基于激光測距的高速公路車輛寬高檢測系統(tǒng)

山西省自動化研究所 趙金嬋

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基于激光測距的高速公路車輛寬高檢測系統(tǒng)

山西省自動化研究所 趙金嬋

【摘要】本文基于激光測距技術設計了一種高速公路車輛寬高檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由激光掃描器、嵌入式工控機及上位機軟件構(gòu)成，實現(xiàn)了車輛寬高尺寸的不停車檢測。經(jīng)現(xiàn)場測試，系統(tǒng)具有測量精度高、速度快、誤差小等優(yōu)點，可以取代傳統(tǒng)人工測量，提升高速公路治超工作的自動化與信息化水平。

【關鍵詞】激光測距；公路超限治理；車輛寬高檢測

0 引言

交通運輸既是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)，又是推動國民經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的基礎條件，尤其是高速公路運輸，在各種運輸方式中所占的比重越來越大。隨著公路交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展，受經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和利益驅(qū)動的雙重影響，一些運輸業(yè)主之間為了片面追求利潤而無序競爭，導致一段時間內(nèi)出現(xiàn)了普遍的超限運輸現(xiàn)象。超限運輸危害巨大，嚴重破壞了公路基礎設施，縮短了公路的使用壽命，同時給交通安全帶來極大的事故隱患，因此，遏制超限運輸刻不容緩。遏制超限超載車輛的關鍵是準確的測量出車輛寬高的實際尺寸，目前對車輛寬高的測量主要采用人工測量的方式，工作效率低、安全風險大，已不滿足于自動化檢測的需要。基于此，設計一種高速公路動態(tài)車輛寬高檢測系統(tǒng)，對實現(xiàn)治超工作自動化和信息化具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

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、嵌入式工控機以及上位機軟件。激光掃描器放置于外場車道的上空，實現(xiàn)對被測車輛的動態(tài)掃描，獲取距離信息；嵌入式工控機實現(xiàn)對激光掃描器的參數(shù)設置、行為控制及數(shù)據(jù)傳輸；上位機軟件安裝在嵌入式工控機內(nèi)，實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的計算、處理及人機界面顯示；數(shù)據(jù)的存儲借助于嵌入式工控機提供的硬盤空間；本系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)可傳輸至上級信息系統(tǒng)作為交通信息決策判斷的基礎數(shù)據(jù)。

2 硬件設計

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

2.1 激光掃描器的選型

本系統(tǒng)根據(jù)高速公路超限檢測站的工作條件對激光掃描器進行選型，采用SICK AG公司的脈沖激光測距掃描儀LMS-1XX。激光掃描器放置在車道中心線距地面約6m的位置，采用成熟的激光-時間飛行原理，加入先進的多次回波檢測技術，通過非接觸式脈沖激光測距，將掃描產(chǎn)生的距離信息轉(zhuǎn)化為車輛寬高尺寸。檢測高度為1.2m~6m；檢測寬度為1.5m~5m；測量距離最大18m；掃描角度最大270°；工作頻率有25Hz和5Hz兩種；設備測量誤差<0.4%；工作電壓為24V DC；防護等級達到IP67，滿足高速公路治超站露天使用要求。

2.2 嵌入式工控機的軟硬件需求

嵌入式工控機作為系統(tǒng)的核心處理單元，實現(xiàn)測量系統(tǒng)的獨立運行，提高了系統(tǒng)的模塊化程度。在硬件方面：嵌入式工控機的CPU主頻需要達到1GHz以上；硬盤存儲空間≥500G；內(nèi)存≥2G；并要求至少具備2個RS232串口、1個以太網(wǎng)口，以滿足測量單元與控制單元的數(shù)據(jù)傳輸要求。軟件方面：嵌入式工控機需配備Windows XPSP3以上系統(tǒng)及Microsoft .NET Framework 4.0平臺，以滿足上位機軟件工作環(huán)境。工控機選用FUSHENGTEK的工業(yè)BOX，如圖2-1所示。

圖2-1 系統(tǒng)嵌入式工控機

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之間的控制信號傳輸與數(shù)據(jù)上傳。激光掃描器布置在車道，嵌入式工控機一般放置在治超服務器機柜中，兩者距離在70m左右，故采用TCP/IP的方式實現(xiàn)通信。嵌入式工控機內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)向上級信息系統(tǒng)傳輸方式取決于現(xiàn)場實際情況，系統(tǒng)設計預留了RS232、RS485、TCP/IP等幾種主流的通信方式。

3 軟件設計

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

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提供的啟動信號，協(xié)議為ASCII格式的“sMN{SPC}StartScan{SP C}01”；啟動后設備開始自檢，自檢內(nèi)容包括設備供電，激光設備工作狀態(tài)，工作溫度等信息；檢測到的設備異常信息將發(fā)送至上位機并暫停測量，若設備正常，則開始下載上位機設置的各項工作參數(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，設備開始掃描測量，并將一周期的掃描數(shù)據(jù)上傳至上位機緩存；等待結(jié)束信號，若繼續(xù)測量，則開始下一周期掃描，若停止測量，則結(jié)束本次工作流程，待機狀態(tài)等待上位機命令。設備控制流程中關鍵的判斷點都采用了超時退出機制，避免了設備工作過程中出現(xiàn)死循環(huán)。

3.2 上位機的工作流程

圖3-2 上位機的工作流程

如圖3-2所示，上位機首先設置激光掃描器參數(shù)，掃面頻率有2550Hz可選，掃描角度為0~270°，敏感高度設置為1m可以有效過濾車道干擾。接收測量單元上傳數(shù)據(jù)，判斷是報警信息或反饋信息，報警信息直接輸出至界面并停止本次測量，反饋信息則表示測量設備已初始化完畢。接著檢測啟動信號，該信號可以是車道現(xiàn)有的光柵、線圈等設備檢測車輛進入測量區(qū)域，也可以由激光掃描器直接檢測觸發(fā)。設備啟動后自動接收測量數(shù)據(jù)，并計算車輛寬高尺寸，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，圖中斜邊的長度代表測量數(shù)據(jù)data，通過當前角度信息可以轉(zhuǎn)換為三角形的兩個直角邊長度，分別為激光掃描器距被測物體的距離h1以及被測物體的寬度w1及寬度w2。掃描器安裝高度h2-h1為被測物體高度H，w1+w2為被測物體寬度W，車輛在前進的過程中，系統(tǒng)可以實現(xiàn)動態(tài)測量。高度H及寬度W存儲至工控機硬盤并輸出至界面。

圖3-3 數(shù)據(jù)處理方法示意圖

4 系統(tǒng)測試

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

圖4-1 車輛寬高測量界面

圖4-2 測量結(jié)果輸出界面

表4-1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)對比

表4-1對部分系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)及相對應的人工測量數(shù)據(jù)做了對比，驗證了本系統(tǒng)的測量誤差控制在3%以內(nèi)。本系統(tǒng)能夠滿足高速公路治超工作相關規(guī)定的要求。

5 結(jié)論

本文對基于激光測距的高速公路車輛寬高檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計、硬件選型及軟件流程設計做了詳細闡述說明并進行了測量結(jié)果分析。根據(jù)相關數(shù)據(jù)分析結(jié)果，本系統(tǒng)的測量速度、數(shù)據(jù)準確度均滿足超限檢測工作的要求，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢測方式，提高高速公路超限檢測系統(tǒng)的自動化與信息化。

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

作者簡介：

基金項目：2015年度山西省科技攻關項目“基于輪廓檢測的綠通車智能識別系統(tǒng)”（項目編號：2015031005）。