李麗宏，邢桂甲，李曉林

（太原理工大學信息工程學院，山西太原030024）

現(xiàn)代儀器儀表的智能化趨勢使得各種傳感器的應(yīng)用日益廣泛。由于激光具有許多優(yōu)點，使得利用這些特性研發(fā)的激光檢測和控制系統(tǒng)具有先進的技術(shù)性能、方便的使用性能和簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。激光傳感器一般是由激光發(fā)生器、光學零件和光電器件所構(gòu)成的，它能把被測物理量（如距離、流量、速度等）轉(zhuǎn)換成光信號，然后應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器把光信號變成電信號，通過相應(yīng)電路的過濾、放大和整流得到輸出信號，從而算出被測量。借助于激光所具有的優(yōu)點（如方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等），激光傳感器通常具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、抗干擾能力強、非機械接觸、分辨率高、精度高、示值誤差小、穩(wěn)定性好、宜用于快速測量等優(yōu)點[1]。

隨著科技的不斷發(fā)展，國家對治超工作的要求也不斷提高，無論是從效率還是精準度來說，智能化的超限檢測工具必將得到廣泛的應(yīng)用。鑒于上述情況，設(shè)計了基于激光掃描傳感器技術(shù)的高效率高精度的智能型車輛超寬超高檢測系統(tǒng)。

1 激光測距傳感器的測量原理

激光測距是一種主動光學探測方法。主動光學探測的探測機制是：由探測系統(tǒng)向目標發(fā)射波束（在光學探測中，一般是紅外或可見光），波束被目標表面反射產(chǎn)生回波信號?；夭ㄐ盘栔兄苯踊蜷g接地包含待測信息。接收與信號處理系統(tǒng)通過接收和分析回波信號，獲得被測量。激光具有相干性強、亮度高、方向性好等優(yōu)點，因此激光出現(xiàn)后，立刻成為了絕大多數(shù)主動光學探測系統(tǒng)的首選光源[2]。

圖1 脈沖激光測距系統(tǒng)簡圖Fig.1Pulsed laser ranging system diagram

目前，脈沖激光測距已獲得了廣泛的應(yīng)用，如地形測量、地球到月球距離的測量等。圖1為脈沖激光測距系統(tǒng)簡圖，其工作原理如下：人機操作發(fā)出測距指令，觸發(fā)激光器發(fā)出激光脈沖，一小部分能量透過分束片，作為參考脈沖直接送到脈沖采集系統(tǒng)，作為計時的起始點，啟動數(shù)字式測距計時器開始計時；另一部分由折射棱鏡反射，射向目標。一般發(fā)射前端有望遠光學系統(tǒng)，為的是減少出射光束的發(fā)散角，以提高光能面密度，增大工作距離，還可以減少背景和周圍非目標物的干擾。到達目標的激光束有一部分被表面漫反射回到測距儀；經(jīng)接收物鏡和光學濾波器，到達探測器APD，窄帶光學濾波器的主要作用是充分利用激光優(yōu)良的單色性，提高系統(tǒng)的信噪比；光探測器APD將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后將電信號進行信號放大、濾波整形。整形后的回波信號關(guān)閉時間間隔處理模塊，使其停止計時。這樣，根據(jù)時間間隔處理的結(jié)果t即可計算出待測目標的距離L為：

式（1）中，c為光速。圖1中，濾光片和光圈可以減少背景及雜閃光的影響，降低探測器輸出信號中的背景噪聲。根據(jù)式（1），脈沖測距精度ΔL，可以表示為：

由式（2）可知，系統(tǒng)處理的時間間隔精度Δt直接決定了脈沖激光測距系統(tǒng)的測距精度ΔL[3-4]。

2 系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理

本系統(tǒng)以德國SICK公司的LMS系列戶外型非接觸式激光傳感器為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用工控機作為數(shù)據(jù)的處理設(shè)備，系統(tǒng)組成如圖2所示。LMS系列傳感器是一種戶外型非接觸式的高精度、高解析度外部傳感器，其工作原理是基于對激光束飛行時間的測量，其按照定義好的時間間隔發(fā)出激光脈沖，通過定時器計算發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時間間隔來得到與被測物體之間的距離。脈沖激光束經(jīng)過測距傳感器內(nèi)部的一個旋轉(zhuǎn)反光鏡的反射對周圍環(huán)境形成扇面掃描。目標物體的輪廓線由所接收到的一系列脈沖序列來確定。LMS傳感器的掃描頻率是25 Hz/50 Hz，角度頻率是0.25°/0.5°，掃描角度范圍是0°～270°，最大掃描距離是20 m，標準測量精度為±0.30 m，安全防護等級為IP67，對人眼安全。惡劣的環(huán)境因素對測量范圍沒有影響，可用于室外溫度-30～+50℃的環(huán)境中。LMS系列激光傳感器采用激光脈沖測距的方法計算出被測物體的掃描輪廓線上若干點到傳感器的距離，并以極坐標的形式實時地通過高速網(wǎng)絡(luò)接口上傳給工控機進行后期處理。由于網(wǎng)口的數(shù)據(jù)傳輸速度可達100 Mb/s，所以不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題，保證能實時地完整地將所測數(shù)據(jù)上傳到工控機進行數(shù)據(jù)處理[5]。

圖2 激光車輛寬高檢測系統(tǒng)組成Fig.2Laser detection system composed of the vehicle width and height

工控機通過可視化編程語言VB的網(wǎng)絡(luò)通訊內(nèi)核Winsock與LMS系列傳感器直接進行數(shù)據(jù)的交換。在使用Winsock控件時，首先要考慮使用TCP還是UDP通信協(xié)議。TCP通信協(xié)議控件是要求連接的通信協(xié)議，類似于電話系統(tǒng)。在開始數(shù)據(jù)傳輸前，使用者必須先建立連接，其上還有錯誤檢查機制，避免數(shù)據(jù)被分散傳遞，因傳輸?shù)倪^程較慢而錯誤較少。如果數(shù)據(jù)是比較重要的，使用此方式比較好。而UDP通信協(xié)議是一種不需要連接的通信協(xié)議，兩臺計算機之間的傳輸類似于傳遞郵件：信息從一臺計算機傳送到另一臺計算機，但是兩者之間沒有明確的連接。由于和TCP的方式比起來，它的錯誤檢查比較簡單，因此速度比較快，要求速度時，使用此方式比較恰當[6]。

本系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的實時性要求比較高，且對數(shù)據(jù)的準確性要求相對較低，所以數(shù)據(jù)交換之前，首先要分別將LMS系列傳感器和工控機的IP地址設(shè)置為一個網(wǎng)段，再使用UDP通信協(xié)議來進行數(shù)據(jù)的交換。工控機接收到LMS系列傳感器上傳的極坐標信息后，再通過基于VB內(nèi)核設(shè)計的數(shù)據(jù)處理程序?qū)λ袛?shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)處理的過程如下。

首先，通過傳感器上傳的數(shù)據(jù)判斷車輛的駛?cè)肱c駛出。

第一步，傳感器上傳測量到的傳感器到被測車輛的不同點的極坐標的極半徑（ρ1，ρ2，ρ3，……，ρn）和對應(yīng)的極角（θ1，θ2，θ3，……，θn）；

第二步，通過坐標系的變換將被測點的極坐標轉(zhuǎn)換為平面直角坐標，即

第三步，分別比較y1，y2，y3，……，yn，取最小的y值ymin；再分別比較x1，x2，x3，……，xn取掃描到的被測車輛的最左邊的x值xmin和最右邊的x值xmax；計算單次掃描的車輛的最大高度Height=H-ymin和最大寬度Width=xmax-xmin（H為傳感器距離地面的高度）。將各單次測量所得的寬度與高度進行比較，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化曲線來判斷進車與出車。

然后，通過比較各單次測量的車輛的寬度和高度信息進行逐次比較，計算車輛的最大高度Height和最大寬度Width。

最后，將得出的過往車輛的最大寬度和最大高度，與國家規(guī)定的車輛寬高限制值相比較，從而判斷過往車輛是否超寬超高，比較的結(jié)果通過工控機的顯示器顯示出來，同時保存測量結(jié)果到SQL數(shù)據(jù)庫。如果車輛超寬超高的話，工控機還會產(chǎn)生聲光報警，以提醒治超人員和超限車輛的司機出現(xiàn)了超限問題。

3 實驗結(jié)果及分析

本系統(tǒng)中的激光傳感器安裝在應(yīng)用現(xiàn)場高度為6 m的龍門架上，激光傳感器的掃描測量扇面區(qū)域垂直于車道，有車輛穿過扇面掃描區(qū)域時，檢測系統(tǒng)自動計算出該車輛的寬度和高度值，并且顯示在工控機的顯示器上供工作人員監(jiān)控用。

現(xiàn)場實驗過程中，隨機對30輛不同樣式的通行車輛分別用人工方式和自動方式測量車輛的寬度和高度（以下分別稱為實際值和測量值）。統(tǒng)計分析結(jié)果表明本系統(tǒng)自動測量數(shù)據(jù)的誤差在0.10 m以內(nèi)的有28輛，在0.15 m以內(nèi)的有2輛。即有93%的車輛檢測誤差小于0.10 m，這滿足用戶所提誤差小于0.15 m的要求。數(shù)據(jù)分析表如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)分析表Tab.1Experimental data analysis table m

4 結(jié)論

采用LMS系列二維激光脈沖掃描傳感器和可視化編程語言VB的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核設(shè)計的智能車輛超寬超高檢測系統(tǒng)，測量精度高，實時性好，被檢車輛行駛過傳感器下方車輛的寬度和高度信息立即在顯示器上顯示出來。本系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了車輛超限檢測中超寬超高檢測的自動化，避免了人工測量誤差的隨機性，可以測量人工無法直接手動測量的車輛寬度和高度，并且測量數(shù)據(jù)自動保存到數(shù)據(jù)庫中可以隨時查詢，還可以大大提高超限檢測的工作效率和檢測精度，因此，本系統(tǒng)具有良好的推廣前景。

[1]宋永剛，郝飛，王海鳴.激光傳感器在工程機械中的應(yīng)用[J].建筑機械（上半月）,2007（17）：62-65，68.SONG Yong-gang,HAO Fei,WANG Hai-ming.Application of laser sensor in engineering machinery[J].Construction Machinery,2007（17）：62-65，68.

[2]張祥金，張河，陳炳林.激光近炸引信的定距精度因素分析[J].彈箭與制導(dǎo)學報,2006,26（2）:1233-1235.ZHANGXiang-jin,ZHANGHe,CHENBing-lin.The analysis factors of the precision for laser proximity fuze[J].JournalofProjectilesRocketsMissilesandGuidance,2006,26（2）:1233-1235.

[3]胡以華,魏慶農(nóng),劉建國,等.采用模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)提高脈沖激光測距的測時精度[J].激光技術(shù),1997,21（3）:189-192.HU Yi-hua,WEI Qing-nong,LIU Jian-guo，et al.Using A/D converter to improve precision of time interval measurement in pulse laser range finder[J].Laser Technology,1997,21（3）:189-192.

[4]張立,陳育偉,胡以華.高性能時間間隔測量裝置及其在激光成像中的應(yīng)用[J].紅外技術(shù),2004,26（3）:71-74.ZHANG Li,CHEN Yu-wei,HU Yi-hua.A high performance time interval measurement and its application in laser imaging[J].Infrared Technology,2004,26（3）:71-74.

[5]SICK公司.LMS***Laser Measurement Systems OPERATING INSTRUCTIONS[EB/OL].2009.http://www.sick.com.

[6]范逸之，陳立元，孫德萱，等.利用Visual Basic實現(xiàn)串并行通信技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2003.