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(shù)設(shè)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(jī)及上位機(jī)軟件構(gòu)成，實(shí)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(diǎn)，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(guān)鍵詞】激光測距；公路超限治理；車輛寬高檢測

0 引言

交通運(yùn)輸既是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，又是推動國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(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)動的雙重影響，一些運(yùn)輸業(yè)主之間為了片面追求利潤而無序競爭，導(dǎo)致一段時間內(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，同時給交通安全帶來極大的事故隱患，因此，遏制超限運(yùn)輸刻不容緩。遏制超限超載車輛的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的測量出車輛寬高的實(shí)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(fēng)險大，已不滿足于自動化檢測的需要?；诖?，設(shè)計一種高速公路動態(tài)車輛寬高檢測系統(tǒng)，對實(shí)現(xiàn)治超工作自動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

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車道的上空，實(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)對激光掃描器的參數(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)對測量數(shù)據(jù)的計算、處理及人機(jī)界面顯示；數(shù)據(jù)的存儲借助于嵌入式工控機(jī)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(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計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。

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(jìn)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(jìn)的多次回波檢測技術(shù)，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(shè)備測量誤差<0.4%；工作電壓為24V DC；防護(hù)等級達(dá)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(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(jī)需配備Windows XPSP3以上系統(tǒng)及Microsoft .NET Framework 4.0平臺，以滿足上位機(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(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)向上級信息系統(tǒng)傳輸方式取決于現(xiàn)場實(shí)際情況，系統(tǒng)設(shè)計預(yù)留了RS232、RS485、TCP/IP等幾種主流的通信方式。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要涉及兩部分：（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)提供的啟動信號，協(xié)議為ASCII格式的“sMN{SPC}StartScan{SP C}01”；啟動后設(shè)備開始自檢，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；檢測到的設(shè)備異常信息將發(fā)送至上位機(jī)并暫停測量，若設(shè)備正常，則開始下載上位機(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)備開始掃描測量，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，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(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)都采用了超時退出機(jī)制，避免了設(shè)備工作過程中出現(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(shè)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(shè)備檢測車輛進(jìn)入測量區(qū)域，也可以由激光掃描器直接檢測觸發(fā)。設(shè)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(dāng)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(jìn)的過程中，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量。高度H及寬度W存儲至工控機(jī)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(jī)系統(tǒng)采用Windows XP SP3系統(tǒng)及Microsoft .NET Framework 4.0平臺，測試地點(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(yīng)的人工測量數(shù)據(jù)做了對比，驗(yàn)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(guān)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(shè)計、硬件選型及軟件流程設(shè)計做了詳細(xì)闡述說明并進(jìn)行了測量結(jié)果分析。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，本系統(tǒng)的測量速度、數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(xué)，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(shù)研究。

作者簡介：

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