基于激光測(cè)距的高速公路車(chē)輛寬高檢測(cè)系統(tǒng)

山西省自動(dòng)化研究所 趙金嬋

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基于激光測(cè)距的高速公路車(chē)輛寬高檢測(cè)系統(tǒng)

山西省自動(dòng)化研究所 趙金嬋

【摘要】本文基于激光測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)了一種高速公路車(chē)輛寬高檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由激光掃描器、嵌入式工控機(jī)及上位機(jī)軟件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛寬高尺寸的不停車(chē)檢測(cè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、速度快、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，可以取代傳統(tǒng)人工測(cè)量，提升高速公路治超工作的自動(dòng)化與信息化水平。

【關(guān)鍵詞】激光測(cè)距；公路超限治理；車(chē)輛寬高檢測(cè)

0 引言

交通運(yùn)輸既是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，又是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)條件，尤其是高速公路運(yùn)輸，在各種運(yùn)輸方式中所占的比重越來(lái)越大。隨著公路交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，受經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和利益驅(qū)動(dòng)的雙重影響，一些運(yùn)輸業(yè)主之間為了片面追求利潤(rùn)而無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了普遍的超限運(yùn)輸現(xiàn)象。超限運(yùn)輸危害巨大，嚴(yán)重破壞了公路基礎(chǔ)設(shè)施，縮短了公路的使用壽命，同時(shí)給交通安全帶來(lái)極大的事故隱患，因此，遏制超限運(yùn)輸刻不容緩。遏制超限超載車(chē)輛的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的測(cè)量出車(chē)輛寬高的實(shí)際尺寸，目前對(duì)車(chē)輛寬高的測(cè)量主要采用人工測(cè)量的方式，工作效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)大，已不滿(mǎn)足于自動(dòng)化檢測(cè)的需要。基于此，設(shè)計(jì)一種高速公路動(dòng)態(tài)車(chē)輛寬高檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)治超工作自動(dòng)化和信息化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1-1所示，本系統(tǒng)主要分為三部分，分別是：激光掃描器、嵌入式工控機(jī)以及上位機(jī)軟件。激光掃描器放置于外場(chǎng)車(chē)道的上空，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)掃描，獲取距離信息；嵌入式工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光掃描器的參數(shù)設(shè)置、行為控制及數(shù)據(jù)傳輸；上位機(jī)軟件安裝在嵌入式工控機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理及人機(jī)界面顯示；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)借助于嵌入式工控機(jī)提供的硬盤(pán)空間；本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)可傳輸至上級(jí)信息系統(tǒng)作為交通信息決策判斷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括激光掃描器的選型、嵌入式工控機(jī)的軟硬件需求分析及系統(tǒng)間通信方式設(shè)計(jì)。

2.1 激光掃描器的選型

本系統(tǒng)根據(jù)高速公路超限檢測(cè)站的工作條件對(duì)激光掃描器進(jìn)行選型，采用SICK AG公司的脈沖激光測(cè)距掃描儀LMS-1XX。激光掃描器放置在車(chē)道中心線(xiàn)距地面約6m的位置，采用成熟的激光-時(shí)間飛行原理，加入先進(jìn)的多次回波檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)非接觸式脈沖激光測(cè)距，將掃描產(chǎn)生的距離信息轉(zhuǎn)化為車(chē)輛寬高尺寸。檢測(cè)高度為1.2m~6m；檢測(cè)寬度為1.5m~5m；測(cè)量距離最大18m；掃描角度最大270°；工作頻率有25Hz和5Hz兩種；設(shè)備測(cè)量誤差<0.4%；工作電壓為24V DC；防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，滿(mǎn)足高速公路治超站露天使用要求。

2.2 嵌入式工控機(jī)的軟硬件需求

嵌入式工控機(jī)作為系統(tǒng)的核心處理單元，實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的模塊化程度。在硬件方面：嵌入式工控機(jī)的CPU主頻需要達(dá)到1GHz以上；硬盤(pán)存儲(chǔ)空間≥500G；內(nèi)存≥2G；并要求至少具備2個(gè)RS232串口、1個(gè)以太網(wǎng)口，以滿(mǎn)足測(cè)量單元與控制單元的數(shù)據(jù)傳輸要求。軟件方面：嵌入式工控機(jī)需配備Windows XPSP3以上系統(tǒng)及Microsoft .NET Framework 4.0平臺(tái)，以滿(mǎn)足上位機(jī)軟件工作環(huán)境。工控機(jī)選用FUSHENGTEK的工業(yè)BOX，如圖2-1所示。

圖2-1 系統(tǒng)嵌入式工控機(jī)

2.3 模塊間通信方式

本系統(tǒng)模塊間通信主要是激光掃描器與嵌入式工控機(jī)之間的控制信號(hào)傳輸與數(shù)據(jù)上傳。激光掃描器布置在車(chē)道，嵌入式工控機(jī)一般放置在治超服務(wù)器機(jī)柜中，兩者距離在70m左右，故采用TCP/IP的方式實(shí)現(xiàn)通信。嵌入式工控機(jī)內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)向上級(jí)信息系統(tǒng)傳輸方式取決于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)留了RS232、RS485、TCP/IP等幾種主流的通信方式。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要涉及兩部分：（1）激光掃描器的工作流程；（2）上位機(jī)的工作流程。

圖3-1 激光掃描器的工作流程

3.1 激光掃描器的工作流程如圖3-1所示，激光掃描器接收上位機(jī)提供的啟動(dòng)信號(hào)，協(xié)議為ASCII格式的“sMN{SPC}StartScan{SP C}01”；啟動(dòng)后設(shè)備開(kāi)始自檢，自檢內(nèi)容包括設(shè)備供電，激光設(shè)備工作狀態(tài)，工作溫度等信息；檢測(cè)到的設(shè)備異常信息將發(fā)送至上位機(jī)并暫停測(cè)量，若設(shè)備正常，則開(kāi)始下載上位機(jī)設(shè)置的各項(xiàng)工作參數(shù)，有：掃描角度、掃描頻率、敏感度、數(shù)據(jù)上傳格式等信息；初始化完畢，設(shè)備開(kāi)始掃描測(cè)量，并將一周期的掃描數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)緩存；等待結(jié)束信號(hào)，若繼續(xù)測(cè)量，則開(kāi)始下一周期掃描，若停止測(cè)量，則結(jié)束本次工作流程，待機(jī)狀態(tài)等待上位機(jī)命令。設(shè)備控制流程中關(guān)鍵的判斷點(diǎn)都采用了超時(shí)退出機(jī)制，避免了設(shè)備工作過(guò)程中出現(xiàn)死循環(huán)。

3.2 上位機(jī)的工作流程

圖3-2 上位機(jī)的工作流程

如圖3-2所示，上位機(jī)首先設(shè)置激光掃描器參數(shù)，掃面頻率有2550Hz可選，掃描角度為0~270°，敏感高度設(shè)置為1m可以有效過(guò)濾車(chē)道干擾。接收測(cè)量單元上傳數(shù)據(jù)，判斷是報(bào)警信息或反饋信息，報(bào)警信息直接輸出至界面并停止本次測(cè)量，反饋信息則表示測(cè)量設(shè)備已初始化完畢。接著檢測(cè)啟動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)可以是車(chē)道現(xiàn)有的光柵、線(xiàn)圈等設(shè)備檢測(cè)車(chē)輛進(jìn)入測(cè)量區(qū)域，也可以由激光掃描器直接檢測(cè)觸發(fā)。設(shè)備啟動(dòng)后自動(dòng)接收測(cè)量數(shù)據(jù)，并計(jì)算車(chē)輛寬高尺寸，數(shù)據(jù)處理方法如圖3-3所示。激光掃描器形成的掃描面為三角形，圖中斜邊的長(zhǎng)度代表測(cè)量數(shù)據(jù)data，通過(guò)當(dāng)前角度信息可以轉(zhuǎn)換為三角形的兩個(gè)直角邊長(zhǎng)度，分別為激光掃描器距被測(cè)物體的距離h1以及被測(cè)物體的寬度w1及寬度w2。掃描器安裝高度h2-h1為被測(cè)物體高度H，w1+w2為被測(cè)物體寬度W，車(chē)輛在前進(jìn)的過(guò)程中，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。高度H及寬度W存儲(chǔ)至工控機(jī)硬盤(pán)并輸出至界面。

圖3-3 數(shù)據(jù)處理方法示意圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)采用Windows XP SP3系統(tǒng)及Microsoft .NET Framework 4.0平臺(tái)，測(cè)試地點(diǎn)為高速公路治超站，系統(tǒng)界面如圖4-1、圖4-2所示。

圖4-1 車(chē)輛寬高測(cè)量界面

圖4-2 測(cè)量結(jié)果輸出界面

表4-1 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

表4-1對(duì)部分系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)及相對(duì)應(yīng)的人工測(cè)量數(shù)據(jù)做了對(duì)比，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的測(cè)量誤差控制在3%以?xún)?nèi)。本系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足高速公路治超工作相關(guān)規(guī)定的要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)基于激光測(cè)距的高速公路車(chē)輛寬高檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件選型及軟件流程設(shè)計(jì)做了詳細(xì)闡述說(shuō)明并進(jìn)行了測(cè)量結(jié)果分析。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，本系統(tǒng)的測(cè)量速度、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度均滿(mǎn)足超限檢測(cè)工作的要求，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢測(cè)方式，提高高速公路超限檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化與信息化。

參考文獻(xiàn)

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趙金嬋（1963-），女，山西太原人，2013年畢業(yè)于中北大學(xué)，工程師，現(xiàn)工作于山西省自動(dòng)化研究所，研究方向：信息技術(shù)研究。

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：2015年度山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目“基于輪廓檢測(cè)的綠通車(chē)智能識(shí)別系統(tǒng)”（項(xiàng)目編號(hào)：2015031005）。