LED路燈路面照度自動檢測系統設計

余中潑 劉桂雄 陳曉曼 萬泉

摘 要：道路照明采用LED路燈導致照度降低，影響道路交通安全，研究基于自動車載平臺的LED路燈路面照度檢測系統，加強LED照明產品監督與檢測技術。該系統檢測流程根據國標制定，由自動檢測裝置與監控中心兩部分組成，其中自動檢測裝置通過傳感器感知照度值、距離值、角度值、路程值，角度值、路程值分別用于控制智能車直線行駛、定點定位，照度值通過ZigBee無線遠程傳輸。通過與人工檢測對比實驗，結果表明：該系統較目前照度檢測技術有高效率、低成本、高準確度等優點。

關鍵詞：道路照度；車載平臺；自動檢測；LED

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2016）09-0088-04

0 引 言

道路照明目的是提供安全可見度[1]。LED（light emitting diode）照明技術以節能、低成本等諸多優點[2]逐漸被道路照明所采用，但根據美、英、德等國研究表明[3]，由于采用LED路燈導致路面照度降低，使道路交通事故發生率最多增加36%，這違背道路照明目的，故需加強LED照明產品監督與檢測技術。目前LED路燈質量檢測國內外研究動態主要表現在：1）提出新LED質量檢測指標觀點，給出測試方法[4-6]，對人工檢測布點法進行改進并給出實驗數據[7]，但都尚未得到認證；2）針對人工測量局限性，提出用檢測軟件進行實驗室模擬測量[8]，但模擬檢測準確度達不到要求；3）提出基于車載式（測量車用于機動車）道路照明測量不用設點逐點測量，也不用為排除其他車輛車燈引起干擾和保證測量人員安全而阻斷交通[9-11]，但整套裝置造價昂貴，影響其推廣應用；4）隨著數字成像技術發展，基于CCD道路照明測量技術是一種精度較高且方便可行測試方法[12-14]，但該技術還有待深入研究，需要更高精度相機、圖像處理軟件來估算光度參數才可達到實時準確測量結果。針對路面檢測技術檢測量大、檢測效率低下等問題，筆者開發一套基于自動車載平臺的LED路燈路面照度檢測系統。

1 LED路燈路面照度檢測系統原理框圖

本檢測系統的外界檢測量有照度值、距離值、角度值、路程值，分別由照度傳感器模塊、相位激光測距模塊、航向角模塊、編碼器模塊進行檢測?？刂屏坑芍绷麟姍CPWM控制，由中央處理器及電機驅動模塊來實現。信號傳輸由ZigBee無線模塊、2.4 GHz無線遙控模塊來實現，下位機信號顯示通過液晶屏顯示，上位機數據顯示由軟件界面顯示。圖1為自動檢測系統模塊組成圖。

自動測量前，通過激光測距確定兩根燈桿間距離，依據GB/T 5700——2008《照明測量方法》標準[15]，采用中心布點法確定照度參數測試點，圖2為自動測量工作原理示意圖。自動測量裝置向前直線行進，編碼器模塊實時監控移動距離，到達確定測試點后裝置自動進行路面照度參數測量，將結果保存在存儲模塊并無線上傳至監控中心，進行分析顯示。隨著測量裝置從燈桿1走到燈桿2，即完成1個車道檢測，如此依次完成各個車道檢測。

2 系統關鍵模塊設計

2.1 自動檢測平臺

采用后輪雙直流電機驅動的履帶式智能車作為自動測量裝置，由金屬履帶、金屬驅動輪、鋼波箱等零件組成，具有避震裝置，與輪式車比較，具有如下優點：1）轉向半徑小，可實現零角度轉向，對于直線運動控制有非常大優勢；2）抓地能力強，對地面平均壓強低，通過性能更好，可適應較復雜路況地面檢測；3）機動性強，波箱減速比機構可大大增強車前進動力，越障與爬坡效果好。

車體長360 mm，寬220 mm，具有0～25 km/h運動速度和360°全方位移動方向，載重5 kg，使用7.2 V 5 000 mAh鎳氫電池，可保證以最大速度連續作業1 h。圖3為履帶式智能車平臺硬件結構圖。

2.2 車載測量系統

1）照度值由GY-30數字光模塊測量，如圖4所示，通過光電元件采集光能并轉成電能，通過放大器放大電流，由AD器件轉換成數字信號后通過總線形式將信號傳出。芯片采用BH1750FVI，測量范圍為1-65535lx，模塊采用I2C總線接口。

2）距離值由相位激光測距模塊實現測量，具有加減勾股測量功能，在沒有反射板下測量范圍為0.03～60 m，測量準確度達±1 mm，測量時間間隔為0.1～3 s，模塊采用串行（TTL）通信。

3）角度值由GY-25航向角模塊實現測量，可以測量三軸角度值，其工作原理是通過陀螺儀與加速度傳感器經過卡爾曼數據融合算法直接得到角度值。測量范圍為0～360°，分辨率達到0.01°，測量準確度為1°，響應頻率為100 Hz，滿足角度值實時采集要求。模塊采用串行（TTL）通信。

4）路程值由E6A2-CW3C歐姆龍500線編碼器實現測量，其原理是將電機轉動的角位移轉換成電信號，再轉變成計數脈沖，從而用脈沖數來表示路程的大小。該編碼器轉一圈可產生500個脈沖，可達到本系統位置準確度要求，響應頻率在70 kHz以上，滿足實時測量要求。

2.3 車載控制系統

測量系統采集到的角度值、路程值作為車載控制系統輸入量，用于控制履帶式智能車的雙直流電機速度與啟停，來實現智能車直線定點行走。圖5為車載反饋控制系統框圖。

由測量道路的道路方向決定智能車給定方向，通過航向角模塊輸出的角度值與給定方向的偏差來對PWM波進行PID調節控制，使智能車保持沿著給定方向直線行駛。

由測量前的激光測距確定的兩根燈桿間距離決定智能車給定距離，通過編碼器模塊輸出脈沖數得出智能車向前行駛路程進行啟停控制來測量照度。

2.4 車載遠程監控系統

測量系統采集到的照度值通過車載無線通信系統遠程傳輸到監控中心，并可實時出測試報告。無線傳輸采用ZigBee模塊，核心芯片采用TI公司的CC2530，其傳輸可靠距離>800 m，自動重連距離在600 m以上，上位機采用基于Delphi設計的無線數據接收、顯示，利用SQL數據庫進行歷史數據存儲。

3 樣機的實際測試

圖6為本測試系統實物圖，由自動車載端（即履帶式智能車）與監控中心（即計算機）兩部分組成。

檢測路段選取廣州市天河區岳洲路路段，雙車道、路段長度30 m、寬度6.5 m，該路段整體建設標準高，照明設施較為完善，選擇該路段作為檢測對象具有典型性。使用“LED路燈路面照度自動檢測系統”進行實地測試實驗，與人工檢測結果進行對比驗證，以測試其實際應用效果。為減少對交通的影響，避開道路高峰時間，選擇道路車流量較少的時間進行檢測。檢測前對檢測車道進行圍閉，用激光測距測得兩燈桿之間距離為30.44 m，確定布點間距，按照國家標準GB/T 5700——2008《照明測量方法》的中心布點法來確定被測量點，在道路中線處測量。先進行人工逐點檢測記錄，測量點之間距離由皮尺確定。再進行車載式自動檢測，將履帶式智能車放在中線起始點，自動走完整個車道后，上位機實時顯示其照度數據。

表1為實驗數據，通過對比實驗可以清楚看到車載式自動檢測相比于傳統人工檢測節省2/3時間，大大提高檢測效率，同時用平均照度表示人工與自動的照度檢測結果，其相對誤差δ=1.95%，準確度滿足測量要求。

4 結束語

基于自動車載平臺的LED路燈路面照度檢測系統具有良好實用性，相比于現有檢測技術，該系統優勢在于：1）效率高?？焖僮詣訖z測和輸出檢測結果，測量時間可節省2/3；2）成本低。人力成本只用1名測試人員就可完成整個測試工作；3）準確度高。機器代人，大大降低人工檢測對檢測結果準確性和一致性的影響。

本研究初步設計并實驗道路照度檢測新技術，處于嘗試與探索階段，還存在很多問題與不足，希望能從以下兩點進行改良：1）優化小車結構，提升車體性能，提高續航能力；2）改善自動控制系統，進行嚴格測試，提高檢測系統可靠性。

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（編輯：劉楊）