基于激光測(cè)距技術(shù)的車(chē)輛寬高檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[圖]

摘要：為實(shí)現(xiàn)高速公路車(chē)輛超寬超高治理工作的自動(dòng)化、智能化，設(shè)計(jì)了一種基于激光脈沖測(cè)距技術(shù)的智能車(chē)輛寬高檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LMS二維激光測(cè)距傳感器，在新型高性能微處理器的控制下，對(duì)車(chē)輛輪廓進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)掃描，將所接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)行進(jìn)車(chē)輛的寬高檢測(cè)和超限聲光報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量精度為±0.15m，測(cè)量準(zhǔn)確率達(dá)到95%，系統(tǒng)性能滿足高速公路管理部門(mén)對(duì)于車(chē)輛寬高超限檢測(cè)的要求。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路建設(shè)和公路運(yùn)輸規(guī)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(xiàn)象也日益嚴(yán)重。超限運(yùn)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(yán)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(cè)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(xiàn)超竟超高治理工作的自動(dòng)化和智能化，采用激光測(cè)距技術(shù)，選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器LM3S8962，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套智能車(chē)輛寬高檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)可對(duì)行進(jìn)車(chē)輛進(jìn)行高精度動(dòng)態(tài)掃描，實(shí)現(xiàn)寬高檢測(cè)。

1 激光測(cè)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(yīng)用于各種測(cè)量領(lǐng)域中。激光測(cè)距相比紅外測(cè)距，超聲波測(cè)距等方式，具有速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，獲取數(shù)據(jù)精度高等特點(diǎn)。激光測(cè)距技術(shù)已在汽車(chē)防撞，建筑或空地安全監(jiān)護(hù)，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(chē)輛寬高檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量速度快，測(cè)量精度高的要求，還考慮到系統(tǒng)能在能見(jiàn)度較差的環(huán)境甚至夜間工作，系統(tǒng)選用德國(guó)SICK公司生產(chǎn)的LMS型雙脈沖激光測(cè)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(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(guò)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(lái)得到與被測(cè)物體之間的距離。脈沖激光束經(jīng)過(guò)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?chē)h(huán)境形成扇面掃描。激光掃描測(cè)距的工作原理如圖1所示。

目標(biāo)物體的輪廓線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20m，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量精度為±30mm，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(méi)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(chē)輛寬高檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)掃描，采集車(chē)輛的外形輪廓信息，并將采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給控制單元，控制單元通過(guò)處理、分析、計(jì)算采樣數(shù)據(jù)，得出車(chē)輛實(shí)際的寬度和高度，并將測(cè)量值顯示在液晶屏上，供現(xiàn)場(chǎng)工作人員查看，同時(shí)根據(jù)國(guó)家規(guī)定的限寬值和限高值判斷被測(cè)車(chē)輛能否通行。本系統(tǒng)能夠手動(dòng)設(shè)定限寬值和限高值，可以對(duì)行進(jìn)車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有聲光報(bào)警和語(yǔ)音提示功能。系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)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(cè)量也可避免交通擁堵現(xiàn)象。

智能車(chē)輛寬高檢測(cè)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(guò)500kb/s的高速串行接口將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給主控制器，不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失?？刂破鲗⒔邮盏降膾呙钄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，由于其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間大，不需外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

智能車(chē)輛寬高檢測(cè)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(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)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(duì)3個(gè)部分作較詳細(xì)介紹。

3.1 主控制器模塊設(shè)計(jì)

采用ARMCortex-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(kuò)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(shí)鐘頻率高達(dá)50Hz，多達(dá)36個(gè)中斷源具有8個(gè)優(yōu)先等級(jí)，提供系統(tǒng)時(shí)鐘，256kB的FALSH，64kB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(shè)接口，可方便的對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行有效控制。圖3為L(zhǎng)M3S8962的外設(shè)接口及其外圍電路(時(shí)鐘、復(fù)位、UART接口等)。

3.2 數(shù)據(jù)通訊模塊設(shè)計(jì)

將激光傳感器掃描得到的極值坐標(biāo)信號(hào)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(zhuǎn)換，如圖4所示。