基于激光測距的車輛寬高檢測系統(tǒng)設(shè)計

隨著我國經(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，由此帶來的車輛超限超載現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。超限運(yùn)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(yán)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(jìn)車輛進(jìn)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(diǎn)，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(qiáng)，獲取數(shù)據(jù)精度高等特點(diǎn)。激光測距技術(shù)已在汽車防撞，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。

目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)測量精度為±30 mm，安全防護(hù)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(jìn)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(jìn)車輛進(jìn)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(jìn)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(jìn)行處理，由于其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間大，不需外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。


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(xì)介紹。

3．1 主控制器模塊設(shè)計

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時鐘頻率高達(dá)50 Hz，多達(dá)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(jìn)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)。


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(biāo)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(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換，如圖4所示。