基于激光脈沖測距傳感器的動態(tài)車輛智能寬高檢測系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)代儀器儀表的智能化趨勢使得各種傳感器的應(yīng)用日益廣泛。由于激光具有許多優(yōu)點，使得利用這些特性研發(fā)的激光檢測和控制系統(tǒng)具有先進(jìn)的技術(shù)性能、方便的使用性能和簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。激光傳感器一般是由激光發(fā)生器、光學(xué)零件和光電器件所構(gòu)成的，它能把被測物理量(如距離、流量、速度等)轉(zhuǎn)換成光信號，然后應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器把光信號變成電信號，通過相應(yīng)電路的過濾、放大和整流得到輸出信號，從而算出被測量。借助于激光所具有的優(yōu)點(如方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等)，激光傳感器通常具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、抗干擾能力強、非機械接觸、分辨率高、精度高、示值誤差小、穩(wěn)定性好、宜用于快速測量等優(yōu)點。

隨著科技的不斷發(fā)展，國家對治超工作的要求也不斷提高，無論是從效率還是精準(zhǔn)度來說，智能化的超限檢測工具必將得到廣泛的應(yīng)用。鑒于上述情況，設(shè)計了基于激光掃描傳感器技術(shù)的高效率高精度的智能型車輛超寬超高檢測系統(tǒng)。

1 激光測距傳感器的測量原理

激光測距是一種主動光學(xué)探測方法。主動光學(xué)探測的探測機制是：由探測系統(tǒng)向目標(biāo)發(fā)射波束(在光學(xué)探測中，一般是紅外或可見光)，波束被目標(biāo)表面反射產(chǎn)生回波信號?；夭ㄐ盘栔兄苯踊蜷g接地包含待測信息。接收與信號處理系統(tǒng)通過接收和分析回波信號，獲得被測量。激光具有相干性強、亮度高、方向性好等優(yōu)點，因此激光出現(xiàn)后，立刻成為了絕大多數(shù)主動光學(xué)探測系統(tǒng)的首選光源。

目前，脈沖激光測距已獲得了廣泛的應(yīng)用，如地形測量、地球到月球距離的測量等。圖1為脈沖激光測距系統(tǒng)簡圖，其工作原理如下：人機操作發(fā)出測距指令，觸發(fā)激光器發(fā)出激光脈沖，一小都分能量透過分束片，作為參考脈沖直接送到脈沖采集系統(tǒng)，作為計時的起始點，啟動數(shù)字式測距計時器開始計時；另一幫分由折射棱鏡反射，射向目標(biāo)。一般發(fā)射前端有望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，為的是減少出射光束的發(fā)散角，以提高光能面密度，增大工作距離，還可以減少背景和周圍非目標(biāo)物的干擾。到達(dá)目標(biāo)的激光束有一部分被表面漫反射回到測距儀；經(jīng)接收物鏡和光學(xué)濾波器，到達(dá)探測器APD，窄帶光學(xué)濾波器的主要作用是充分利用激光優(yōu)良的單色性，提高系統(tǒng)的信噪比；光探測器APD將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后將電信號進(jìn)行信號放大、濾波整形。整形后的回波信號關(guān)閉時間間隔處理模塊，使其停止計時。這樣，根據(jù)時間間隔處理的結(jié)果t即可計算出待測目標(biāo)的距離L為：
L=ct／2 (1)

式(1)中，c為光速。圖1中，濾光片和光圈可以減少背景及雜閃光的影響，降低探測器輸出信號中的背景噪聲。根據(jù)式(1)，脈沖測距精度△L，可以表示為：

△L=c△t／2 (2)
由式(2)可知，系統(tǒng)處理的時間閫隔精度△t直接決定了脈沖激光測距系統(tǒng)的測距精度△L。

2 系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理

本系統(tǒng)以德國SICK公司的LMS系列戶外型非接觸式激光傳感器為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用工控機作為數(shù)據(jù)的處理設(shè)備，系統(tǒng)組成如圖2所示。L MS系列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(fā)出激光脈沖，通過定時器計算發(fā)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(jīng)過測距傳感器內(nèi)部的一個旋轉(zhuǎn)反光鏡的反射對周圍環(huán)境形成扇面掃描。目標(biāo)物體的輪廓線曲所接收到的一系列脈沖序列來確定。LMS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20 m，標(biāo)準(zhǔn)測量精度為±0．30 m，安全防護(hù)等級為IP67，對人眼安全。惡劣的環(huán)境因素對測量范圍沒有影響，可用于室外溫度-30～+50℃的環(huán)境中。LMS系列激光傳感器采用激光脈沖測距的方法計算出被測物體的掃描輪廓線上若干點到傳感器的距離，并以極坐標(biāo)的形式實時地通過高速網(wǎng)絡(luò)接口上傳給工控機進(jìn)行后期處理。由于網(wǎng)口的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)100Mb／s，所以不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題，保證能實時地完整地將所測數(shù)據(jù)上傳到工控機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。工控機通過可視化編程語言VB的網(wǎng)絡(luò)通訊內(nèi)核Winsock與LMS系列傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。在使用Winsock控件時，首先要考慮使用TCP還是UDP通信協(xié)議。TCP通信協(xié)議控件是要求連接的通信協(xié)議，類似于電話系統(tǒng)。在開始數(shù)據(jù)傳輸前，使用者必須先建立連接，其上還有錯誤檢查機制，避免數(shù)據(jù)被分散傳遞，因傳輸?shù)倪^程較慢而錯誤較少。如果數(shù)據(jù)是比較重要的，使用此方式比較好。而UDP通信協(xié)議是一種不需要連接的通信協(xié)議，兩臺計算機之間的傳輸類似于傳遞郵件：信息從一臺計算機傳送到另一臺計算機，但是兩者之間沒有明確的連接。由于和TCP的方式比起來，它的錯誤檢查比較簡單，因此速度比較快，要求速度時，使用此方式比較恰當(dāng)。