本發(fā)明涉及公路車輛高度檢測技術領域，特別是一種車輛高度檢測與超高報警裝置及方法。

背景技術：

隨著城市交通的立體化發(fā)展趨勢，高架、隧道等交通設施日益增多。針對超高車輛在道路上行駛，造成橋梁、隧道等設施結構的損壞和駕駛員生命財產損失，傳統(tǒng)做法是在有限高要求的道路上安裝限高龍門架，但是這種做法無法明確提示車輛是否已超高，碰撞事故屢見不鮮，因此亟需研制一種新型的車輛超高主動預警裝置以有效提醒駕駛員進行避讓，減少撞橋、卡橋等交通事故的發(fā)生。

目前，國內外對超高檢測研究主要集中在激光、紅外與視頻檢測三個方向。德國SICK公司提出了一套專門的車輛超高檢測方案，利用HISIC450和LMS111等性能卓越的激光傳感器進行車輛超高的準確測量；楊曉丹采用多傳感器融合理念，利用紅外電光開關光幕實現(xiàn)了車輛超高檢測，并采用相位法提高了檢測精度；李玲玲提出了一種通過雙攝像機聯(lián)合檢測并定位超高車輛的新技術，該方法可以精確地進行車輛超高檢測并對車輛所在車道進行定位。但由于城市各路段的限高標準不一，以上的超高檢測裝置只能對車輛是否超高進行判斷，駕駛員無法獲取駕駛車輛的準確高度信息，當行駛至未安裝超高檢測裝置的限高路段時仍存在沖撞風險。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種準確度高、成本低、反應靈敏且實時性好的車輛高度檢測與超高報警裝置及方法，以實現(xiàn)車輛高度的非接觸式測量。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種車輛高度檢測與超高報警裝置，包括支架、電源模塊、主控模塊、檢測模塊、觸發(fā)模塊和顯示報警模塊，所述觸發(fā)模塊、檢測模塊、主控模塊和顯示報警模塊順次連接，其中支架為電源模塊、主控模塊和檢測模塊提供安裝平臺，并且支架為檢測模塊提供初始測量高度；觸發(fā)模塊在有車輛接近時向主控模塊提供工作觸發(fā)信號；電源模塊包括多級電壓轉換裝置，將220V市電轉化為裝置各個模塊所需的電壓；檢測模塊包括激光測距模塊和紅外線光電開關傳感器，以測量車輛的車高并且檢測車輛是否超高；主控模塊負責模塊間的通信、協(xié)調各個模塊并行工作以完成裝置功能；顯示報警模塊在顯示車輛車高的同時，對超高車輛發(fā)出聲音報警信號；

所述檢測模塊中的激光測距模塊和紅外線光電開關傳感器的安裝高度根據道路的限高值確定；所述檢測模塊中有多個激光測距模塊，該多個激光測距模塊在支架上的水平安裝分布由通過該道路車輛的統(tǒng)計車寬值和預設的置信度確定；車輛接近裝置時，觸發(fā)模塊觸發(fā)裝置工作；車輛通過裝置時，主控模塊通過對多個激光測距模塊返回的測量值進行融合處理得，到車輛的車高值并進行第一次車輛超高檢測；車輛通過裝置后，主控模塊根據光電開關傳感器的開關信號對車輛進行第二次超高檢測，并將車高值和兩次超高檢測結果傳輸給顯示報警模塊。

優(yōu)選地，所述的支架采用龍門架結構，橫跨道路安裝，支架的寬度即為道路的寬度，支架的高度為道路限高高度的1.125倍，為激光測距模塊提供測量空間。

優(yōu)選地，所述的觸發(fā)模塊選用Honeywell公司的三軸傳感器HMC5883L，以觸發(fā)模塊安裝車道的行駛方向為X軸方向，以垂直于行駛方向的水平分量為Y軸方向，以垂直于X軸、Y軸的垂直分量為Z軸方向，該傳感器在檢測到車輛接近時產生的Z軸方向上的地磁波動后，通過I2C接口向主控模塊傳輸觸發(fā)信號。

優(yōu)選地，所述的主控模塊以意法半導體公司生產的STM32F103VET6型芯片為核心，該芯片采用Cortex-M3內核，最高工作頻率達到72Mhz，內部集成CAN、I2C、SPI總線，支持USART和USB通信方式，完成對裝置其余各個模塊的控制。

優(yōu)選地，所述的顯示報警模塊包括點陣式LED顯示屏和聲光報警器，所述顯示屏沿著道路通行方向安裝在支架前方10m處，能夠顯示主控模塊計算出的車輛高度，聲光報警器在主控模塊檢測到車輛超高時發(fā)出報警信號。

優(yōu)選地，所述的檢測模塊包括3個RLM-S40R型激光測距模塊以及一對歐姆龍生產的對射型紅外線光電開關傳感器E3Z-T61。

一種車輛高度檢測與超高報警方法，步驟如下：

步驟1，確定檢測模塊的安裝高度：將道路限高的具體數(shù)值作為對射型紅外線光電開關傳感器的安裝高度，并確定支架的高度D，即激光測距模塊的安裝高度；

步驟2，確定激光測距模塊在支架上的安裝分布：車輛通過檢測裝置時中軸線所在的位置服從正態(tài)分布，根據統(tǒng)計平均車寬值和預設的置信度確定三個激光測距模塊在支架上的水平布設位置，并按照這個布設位置將激光測距模塊安裝在支架上；

步驟3，車輛高度檢測：裝置在道路上安裝完畢后，當車輛通過檢測裝置時，三個激光測距模塊以固定的頻率返回自身距離通過車輛頂部的距離值，根據該距離值確定車高h，主控模塊將h與道路限高進行比較，第一次確定車輛是否超高；

步驟4，車輛超高報警：當車輛通過檢測裝置后，主控模塊根據車輛最高處是否切割紅外線光電開關傳感器產生的射束，第二次判斷車輛是否超高：如果第二次超高檢測的結果是車輛已經超高，則在第一次超高檢測中無論車輛是否超高，都觸發(fā)聲光報警器發(fā)出報警信號；如果第二次超高檢測的結果是車輛未超高，則以第一次超高檢測的檢測結果為依據確定是否觸發(fā)聲光報警器。

進一步地，步驟2所述根據統(tǒng)計平均車寬值和預設的置信度確定三個激光測距模塊在支架上的水平布設位置，具體如下：

統(tǒng)計平均車寬值定義為w，w的計算方法為：對通過裝置目標安裝道路的500輛車輛進行車寬值統(tǒng)計，然后取平均值即可得到統(tǒng)計平均車寬值w；

置信度定義為α，置信度α的具體值根據裝置的目標精度確定，其值取95％～98％；

道路寬度為W，車輛通過檢測裝置時中軸線的位置服從N(0,σ)分布，該分布的概率分布函數(shù)定義為φ(x)，根據正態(tài)分布的3σ原則，確定正態(tài)分布的方差σ為：

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{3(W-w)}$

激光測距模塊的分布間隔定義為x，由下面不等式算出：

φ(σx)≤(1-α/2)

則激光測距模塊橫向安裝位置分別為距離車道一側(W/2-x)m、(W/2)m、(W/2+x)m處。

進一步地，步驟3所述三個激光測距模塊以固定的頻率返回自身距離通過車輛頂部的距離值，根據該距離值確定車高h，具體如下：

記三個激光測距模塊測量距離值分別為和其中i表示激光測距模塊的采樣個數(shù)，取則車高h為：

h＝D-d

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是：(1)成本低、反應快且實時性好；(2)采用激光測距模塊實現(xiàn)非接觸式測量，測量結果精度高；(3)按照正態(tài)分布確定多個激光測距模塊的測量位置，確保測量車輛的最高點；(4)對通過裝置的車輛進行兩次超高檢測，保證裝置較低的超高檢測漏報率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明車輛高度檢測與超高報警裝置的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明中地磁傳感器安裝示意圖。

圖3為本發(fā)明中車輛高度檢測原理圖。

圖4為本發(fā)明車輛高度檢測與超高報警裝置的安裝示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

結合圖1，本發(fā)明中的車輛高度檢測與超高報警裝置，包括支架、電源模塊、主控模塊、檢測模塊、觸發(fā)模塊和顯示報警模塊，所述觸發(fā)模塊、檢測模塊、主控模塊和顯示報警模塊順次連接，其中支架為電源模塊、主控模塊和檢測模塊提供安裝平臺，并且支架為檢測模塊提供初始測量高度；觸發(fā)模塊在有車輛接近時向主控模塊提供工作觸發(fā)信號；電源模塊包括多級電壓轉換裝置，將220V市電轉化為裝置各個模塊所需的電壓；檢測模塊包括激光測距模塊和紅外線光電開關傳感器，以測量車輛的車高并且檢測車輛是否超高；主控模塊負責模塊間的通信、協(xié)調各個模塊并行工作以完成裝置功能；顯示報警模塊在顯示車輛車高的同時，對超高車輛發(fā)出聲音報警信號；

所述檢測模塊中的激光測距模塊和紅外線光電開關傳感器的安裝高度根據道路的限高值確定；所述檢測模塊中有多個激光測距模塊，該多個激光測距模塊在支架上的水平安裝分布由通過該道路車輛的統(tǒng)計車寬值和預設的置信度確定；車輛接近裝置時，觸發(fā)模塊觸發(fā)裝置工作；車輛通過裝置時，主控模塊通過對多個激光測距模塊返回的測量值進行融合處理得，到車輛的車高值并進行第一次車輛超高檢測；車輛通過裝置后，主控模塊根據光電開關傳感器的開關信號對車輛進行第二次超高檢測，并將車高值和兩次超高檢測結果傳輸給顯示報警模塊。

所述的支架采用龍門架結構，橫跨道路安裝，支架的寬度即為道路的寬度，支架的高度為道路限高高度的1.125倍，為激光測距模塊提供測量空間。

結合圖2，所述的觸發(fā)裝置選用Honeywell公司的三軸傳感器HMC5883L，以觸發(fā)模塊安裝車道的行駛方向為X軸方向，以垂直于行駛方向的水平分量為Y軸方向，以垂直于X/Y的垂直分量為Z軸方向，該傳感器在檢測到車輛接近時產生的Z軸方向上的地磁波動后，通過I2C接口向主控模塊傳輸觸發(fā)信號。

所述的主控裝置以意法半導體公司生產的STM32F103VET6型芯片為核心，該芯片采用Cortex-M3內核，最高工作頻率達到72Mhz，內部集成CAN、I2C、SPI總線，支持USART和USB通信方式，完成對裝置其余各個模塊的控制。

所述的顯示報警模塊由點陣式LED顯示屏和聲光報警器組成，所述顯示屏沿著道路通行方向安裝在支架前方10m處，顯示屏能夠顯示通過裝置的車輛的精確車高，聲光報警器能夠在車輛超高時發(fā)出報警信號。

所述的檢測模塊由3個RLM-S40R型激光測距模塊以及一對歐姆龍生產的對射型紅外線光電開關傳感器E3Z-T61組成。

本發(fā)明中的車輛高度檢測與超高報警方法，包含以下步驟：

步驟1，確定檢測模塊的安裝高度：將道路限高的具體數(shù)值作為對射型紅外線光電開關傳感器的安裝高度，并確定支架的高度D，即激光測距模塊的安裝高度；

步驟2，確定激光測距模塊在支架上的安裝分布：車輛通過檢測裝置時中軸線所在的位置服從正態(tài)分布，根據統(tǒng)計平均車寬值和預設的置信度確定三個激光測距模塊在支架上的水平布設位置，并按照這個布設位置將激光測距模塊安裝在支架上；

統(tǒng)計平均車寬值定義為w，w的計算方法為：對通過裝置目標安裝道路的500輛車輛進行車寬值統(tǒng)計，然后取平均值即可得到統(tǒng)計平均車寬值w；

置信度定義為α，置信度α的具體值根據裝置的目標精度確定，其值取95％～98％；

道路寬度為W，車輛通過檢測裝置時中軸線的位置服從N(0,σ)分布，該分布的概率分布函數(shù)定義為φ(x)，根據正態(tài)分布的3σ原則，確定正態(tài)分布的方差σ為：

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{3(W-w)}$

激光測距模塊的分布間隔定義為x，由下面不等式算出：

φ(σx)≤(1-α/2)

則激光測距模塊橫向安裝位置分別為距離車道一側(W/2-x)m、(W/2)m、(W/2+x)m處。

步驟3，車輛高度檢測：裝置在道路上安裝完畢后，當車輛通過檢測裝置時，三個激光測距模塊以固定的頻率返回自身距離通過車輛頂部的距離值，根據該距離值確定車高h，主控模塊將h與道路限高進行比較，第一次確定車輛是否超高；

裝置在道路上安裝完畢后，當車輛通過檢測裝置時，如附圖3所示，三個激光測距模塊會以一定的頻率返回自身距離通過車輛頂部的距離值，記三個激光測距模塊測量距離值分別為和其中i表示激光測距模塊的采樣個數(shù)。取則車高h為：

h＝D-d

在測量到車高的具體值之后，主控模塊將該值與道路限高進行比較，第一次確定車輛是否超高。

步驟4，車輛超高報警：當車輛通過檢測裝置后，主控模塊根據車輛最高處是否切割紅外線光電開關傳感器產生的射束，第二次判斷車輛是否超高：如果第二次超高檢測的結果是車輛已經超高，則在第一次超高檢測中無論車輛是否超高，都觸發(fā)聲光報警器發(fā)出報警信號；如果第二次超高檢測的結果是車輛未超高，則以第一次超高檢測的檢測結果為依據確定是否觸發(fā)聲光報警器。

對本發(fā)明的原理和效果進一步說明如下：

所述的觸發(fā)裝置依靠模塊中的三軸傳感器HMC5883L按照圖2中所示的安裝方式安裝在車道中間，其中X軸方向為車道設定的行駛方向，Y軸方向為垂直于行駛方向的水平分量，Z軸方向為垂直于X/Y的垂直分量。車輛接近地磁傳感器時，傳感器Z軸方向上會出現(xiàn)磁場強度波動。傳感器通過檢測Z軸方向上出現(xiàn)的磁場強度波動來判斷是否有車輛經過。所述的檢測模塊中的激光測距模塊的工作頻率為2Hz、測量精度為±3mm，并能夠通過RS232接口將測量的距離值傳送給主控裝置進行處理。所述的檢測模塊采用激光測距模塊和紅外線光電開關傳感器對通過裝置車輛進行兩次超高檢測，可以保證99％的超高檢測率。車輛通過支架的速度不超過20km/h，在車輛完全通過支架后，顯示屏上會顯示出當前車輛的精確車高，具體數(shù)值以m為單位并且精確到小數(shù)點后兩位；若檢測模塊檢測到通過車輛超高，則觸發(fā)報警模塊發(fā)出聲音報警信號以提醒司機注意繞行。

下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

實施例1

在某橋隧口前500m處安裝本發(fā)明中的車輛高度檢測和超高報警裝置，道路寬為3.5m，橋隧口限高為4m。

步驟1，確定支架的安裝寬度為3.5m，支架上激光傳感器模塊的安裝高度為4.5m，支架上紅外線光電開關傳感器的安裝高度為4m。

步驟2，對通過該道路的車輛進行樣本容量為1000的車寬統(tǒng)計，得到統(tǒng)計平均車寬值為2.5m。取激光傳感器模塊測得通過車輛最高處的置信度為95％，計算車輛中軸線位置服從的正態(tài)分布的方差σ為1/3，則車輛中軸線位置服從N(0,1/3)分布。計算出激光測距模塊的分布間隔x為0.55m，則激光位移傳感器橫向安裝位置分別為距離車道一側1.2m、1.75m和2.3m。

步驟3，根據附圖4將裝置安裝完畢，給系統(tǒng)上電。一輛頂部不規(guī)則的貨車以15km/h的速度通過該裝置，觸發(fā)裝置工作。貨車通過支架的時間大概是2s，激光測距模塊測量距離值分別為{1.81,0.94,0.86,0.81}，{1.75,0.81,0.73,0.78}和{1.80,0.87,0.91,0.88}，計算出車高為3.72m。裝置對車輛進行第一次車輛超高比較，結果顯示該貨車未超高。

步驟4，貨車的最高處沒有切割紅外線光電開關傳感器產生的射束，裝置第二次超高檢測結果顯示車輛未超高，LED顯示屏上顯示具體車高值3.72m，報警裝置未發(fā)出聲音報警信號。

綜上所述，本發(fā)明車輛高度檢測與超高報警裝置及方法，通過三個激光位移傳感器以及對射型紅外線光電開關傳感器實現(xiàn)了車高的準確測量與超高檢測，并將車高信息通過LED顯示屏進行反饋，以便駕駛員的后續(xù)路徑選擇或為其他路徑誘導系統(tǒng)提供車高信息支持，同時，當該裝置檢測到車輛自身高度超過前方路段限定高度時，立即對車輛駕駛員警示以提醒其進行避讓。本發(fā)明適用于立交橋、隧道、涵洞等對通行車輛的車高有限制的場合，且保護范圍不限于上述實施例。