基于二維激光脈沖測(cè)距傳感器的動(dòng)態(tài)車輛智能寬高檢

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)，通過相應(yīng)電路的過濾、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)。

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，無論是從效率還是精準(zhǔn)度來說，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)?；夭ㄐ盘?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。

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，一小都分能量透過分束片，作為參考脈沖直接送到脈沖采集系統(tǒng)，作為計(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)；另一幫分由折射棱鏡反射，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：
L=ct／2 (1)

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△L，可以表示為：

△L=c△t／2 (2)
由式(2)可知，系統(tǒng)處理的時(shí)間閫隔精度△t直接決定了脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精度△L。

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。L MS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)間間隔來得到與被測(cè)物體之間的距離。脈沖激光束經(jīng)過測(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)物體的輪廓線曲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25Hz／50Hz，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)100Mb／s，所以不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題，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。工控機(jī)通過可視化編程語(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^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，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)。

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(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
(x1=ρ1·cosθ1，y1=ρ1t·sinθ1)(x2=ρ2·cosθ2，y2=ρ2·simθ2)(x3=ρ3·c∞θ3，y3=ρ3·sinθ3)……(xn=ρn·cosθn，yn=ρn·sinθn)；

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)。將備單次測(cè)量所得的寬度與高度進(jìn)行比較，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化曲線來判斷進(jìn)車與出車。

然后，通過比較各單次測(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，從而判斷過往車輛是否超寬超高，比較的結(jié)果通過工控機(jī)的顯示器顯示出來，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。

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(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)量人工無法直接手動(dòng)測(cè)量的車輛竟度和高度，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。