摘要：為實現高速公路車輛超寬超高治理工作的自動化、智能化，設計了一種基于激光脈沖測距技術的智能車輛寬高檢測系統。系統采用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掃描，將所接收到的實時數據進行分析處理，實現對行進車輛的寬高檢測和超限聲光報警。實驗結果表明，系統測量精度為±0.15m，測量準確率達到95%，系統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。
隨著我國經濟的快速發展，高速公路建設和公路運輸規模都得到了前所未有的發展，由此帶來的車輛超限超載現象也日益嚴重。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。為實現超竟超高治理工作的自動化和智能化，采用激光測距技術，選用基于ARM Cortex-M3內核的處理器LM3S8962，設計開發了一套智能車輛寬高檢測系統。本系統可對行進車輛進行高精度動態掃描，實現寬高檢測。
1 激光測距傳感器的選擇
激光以其高亮度、高方向性、高單色性等優點，被廣泛應用于各種測量領域中。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，獲取數據精度高等特點。激光測距技術已在汽車防撞，建筑或空地安全監護，軌道交通等領域得到了廣泛地應用。為了滿足高速公路車輛寬高檢測系統測量速度快，測量精度高的要求，還考慮到系統能在能見度較差的環境甚至夜間工作，系統選用德國SICK公司生產的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出激光脈沖，通過定時器計算發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。脈沖激光束經過測距傳感器內部的一個旋轉反光鏡的反射對周圍環境形成扇面掃描。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，標準測量精度為±30mm，安全防護等級為IP67，對人眼安全。惡劣的環境因素對測量范圍沒有影響，可用于室外溫度-30～+50℃的環境中。
2 系統構成及工作原理
智能車輛寬高檢測系統通過對車輛進行連續動態掃描，采集車輛的外形輪廓信息，并將采樣數據實時傳遞給控制單元，控制單元通過處理、分析、計算采樣數據，得出車輛實際的寬度和高度，并將測量值顯示在液晶屏上，供現場工作人員查看，同時根據國家規定的限寬值和限高值判斷被測車輛能否通行。本系統能夠手動設定限寬值和限高值，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。系統在實際應用時，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象。
智能車輛寬高檢測系統選用LM3S8962作為主控制器。LM3S8962是一款基于ARMCortex-M3內核的低功耗、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據傳送給主控制器，不會造成數據的丟失。控制器將接收到的掃描數據進行處理，由于其內部數據存儲器空間大，不需外擴數據存儲器。系統結構框圖如圖2所示。
3 硬件電路設計
智能車輛寬高檢測系統電氣控制部分以基于ARMCortex-M3內核的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、數據通訊模塊、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 主控制器模塊設計
采用ARMCortex-M3內核的微控制器LM3S8962作為系統控制核心。Cortex-M3內核采用ARMv7-M架構，它緊湊地結合Thumb-2指令集，采用哈佛處理器架構，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50Hz，多達36個中斷源具有8個優先等級，提供系統時鐘，256kB的FALSH，64kB的SRAM，休眠模塊，通用異步收發器，通用定時器，PC接口以及其他豐富的外設接口，可方便的對各種現場設備進行有效控制。圖3為LM3S8962的外設接口及其外圍電路(時鐘、復位、UART接口等)。
3.2 數據通訊模塊設計
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器(UART)傳送給微控制器，選用了MAX232進行RS232電平轉換，如圖4所示。
LM3S8962具有兩個串行接口UART0和UART1。本系統選用UART1用于RS232通信使用。UART是一種應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，有獨立的發送FIFO和接收FIFO。有可編程的波特率發生器，允許速率高達460.8kb/s。系統中通過UART傳送的數據高速存儲于SRAM存儲器內供微控制器進行實時快速計算。
3.3 輸入輸出模塊設計
系統設置了4個按鍵，用于設置車輛的限寬限高值，設置及修改系統時間等，實現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。選用青云創新公司生產的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5V；改變變位器W1的值可以調節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。系統中設置了2個12V繼電器，當行駛車輛經檢鍘超過了標準的寬度和高度時系統會通過繼電器分別接通警燈和室外擴音器的電源而產生聲光報警，一方面提示現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。
4 系統軟件設計
本系統采用LAR5.11作為開發環境，使用C語言編程，采用模塊化程序設計。軟件設計分為主控模塊、初始化模塊、中斷處理模塊、數據發送和接收模塊、數據處理模塊、鍵盤和顯示模塊等幾部分。主程序工作流程圖如圖6所示。系統上電后，首先完成系統初始化，然后給傳感器發命令，啟動傳感器掃描，接收串口發來的數據，從串口緩沖區提取所需數據，根據數據信息進行轉換，判斷，比較，存儲。進行數據分析處理后調用相應的執行子程序完成相應的功能，如調用LCD子程序顯示車輛寬高信息等，程序進入不斷循環工作狀態。
數據采集使用串口通訊模式，發送數據采用查詢方式完成，接收數據采用中斷方式完成，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議進行數據收發，主控制器只需設置好相應的串口號、波特率及相應端口設量，發送測量命令，等待接收。單次讀數據命令為：RNLMDscandatata；連續讀數據命令為：EN LMDscandata1；連續停數據命令為：EN LMDscandata0。
5 模擬實驗
系統整體設計完成后，在進入超限點進行現場調試之前，在實驗室進行了模擬實驗。將激光傳感器固定在3m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過，如圖8所示。將激光傳感器設置在掃描角度為0°～180°，角度分辨率為0.5°的模式下，當小推車完全經過時，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次后統計結果，將測量值和實際值比較可得誤差在0.15m以內的達到95%，符合測量精度要求。
6 結束語
針對高速公路車輛超限超載這一問題，設計了基于激光測距技術的寬高檢測系統，可實現對行進車輛進行實時動態測量。本系統在實驗期間，工作可靠穩定，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。通過反復實驗驗證，該設計有效可行，為下一階段進入現場進行實地調試作了充分準備。
