為實(shí)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(jì)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(jìn)行高速動態(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)對行進(jìn)車輛的寬高檢測和超限聲光報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，系統(tǒng)測量精度為±0．15m,，測量準(zhǔn)確率達(dá)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(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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)時(shí)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(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(gè)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(shí)時(shí)傳遞給控制單元,，控制單元通過處理,、分析、計(jì)算采樣數(shù)據(jù),，得出車輛實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)檢測，具有聲光報(bào)警和語音提示功能,。系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí),，要求行進(jìn)車輛車速控制在20km／h以下。實(shí)時(shí)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(jì)

    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(shí)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(gè)部分作較詳細(xì)介紹,。

3．1 主控制器模塊設(shè)計(jì)

    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(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)50 Hz,，多達(dá)36個(gè)中斷源具有8個(gè)優(yōu)先等級,，提供系統(tǒng)時(shí)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(shí)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(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,。

    LM3S8962具有兩個(gè)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(dú)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(dá)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(jìn)行實(shí)時(shí)快速計(jì)算,。

3．3 輸入輸出模塊設(shè)計(jì)

     系統(tǒng)設(shè)置了4個(gè)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(shí)間等,，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)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(diǎn)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(gè)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(gè)12V繼電器,，當(dāng)行駛車輛經(jīng)檢鍘超過了標(biāo)準(zhǔn)的寬度和高度時(shí)系統(tǒng)會通過繼電器分別接通警燈和室外擴(kuò)音器的電源而產(chǎn)生聲光報(bào)警,，一方面提示現(xiàn)場工作人員進(jìn)行處理,，另一方面告知司機(jī)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,。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

   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(jì),。軟件設(shè)計(jì)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，判斷,，比較,，存儲。進(jìn)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(jìn)入不斷循環(huán)工作狀態(tài)。

     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(jìn)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。

5 模擬實(shí)驗(yàn)

    系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)完成后，在進(jìn)入超限點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試之前,，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),。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(shí),，液晶屏上即可顯示立方體被測物的最大寬度和高度，同時(shí)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(jì)結(jié)果,，將測量值和實(shí)際值比較可得誤差在0．15m以內(nèi)的達(dá)到95％,，符合測量精度要求。

6 結(jié)束語

    針對高速公路車輛超限超載這一問題,，設(shè)計(jì)了基于激光測距技術(shù)的寬高檢測系統(tǒng),，可實(shí)現(xiàn)對行進(jìn)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)測量。本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)期間,，工作可靠穩(wěn)定,，功耗低，計(jì)算速度快,，測量精度高,，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)誤差符合高速公路管理部門對于行進(jìn)車輛寬高超限檢測的要求,。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)有效可行,，為下一階段進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地調(diào)試作了充分準(zhǔn)備,。