本发明涉及车辆技术领域，尤其涉及一种路面状态检测装置及方法。
背景技术
交通事故，一直以来都占人口非正常死亡率的百分之三十以上，尤其是因雨天、雪天等天气原因造成的路面湿滑所导致的交通事故比例更是突出；驾驶者即使在道路旁标记牌提示的限速范围内行驶车辆，也会因路面湿滑因素导致交通事故。如何准确识别车辆行驶的即时路面情况，进行安全提醒成了亟待解决的问题。
暴雨导致的城市道路渍水严重，这些渍水易导致行驶在道路上的车辆熄火抛锚，造成群众财产损失,甚至威胁到生命安全。驾驶员由于不易判断积水深度，特别是在夜间，容易冒险将车辆涉水驶入，造成熄火等状况，而有些司机则会下车亲自勘探，这不光给司机带来麻烦，且易发生交通事故，甚至是人员伤亡。针对这种情况，目前，交管部门也做出了相应的措施，比如放置路标进行提醒，实时对路段进行监测等。然而，这种方法毕竟只是一种被动的提醒方式，司机仍然不能在第一时间及时了解行驶路段的积水状况。已有的积水深度监测方法及装置如：利用电阻式液位计，水位传感器等，均需要将设备放置于水中进行测量，或提前了解可能发生积水的路段，在夜间时，这也难于及时的让司机知道积水深度，还有使用不便、测量装置成本较高等问题。另一方面，泥浆水、浑浊水容易造成较大的测量误差，流动的渍水更是易于冲走已有测量装置。发明专利《基于激光的船舶吃水深度测量装置及其测量方法》（cn102530197a）所公开的是使用两端带有透明窗口的空心密封直管作为激光传播方向转换的载体，附带水下探头的测量方法及装置，该结构装置并不能引用到道路水深的实时测量与报警方案中。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本发明提供一种路面状态检测装置及方法，旨在通过路面状态检测装置及时获取车辆前方的路面情况，当判断路面属于危险驾驶的路面情况时，及时对驾驶员进行报警提醒，尽量避免事故的发生。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种路面状态检测装置，其中，所述路面状态检测装置包括：
激光发生模块、psd探测模块、数据处理控制模块、电源管理模块、九轴模块、显示报警装置以及数据通信模块；
所述激光发生模块包括：用于朝向路面发射激光的半导体激光器和用于将所述半导体激光器输出的激光束进行角度校准的准直系统；
所述psd探测模块包括：用于接收经过路面反射回来的散射光并输出探测信号的接收透镜和用于接收所述接收透镜输出的探测信号的psd传感器；
所述数据处理控制模块包括：用于根据环境的光照情况输出光强度值的光强传感器、用于对车辆进行实时定位及获取车辆实时速度的北斗定位模块、用于进行数据处理的处理器及外围电路；
所述外围电路包括：用于调节所述半导体激光器的输出功率的电流调制电路、用于将所述psd传感器输出的微小电流信号转换为电压信号的a/d转换电路以及用于将所述电压信号转换为数字信号的a/d采样模块；
所述九轴模块用于实时获取车辆三轴加速度变化值、三轴陀螺仪的角度变化值以及三轴的磁感应数据变化值；
所述显示报警装置包括：用于显示报警信息的显示屏和用于发出报警语音的扬声器；
所述数据通信模块用于根据所述处理器的控制指令与指定服务器建立数据传输通道；
所述处理器、电流调制电路以及半导体激光器依次连接，所述准直系统设置在所述半导体激光器发射激光的光路前方，所述接收透镜设置所述psd传感器前方，所述psd传感器、a/d转换电路、a/d采样模块以及处理器依次连接；所述处理器还分别与所述北斗定位模块、光强传感器、数据通信模块、电源管理模块、九轴模块、显示屏以及扬声器连接。
所述的路面状态检测装置，其中，所述电源管理模块分别与所述半导体激光器、psd传感器、北斗定位模块、光强传感器、数据通信模块、显示屏以及扬声器分别连接；所述处理器通过信号输出端口发送控制信号到所述电源管理模块，用于对所述半导体激光器、psd传感器、北斗定位模块、光强传感器、数据通信模块、显示屏以及扬声器进行通电或者断电操作。
所述的路面状态检测装置，其中，所述处理器根据所述九轴模块输入的数据判断车辆熄火时发送控制信号到所述电源管理模块，所述电源管理模块对所述半导体激光器、psd传感器、北斗定位模块、光强传感器、数据通信模块、显示屏以及扬声器进行断电操作，控制所述路面状态检测装置进入休眠模式；
所述处理器根据所述九轴模块输入的数据判断车辆点火时发送控制信号到所述电源管理模块，所述电源管理模块对所述半导体激光器、psd传感器、北斗定位模块、光强传感器、数据通信模块、显示屏以及扬声器进行通电操作，并发送数据指令对所述半导体激光器、psd传感器、北斗定位模块、光强传感器、数据通信模块、显示屏以及扬声器进行初始化，控制所述路面状态检测装置进入正常工作状态。
所述的路面状态检测装置，其中，所述准直系统由两个椭圆截面柱透镜组成。
所述的路面状态检测装置，其中，所述处理器型号为stm32f207。
所述的路面状态检测装置，其中，所述a/d转换电路在将所述psd传感器输出的微小电流信号转换为电压信号的同时还用于进行加法电路和减法电路处理。
所述的路面状态检测装置，其中，所述数据通信模块为gprs无线通信模块。
一种基于所述路面状态检测装置的路面状态检测方法，其中，所述路面状态检测方法包括如下步骤：
处理器根据当前的光照强度控制半导体激光器发射激光束，并通过准直系统对激光束进行准直处理后经由前挡风玻璃发射到车辆行驶前方；
经过路面反射的激光束通过接收透镜聚焦后射到psd传感器，psd传感器输出的电流信号转换为数字信号后传送至处理器；
处理器进行算法处理后得到路面的覆盖物情况，当检测出路面属于危险行驶路面时，对驾驶员进行报警提醒。
所述的路面状态检测方法，其中，所述处理器根据当前的光照强度控制半导体激光器发射激光束，并通过准直系统对激光束进行准直处理后经由前挡风玻璃发射到车辆行驶前方之前还包括：
处理器采集九轴模块的输出数据进行分析处理，当判断车辆当前状态处于点火状态时，通过电源管理模块对半导体激光器、psd传感器、北斗定位模块、光强传感器、数据通信模块、显示屏以及扬声器进行通电操作和初始化操作。
所述的路面状态检测方法，其中，所述路面状态检测方法具体包括如下步骤：
步骤s1，处理器采集光强传感器根据环境的光照情况输出的光强度值，计算当前的光照强度，进而计算激光的功率参数；
步骤s2，处理器通过输出端口发送控制信号到电流调制电路，调节半导体激光器的输出功率；
步骤s3，半导体激光器发射激光束并通过准直系统对激光束进行准直处理，经由前挡风玻璃发射到车辆行驶前方的路面；
步骤s4，激光束经路面覆盖物折射后，再射到路面上形成反射激光束，并再次经路面覆盖物折射到空中，通过接收透镜聚焦后射到psd传感器的感应面；
步骤s5，psd传感器输出微小电流信号通过a/d转换电路转换为电压信号，并进行加法电路和减法电路处理；
步骤s6，通过a/d采样模块转换为数字信号后传送至处理器的信号输入端，进行算法处理后得到路面的覆盖物情况；
步骤s7，当处理器检测出当前路面属于危险行驶路面时，通过北斗定位模块获取车辆实时速度，结合检测的路况信息提示驾驶员控制车速，并通过显示屏进行文字报警提醒以及通过扬声器进行语音提示。
本发明公开了一种路面状态检测装置及方法，所述路面状态检测装置可以安装在车辆车的车内后视镜上，所述路面状态检测装置包括激光发生模块、psd探测模块、数据处理控制模块、电源管理模块、九轴模块、显示报警装置以及数据通信模块；车辆点火后，处理器采集九轴模块的输出数据，进行分析处理，判断车辆状态，若车辆已经点火，通过电源模块唤醒各外设模块（包括半导体激光器、psd传感器、北斗定位模块、光强传感器、数据通信模块、显示屏以及扬声器）进入正常工作；处理器采集实时光强度计算功率参数，通过输出端口控制半导体激光器的输出功率，半导体激光器发射激光并通过准直系统对激光束进行准直，经由前挡风玻璃射到车辆行驶前方，激光束经路面覆盖物折射后，再射到路面上行程反射激光束，并再次经路面覆盖物折射射入空中，通过接收透镜接收反射回来的激光束，并输出探测信号，psd传感器输出的微小电流信号经过a/d转换电路，转换为电压信号并进行加法电路和减法电路处理，再通过a/d采样模块转换为数字信号，传送至处理器的信号输入端，进行算法处理后，得到路面的覆盖物情况；当测量出路面危险行驶时，通过显示屏和扬声器进行报警提醒，提示驾驶员小心路滑，减速行驶等。
附图说明
图1是本发明路面状态检测装置的较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明路面状态检测装置的较佳实施例的各个部件的具体连接的结构示意图；
图3是本发明路面状态检测方法的较佳实施例的流程图；
图4是本发明路面状态检测方法的较佳实施例中单点激光测距示意图；
路面状态检测装置100，激光发生模块10，psd探测模块20，数据处理控制模块30，电源管理模块40，九轴模块50，显示报警装置60，数据通信模块70；半导体激光器11，准直系统12，接收透镜21，psd传感器22，光强传感器31，北斗定位模块32，处理器33，外围电路34，电流调制电路341，a/d转换电路342，a/d采样模块343，显示屏61，扬声器62，gprs无线通信模块71。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明较佳实施例所述的路面状态检测装置100，一种路面状态检测装置100，所述路面状态检测装置100优先安装在车辆（包括卡车、小汽车等各种车辆）的车内后视镜上，其中，所述路面状态检测装置100包括：
激光发生模块10、psd探测模块20、数据处理控制模块30、电源管理模块40、九轴模块50、显示报警装置60以及数据通信模块70。
具体地，所述激光发生模块10包括：用于朝向路面发射激光的半导体激光器11和用于将所述半导体激光器11输出的激光束进行角度校准的准直系统12；其中，半导体激光器11又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器，用于发射激光束，半导体激光器是最实用最重要的一类激光器，它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成，并且还可以用高达ghz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出，由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用；其中，所述准直系统12由两个椭圆截面柱透镜组成，结构简单。
具体地，所述psd探测模块20包括：用于接收经过路面反射回来的散射光并输出探测信号的接收透镜21和用于接收所述接收透镜21输出的探测信号的psd传感器22；其中，所述接收透镜21用于接收经过路面反射回来的散射光,进行聚焦，并将其成像在psd传感器22的感应面上；其中，所述psd传感器22（positionsensitivedetector）为一种位置敏感检测器，是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器，广泛应用于光学位置和角度的测量与控制、远程光学控制系统、位移和振动监测、激光光束校准、自动范围探测系统以及人体运动及分析系统等。
具体地，所述数据处理控制模块30包括：用于根据环境的光照情况输出光强度值的光强传感器31、用于对车辆进行实时定位及获取车辆实时速度的北斗定位模块32、用于进行数据处理的处理器33及外围电路34；其中，所述处理器33型号为stm32f207（意法半导体的stm32f207，基于arm32-bitcortex-m3一款处理器33，以120mhz高速运行时可达到150dmips的处理能力）。
进一步地，stm32f207（处理器33）的功能如下：
1、数据采集与处理：
1）采集psd传感器22的输出数据，进行处理，判断路面情况（水泥路面/沥青路面，路面覆盖物类型：水/冰层等）；
2）采集九轴模块50的输出数据，进行处理，判断车辆状态（点火/熄火）；
3）采集北斗定位模块32的输出数据，进行处理，获取车辆的实时定位经纬度和车辆实时车速；
4）采集光强传感器31的输出数据，进行处理，获取当前的光照强度。
2、数据通信和交互：
通过gprs无线通信模块71，与平台建立稳定的通信链路；定时上传车辆的实时数据：定位经纬度、车速、当前路况、报警信息等；平台下发软件升级指令时，解析下发的数据包，自动进行升级。
3、报警提醒：
当检测到车辆的当前车速超过当前路况所允许的车速时，通过显示装置进行文字提醒，并开启扬声器62，进行语音提醒。
4、模块控制：
1）根据采集到的当前光照强度，输出控制信号给电流调制电路341，控制半导体激光器11的输出功率；
2）车辆熄火时，输出控制信号给电源管理模块40，对各外设模块（半导体激光器11、psd传感器22、北斗定位模块32、光强传感器31、数据通信模块70、显示屏61以及扬声器62）进行断电操作；车辆点火时，输出控制信号给电源管理模块40，对各外设模块（半导体激光器11、psd传感器22、北斗定位模块32、光强传感器31、数据通信模块70、显示屏61以及扬声器62）进行通电操作。
进一步地，所述外围电路34包括：用于调节所述半导体激光器11的输出功率的电流调制电路341、用于将所述psd传感器22输出的微小电流信号转换为电压信号的a/d转换电路342以及用于将所述电压信号转换为数字信号的a/d采样模块343（数字信号方便stm32f207进行计算和处理）；其中，所述a/d转换电路342在将所述psd传感器22输出的微小电流信号转换为电压信号的同时还用于进行加法电路和减法电路处理。
具体地，所述九轴模块50（九轴陀螺仪）用于实时获取车辆三轴加速度变化值、三轴陀螺仪的角度变化值以及三轴的磁感应数据变化值；stm32f207通过分析九轴模块50的输出数据：加速度、方向角和磁感应的变化情况，判断车辆是否点火；stm32f207对这些数据进行计算和分析后，判断路面状态检测装置100当前振动状态，如果是连续振动，说明车辆已经点火，发动机的运转会带动路面状态检测装置100的持续振动，说明车辆已经点火；否则，车辆是熄火状态。
具体地，所述显示报警装置60包括：用于显示报警信息的显示屏61和用于发出报警语音的扬声器62。
具体地，所述数据通信模块70用于根据所述处理器33的控制指令与指定服务器建立数据传输通道；其中所述数据通信模块70为gprs无线通信模块71（内嵌tcp/ip协议，根据stm32f207的控制指令，与指定服务器建立高速，稳定可靠的透明数据传输通道），stm32f207通过gprs无线通信模块71与平台进行数据交互，进行数据上传、命令下发、远程升级等操作。
具体地，所述处理器33、电流调制电路341以及半导体激光器11依次连接，，所述准直系统12设置在所述半导体激光器11发射激光的光路前方，所述接收透镜21设置所述psd传感器22前方，所述psd传感器22、a/d转换电路342、a/d采样模块343以及处理器33依次连接；所述处理器33还分别与所述北斗定位模块32、光强传感器31、数据通信模块70、电源管理模块40、九轴模块50、显示屏61以及扬声器62连接。
其中，所述电源管理模块40提供路面状态检测装置100所有模块的供电需求，保证各模块稳定工作，除stm32f207和九轴模块50的供电是常通，其余模块的供电都是可控的；所述电源管理模块40分别与所述半导体激光器11、psd传感器22、北斗定位模块32、光强传感器31、数据通信模块70、显示屏61以及扬声器62分别连接；所述处理器33通过信号输出端口发送控制信号到所述电源管理模块40，用于对所述半导体激光器11、psd传感器22、北斗定位模块32、光强传感器31、数据通信模块70、显示屏61以及扬声器62进行通电或者断电操作。
进一步地，所述处理器33根据所述九轴模块50输入的数据判断车辆熄火时发送控制信号到所述电源管理模块40，所述电源管理模块40对所述半导体激光器11、psd传感器22、北斗定位模块32、光强传感器31、数据通信模块70、显示屏61以及扬声器62进行断电操作，控制所述路面状态检测装置100进入休眠模式；所述处理器33根据所述九轴模块50输入的数据判断车辆点火时发送控制信号到所述电源管理模块40，所述电源管理模块40对所述半导体激光器11、psd传感器22、北斗定位模块32、光强传感器31、数据通信模块70、显示屏61以及扬声器62进行通电操作，并发送数据指令对所述半导体激光器11、psd传感器22、北斗定位模块32、光强传感器31、数据通信模块70、显示屏61以及扬声器62进行初始化，控制所述路面状态检测装置100进入正常工作状态。
相应地，在基于本发明的路面状态检测装置100的基础上，请参阅图3（基于前面的图1和图2），本发明还提供了一种路面状态检测方法，所述路面状态检测方法包括如下步骤：
步骤s10，处理器33根据当前的光照强度控制半导体激光器11发射激光束，并通过准直系统12对激光束进行准直处理后经由前挡风玻璃发射到车辆行驶前方；
步骤s20，经过路面反射的激光束通过接收透镜21聚焦后射到psd传感器22，psd传感器22输出的电流信号转换为数字信号后传送至处理器33；
步骤s30，处理器33进行算法处理后得到路面的覆盖物情况，当检测出路面属于危险行驶路面时，对驾驶员进行报警提醒。
具体地，在所述步骤s10之前还包括：处理器33采集九轴模块50的输出数据进行分析处理，当判断车辆当前状态处于点火状态时，通过电源管理模块40对半导体激光器11、psd传感器22、北斗定位模块32、光强传感器31、数据通信模块70、显示屏61以及扬声器62进行通电操作和初始化操作。
为了进一步说明本发明的路面状态检测方法的具体实现过程，本发明的路面状态检测方法具体包括以下步骤：
步骤s1，处理器33采集光强传感器31根据环境的光照情况输出的光强度值，计算当前的光照强度，进而计算激光的功率参数；
步骤s2，处理器33通过输出端口发送控制信号到电流调制电路341，调节半导体激光器11的输出功率；
步骤s3，半导体激光器11发射激光束并通过准直系统12对激光束进行准直处理，经由前挡风玻璃发射到车辆行驶前方的路面；
步骤s4，激光束经路面覆盖物折射后，再射到路面上形成反射激光束，并再次经路面覆盖物折射到空中，通过接收透镜21聚焦后射到psd传感器22的感应面；
步骤s5，psd传感器22输出微小电流信号通过a/d转换电路342转换为电压信号，并进行加法电路和减法电路处理；
步骤s6，通过a/d采样模块343转换为数字信号后传送至处理器33的信号输入端，进行算法处理后得到路面的覆盖物情况；
步骤s7，当处理器33检测出当前路面属于危险行驶路面时，通过北斗定位模块32获取车辆实时速度，结合检测的路况信息提示驾驶员控制车速，并通过显示屏61进行文字报警提醒以及通过扬声器62进行语音提示。
本发明利用半导体激光器11进行主动照明，采用激光三角测距法进行psd测距，利用覆盖物（例如水体目标）反射折射光线，无需将检测器探入覆盖物（例如水下），能及时获取车辆前方路面的路面情况：判断路面为水泥还是沥青，是干燥、湿滑还是冰层路面，并具有路况显示和报警、自动唤醒/休眠、数据上传功能，成本低廉、组装简单、路面状态检测装置100整体精简、体积小、操作方法简单快捷。
下面具体介绍激光三角测距法如下，如图4所示：
激光头laser与摄像头在同一水平线（称为基准线）上，其距离为s，摄像头焦距为f，激光头与基准线的夹角为β；假设目标物体object在点状激光器的照射下，反射回摄像头成像平面的位置为点p。
由几何知识可作相似三角形，激光头、摄像头与目标物体组成的三角形，相似于摄像头、成像点p与辅助点p′；p与辅助点p′；设pp′=x（即图中的x=x1+x2），q、d如图4所示，则由相似三角形可得：pp′=x，则由相似三角形可得：
f/x=q/s=>q=fs/x；
可分为两部分计算：
x=x1+x2=f/tanβ+pixelsize*position；
其中，pixelsize是像素单位大小，position是成像的像素坐标相对于成像中心的位置，最后，可求得距离d:
d=q/sinβ；
根据同环境下的多次测距数据，结合水泥和沥青材料的不同反射率，判断路面是水泥或沥青，根据反射激光束的衰减率（若路面有覆盖物：水或冰层，会造成激光束折射，造成反射回来的激光束能量衰减），判断路面的覆盖物是水或冰层。
本发明中，车辆点火后，stm32f207采集九轴模块50的输出数据，进行分析处理，判断车辆状态，若车辆已经点火，通过电源管理模块40唤醒各外设模块进入正常工作；stm32f207采集实时光强度，计算功率参数，通过输出端口控制半导体激光器11的输出功率，半导体激光器11发射激光并通过准直系统12对激光束进行准直，经由前挡风玻璃射到车辆行驶前方，激光束经路面覆盖物折射后，再射到路面上行程反射激光束，并再次经路面覆盖物折射射入空中，通过接收透镜21接收反射回来的激光束，并输出探测信号；psd传感器22输出的微小电流信号经过a/d转换电路342转换为电压信号并进行加法电路和减法电路处理，再通过a/d采样模块343转换为数字信号，传送至stm32f207的信号输入端，进行算法处理后，得到路面的覆盖物情况；其中，路面属于危险行驶情况包括湿滑、冰冻（冰层）、积水、路坑等，当测量出路面是危险行驶路况时，通过显示屏61进行报警提醒，并发出语音提示驾驶员小心路滑，减速行驶等。
本发明还具有的有益效果是：采用psd传感器22和stm32f207作为探测和处理的主要芯片，由stm32f207通过光强度自动调节半导体激光器11的输出功率，利用两个椭圆截面柱透镜组成的准直系统12对输出激光束进行准直，不论是白天夜晚，该是不同气候情况，都可以快捷准确的检测和报警；采用基于psd的激光三角测距法，利用路面覆盖物反射折射光线，可远程实现检测；能及时获取车辆行驶前方的路面状况，进行报警提醒，避免事故的发生。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。