基于激光測距的車(chē)輛寬高檢測系統設計

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速公路建設和公路運輸規模都得到了前所未有的發(fā)展，由此帶來(lái)的車(chē)輛超限超載現象也日益嚴重。超限運輸一方面會(huì )縮短公路和橋梁的使用壽命，另一方面會(huì )造成車(chē)體形狀的改變及車(chē)輛性能的下降，形成交通安全的嚴重隱患。目前，車(chē)輛超寬超高治理作為治超工作的重要組成部分，大多還處于人工階段，主要由工作人員用卷尺或者竹竿實(shí)測寬高，既增加了工作人員的工作量，又降低了工作效率。為實(shí)現超竟超高治理工作的自動(dòng)化和智能化，采用激光測距技術(shù)，選用基于A(yíng)RM Cortex-M3內核的處理器LM3S8962，設計開(kāi)發(fā)了一套智能車(chē)輛寬高檢測系統。本系統可對行進(jìn)車(chē)輛進(jìn)行高精度動(dòng)態(tài)掃描，實(shí)現寬高檢測。

1 激光測距傳感器的選擇

激光以其高亮度、高方向性、高單色性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于各種測量領(lǐng)域中。激光測距相比紅外測距，超聲波測距等方式，具有速度快，實(shí)時(shí)性強，獲取數據精度高等特點(diǎn)。激光測距技術(shù)已在汽車(chē)防撞，建筑或空地安全監護，軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛地應用。為了滿(mǎn)足高速公路車(chē)輛寬高檢測系統測量速度快，測量精度高的要求，還考慮到系統能在能見(jiàn)度較差的環(huán)境甚至夜間工作，系統選用德國SICK公司生產(chǎn)的LMS型雙脈沖激光測距傳感器。

LMS激光傳感器是一種戶(hù)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(shí)間的測量，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)得到與被測物體之間的距離。脈沖激光束經(jīng)過(guò)測距傳感器內部的一個(gè)旋轉反光鏡的反射對周?chē)h(huán)境形成扇面掃描。激光掃描測距的工作原理如圖1所示。

目標物體的輪廓線(xiàn)由所接收剄的一系列脈沖序列來(lái)確定。LMS激光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±30 mm，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(méi)有影響，可用于室外溫度-30～+50℃的環(huán)境中。

2 系統構成及工作原理

智能車(chē)輛寬高檢測系統通過(guò)對車(chē)輛進(jìn)行連續動(dòng)態(tài)掃描，采集車(chē)輛的外形輪廓信息，并將采樣數據實(shí)時(shí)傳遞給控制單元，控制單元通過(guò)處理、分析、計算采樣數據，得出車(chē)輛實(shí)際的寬度和高度，并將測量值顯示在液晶屏上，供現場(chǎng)工作人員查看，同時(shí)根據國家規定的限寬值和限高值判斷被測車(chē)輛能否通行。本系統能夠手動(dòng)設定限寬值和限高值，可以對行進(jìn)車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，具有聲光報警和語(yǔ)音提示功能。系統在實(shí)際應用時(shí)，要求行進(jìn)車(chē)輛車(chē)速控制在20km／h以下。實(shí)時(shí)快速測量也可避免交通擁堵現象。

智能車(chē)輛寬高檢測系統選用LM3S8962作為主控制器。LM3S8962是一款基于A(yíng)RMCortex-M3內核的低功耗、高速度處理器。LMS激光傳感器通過(guò)500kb／s的高速串行接口將測量數據傳送給主控制器，不會(huì )造成數據的丟失?？刂破鲗⒔邮盏降膾呙钄祿M(jìn)行處理，由于其內部數據存儲器空間大，不需外擴數據存儲器。系統結構框圖如圖2所示。


3 硬件電路設計

智能車(chē)輛寬高檢測系統電氣控制部分以基于A(yíng)RMCortex-M3內核的LM3S8962處理器作為控制核心，按功能可劃分為以下模塊：電源模塊，主控制器模塊、時(shí)鐘模塊、數據通訊模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、液晶顯示模塊、繼電器控制模塊等，以下對3個(gè)部分作較詳細介紹。

3．1 主控制器模塊設計

采用ARMCortex-M3內核的微控制器LM3S8962作為系統控制核心。Cortex-M3內核采用ARMv7-M架構，它緊湊地結合Thumb-2指令集，采用哈佛處理器架構，與ARM7TDMI相比，比Thumb指令每兆赫的效率提高了70％，比ARM指令提高35％。由于Thumb-2指令是Thumb指令的擴展，16位和32位指令共存于同一模式下，復雜性大幅下降，代碼密度和性能均得到提高。LM3S8962時(shí)鐘頻率高達50 Hz，多達36個(gè)中斷源具有8個(gè)優(yōu)先等級，提供系統時(shí)鐘，256 kB的FALSH，64 kB的SRAM，休眠模塊，通用異步收發(fā)器，通用定時(shí)器，PC接口以及其他豐富的外設接口，可方便的對各種現場(chǎng)設備進(jìn)行有效控制。圖3為L(cháng)M3S8962的外設接口及其外圍電路(時(shí)鐘、復位、UART接口等)。


3. 2 數據通訊模塊設計

將激光傳感器掃描得到的極值坐標信號通過(guò)通用異步收發(fā)器(UART)傳送給微控制器，選用了MAX232進(jìn)行RS232電平轉換，如圖4所示。