確測量，只能判斷其是否超過18m。而車輛裝載長度會直接影響車輛行駛安全性，尤其是彎道行駛時，影響更加明顯。為解決車輛裝載長度準確測量問題，研發了車輛裝載長度測量系統，可以實現非接觸式不停車情況下的裝載長度測量。

1 測量原理

車輛裝載長度測量系統由軟件控制系統、紅外光幕傳感器、超聲波測距傳感器、光電開關、上位機界面等組成。一對紅外光幕傳感器和光電開關構成復合基準，只有紅外光幕傳感器和光電開關同時觸發才認為是有車輛通過，避免了由于人為或外界干擾遮擋所帶來的誤判斷。測量原理如圖1所示，當車輛通過紅外光幕傳感器1和光電開關1所構成的復合基準1時，觸發單片機使其進入預測量狀態，當車輛完全通過復合基準1后，而沒有到達紅外光幕傳感器2和光電開關2構成的復合基準2時，判斷其為較短的車，這時就以復合基準2為測量基準，當此車完全通過復合基準2時，單片機進入測量狀態，單片機啟動超聲波測距傳感器測量車頭與超聲波測距傳感器之間的距離。當車輛沒有完全通過復合基準1，而車頭已經到達復合基準2時，判斷其為較長的車，以復合基準1為測量基準。當完全通過復合基準1時，單片機啟動超聲波測距傳感器，測量車輛前部與超聲波測距傳感器之間的距離。采用這種雙基準的設計可以解決車輛排隊通過時車輛裝載長度的準確測量。

圖1 車輛裝載長度測量系統俯視圖Fig 1 Top view of the vehicle loading length measurement system

2 系統組成

車輛裝載長度測量系統由工控機、軟件系統和硬件系統等組成。軟件系統主要包括人機界面與通信控制等程序，實現硬件系統與工控機的數據交互，完成數據采集與硬件控制等功能。硬件系統主要包括單片機、紅外光幕傳感器、光電傳感器、超聲波測距傳感器及其附件組成，判斷是否有車輛通過并完成車輛裝載長度的測量，將相關數據通過通信電路傳遞給上位機進行處理。

2.1 軟件系統

為完成車輛裝載長度的測量所設計的軟件系統程序流程如圖2所示，本軟件系統包括串口通信、計時器、計數器、中斷程序、延遲函數程序、目標判斷和數據處理等功能［6］。各部分功能如下:

1）串口通信:實現單片機與工控機通信的程序，將傳感器的信號進行編碼轉換，轉換為用戶可理解的文字、字母及十進制數據。

2）計時器:在超聲波測距模塊工作時，用來計時超聲波發射到返回的時間，其時間單位是μs。

3）計數器:每一對復合基準都對應著一個相應的計數器，被車輛遮擋一次相應的計數器加1，2個復合基準的計數器數值相同時，認為是同一車輛同時經過兩復合基準，則認定該車輛為裝載長度較長的車輛。

4）中斷程序:這部分主要功能是當超聲波返回時，觸發外部中斷，使計時停止，這樣會使計時更加準確。當計時器溢出時會產生時鐘中斷，使寄存器全部置零。

圖2 軟件系統程序流程圖Fig 2 Flow chart of software system program

5）延遲函數程序:延遲函數分為兩部分，一部分是10 μs的延遲函數，一部分是ms級的延遲函數，具體延遲時間可以根據實際情況自己設定。

6）目標判斷:用來判斷是否有車輛駛過并判斷車輛是否完全通過測量復合基準。

7）數據處理:將計時器記錄的時間通過計算、轉換變成以cm為單位的車輛前部與超聲波測距傳感器的距離，進而計算車輛裝載長度。

2.2 硬件系統

硬件系統主要包括工控機、單片機和傳感器等。本系統采用MCS—51完全兼容的STC89C52單片機，主要包括升壓電路、通信電路等，電路結構框圖［7］如圖 3所示。STC89C52根據各傳感器的輸入信號按照給定的程序完成所有的數據處理后將數據傳輸給上位機，各傳感器的布置方式如圖4所示。

圖3 電路結構框圖Fig 3 Block diagram of the circuit structure

圖4 傳感器的布置圖Fig 4 Sensors layout

3 排隊車輛裝載長度測量原理

采用雙復合基準作為超聲波測距傳感器的測量基準可以解決車輛排隊通過時裝載長度的測量問題。由于本系統的應用主要是在高速路入口處，故可將超聲波測距傳感器安裝在高速入（出）口收費亭處，這里可以假設在本系統前方不形成車輛排隊現象，車輛排隊現象只出現在本系統的后方，設復合基準1和復合基準2到超聲波測距傳感器的距離分別為L1和L2，本系統中L2一般為8～10 m，因此，對于一般的車輛而言均有LA+LB≥L2，而且收費亭處于復合基準2與超聲波測距傳感器之間如圖1所示，所以，在復合基準2和超聲波測距傳感器之間基本不存在車輛遮擋現象即車輛排隊基本上不影響超聲波測距傳感器的工作。排隊形式分析與測量方式如下:

1）A，B裝載長度均為較短車輛，其裝載長度分別為LA和LB。設A車在前，B車在后，A車離開復合基準2時，觸發超聲波測距傳感器測量車輛前部與超聲波測距傳感器的距離為l，則LA=L2－l;由于設前方不存在排隊現象A車經過收費亭收費后馬上駛離該測量系統，故不影響超聲波傳感器按同樣的原理測量后面排隊的B車輛裝載長度。

2）A，B裝載長度均為較長車輛，當A車輛同時觸發了復合基準1和復合基準2時判斷其為裝載長度較長的車輛，這時使用復合基準1作為觸發基準，當A車輛通過復合基準1后，觸發超聲波測距傳感器測量車輛前部與超聲波測距傳感器的距離為l，則LA=L1－l，按同樣的原理測量B車輛的裝載長度，復合基準1和復合基準2同時也起計數器的作用，計數相同的認為是同一車輛。

3）A和B車輛分別為裝載長度較長和較短車輛時，則分別使用復合基準1和復合基準2作為測量觸發基準。

4 實驗驗證

為了減少實驗時間和成本，考慮安全因素，實驗時裝置不能直接裝在高速公路收費站上實驗，采用在實驗室搭建模擬高速公路收費站平臺的方法檢測系統各部分的工作情況是否良好，單片機對光幕、超聲波等信號的接收是否準確，裝置軟硬件匹配情況，記錄系統在模擬實驗的狀態下所測得的數據，為查找問題和對裝置的進一步改進提供依據。

1）用同一物體，模擬汽車多次通過車輛裝載長度測量系統，測出數據進行比較，確定系統的誤差和工作可靠性。

2）用不同長度的物體模擬汽車通過車輛裝載長度測量系統，測出數據進行比較，確定系統的誤差和工作可靠性。

3）用多個不同長度的物體模擬汽車，排隊通過車輛裝載長度測量系統，測出數據，確定系統的誤差和工作可靠性。

對于不同長度的物體和相同長度的物體進行反復測量實驗，得到測量結果。表1為非排隊情況下所測得的數據，表2為排隊的情況下所測得的數據。由于實驗中各傳感器的安裝位置設定大于20 cm的物體認定為裝載長度較長的車輛，小于20 cm的車輛認定為裝載長度較短的車輛。

表1 非排隊情況模擬實驗采集的數據Tab 1 Simulation experiment data of non-queuing

表2 排隊情況下模擬實驗采集的數據Tab 2 Simulation experiment data of queuing

5 結論

1）從實驗數據來看，本系統的精度很高，誤差較小，基本控制在±1 cm內。

2）在實驗平臺上進行裝置調試，調試結果表明:該系統能夠實現在各種復雜的工作環境和排隊情況的準確測量車輛裝載長度。針對車輛排隊通過的現象，設計比較復雜的邏輯程序，利用雙基準觸發機制和復合基準的計數功能，實現了各種復雜排隊情況下車輛裝載長度的準確測量。

3）雖然實驗平臺與實際工作環境有較大的差距，但本設計的所有硬件和軟件程序都有普遍應用性和適應性，只需將超聲波測距傳感器的功率換成更大的就可實際應用。

［1］蔣在文.道路超限超載運輸治理的機理與對策［D］.西安:長安大學，2010.

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［3］王 霞，張 歡.公路超限運輸環境成本量化研究［J］.中外公路，2010，30（6）:246－249.

［4］謝春麗，孫鳳英.高速公路超限運輸車輛檢測系統數據庫技術［J］.交通與運輸，2007（2）:64－66.

［5］謝春麗，孫鳳英，劉永闊.高速公路超限運輸車輛門禁控制技術研究［J］.交通與運輸，2007（1）:76－79.

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