《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于激光測距技術(shù)的車輛寬高檢測系統(tǒng)的設(shè)計
摘要: 為實現(xiàn)高速公路車輛超寬超高治理工作的自動化、智能化,設(shè)計了一種基于激光脈沖測距技術(shù)的智能車輛寬高檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LMS二維激光測距傳感器,在新型高性能微處理器的控制下,對車輛輪廓進行高速動態(tài)掃描,將所接收到的實時數(shù)據(jù)進行分析處理,實現(xiàn)對行進車輛的寬高檢測和超限聲光報警。
Abstract:
Key words :

    為實現(xiàn)高速公路車輛超寬超高治理工作的自動化、智能化,設(shè)計了一種基于激光脈沖測距技術(shù)的智能車輛寬高檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LMS二維激光測距傳感器,在新型高性能微處理器的控制下,對車輛輪廓進行高速動態(tài)掃描,將所接收到的實時數(shù)據(jù)進行分析處理,實現(xiàn)對行進車輛的寬高檢測和超限聲光報警。實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)測量精度為±0.15m,測量準確率達到95%,系統(tǒng)性能滿足高速公路管理部門對于車輛寬高超限檢測的要求。

     隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,高速公路建設(shè)和公路運輸規(guī)模都得到了前所未有的發(fā)展,由此帶來的車輛超限超載現(xiàn)象也日益嚴重。超限運輸一方面會縮短公路和橋梁的使用壽命,另一方面會造成車體形狀的改變及車輛性能的下降,形成交通安全的嚴重隱患。目前,車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。為實現(xiàn)超竟超高治理工作的自動化和智能化,采用激光測距技術(shù),選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器LM3S8962,設(shè)計開發(fā)了一套智能車輛寬高檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)可對行進車輛進行高精度動態(tài)掃描,實現(xiàn)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,被廣泛應(yīng)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,實時性強,獲取數(shù)據(jù)精度高等特點。激光測距技術(shù)已在汽車防撞,建筑或空地安全監(jiān)護,軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。為了滿足高速公路車輛寬高檢測系統(tǒng)測量速度快,測量精度高的要求,還考慮到系統(tǒng)能在能見度較差的環(huán)境甚至夜間工作,系統(tǒng)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間的測量,其按照定義好的時間間隔發(fā)出激光脈沖,通過定時器計算發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時間間隔來得到與被測物體之間的距離。脈沖激光束經(jīng)過測距傳感器內(nèi)部的一個旋轉(zhuǎn)反光鏡的反射對周圍環(huán)境形成扇面掃描。激光掃描測距的工作原理如圖1所示。

激光掃描測距的工作原理

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

2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

    智能車輛寬高檢測系統(tǒng)通過對車輛進行連續(xù)動態(tài)掃描,采集車輛的外形輪廓信息,并將采樣數(shù)據(jù)實時傳遞給控制單元,控制單元通過處理、分析、計算采樣數(shù)據(jù),得出車輛實際的寬度和高度,并將測量值顯示在液晶屏上,供現(xiàn)場工作人員查看,同時根據(jù)國家規(guī)定的限寬值和限高值判斷被測車輛能否通行。本系統(tǒng)能夠手動設(shè)定限寬值和限高值,可以對行進車輛進行實時檢測,具有聲光報警和語音提示功能。系統(tǒng)在實際應(yīng)用時,要求行進車輛車速控制在20km/h以下。實時快速測量也可避免交通擁堵現(xiàn)象。

    智能車輛寬高檢測系統(tǒng)選用LM3S8962作為主控制器。LM3S8962是一款基于ARMCortex-M3內(nèi)核的低功耗、高速度處理器。LMS激光傳感器通過500kb/s的高速串行接口將測量數(shù)據(jù)傳送給主控制器,不會造成數(shù)據(jù)的丟失??刂破鲗⒔邮盏降膾呙钄?shù)據(jù)進行處理,由于其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間大,不需外擴數(shù)據(jù)存儲器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件電路設(shè)計

    智能車輛寬高檢測系統(tǒng)電氣控制部分以基于ARMCortex-M3內(nèi)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、時鐘模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、繼電器控制模塊等,以下對3個部分作較詳細介紹。

3.1 主控制器模塊設(shè)計

    采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器LM3S8962作為系統(tǒng)控制核心。Cortex-M3內(nèi)核采用ARMv7-M架構(gòu),它緊湊地結(jié)合Thumb-2指令集,采用哈佛處理器架構(gòu),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(fù)雜性大幅下降,代碼密度和性能均得到提高。LM3S8962時鐘頻率高達50 Hz,多達36個中斷源具有8個優(yōu)先等級,提供系統(tǒng)時鐘,256 kB的FALSH,64 kB的SRAM,休眠模塊,通用異步收發(fā)器,通用定時器,PC接口以及其他豐富的外設(shè)接口,可方便的對各種現(xiàn)場設(shè)備進行有效控制。圖3為LM3S8962的外設(shè)接口及其外圍電路(時鐘、復(fù)位、UART接口等)。

 

LM3S8962的外設(shè)接口及其外圍電路

 

3. 2 數(shù)據(jù)通訊模塊設(shè)計

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

RS232電平轉(zhuǎn)換

 

    LM3S8962具有兩個串行接口UART0和UART1。本系統(tǒng)選用UART1用于RS232通信使用。UART是一種應(yīng)用廣泛的短距離串行傳輸接口,通信雙方只要采用相同的幀格式和波特率,僅用兩根信號線(Rx和Tx)就可以完成通信過程,有獨立的發(fā)送FIFO和接收FIFO。有可編程的波特率發(fā)生器,允許速率高達460.8 kb/s。系統(tǒng)中通過UART傳送的數(shù)據(jù)高速存儲于SRAM存儲器內(nèi)供微控制器進行實時快速計算。

3.3 輸入輸出模塊設(shè)計

     系統(tǒng)設(shè)置了4個按鍵,用于設(shè)置車輛的限寬限高值,設(shè)置及修改系統(tǒng)時間等,實現(xiàn)了隨時修改信息的功能。為了便于工作人員查看過往車輛的寬度和高度,采用了LCD顯示。選用青云創(chuàng)新公司生產(chǎn)的LCD液晶顯示模塊LCM192642,它是漢字圖形點陣液晶顯示模塊,可顯示漢字和圖形。模塊工作電源為5 V;改變變位器W1的值可以調(diào)節(jié)LCD屏的顯示對比度;整個LCD屏被均分為三部分16~18是選屏信號線,可以選擇其中任一部分顯示。系統(tǒng)中設(shè)置了2個12V繼電器,當(dāng)行駛車輛經(jīng)檢鍘超過了標準的寬度和高度時系統(tǒng)會通過繼電器分別接通警燈和室外擴音器的電源而產(chǎn)生聲光報警,一方面提示現(xiàn)場工作人員進行處理,另一方面告知司機該車超限需停車接受處理。如下圖5所示為輸入輸出模塊原理圖。

 

輸入輸出模塊原理圖

 

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

   本系統(tǒng)采用LAR5.11作為開發(fā)環(huán)境,使用C語言編程,采用模塊化程序設(shè)計。軟件設(shè)計分為主控模塊、初始化模塊、中斷處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、鍵盤和顯示模塊等幾部分。主程序工作流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電后,首先完成系統(tǒng)初始化,然后給傳感器發(fā)命令,啟動傳感器掃描,接收串口發(fā)來的數(shù)據(jù),從串口緩沖區(qū)提取所需數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)信息進行轉(zhuǎn)換,判斷,比較,存儲。進行數(shù)據(jù)分析處理后調(diào)用相應(yīng)的執(zhí)行子程序完成相應(yīng)的功能,如調(diào)用LCD子程序顯示車輛寬高信息等,程序進入不斷循環(huán)工作狀態(tài)。

主程序工作流程圖

 

     數(shù)據(jù)采集使用串口通訊模式,發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式完成,接收數(shù)據(jù)采用中斷方式完成,接收中斷流程如圖7所示。傳感器和主控制器之間通過事先約定的通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)收發(fā),主控制器只需設(shè)置好相應(yīng)的串口號、波特率及相應(yīng)端口設(shè)量,發(fā)送測量命令,等待接收。單次讀數(shù)據(jù)命令為:RNLMDscandatata;連續(xù)讀數(shù)據(jù)命令為:EN LMDscandata1;連續(xù)停數(shù)據(jù)命令為:EN LMDscandata0。

接收中斷流程

5 模擬實驗

    系統(tǒng)整體設(shè)計完成后,在進入超限點進行現(xiàn)場調(diào)試之前,在實驗室進行了模擬實驗。將激光傳感器固定在3 m高的支架上,讓一放置立方體被測物的小推車以10km/h的速度從激光傳感器下經(jīng)過,如圖8所示。將激光傳感器設(shè)置在掃描角度為0°~180°,角度分辨率為0.5°的模式下,當(dāng)小推車完全經(jīng)過時,液晶屏上即可顯示立方體被測物的最大寬度和高度,同時可通過MATLAB仿真物體的輪廓,如圖9所示。同等條件下,讓小推車在傳感器下先后通過數(shù)次后統(tǒng)計結(jié)果,將測量值和實際值比較可得誤差在0.15m以內(nèi)的達到95%,符合測量精度要求。

模擬實驗

模仿真物體的輪廓

 

6 結(jié)束語

    針對高速公路車輛超限超載這一問題,設(shè)計了基于激光測距技術(shù)的寬高檢測系統(tǒng),可實現(xiàn)對行進車輛進行實時動態(tài)測量。本系統(tǒng)在實驗期間,工作可靠穩(wěn)定,功耗低,計算速度快,測量精度高,抗干擾能力強,實驗誤差符合高速公路管理部門對于行進車輛寬高超限檢測的要求。通過反復(fù)實驗驗證,該設(shè)計有效可行,為下一階段進入現(xiàn)場進行實地調(diào)試作了充分準備。

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