LED路燈路面照度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余中潑 劉桂雄 陳曉曼 萬(wàn)泉

摘 要：道路照明采用LED路燈導(dǎo)致照度降低，影響道路交通安全，研究基于自動(dòng)車(chē)載平臺(tái)的LED路燈路面照度檢測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)LED照明產(chǎn)品監(jiān)督與檢測(cè)技術(shù)。該系統(tǒng)檢測(cè)流程根據(jù)國(guó)標(biāo)制定，由自動(dòng)檢測(cè)裝置與監(jiān)控中心兩部分組成，其中自動(dòng)檢測(cè)裝置通過(guò)傳感器感知照度值、距離值、角度值、路程值，角度值、路程值分別用于控制智能車(chē)直線行駛、定點(diǎn)定位，照度值通過(guò)ZigBee無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。通過(guò)與人工檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)較目前照度檢測(cè)技術(shù)有高效率、低成本、高準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：道路照度；車(chē)載平臺(tái)；自動(dòng)檢測(cè)；LED

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2016）09-0088-04

0 引 言

道路照明目的是提供安全可見(jiàn)度[1]。LED（light emitting diode）照明技術(shù)以節(jié)能、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]逐漸被道路照明所采用，但根據(jù)美、英、德等國(guó)研究表明[3]，由于采用LED路燈導(dǎo)致路面照度降低，使道路交通事故發(fā)生率最多增加36%，這違背道路照明目的，故需加強(qiáng)LED照明產(chǎn)品監(jiān)督與檢測(cè)技術(shù)。目前LED路燈質(zhì)量檢測(cè)國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)主要表現(xiàn)在：1）提出新LED質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)觀點(diǎn)，給出測(cè)試方法[4-6]，對(duì)人工檢測(cè)布點(diǎn)法進(jìn)行改進(jìn)并給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]，但都尚未得到認(rèn)證；2）針對(duì)人工測(cè)量局限性，提出用檢測(cè)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)量[8]，但模擬檢測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)不到要求；3）提出基于車(chē)載式（測(cè)量車(chē)用于機(jī)動(dòng)車(chē)）道路照明測(cè)量不用設(shè)點(diǎn)逐點(diǎn)測(cè)量，也不用為排除其他車(chē)輛車(chē)燈引起干擾和保證測(cè)量人員安全而阻斷交通[9-11]，但整套裝置造價(jià)昂貴，影響其推廣應(yīng)用；4）隨著數(shù)字成像技術(shù)發(fā)展，基于CCD道路照明測(cè)量技術(shù)是一種精度較高且方便可行測(cè)試方法[12-14]，但該技術(shù)還有待深入研究，需要更高精度相機(jī)、圖像處理軟件來(lái)估算光度參數(shù)才可達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果。針對(duì)路面檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)量大、檢測(cè)效率低下等問(wèn)題，筆者開(kāi)發(fā)一套基于自動(dòng)車(chē)載平臺(tái)的LED路燈路面照度檢測(cè)系統(tǒng)。

1 LED路燈路面照度檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

本檢測(cè)系統(tǒng)的外界檢測(cè)量有照度值、距離值、角度值、路程值，分別由照度傳感器模塊、相位激光測(cè)距模塊、航向角模塊、編碼器模塊進(jìn)行檢測(cè)?？刂屏坑芍绷麟姍C(jī)PWM控制，由中央處理器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)傳輸由ZigBee無(wú)線模塊、2.4 GHz無(wú)線遙控模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，下位機(jī)信號(hào)顯示通過(guò)液晶屏顯示，上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示由軟件界面顯示。圖1為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)模塊組成圖。

自動(dòng)測(cè)量前，通過(guò)激光測(cè)距確定兩根燈桿間距離，依據(jù)GB/T 5700——2008《照明測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)[15]，采用中心布點(diǎn)法確定照度參數(shù)測(cè)試點(diǎn)，圖2為自動(dòng)測(cè)量工作原理示意圖。自動(dòng)測(cè)量裝置向前直線行進(jìn)，編碼器模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控移動(dòng)距離，到達(dá)確定測(cè)試點(diǎn)后裝置自動(dòng)進(jìn)行路面照度參數(shù)測(cè)量，將結(jié)果保存在存儲(chǔ)模塊并無(wú)線上傳至監(jiān)控中心，進(jìn)行分析顯示。隨著測(cè)量裝置從燈桿1走到燈桿2，即完成1個(gè)車(chē)道檢測(cè)，如此依次完成各個(gè)車(chē)道檢測(cè)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)

采用后輪雙直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的履帶式智能車(chē)作為自動(dòng)測(cè)量裝置，由金屬履帶、金屬驅(qū)動(dòng)輪、鋼波箱等零件組成，具有避震裝置，與輪式車(chē)比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）轉(zhuǎn)向半徑小，可實(shí)現(xiàn)零角度轉(zhuǎn)向，對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)控制有非常大優(yōu)勢(shì)；2）抓地能力強(qiáng)，對(duì)地面平均壓強(qiáng)低，通過(guò)性能更好，可適應(yīng)較復(fù)雜路況地面檢測(cè)；3）機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，波箱減速比機(jī)構(gòu)可大大增強(qiáng)車(chē)前進(jìn)動(dòng)力，越障與爬坡效果好。

車(chē)體長(zhǎng)360 mm，寬220 mm，具有0～25 km/h運(yùn)動(dòng)速度和360°全方位移動(dòng)方向，載重5 kg，使用7.2 V 5 000 mAh鎳氫電池，可保證以最大速度連續(xù)作業(yè)1 h。圖3為履帶式智能車(chē)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖。

2.2 車(chē)載測(cè)量系統(tǒng)

1）照度值由GY-30數(shù)字光模塊測(cè)量，如圖4所示，通過(guò)光電元件采集光能并轉(zhuǎn)成電能，通過(guò)放大器放大電流，由AD器件轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后通過(guò)總線形式將信號(hào)傳出。芯片采用BH1750FVI，測(cè)量范圍為1-65535lx，模塊采用I2C總線接口。

2）距離值由相位激光測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)量，具有加減勾股測(cè)量功能，在沒(méi)有反射板下測(cè)量范圍為0.03～60 m，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)±1 mm，測(cè)量時(shí)間間隔為0.1～3 s，模塊采用串行（TTL）通信。

3）角度值由GY-25航向角模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)量，可以測(cè)量三軸角度值，其工作原理是通過(guò)陀螺儀與加速度傳感器經(jīng)過(guò)卡爾曼數(shù)據(jù)融合算法直接得到角度值。測(cè)量范圍為0～360°，分辨率達(dá)到0.01°，測(cè)量準(zhǔn)確度為1°，響應(yīng)頻率為100 Hz，滿(mǎn)足角度值實(shí)時(shí)采集要求。模塊采用串行（TTL）通信。

4）路程值由E6A2-CW3C歐姆龍500線編碼器實(shí)現(xiàn)測(cè)量，其原理是將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，從而用脈沖數(shù)來(lái)表示路程的大小。該編碼器轉(zhuǎn)一圈可產(chǎn)生500個(gè)脈沖，可達(dá)到本系統(tǒng)位置準(zhǔn)確度要求，響應(yīng)頻率在70 kHz以上，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)測(cè)量要求。

2.3 車(chē)載控制系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)采集到的角度值、路程值作為車(chē)載控制系統(tǒng)輸入量，用于控制履帶式智能車(chē)的雙直流電機(jī)速度與啟停，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能車(chē)直線定點(diǎn)行走。圖5為車(chē)載反饋控制系統(tǒng)框圖。

由測(cè)量道路的道路方向決定智能車(chē)給定方向，通過(guò)航向角模塊輸出的角度值與給定方向的偏差來(lái)對(duì)PWM波進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，使智能車(chē)保持沿著給定方向直線行駛。

由測(cè)量前的激光測(cè)距確定的兩根燈桿間距離決定智能車(chē)給定距離，通過(guò)編碼器模塊輸出脈沖數(shù)得出智能車(chē)向前行駛路程進(jìn)行啟?？刂苼?lái)測(cè)量照度。

2.4 車(chē)載遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)采集到的照度值通過(guò)車(chē)載無(wú)線通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并可實(shí)時(shí)出測(cè)試報(bào)告。無(wú)線傳輸采用ZigBee模塊，核心芯片采用TI公司的CC2530，其傳輸可靠距離>800 m，自動(dòng)重連距離在600 m以上，上位機(jī)采用基于Delphi設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)接收、顯示，利用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3 樣機(jī)的實(shí)際測(cè)試

圖6為本測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖，由自動(dòng)車(chē)載端（即履帶式智能車(chē)）與監(jiān)控中心（即計(jì)算機(jī)）兩部分組成。

檢測(cè)路段選取廣州市天河區(qū)岳洲路路段，雙車(chē)道、路段長(zhǎng)度30 m、寬度6.5 m，該路段整體建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高，照明設(shè)施較為完善，選擇該路段作為檢測(cè)對(duì)象具有典型性。使用“LED路燈路面照度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)”進(jìn)行實(shí)地測(cè)試實(shí)驗(yàn)，與人工檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以測(cè)試其實(shí)際應(yīng)用效果。為減少對(duì)交通的影響，避開(kāi)道路高峰時(shí)間，選擇道路車(chē)流量較少的時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)前對(duì)檢測(cè)車(chē)道進(jìn)行圍閉，用激光測(cè)距測(cè)得兩燈桿之間距離為30.44 m，確定布點(diǎn)間距，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5700——2008《照明測(cè)量方法》的中心布點(diǎn)法來(lái)確定被測(cè)量點(diǎn)，在道路中線處測(cè)量。先進(jìn)行人工逐點(diǎn)檢測(cè)記錄，測(cè)量點(diǎn)之間距離由皮尺確定。再進(jìn)行車(chē)載式自動(dòng)檢測(cè)，將履帶式智能車(chē)放在中線起始點(diǎn)，自動(dòng)走完整個(gè)車(chē)道后，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示其照度數(shù)據(jù)。

表1為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以清楚看到車(chē)載式自動(dòng)檢測(cè)相比于傳統(tǒng)人工檢測(cè)節(jié)省2/3時(shí)間，大大提高檢測(cè)效率，同時(shí)用平均照度表示人工與自動(dòng)的照度檢測(cè)結(jié)果，其相對(duì)誤差δ=1.95%，準(zhǔn)確度滿(mǎn)足測(cè)量要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于自動(dòng)車(chē)載平臺(tái)的LED路燈路面照度檢測(cè)系統(tǒng)具有良好實(shí)用性，相比于現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)，該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于：1）效率高?？焖僮詣?dòng)檢測(cè)和輸出檢測(cè)結(jié)果，測(cè)量時(shí)間可節(jié)省2/3；2）成本低。人力成本只用1名測(cè)試人員就可完成整個(gè)測(cè)試工作；3）準(zhǔn)確度高。機(jī)器代人，大大降低人工檢測(cè)對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和一致性的影響。

本研究初步設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)道路照度檢測(cè)新技術(shù)，處于嘗試與探索階段，還存在很多問(wèn)題與不足，希望能從以下兩點(diǎn)進(jìn)行改良：1）優(yōu)化小車(chē)結(jié)構(gòu)，提升車(chē)體性能，提高續(xù)航能力；2）改善自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，提高檢測(cè)系統(tǒng)可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃珂. 道路照明測(cè)量方法研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2006.

[2] 趙寧. LED照明的雜散光分析與散熱研究[J]. 中國(guó)測(cè)試，2013，39（6）：32-35.

[3] YIN J， QIU Y F， LIU Q， et al. Design of light guide plate for large-size LED slim light box[J]. Laser & Optoelectronics Progress，2010（12）：38-42.

[4] 胡英奎，張青文，陳仲林，等. 機(jī)動(dòng)車(chē)交通道路LED路燈照明效果實(shí)測(cè)[J]. 燈與照明，2013（1）：34-37.

[5] 張青文，李毅，胡英奎，等. 一種檢測(cè)道路照明質(zhì)量的新方法——停車(chē)視距法[J]. 燈與照明，2013（3）：8-12.

[6] 汪立文，萬(wàn)蘊(yùn)杰，唐小軍，等. 普通照明用LED模塊光色性能測(cè)試方法的研究[J]. 中國(guó)測(cè)試，2012，39（2）：52-55.

[7] 王巍，惠昭，殷駿，等. 基于改進(jìn)型四點(diǎn)法的LED路燈道路照明測(cè)試[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（4）：50-53.

[8] 闞子雄，王巧彬，任豪，等. LED燈具道路照明效果模擬與分析[J]. 應(yīng)用光學(xué)，2012（2）：374-379.

[9] A mobile laboratory for dynamic road lighting measurement[J]. Green and R.A. Hargroves Lighting Research and Technology，979（11）：197.

[10] ZHOU H G， PIRINCCIOGLU F， PETER H. A new roadway lighting measurement system[J]. Transportation Research Part，2009（17）：274-284.

[11] WILKEN D. European road lighting technologies[M].DIANE Publishing，2001：79.

[12] TOMCZUK P. Exploitation research of trams head lighting-low beam lights[J]. Archives of Transport，2010，22（4）：477-494.

[13] CASOL M， FIORENTIN P， SCROCARO A. On road measurements of the luminance coefficient of paving[C]∥16th IMEKO TC4 Symposium： Exploring New Frontiers of Instrumentation and Methods for Electrical and Electronic Measurements Florence Italy，2008.

[14] 李必濤，楊喬，邱橘，等. 室內(nèi)照度積分計(jì)算方法的改進(jìn)[J]. 自動(dòng)化與信息工程，2012（1）：1-3.

[15] 照明測(cè)量方法：GB/T 5700—2008[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

（編輯：劉楊）