激光傳感器在車輛寬高超限檢測(cè)中的應(yīng)用

李麗宏，邢桂甲，李曉林

（太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西太原030024）

現(xiàn)代儀器儀表的智能化趨勢(shì)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(diǎn)，使得利用這些特性研發(fā)的激光檢測(cè)和控制系統(tǒng)具有先進(jìn)的技術(shù)性能、方便的使用性能和簡(jiǎn)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(xué)零件和光電器件所構(gòu)成的，它能把被測(cè)物理量（如距離、流量、速度等）轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器把光信號(hào)變成電信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)電路的過(guò)濾、放大和整流得到輸出信號(hào)，從而算出被測(cè)量。借助于激光所具有的優(yōu)點(diǎn)（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(jiǎn)單可靠、抗干擾能力強(qiáng)、非機(jī)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(cè)量等優(yōu)點(diǎn)[1]。

隨著科技的不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)治超工作的要求也不斷提高，無(wú)論是從效率還是精準(zhǔn)度來(lái)說(shuō)，智能化的超限檢測(cè)工具必將得到廣泛的應(yīng)用。鑒于上述情況，設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)。

1 激光測(cè)距傳感器的測(cè)量原理

激光測(cè)距是一種主動(dòng)光學(xué)探測(cè)方法。主動(dòng)光學(xué)探測(cè)的探測(cè)機(jī)制是：由探測(cè)系統(tǒng)向目標(biāo)發(fā)射波束（在光學(xué)探測(cè)中，一般是紅外或可見光），波束被目標(biāo)表面反射產(chǎn)生回波信號(hào)。回波信號(hào)中直接或間接地包含待測(cè)信息。接收與信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)接收和分析回波信號(hào)，獲得被測(cè)量。激光具有相干性強(qiáng)、亮度高、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，因此激光出現(xiàn)后，立刻成為了絕大多數(shù)主動(dòng)光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的首選光源[2]。

圖1 脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1Pulsed laser ranging system diagram

目前，脈沖激光測(cè)距已獲得了廣泛的應(yīng)用，如地形測(cè)量、地球到月球距離的測(cè)量等。圖1為脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，其工作原理如下：人機(jī)操作發(fā)出測(cè)距指令，觸發(fā)激光器發(fā)出激光脈沖，一小部分能量透過(guò)分束片，作為參考脈沖直接送到脈沖采集系統(tǒng)，作為計(jì)時(shí)的起始點(diǎn)，啟動(dòng)數(shù)字式測(cè)距計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；另一部分由折射棱鏡反射，射向目標(biāo)。一般發(fā)射前端有望遠(yuǎn)光學(xué)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(biāo)物的干擾。到達(dá)目標(biāo)的激光束有一部分被表面漫反射回到測(cè)距儀；經(jīng)接收物鏡和光學(xué)濾波器，到達(dá)探測(cè)器APD，窄帶光學(xué)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(cè)器APD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后將電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大、濾波整形。整形后的回波信號(hào)關(guān)閉時(shí)間間隔處理模塊，使其停止計(jì)時(shí)。這樣，根據(jù)時(shí)間間隔處理的結(jié)果t即可計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)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(cè)器輸出信號(hào)中的背景噪聲。根據(jù)式（1），脈沖測(cè)距精度ΔL，可以表示為：

由式（2）可知，系統(tǒng)處理的時(shí)間間隔精度Δt直接決定了脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)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(guó)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(jī)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(duì)激光束飛行時(shí)間的測(cè)量，其按照定義好的時(shí)間間隔發(fā)出激光脈沖，通過(guò)定時(shí)器計(jì)算發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間間隔來(lái)得到與被測(cè)物體之間的距離。脈沖激光束經(jīng)過(guò)測(cè)距傳感器內(nèi)部的一個(gè)旋轉(zhuǎn)反光鏡的反射對(duì)周圍環(huán)境形成扇面掃描。目標(biāo)物體的輪廓線由所接收到的一系列脈沖序列來(lái)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)量精度為±0.30 m，安全防護(hù)等級(jí)為IP67，對(duì)人眼安全。惡劣的環(huán)境因素對(duì)測(cè)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(cè)距的方法計(jì)算出被測(cè)物體的掃描輪廓線上若干點(diǎn)到傳感器的距離，并以極坐標(biāo)的形式實(shí)時(shí)地通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)接口上傳給工控機(jī)進(jìn)行后期處理。由于網(wǎng)口的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)100 Mb/s，所以不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，保證能實(shí)時(shí)地完整地將所測(cè)數(shù)據(jù)上傳到工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[5]。

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

工控機(jī)通過(guò)可視化編程語(yǔ)言VB的網(wǎng)絡(luò)通訊內(nèi)核Winsock與LMS系列傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。在使用Winsock控件時(shí)，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(cuò)誤檢查機(jī)制，避免數(shù)據(jù)被分散傳遞，因傳輸?shù)倪^(guò)程較慢而錯(cuò)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(tái)計(jì)算機(jī)之間的傳輸類似于傳遞郵件：信息從一臺(tái)計(jì)算機(jī)傳送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但是兩者之間沒有明確的連接。由于和TCP的方式比起來(lái)，它的錯(cuò)誤檢查比較簡(jiǎn)單，因此速度比較快，要求速度時(shí)，使用此方式比較恰當(dāng)[6]。

本系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求比較高，且對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求相對(duì)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(jī)的IP地址設(shè)置為一個(gè)網(wǎng)段，再使用UDP通信協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。工控機(jī)接收到LMS系列傳感器上傳的極坐標(biāo)信息后，再通過(guò)基于VB內(nèi)核設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理程序?qū)λ袛?shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理的過(guò)程如下。

首先，通過(guò)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(cè)量到的傳感器到被測(cè)車輛的不同點(diǎn)的極坐標(biāo)的極半徑（ρ1，ρ2，ρ3，……，ρn）和對(duì)應(yīng)的極角（θ1，θ2，θ3，……，θn）；

第二步，通過(guò)坐標(biāo)系的變換將被測(cè)點(diǎn)的極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)，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(cè)車輛的最左邊的x值xmin和最右邊的x值xmax；計(jì)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(cè)量所得的寬度與高度進(jìn)行比較，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化曲線來(lái)判斷進(jìn)車與出車。

然后，通過(guò)比較各單次測(cè)量的車輛的寬度和高度信息進(jìn)行逐次比較，計(jì)算車輛的最大高度Height和最大寬度Width。

最后，將得出的過(guò)往車輛的最大寬度和最大高度，與國(guó)家規(guī)定的車輛寬高限制值相比較，從而判斷過(guò)往車輛是否超寬超高，比較的結(jié)果通過(guò)工控機(jī)的顯示器顯示出來(lái)，同時(shí)保存測(cè)量結(jié)果到SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。如果車輛超寬超高的話，工控機(jī)還會(huì)產(chǎn)生聲光報(bào)警，以提醒治超人員和超限車輛的司機(jī)出現(xiàn)了超限問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)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(chǎng)高度為6 m的龍門架上，激光傳感器的掃描測(cè)量扇面區(qū)域垂直于車道，有車輛穿過(guò)扇面掃描區(qū)域時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出該車輛的寬度和高度值，并且顯示在工控機(jī)的顯示器上供工作人員監(jiān)控用。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨機(jī)對(duì)30輛不同樣式的通行車輛分別用人工方式和自動(dòng)方式測(cè)量車輛的寬度和高度（以下分別稱為實(shí)際值和測(cè)量值）。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明本系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)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(yǔ)言VB的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核設(shè)計(jì)的智能車輛超寬超高檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量精度高，實(shí)時(shí)性好，被檢車輛行駛過(guò)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(lái)。本系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了車輛超限檢測(cè)中超寬超高檢測(cè)的自動(dòng)化，避免了人工測(cè)量誤差的隨機(jī)性，可以測(cè)量人工無(wú)法直接手動(dòng)測(cè)量的車輛寬度和高度，并且測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中可以隨時(shí)查詢，還可以大大提高超限檢測(cè)的工作效率和檢測(cè)精度，因此，本系統(tǒng)具有良好的推廣前景。

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