基于二維激光脈沖測距傳感器的動(dòng)態(tài)車(chē)輛智能寬高檢測系統設計

　　現代儀器儀表的智能化趨勢使得各種傳感器的應用日益廣泛。由于激光具有許多優(yōu)點(diǎn)，使得利用這些特性研發(fā)的激光檢測和控制系統具有先進(jìn)的技術(shù)性能、方便的使用性能和簡(jiǎn)潔的系統結構。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成的，它能把被測物理量(如距離、流量、速度等)轉換成光信號，然后應用光電轉換器把光信號變成電信號，通過(guò)相應電路的過(guò)濾、放大和整流得到輸出信號，從而算出被測量。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構簡(jiǎn)單可靠、抗干擾能力強、非機械接觸、分辨率高、精度高、示值誤差小、穩定性好、宜用于快速測量等優(yōu)點(diǎn)。

　　隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展，國家對治超工作的要求也不斷提高，無(wú)論是從效率還是精準度來(lái)說(shuō)，智能化的超限檢測工具必將得到廣泛的應用。鑒于上述情況，設計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(chē)輛超寬超高檢測系統。

1 激光測距傳感器的測量原理

　　激光測距是一種主動(dòng)光學(xué)探測方法。主動(dòng)光學(xué)探測的探測機制是：由探測系統向目標發(fā)射波束(在光學(xué)探測中，一般是紅外或可見(jiàn)光)，波束被目標表面反射產(chǎn)生回波信號?；夭ㄐ盘栔兄苯踊蜷g接地包含待測信息。接收與信號處理系統通過(guò)接收和分析回波信號，獲得被測量。激光具有相干性強、亮度高、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，因此激光出現后，立刻成為了絕大多數主動(dòng)光學(xué)探測系統的首選光源。

　　目前，脈沖激光測距已獲得了廣泛的應用，如地形測量、地球到月球距離的測量等。圖1為脈沖激光測距系統簡(jiǎn)圖，其工作原理如下：人機操作發(fā)出測距指令，觸發(fā)激光器發(fā)出激光脈沖，一小都分能量透過(guò)分束片，作為參考脈沖直接送到脈沖采集系統，作為計時(shí)的起始點(diǎn)，啟動(dòng)數字式測距計時(shí)器開(kāi)始計時(shí)；另一幫分由折射棱鏡反射，射向目標。一般發(fā)射前端有望遠光學(xué)系統，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?chē)悄繕宋锏母蓴_。到達目標的激光束有一部分被表面漫反射回到測距儀；經(jīng)接收物鏡和光學(xué)濾波器，到達探測器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，提高系統的信噪比；光探測器APD將光信號轉換為電信號，然后將電信號進(jìn)行信號放大、濾波整形。整形后的回波信號關(guān)閉時(shí)間間隔處理模塊，使其停止計時(shí)。這樣，根據時(shí)間間隔處理的結果t即可計算出待測目標的距離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，降低探測器輸出信號中的背景噪聲。根據式(1)，脈沖測距精度△L，可以表示為：

　　△L=c△t／2 (2)

　　由式(2)可知，系統處理的時(shí)間閫隔精度△t直接決定了脈沖激光測距系統的測距精度△L。

2 系統組成及數據處理

　　本系統以德國SICK公司的LMS系列戶(hù)外型非接觸式激光傳感器為數據采集設備，用工控機作為數據的處理設備，系統組成如圖2所示。L MS系列傳感器是一種戶(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。目標物體的輪廓線(xiàn)曲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，標準測量精度為±0．30 m，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。LMS系列激光傳感器采用激光脈沖測距的方法計算出被測物體的掃描輪廓線(xiàn)上若干點(diǎn)到傳感器的距離，并以極坐標的形式實(shí)時(shí)地通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò )接口上傳給工控機進(jìn)行后期處理。由于網(wǎng)口的數據傳輸速度可達100Mb／s，所以不會(huì )出現數據丟失問(wèn)題，保證能實(shí)時(shí)地完整地將所測數據上傳到工控機進(jìn)行數據處理。工控機通過(guò)可視化編程語(yǔ)言VB的網(wǎng)絡(luò )通訊內核Winsock與LMS系列傳感器直接進(jìn)行數據的交換。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(lèi)似于電話(huà)系統。在開(kāi)始數據傳輸前，使用者必須先建立連接，其上還有錯誤檢查機制，避免數據被分散傳遞，因傳輸的過(guò)程較慢而錯誤較少。如果數據是比較重要的，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，兩臺計算機之間的傳輸類(lèi)似于傳遞郵件：信息從一臺計算機傳送到另一臺計算機，但是兩者之間沒(méi)有明確的連接。由于和TCP的方式比起來(lái)，它的錯誤檢查比較簡(jiǎn)單，因此速度比較快，要求速度時(shí)，使用此方式比較恰當。

　　本系統對于數據的實(shí)時(shí)性要求比較高，且對數據的準確性要求相對較低，所以數據交換之前，首先要分別將LMS系列傳感器和工控機的IP地址設置為一個(gè)網(wǎng)段，再使用UDP通信協(xié)議來(lái)進(jìn)行數據的交換。工控機接收到LMS系列傳感器上傳的極坐標信息后，再通過(guò)基于VB內核設計的數據處理程序對所有數據進(jìn)行處理，數據處理的過(guò)程如下。

　　首先，通過(guò)傳感器上傳的數據判斷車(chē)輛的駛入與駛出。

　　第一步，傳感器上傳測量到的傳感器到被測車(chē)輛的不同點(diǎn)的極坐標的極半徑(ρ1，ρ2，ρ3，……，ρn)和對應的極角(θ1，θ2，θ3，……，θn)；

　　第二步，通過(guò)坐標系的變換將被測點(diǎn)的極坐標轉換為平面直角坐標，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取掃描到的被測車(chē)輛的最左邊的x值xmin和最右邊的x值xmax；計算單次掃描的車(chē)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)。將備單次測量所得的寬度與高度進(jìn)行比較，根據數據的變化曲線(xiàn)來(lái)判斷進(jìn)車(chē)與出車(chē)。

　　然后，通過(guò)比較各單次測量的車(chē)輛的寬度和高度信息進(jìn)行逐次比較，計算車(chē)輛的最大高度Height和最大寬度Width。最后，將得出的過(guò)往車(chē)輛的最大寬度和最大高度，與國家規定的車(chē)輛寬高限制值相比較，從而判斷過(guò)往車(chē)輛是否超寬超高，比較的結果通過(guò)工控機的顯示器顯示出來(lái)，同時(shí)保存測量結果到SQL數據庫。如果車(chē)輛超寬超高的話(huà)，工控機還會(huì )產(chǎn)生聲光報警，以提醒治超人員和超限車(chē)輛的司機出現了超限問(wèn)題。

3 實(shí)驗結果及分析

　　本系統中的激光傳感器安裝在應用現場(chǎng)高度為6 m的龍門(mén)架上，激光傳感器的掃描測量扇面區域垂直于車(chē)道，有車(chē)輛穿過(guò)扇面掃描區域時(shí)，檢測系統自動(dòng)計算出該車(chē)輛的寬度和高度值，并且顯示在工控機的顯示器上供工作人員監控用。

　　現場(chǎng)實(shí)驗過(guò)程中，隨機對30輛不同樣式的通行車(chē)輛分別用人工方式和自動(dòng)方式測量車(chē)輛的寬度和高度(以下分別稱(chēng)為實(shí)際值和測量值)。統計分析結果表明本系統自動(dòng)測量數據的誤差在0．10 m以?xún)鹊挠?8輛。在0．15 m以?xún)鹊挠?輛。即有93％的車(chē)輛檢測誤差小于0．10 m，這滿(mǎn)足用戶(hù)所提誤差小于0．15 m的要求。數據分析表如表1所示。

4 結論

　　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 )內核設計的智能車(chē)輛超寬超高檢測系統，測量精度高，實(shí)時(shí)性好，被檢車(chē)輛行駛過(guò)傳感器下方車(chē)輛的寬度和高度信息立即在顯示器上顯示出來(lái)。本系統的應用實(shí)現了車(chē)輛超限檢測中超寬超高檢測的自動(dòng)化，避免了人工測量誤差的隨機性，可以測量人工無(wú)法直接手動(dòng)測量的車(chē)輛竟度和高度，并且測量數據自動(dòng)保存到數據庫中可以隨時(shí)查詢(xún)，還可以大大提高超限檢測的工作效率和檢測精度，因此，本系統具有良好的推廣前景。