基于激光传感器的车辆超高检测系统研究
基于激光传感器的车辆超高检测系统研究
作者:郭荣庆;孙家永;许世维;王旭;焦磊
现代交通多元化的发展,立交桥、高架桥、人行天桥、隧道等交通设施日益增多,这些新型交通设施在提高交通运输能力、改善交通结构的同时,使道路拓扑结构更加复杂,给交通安全带来了隐患。据统计,大货车的卡桥、撞桥事故发生率呈明显增长趋势。因此,车辆高度的检测成为交通管理部门的重要职责之一。目前,国内交通管理部门普遍采用的车辆超高检测方法是人工目测标杆法,该方法通过肉眼直接读取标尺的测量高度,检测精度低、误差大、工作效率低。曾见开发出基于红外传感器的红外光幕超高检测系统和基于激光传感器的单线超高检测系统[5],但这两种超高检测系统都存在一定的缺点和不足。由于红外光的散射特性,红外光幕超高检测系统在高精度测量时算法复杂,无法实现高精度测量,且无法测量镂空物体高度。激光单线超高检测系统存在检测范围小、检测精度低、无法精确检测车辆超高高度等缺点。基于以上原因,国内超限检测站很少采用这两种设备。本文设计了一种基于激光传感器的车辆超高检测系统。该系统在硬件结构设计方面运用发射传感器阵列和接收传感器阵形成激光光幕,在硬件电路设计方面采用了光调制与光解调处理方法。
1 系统硬件设计
车辆超高检测系统结构框图。该系统主要由发射模块与接收模块两部分构成。发射模块主要包括发送信号控制单片机、激光发射传感器阵列、光信号调制电路、电源模块。接收模块主要包括接收信号处理单片机、激光接收传感器阵列、光信号解调电路、电源模块。
1.1 光信号调制电路设计
虽然激光的光散性很小,可以实现高精度测量[9],但是日光、强光会对接收端的信号接收造成很强的干扰。日光中含有各种频段的光,对于激光接收管而言也是一种可接收的信号,对正常的激光发射信号造成干扰。当日光强度过大时,造成激光发射信号淹没,从而导致测量结果错误。考虑到日光信号是连续信号,故采用光信号离散调制的方法将激光发射信号离散,以解决日光干扰问题。在信号调制电路的设计方面,采用由555 定时器构成的多谐振荡器对光发射信号进行调制。
1.2 光信号解调电路设计
接收传感器接收到的激光信号, 采用单片机进行处理。由于单片机无法直接识别经过光调制电路处理后的激光信号,故需要采用相应的信号处理电路将接收到的调制信号解调成可以被单片机识别的电信号。在信号解调电路的设计方面,采用由555 定时器构成的单稳态触发器及低通滤波器对调制信号进行解调。
1.3 抗日光干扰原理分析
自然界的日光、强光对激光信号接收构成很大干扰,影响检测精度,因此采用多谐振荡器对光信号进行调制,采用单稳态触发器对调制信号进行解调,使车辆超高检测系统能够适用于复杂的环境。由于解调后单稳态触发器输出的仍为离散信号,通过低通滤波器将输出信号变为直流稳态信号并输出,此时该信号可以被单片机识别处理。
2 系统软件设计
2.1 激光光幕法检测原理
激光具有单色性好、相干性好、方向性好等普通光源所不可比拟的特性,本文运用激光传感器阵列形成激光光幕实现对高度的检测。激光发射传感器和激光接收传感器采用垂直安装方式,发射传感器发射经光调制电路处理的激光信号,接收传感器对激光信号进行接收,接收信号经过解调处理和电平处理后由单片机输入相应的端口读入。
当有超高车辆通过时,该超高检测系统通过判断发射传感器是否被遮挡,可以精确检测车辆高度。当单片机接收到的信号为高电平时,则对应的发射传感器未被遮挡,当接收到的信号为低电平时,则对应的发射传感器被遮挡,从而完成对车辆高度的测量。
2.2 高度测量算法
自上而下计算被遮挡传感器的管号可以精确计算遮物的高度。由于激光的聚光性好,不存在信号交叠干扰问题,测量精度取决于传感器垂直方向的布置间距,在要求测量范围内,传感器数量越多,检测精度越高。在程序中,通过判断是否有车通过和是否通过完毕,可以实现车辆和不规则物体的动态测量。车辆通过完毕后,系统判断出车辆的最高高度。该算法采用自上而下的判断方法来实现,通过判断被遮挡的最高位置传感器编号number,根据计算公式就可以精确计算出物体的最高高度real_height real_height=height-error*number (4)其中,height 为最高位置传感器的高度,error 为传感器之间的间距,该值决定了测量的最大误差。采用这种测量方法,可以动态测量运动物体的高度, 并且可以测量镂空物体的高度,测量误差由传感器之间的距离决定, 可以通过缩小间距、增加传感器密度提高测量精度。
3 结论
从提高测量精度出发,运用发射传感器阵列和接收传感器阵列形成激光光幕的检测方法。针对抗日光干扰问题,提出了光信号调制与解调方案。运用激光光幕检测方法不但可以检测车辆是否超高,而且可以精确测量超高高度。光调制与解调方法使激光信号变成离散信号,有效抵御了自然光中连续光信号的干扰。
该激光传感器的车辆超高检测系统结构简单,程序易于实现,检测范围广,检测精度高,可以对镂空物体进行测量,能实现车辆动态高速检测,工作效率高。采用该系统对货车车高进行检测实验,该系统传感器间距为5cm,安装高度范围为4~6m,因此可以实现车辆4~6m 的高度检测,检测精度可达5cm,检测时通过车速可达30km/h。
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