車輛裝載長度測量系統(tǒng)研發(fā)*

謝春麗，孫鳳英，閆春利

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和交通事業(yè)的發(fā)展，公路運(yùn)輸獲得了快速發(fā)展，然而，長期以來，公路貨運(yùn)卻出現(xiàn)了一種非法超限（超高、超寬、超長、超重）運(yùn)輸。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，超限運(yùn)輸使公路和橋梁的使用壽命普遍縮短，特別是高速公路，壽命損失高達(dá)60%～80%，全國平均年直接經(jīng)濟(jì)損失10億元以上［1，2］。由此而引發(fā)的交通事故占交通事故總數(shù)的30%以上，占貨車事故的55%以上，造成的經(jīng)濟(jì)損失占事故經(jīng)濟(jì)損失的50%左右，交通稅費(fèi)流失巨大。許多超限車輛以低速或超低速運(yùn)行，嚴(yán)重降低了道路通行能力，影響了道路利用率和總體經(jīng)濟(jì)效益。沿途造成大氣污染和噪聲污染，破壞了人類的生態(tài)環(huán)境［3］。因此，超限運(yùn)輸危害巨大，對人、路、車、環(huán)境等方面都有很大影響。為更有效地治理車輛超限問題，本課題組研發(fā)了超限運(yùn)輸車輛門禁控制系統(tǒng)［4，5］，能夠測量車輛裝載高和寬的幾何尺寸，對于車輛裝載的長度由于裝載貨物材質(zhì)、幾何形狀差別較大，很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量，只能判斷其是否超過18m。而車輛裝載長度會(huì)直接影響車輛行駛安全性，尤其是彎道行駛時(shí)，影響更加明顯。為解決車輛裝載長度準(zhǔn)確測量問題，研發(fā)了車輛裝載長度測量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式不停車情況下的裝載長度測量。

1 測量原理

車輛裝載長度測量系統(tǒng)由軟件控制系統(tǒng)、紅外光幕傳感器、超聲波測距傳感器、光電開關(guān)、上位機(jī)界面等組成。一對紅外光幕傳感器和光電開關(guān)構(gòu)成復(fù)合基準(zhǔn)，只有紅外光幕傳感器和光電開關(guān)同時(shí)觸發(fā)才認(rèn)為是有車輛通過，避免了由于人為或外界干擾遮擋所帶來的誤判斷。測量原理如圖1所示，當(dāng)車輛通過紅外光幕傳感器1和光電開關(guān)1所構(gòu)成的復(fù)合基準(zhǔn)1時(shí)，觸發(fā)單片機(jī)使其進(jìn)入預(yù)測量狀態(tài)，當(dāng)車輛完全通過復(fù)合基準(zhǔn)1后，而沒有到達(dá)紅外光幕傳感器2和光電開關(guān)2構(gòu)成的復(fù)合基準(zhǔn)2時(shí)，判斷其為較短的車，這時(shí)就以復(fù)合基準(zhǔn)2為測量基準(zhǔn)，當(dāng)此車完全通過復(fù)合基準(zhǔn)2時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入測量狀態(tài)，單片機(jī)啟動(dòng)超聲波測距傳感器測量車頭與超聲波測距傳感器之間的距離。當(dāng)車輛沒有完全通過復(fù)合基準(zhǔn)1，而車頭已經(jīng)到達(dá)復(fù)合基準(zhǔn)2時(shí)，判斷其為較長的車，以復(fù)合基準(zhǔn)1為測量基準(zhǔn)。當(dāng)完全通過復(fù)合基準(zhǔn)1時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)超聲波測距傳感器，測量車輛前部與超聲波測距傳感器之間的距離。采用這種雙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)可以解決車輛排隊(duì)通過時(shí)車輛裝載長度的準(zhǔn)確測量。

圖1 車輛裝載長度測量系統(tǒng)俯視圖Fig 1 Top view of the vehicle loading length measurement system

2 系統(tǒng)組成

車輛裝載長度測量系統(tǒng)由工控機(jī)、軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)等組成。軟件系統(tǒng)主要包括人機(jī)界面與通信控制等程序，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與工控機(jī)的數(shù)據(jù)交互，完成數(shù)據(jù)采集與硬件控制等功能。硬件系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、紅外光幕傳感器、光電傳感器、超聲波測距傳感器及其附件組成，判斷是否有車輛通過并完成車輛裝載長度的測量，將相關(guān)數(shù)據(jù)通過通信電路傳遞給上位機(jī)進(jìn)行處理。

2.1 軟件系統(tǒng)

為完成車輛裝載長度的測量所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)程序流程如圖2所示，本軟件系統(tǒng)包括串口通信、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、中斷程序、延遲函數(shù)程序、目標(biāo)判斷和數(shù)據(jù)處理等功能［6］。各部分功能如下:

1）串口通信:實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與工控機(jī)通信的程序，將傳感器的信號進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為用戶可理解的文字、字母及十進(jìn)制數(shù)據(jù)。

2）計(jì)時(shí)器:在超聲波測距模塊工作時(shí)，用來計(jì)時(shí)超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間，其時(shí)間單位是μs。

3）計(jì)數(shù)器:每一對復(fù)合基準(zhǔn)都對應(yīng)著一個(gè)相應(yīng)的計(jì)數(shù)器，被車輛遮擋一次相應(yīng)的計(jì)數(shù)器加1，2個(gè)復(fù)合基準(zhǔn)的計(jì)數(shù)器數(shù)值相同時(shí)，認(rèn)為是同一車輛同時(shí)經(jīng)過兩復(fù)合基準(zhǔn)，則認(rèn)定該車輛為裝載長度較長的車輛。

4）中斷程序:這部分主要功能是當(dāng)超聲波返回時(shí)，觸發(fā)外部中斷，使計(jì)時(shí)停止，這樣會(huì)使計(jì)時(shí)更加準(zhǔn)確。當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘中斷，使寄存器全部置零。

圖2 軟件系統(tǒng)程序流程圖Fig 2 Flow chart of software system program

5）延遲函數(shù)程序:延遲函數(shù)分為兩部分，一部分是10 μs的延遲函數(shù)，一部分是ms級的延遲函數(shù)，具體延遲時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際情況自己設(shè)定。

6）目標(biāo)判斷:用來判斷是否有車輛駛過并判斷車輛是否完全通過測量復(fù)合基準(zhǔn)。

7）數(shù)據(jù)處理:將計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間通過計(jì)算、轉(zhuǎn)換變成以cm為單位的車輛前部與超聲波測距傳感器的距離，進(jìn)而計(jì)算車輛裝載長度。

2.2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、單片機(jī)和傳感器等。本系統(tǒng)采用MCS—51完全兼容的STC89C52單片機(jī)，主要包括升壓電路、通信電路等，電路結(jié)構(gòu)框圖［7］如圖 3所示。STC89C52根據(jù)各傳感器的輸入信號按照給定的程序完成所有的數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，各傳感器的布置方式如圖4所示。

圖3 電路結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Block diagram of the circuit structure

圖4 傳感器的布置圖Fig 4 Sensors layout

3 排隊(duì)車輛裝載長度測量原理

采用雙復(fù)合基準(zhǔn)作為超聲波測距傳感器的測量基準(zhǔn)可以解決車輛排隊(duì)通過時(shí)裝載長度的測量問題。由于本系統(tǒng)的應(yīng)用主要是在高速路入口處，故可將超聲波測距傳感器安裝在高速入（出）口收費(fèi)亭處，這里可以假設(shè)在本系統(tǒng)前方不形成車輛排隊(duì)現(xiàn)象，車輛排隊(duì)現(xiàn)象只出現(xiàn)在本系統(tǒng)的后方，設(shè)復(fù)合基準(zhǔn)1和復(fù)合基準(zhǔn)2到超聲波測距傳感器的距離分別為L1和L2，本系統(tǒng)中L2一般為8～10 m，因此，對于一般的車輛而言均有LA+LB≥L2，而且收費(fèi)亭處于復(fù)合基準(zhǔn)2與超聲波測距傳感器之間如圖1所示，所以，在復(fù)合基準(zhǔn)2和超聲波測距傳感器之間基本不存在車輛遮擋現(xiàn)象即車輛排隊(duì)基本上不影響超聲波測距傳感器的工作。排隊(duì)形式分析與測量方式如下:

1）A，B裝載長度均為較短車輛，其裝載長度分別為LA和LB。設(shè)A車在前，B車在后，A車離開復(fù)合基準(zhǔn)2時(shí)，觸發(fā)超聲波測距傳感器測量車輛前部與超聲波測距傳感器的距離為l，則LA=L2－l;由于設(shè)前方不存在排隊(duì)現(xiàn)象A車經(jīng)過收費(fèi)亭收費(fèi)后馬上駛離該測量系統(tǒng)，故不影響超聲波傳感器按同樣的原理測量后面排隊(duì)的B車輛裝載長度。

2）A，B裝載長度均為較長車輛，當(dāng)A車輛同時(shí)觸發(fā)了復(fù)合基準(zhǔn)1和復(fù)合基準(zhǔn)2時(shí)判斷其為裝載長度較長的車輛，這時(shí)使用復(fù)合基準(zhǔn)1作為觸發(fā)基準(zhǔn)，當(dāng)A車輛通過復(fù)合基準(zhǔn)1后，觸發(fā)超聲波測距傳感器測量車輛前部與超聲波測距傳感器的距離為l，則LA=L1－l，按同樣的原理測量B車輛的裝載長度，復(fù)合基準(zhǔn)1和復(fù)合基準(zhǔn)2同時(shí)也起計(jì)數(shù)器的作用，計(jì)數(shù)相同的認(rèn)為是同一車輛。

3）A和B車輛分別為裝載長度較長和較短車輛時(shí)，則分別使用復(fù)合基準(zhǔn)1和復(fù)合基準(zhǔn)2作為測量觸發(fā)基準(zhǔn)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間和成本，考慮安全因素，實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置不能直接裝在高速公路收費(fèi)站上實(shí)驗(yàn)，采用在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬高速公路收費(fèi)站平臺的方法檢測系統(tǒng)各部分的工作情況是否良好，單片機(jī)對光幕、超聲波等信號的接收是否準(zhǔn)確，裝置軟硬件匹配情況，記錄系統(tǒng)在模擬實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)下所測得的數(shù)據(jù)，為查找問題和對裝置的進(jìn)一步改進(jìn)提供依據(jù)。

1）用同一物體，模擬汽車多次通過車輛裝載長度測量系統(tǒng)，測出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定系統(tǒng)的誤差和工作可靠性。

2）用不同長度的物體模擬汽車通過車輛裝載長度測量系統(tǒng)，測出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定系統(tǒng)的誤差和工作可靠性。

3）用多個(gè)不同長度的物體模擬汽車，排隊(duì)通過車輛裝載長度測量系統(tǒng)，測出數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)的誤差和工作可靠性。

對于不同長度的物體和相同長度的物體進(jìn)行反復(fù)測量實(shí)驗(yàn)，得到測量結(jié)果。表1為非排隊(duì)情況下所測得的數(shù)據(jù)，表2為排隊(duì)的情況下所測得的數(shù)據(jù)。由于實(shí)驗(yàn)中各傳感器的安裝位置設(shè)定大于20 cm的物體認(rèn)定為裝載長度較長的車輛，小于20 cm的車輛認(rèn)定為裝載長度較短的車輛。

表1 非排隊(duì)情況模擬實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)Tab 1 Simulation experiment data of non-queuing

表2 排隊(duì)情況下模擬實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)Tab 2 Simulation experiment data of queuing

5 結(jié)論

1）從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，本系統(tǒng)的精度很高，誤差較小，基本控制在±1 cm內(nèi)。

2）在實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行裝置調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在各種復(fù)雜的工作環(huán)境和排隊(duì)情況的準(zhǔn)確測量車輛裝載長度。針對車輛排隊(duì)通過的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的邏輯程序，利用雙基準(zhǔn)觸發(fā)機(jī)制和復(fù)合基準(zhǔn)的計(jì)數(shù)功能，實(shí)現(xiàn)了各種復(fù)雜排隊(duì)情況下車輛裝載長度的準(zhǔn)確測量。

3）雖然實(shí)驗(yàn)平臺與實(shí)際工作環(huán)境有較大的差距，但本設(shè)計(jì)的所有硬件和軟件程序都有普遍應(yīng)用性和適應(yīng)性，只需將超聲波測距傳感器的功率換成更大的就可實(shí)際應(yīng)用。

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