专利名称：基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于车辆检测技术领域，具体涉及一种单激光传感器测量车辆长度和高度的检测系统。
背景技术：
随着我国 公路交通运输业的迅速发展，车辆超限超载现象也日益严重。大型货运车辆及带挂汽车的超限运输，对公路和桥梁造成了极大的破坏，对交通安全、运输市场秩序构成了极大的危害。目前，大多数车辆长高检测还处于人工或静态测量阶段。为了满足交通运输部门对于超限治理的需要，实现大型货车超限治理工作的自动化和智能化，本发明公开一种基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统。

发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，公开一种基于相关算法的单激光传感器车辆长闻检测系统。为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，由系统硬件和上位机软件组成，其中系统硬件包括激光传感器、工控机、显示器、不间断电源(UPS)、开关电源和交换机，上位机软件安装在工控机上，其特征在于系统采用单一激光传感器同时实现车辆长度和高度的检测；激光传感器安装在车道上方的传感器支架上，激光传感器安装在车道上方的传感器支架上；激光传感器实时扫描检测区域，采集被测车辆的长高数据，采集获得的长高数据通过交换机传输给工控机，由工控机中的上位机软件对车辆的长高信息进行处理和相关运算，得到车辆的长度值和高度值，并将其显示在显示器上，其中所述的工控机中的上位机软件对车辆的长高信息进行处理，包括车辆长高信息采集中的数值转换与有效数据识别，然后对处理后的数据进行相关运算，完成车辆高度值计算和车辆长度值计算；不间断电源为系统提供电源，开关电源为激光传感器提供24V直流电；工控机中的上位机软件实时采集激光传感器的扫描数据，完成采集数据的数据转换和有效数据识别，并将有效数据保存至工控机中的TXT文档中；在进行相关运算后，得出车辆的长度和高度，并在工控机中的界面上显示；同时根据设定的限高值和限长值自动判断被测车辆能否通行，对超过限定值的车辆进行报警。本发明的优点在于安装简便、成本低、开发周期短、测量精度高、自动化程度高，可以有效提高车辆长高超限治理工作的效率。I、车辆长高信息采集车辆长高信息通过激光传感器采集，激光传感器安装在车道上方的传感器支架上，由开关电源供电。I)数值转换激光传感器一个扫描周期的扫描范围为91度至101度，以极坐标形式输出扫描数据，被检测车辆表面反射回的各扫描点的极径为P (m)，m= 1，2，... 21，对应的极角为Θ e [Qstart, 9 end! = [91° ,91.5°，92°，· · ·，101° ]，其中 m 表示一个周期传感器扫描点的个数，QstartS传感器输出的起始角度值，为传感器输出的终止角度值。根据极坐标系到直角坐标系的转换公式χ = P COS Θ，y = P sin Θ可得被测点到传感器的水平距离为x(m) = I P (m)cos0 |，被测点到传感器的垂直距离为y (m) = (m) sin Θ，其对应被测物的实际高度值data_h(m)和实际长度值data_l (m)分别为data_h(m) = H-y (m) = 5190-y (m) (I)data_l (m) =L_x(m) = 915-χ(m)(2)其中，H表示传感器扫描原点到地面的垂直距离山为传感器扫描角度范围内的水平距离。有效的车辆高度数据data_h(m)和长度数据data_l (m)按照如下的格式保存到TXT文档里 YYYY-MM-DD hh:mm:ss hi h2 h3......h21****11 12 13......121YYYY-MM-DD hh:mm: ss是保存数据日期，Y、M、D、h、m、s分别为年、月、日、时、分、秒，年、月、日之间由连接；时、分、秒之间由连接；日与时之间有一个空格；hl到h21为data_h(m)数据，每个数据之间由空格连接；hl与秒之间有一个空格；h21紧跟一个回车符，之后以“** **”开头的11到121是data_l(m)数据，每个数据之间由空格连接。2)有效数据识别激光传感器连续采集数据并实时传输给上位机软件，这些数据当中包括三种数据①目标检测物的信息数据地面上的信息车道内干扰物的信息数据。这些数据当中只有第一种数据能够代表所测物体在进入和离开检测区域这段时间的信息，是我们所需要的有效性数据，所以需要对采集获得的数据进行有效性识别，这样做一方面减小了系统资源的开销，另一方面保证了所测物体的准确性。首先，通过上位机软件设置设定值H_thr。激光传感器扫描91度对应的检测点为A，101度对应的检测点为B，检测的高度数据实时传输给上位机软件，并与设定值H_thr进行比较，当激光传感器A点检测高度数据大于设定值H_thr时，认为有目标车辆进入车道，这时，上位机软件开始将激光传感器检测的高度和长度数据分别转换为高度序列值和单位元长度序列值并保存到TXT文档中，同时循环比较高度序列中的最大值；若B点检测数据和A点监测数据同时小于设定值H_thr时，则认为车辆已完全通过检测区域，这时，启动上位机软件计算整车长度；若2个完整的扫描周期检测到的高度数据全为零，则认为上一辆车已检测完毕，系统开始判断是否有下一辆车驶入。2、车辆高度值计算I)由单次扫描上传到工控机的极坐标值P (m)，及所对应的极角Θ，通过坐标变换，求出传感器单次扫描时各点的高度分量y(m) = (m)sin0，及各点的相对长度分量x(m)=I P (m) cos Θ I ；2)利用公式(I)和(2)计算被测物体的单次扫描各点的高度值和相对长度值；
3)计算传感器一个扫描周期所获得的高度分量的最大值，即单次采样最大高度值H_single (i) = Max (data_h (m), m = I, 2, 2. . . 21)，其中，i 为扫描次数，i=l, 2，3，· · · k ;k 为工控机在车辆通过扫描区域过程中传感器扫描的组数，m为单次采样获得的数据个数。4)计算 k 次内所有组中最大高度值,取 H_max = Max (H_single (i), il, 2, 2. . . k),可得传感器扫描到被测物体所有高度的最大值；5)求出高度值后，根据高度限定值，得到高 度超限值。3、车辆长度值计算I)从目标车辆所属的TXT文档里读入高度序列和相对长度序列，并求得其维数，由高度序列和相对长度序列之间的关系可知，二者维数相同，都为M*N。2)采用后一组数据左移一位与前一组数据做相关运算，每进行一次相关运算就会得到一个相关系数，每两组高度序列进行完一次相关运算可以产生2N-1个相关系数，2N-1个相关系数中的最大值，并记录平移次数，即“渡越时间”。3)激光传感器的扫描角度范围为91° 101° ,则激光传感器每扫描一个周期就会上传21个数值，这21个数据之间的测量时间间隔是相等的，一个扫描周期测量的高度序列和上一个周期测量的高度序列作为相关运算的两个信号序列χ (η)和y(n)，将χ(η)和y (η)作相关运算Ti； i+m = χ (i) y (i+m) = data_h (i) data_h (i+m)(3)
I JV—m—1
R,.,.(/; ) = Iim- V x(i)) (i + m)
" n^N-m(4)将⑶式代入⑷式，N为有限长时，得
I] Λ二
Ajvi (W) = —y x(i) y{i + /<:) = ~y dakt_h{i)c/aia_/ (/ + k)(、)
.. N t=1N k=l ~~若有M+l个互相关函数值时,则m=0, I, 2，…M, M表示data_h的行数，m表示数据序列的组数。根据上述公式可以得到各相关函数值。4)被测车辆的单位长度元L为Li = L(i;i)_L(i+1；m+1), i=l，2，3. . . M-I (6)5)整车长度L为
M-IM-IL = ALi I= "y]I Lii n —|, i=l ,2,3... Μ-1(7)
!=1!=I其中，m表示“渡越时间”，L(i，I)是指第i组长度序列中91度所对应的相对长度值，L(i+l,m+l)指第i+Ι组长度序列中(91+m*0. 5)度所对应的相对长度值；M指高度(相对长度)序列的组数。


图I为本发明系统硬件组成框图；图2为本发明单传感器测量长高示意图；图3为本发明车辆长高测量数值计算示意图4为本发明单激光传感器测距示意图；图5为本发明上位机软件流程图。
具体实施例方式以下结合附图介绍本发明详细技术方案如图I所示，基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统的系统硬件包括激光传感器、工控机、显示器、不间断电源(UPS)、开关电源和交换机。激光传感器采集被测车辆的长高数据，采集获得的长高数据通过交换机传输给工控机，由安装在工控机上的上位 机软件对车辆的长高信息进行处理及相关运算，得到车辆的长度值和高度值，并将其显示在显示器上，UPS为系统提供不间断电源，开关电源为激光传感器提供24V直流电。I.车辆长高信息数值转换如图2和图3所示，激光传感器安装在车道上方的传感器支架上，支架高6米，宽5米。激光传感器一个扫描周期的扫描范围为91度至101度，以极坐标形式输出的扫描数据中极径为P (m), m = 1，2，... 21,对应的极角为Θ e [ Θ start, Θ end]=[91° , 91. 5° , 92° ,. . . , 101 ° ],其中m表不一个周期传感器扫描点的个数，QstartS传感器输出的起始角度值，Gmd为传感器输出的终止角度值。其对应被测物的实际高度值data_h (m)和实际长度值data_l (m)分别为data_h(m) = H-y (m) = 5190-y (m) (I)data_l (m) =L_x(m) = 915-χ(m)(2)其中，H表示传感器扫描原点到地面的垂直距离；L为传感器扫描角度范围内的水平距离。2011年11月18日20时37分57秒采集的有效data_h(m)和data_l (m)按照如下的格式保存到TXT文档里2011-11-1820:37:57 802 804 794 784 769 738 711 592 556 514 219 20 111530 28 29 20 16 16 32#**880 842 803 765 726 685 645 597 554 510 441 376 329 284 240 194148101 547-362)车辆长高有效数据识别激光传感器一个扫描周期91度对应的检测点为A，101度对应的检测点为B，检测的高度数据实时传输给上位机软件，并与设定值H_thr进行比较，当激光传感器A点检测高度数据大于系统设定值H_thr时，认为有目标车辆进入车道，这时，上位机软件开始将激光传感器检测的高度和长度数据分别转换为高度序列值和单位元长度序列值并保存到TXT文档中，同时循环比较高度序列中的最大值；若B点检测数据和A点监测数据同时小于设定值H_thr时，则认为车辆已完全通过检测区域，这时，启动上位机软件计算整车长度；若2个完整的扫描周期检测到的高度数据全为零，则认为上一辆车已检测完毕，系统开始判断是否有下一辆车驶入。图4所示为车辆穿过激光传感器扫描区域的一个子过程，工控机将有效的高度序列、相对长度序列数据保存到TXT文档里，在整个车辆模型完全通过扫描区域时，系统自动启动相关算法进行长度测量。激光传感器的扫描频率为50Hz，扫描角度分辨率为0.5°，设定扫描角度范围为91° 101°，则激光传感器每扫描一个周期就会上传21个数值，这21个数据之间的测量时间间隔是相等的。从目标车辆所属的TXT文档里读入高度序列和相对长度序列，并求得其维数M*N。采用后一组数据左移一位与前一组数据做相关运算，记录平移次数，即“渡越时间”。高度序列是按照传感器扫描角度从小到大的顺序排列的，即[91° ,91.5° ,...101° ]，数据左移相当于图4中的数据序列得到的图像右移，在图4中数据序列-2右移移11个单位角度与数据序列-I关联程度达到最大，数据序列-3右移14个单位角度与数据序列-2关联程度最大，也就是数据序列-2和数据序列-I中的SI点重合、数据序列-3和数据序列-2中的S2点重合。 在数据序列-2与数据序列-I的互相关运算中，平移次数为11，SI点在数据序列-2中所对应的相对长度序列L2，在数据序列-I中所对应的相对长度序列LI，那么此时车辆移动的距离为LI减去L2。在数据序列-3与数据序列-2的互相关运算中，平移次数为14，S2点在数据序列-2中所对应的相对长度序列L，在数据序列-3中所对应的相对长度序列L3，那么此时车辆移动的距离为LI减去L3。本次周期测量的高度序列和上一个周期测量的高度序列作为相关运算的两个信号序列x(n)和y(n)，将x(n)和y(n)作相关运算，得到各相关函数值，将整个TXT文档中的高度数据依次两两做相关运算得到渡越时间m，如表I所示。表I渡越时间表
权利要求
1.一种基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，由系统硬件和上位机软件组成，其中系统硬件包括激光传感器、工控机、显示器、不间断电源(UPS)、开关电源和交换机，上位机软件安装在工控机上，其特征在于系统采用单一激光传感器同时实现车辆长度和高度的检测；激光传感器安装在车道上方的传感器支架上，激光传感器安装在车道上方的传感器支架上；激光传感器实时扫描检测区域，采集被测车辆的长高数据，采集获得的长高数据通过交换机传输给工控机，由工控机中的上位机软件对车辆的长高信息进行处理和相关运算，得到车辆的长度值和高度值，并将其显示在显示器上，其中所述的工控机中的上位机软件对车辆的长高信息进行处理，包括车辆长高信息采集中的数值转换与有效数据识另IJ，然后对处理后的数据进行相关运算，完成车辆高度值计算和车辆长度值计算；不间断电源为系统提供电源，开关电源为激光传感器提供24V直流电；工控机中的上位机软件实时采集激光传感器的扫描数据，完成采集数据的数据转换和有效数据识别，并将有效数据保存至工控机中的TXT文档中；在进行相关运算后，得出车辆的长度和高度，并在工控机中的界面上显示；同时根据设定的限高值和限长值自动判断被测车辆能否通行，对超过限定值的车辆进行报警。
2.根据权利要求I所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，其特征在于所述的上位机软件对车辆的长高信息进行数值转换与有效数据识别，然后对处理后的数据进行相关运算，完成车辆高度值计算和车辆长度值计算。
3.根据权利要求2所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，其特征在于所述的数值转换 激光传感器一个扫描周期的扫描范围为91度至101度，以极坐标形式输出扫描数据，被检测车辆表面反射回的各扫描点的极径为P (!^，!!!^^，..^^对应的极角为9 e
= [91° ,91.5°，92 °，···，10Γ ]，其中 Π1 表示一个周期传感器扫描点的个数，Θ start为传感器输出的起始角度值，Θ end为传感器输出的终止角度值； 根据极坐标系到直角坐标系的转换公式X=p COS Θ，y=p Sin Θ得到被测点到传感器的水平距离为X(Hi) = I P (m)cose I，被测点到传感器的垂直距离为y(m) = P (m)sin0，其对应被测物的实际高度值data_h(m)和实际长度值data_l (m)分别为计算公式(I)、(2)data_h(m)=H-y(m) (I)data_l(m)=L_x(m) (2) 其中，H表示传感器扫描原点到地面的垂直距离；L为传感器扫描角度范围内的水平距离。
4.根据权利要求2所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，其特征在于所述的有效数据 激光传感器连续采集数据并实时传输给工控机中的上位机软件，这些激光传感器连续采集数据当中包括三种数据 ①目标检测物的信息数据； ②地面上的信息； ③车道内干扰物的信息数据； 这些激光传感器连续采集数据当中的第一种数据能够代表所测车辆在进入和离开检测区域这段时间的信息，是所需要的有效性数据；所述的有效数据识别首先，通过工控机中的上位机软件设置设定值H_thr。
激光传感器扫描91度对应的检测点为A，101度对应的检测点为B，检测的高度数据实时传输给工控机中的上位机软件，并与设定值H_thr进行比较，当激光传感器A点检测高度数据大于设定值H_thr时，认为有目标车辆进入车道，这时，工控机中的上位机软件开始将激光传感器检测的高度和长度数据分别转换为高度序列值和单位元长度序列值并保存到TXT文档中，同时循环比较高度序列中的最大值； 若B点检测数据和A点监测数据同时小于设定值H_thr时，则认为车辆已完全通过检测区域，这时，启动工控机中的上位机软件计算整车长度； 若两个完整的扫描周期检测到的高度数据全为零，则认为上一辆车已检测完毕，系统开始判断是否有下一辆车驶入。
5.根据权利要求2所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，其特征在于所述的车辆高度值计算 O由单次扫描上传到工控机的极坐标值P (m)，及所对应的极角Θ，通过坐标变换，求出激光传感器单次扫描时各点的高度分量y(m) = P (m)sin0，及各点的相对长度分量X (m) = I P (m) cos Θ | ； 2)利用公式(I)和(2)计算被测车辆的单次扫描各点的高度值和相对长度值； 3)工控机计算激光传感器一个扫描周期所获得的高度分量的最大值，即单次采样最大高度值 H_single(i) =Max (data_h(m)，m=l, 2, 2. . . 21),其中，i 为扫描次数，i=l, 2, 3,. . . k ；k为上位机在车辆通过扫描区域过程中激光传感器扫描的组数，m为单次采样获得的数据个数； 4)计算k次内所有组中最大高度值,取H_max=Max(H_single(i),i = 1，2，2. . . k),可得激光传感器扫描到被测车辆所有高度的最大值； 5)求出高度值后，根据高度限定值，得到高度超限值。
6.根据权利要求2所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，其特征在于所述的车辆长度值计算 O从目标车辆所属的工控机TXT文档里读入高度序列和相对长度序列，并求得其维数，由闻度序列和相对长度序列之间的关系获得，~■者维数相同，都为M*N ； 2)采用后一组数据左移一位与前一组数据做运算，每进行一次运算就会得到一个系数，每两组高度序列进行完一次运算可以产生2N-1个系数，2N-1个系数中的最大值，并记录平移次数，即“渡越时间”； 3)激光传感器每扫描一个周期就会上传21个数值，这21个数据之间的测量时间间隔是相等的，一个扫描周期测量的高度序列和上一个周期测量的高度序列作为运算的两个信号序列X (η)和y (η),将χ (η)和y (η)作运算Ti’i+m = X ⑴ y (i+m) = data_h (i) data_h (i+m) (3)
N—M~\ RXm)=\\m—~ J]xii)}(i+m) N^N-m Zf(4) 将(3)式代入⑷式，N为有限长时，得公式(5)
7.根据权利要求I所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，其特征在于工控机中的上位机软件在对激光传感器的扫描数据进行数据转换和有效数据识别后，将有效的车辆高度数据data_h(m)和长度数据data_l (m)保存到工控机中的TXT文档里，并按照如下的格式保存
全文摘要
本发明公开了一种基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，系统由系统硬件和上位机软件组成，其中系统硬件包括激光传感器、工控机、显示器、不间断电源(UPS)、开关电源和交换机，上位机软件安装在工控机上。激光传感器实时扫描检测区域，上位机软件实时采集传感器输出的车辆的长高数据，完成采集数据的数据转换和有效数据识别并进行相关运算后，得出车辆的长度和高度，并在上位机界面上显示；同时根据设定的限高值和限长值自动判断被测车辆能否通行，对超过限定值的车辆进行报警。本发明公开的车辆长高检测系统安装简便、成本低、开发周期短、测量精度高、自动化程度高，可有效提高车辆长高超限治理工作的效率。
文档编号G01B11/04GK102788557SQ20121025670
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者唐小平, 朱旭, 李丽宏, 李刚, 王亚姣 申请人:太原理工大学, 山西万立科技有限公司