一种基于FPGA的扫描式激光车辆分离装置的制作方法

本发明涉及智能交通技术领域，尤其是涉及一种激光车辆分离装置。

背景技术：

近年来，随着交通基础设施的日趋完善，高速公路里程和桥梁数量的不断增加，人们出行越来越便利。但同时，各个高速公路道口、桥梁、隧道等收费处的交通流量也显著提高。提高收费通行效率尤为重要，而分车，车型信息检测，是收费系统的重要依托。

目前高速收费系统中使用的车辆分离器主要为光栅式分离器，采用对射式原理，需要发射端和接收端分别安装在道路两侧对准后形成闭合光路。由于现场环境复杂，对准困难，体积较大容易倾倒倾斜，车型信息检测设备多为接触式轮轴识别器，这类设备车型信息检测单一，且设备容易损坏，使用年限低，施工和安装过程复杂，后期维护成本高。

基于扫描式激光检测技术的车辆分离器，以其收发一体结构与非接触检测的特点，具有安装简单，后期维护成本低，车型检测信息丰富等优点，有逐步取代传统光栅式分离器与接触式轮轴识别器的趋势。

目前基于扫描式激光检测技术的车辆分离器的车辆检测判断的逻辑在单片机中运行，采用顺序执行指令，检测的响应速度受单片机的机器周期影响，一般在几十毫秒级别，另外，单片机逻辑判断和执行程序还会因各类中断指令而影响逻辑判断的实时性，其次车辆检测判断是在一个扫描周期结束时进行判断，受扫描频率影响，限制了其最快响应时间，无法满足快速响应的场合，特别是快速的检测有车状态的情况。例如车速较快的情况下，经过一圈的扫描时间后，车辆前轮已经经过称重设备，此时扫描式激光车辆分离器才给出检测到车辆的状态，从而导致称重数据缺失或错误。

技术实现要素：

针对以上不足，本实用新型提供一种基于fpga的扫描式激光车辆分离装置，该车辆分离装置通过脉冲激光发射模块发出测距用的脉冲激光束，经由旋转反射机构转化成扫描阵列，fpga对单圈测距数据按角度分段依次进行处理，以检测各数据段内是否存在扫描到车辆的测距点，若检测数据段内含车辆测距点，则触发io输出，达到快速检测车辆的目的。

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种基于fpga的扫描式激光车辆分离装置，其特征在于，包括壳体与安装在壳体内的旋转反射模块、脉冲激光发射与接收模块、fpga、电源模块、开关量输出单元；

所述电源模块为旋转反射模块、脉冲激光发送与接收模块、fpga提供工作电压；

所述旋转反射模块包括旋转驱动电路和旋转反射机构；

脉冲激光发射与接收模块包括脉冲驱动电路、激光发射单元、激光接收单元；

所述的fpga通过io引脚与旋转驱动电路连接，所述旋转驱动电路驱动旋转反射机构转动，所述旋转反射机构包括扫描反射镜和旋转编码器，所述旋转编码器与fpga连接，用于提供旋转的角度信息；

所述fpga通过io引脚与脉冲驱动电路连接，用于在指定的扫描角度下触发激光脉冲产生；

所述脉冲驱动电路与激光发射单元连接，所述激光接收单元与fpga连接，以提供激光脉冲接收时刻，所述fpga与开关量输出单元连接，所述fpga通过快速数据处理能力判断出在特定区域内是否存在检测物，控制开关量输出单元输出控制信号。

优选地，所述装置还包含嵌入式单片机、以太网接口，所述嵌入式单片机通过并行接口与fpga通讯，所述嵌入式单片机通过spi接口和以太网接口通讯，所述电源模块为嵌入式单片机提供电压，所述嵌入式单片机接收fpga的测距数据，整合车辆三维点云数据，提取车辆特征信息并通过以太网输出。

优选地，所述装置还包含嵌入式单片机、以太网接口，所述嵌入式单片机通过并行接口与fpga通讯，所述嵌入式单片机通过spi接口和以太网接口通讯，所述电源模块为嵌入式单片机提供电压，所述嵌入式单片机通过以太网与外部计算单元连接，所述外部计算单元接收测距数据后，整合车辆三维点云数据，提取车辆特征信息。

优选地，所述旋转反射机构包括反射镜、反射镜固定支架、直流电机、码盘、配重结构件；其中反射镜通过反射镜固定支架固定并与直流电机旋转轴成45度；码盘给fpga提供发光的角度信息；配重结构件保证电机在高速运转时的稳定性。

优选地，所述开关量输出单元具备pnp，npn输出，其中npn电路采用开漏输出的结构形式，npn电路中由具有过流过压自保护的mos管器件构成；pnp电路包括npn三极管、pnp三极管、阻容器件、模拟运放器件，用于采集和检测所述pnp电路的中电流大小并通过设定硬件阈值实现过流过压的硬件保护。

本实用新型通过脉冲激光发射模块发出测距用的脉冲激光束，经由旋转反射机构转化成扫描阵列，fpga对单圈测距数据分段依次进行硬件逻辑判断，以检测各数据段内是否存在扫描到车辆的测距点，并控制开关量输出单元，其理论响应速度远低于10毫秒。同时，测距数据传输到内部单片机或外部的计算单元，进行整合构建车辆的三维点云并从中提取车辆特征信息。作为车辆分离器使用时，安装于车道一侧或车道上方，作为车辆分离器与车辆信息检测器使用时，安装于道路一侧，以便对所要检测的信息完全扫描。

嵌入式单片机靠预设的指令集的顺序执行完成事务，软件和程序是灵活的，但执行过程是顺序串行的；fpga的每个逻辑单元的功能在重编程时就已经确定，通过综合布线直接构成等效电路完成事务，执行过程是并发的。因此fpga能更快速的完成测距数据的计算。fpga采用多路计时，对同一个距离的时间值利用多路计时的结果求取平均值，因此fpga能更准确的完成测距数据的计算，同时，通过对测距数据的按角度分段处理，能及时的检测各个数据段内是否存在车辆的测距点，而不是在一圈扫描结束后再传输到单片机处理检测，可以显著提高车辆检测速度。因此fpga能更优的给出车辆存在性判断并输出。

本实用新型的优点和有益效果是：相对于传统的车辆分离器，可以同时实现分车和车辆特征提取功能，减少装置数量，易于现场安装施工，既降低了成本，也增加了灵活性，拆装方便不受现场环境限制，相对于现有的扫描式激光车辆分离装置，得益于fpga对测距更快更准更优的计算，在同扫描频率下能更快速有效的检测车辆的存在性。在满足使用需求期望情况下，可以降低扫描频率，提高车辆分离器的使用寿命。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本实用新型的连接原理图；

图2示出了本实用新型第一实施例示意图；

附图标记说明：

1、安装立杆，2、扫描式激光车辆分离装置，3、车辆，4、行车路面，51、30度发射角，52、60度发射角，53、90度发射角，54、120度发射角，55、150度发射角。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，一种基于fpga的扫描式激光车辆分离装置包括壳体与安装在壳体内的旋转反射模块、脉冲激光发射与接收模块、fpga、电源模块、开关量输出单元，fpga通过读取旋转模块上码盘的信息判断出发光的角度信息，通过io引脚驱动脉冲发光模块，脉冲激光发射模块发出测距用的脉冲激光束，经由旋转反射机构转化成扫描阵列，fpga利用码盘的角度信息对单圈测距数据分段依次进行处理，以检测各数据段内是否存在扫描到车辆的测距点，若检测数据段内含车辆测距点，则触发io输出，达到快速检测车辆的目的，若需要车型信息，例如车辆轴型时，对存在车辆的单圈数据传输到内部嵌入式单片机或外部计算单元进行整合，以构建车辆的三维点云并从中提取所需的车辆特征信息。

如图2所示，本实用新型提出的一种基于fpga的扫描式激光车辆分离装置的安装实施示意图。扫描式激光车辆分离装置2通过安装立杆1固定于行车路面4一侧，安装高度约为1.5米，通过30度至150度的扫描区域对车辆3进行检测，结合图1与图2，实现方法与运行方式如下：

第一步：上电后，fpga将控制信号传输给旋转反射模块的旋转驱动电路，旋转驱动电路将驱动旋转反射机构以一恒定转速旋转，即直流电机转速设定为900r/min；同时fpga采集旋转反射机构的角度位置信息，并以此角度位置信息为基准产生电脉冲信号控制激光测距模块的激光发射单元发射出激光光束；电脉冲信号和旋转反射机构的物理位置一一对应，使得激光光束在指定的角度发射脉冲；各个激光光束形成固定夹角的激光扫描阵列。

第二步：通过上位机对扫描式激光车辆分离装置进行检测区域与数据分段设置，检测区域是每一个扫描角度下的测距阈值依次组成的离散数据列，当某一角度下的激光测距值小于其对应的测距阈值，认为检测区域内存在扫描到车辆的点。测距阈值的选取一般以扫描式激光车辆分离装置安装高度下的和行车路面4及其边界测距值为基准值，对于车道正上方，依据使用需要，基准值一般选取行车路面4上方约2.5米到4.5米的测距值，测距阈值一般选取小于这些基准值约30cm。

数据分段可以采用有效扫描角度内平均分成n段的方法，扫描式激光车辆分离装置的有效扫描角度为30度至150度(以竖直向下为0度，逆时针为正方向)，依次将该区间分为4段。fpga接收信息并依次计算出的各个角度下的测距值，若所计算的测距值为各个分段的分界点(60度，90度等)时，将分界点之前(30度～60度，30度～90度等)的有效测距值分别与检测区域内的对应阈值进行比较，若小于阈值的有效测距值点数a达到设定的判定条件，即认为车辆进入了检测区域，此时fpga设置开关量输出单元进行置位。

其中：fpga接收的信息包括激光脉冲的发送时刻与激光脉冲的接收时刻，以此计算车辆分离器与被测点的距离值，由于车辆分离器为顺序扫描方式，顺序计算的距离值序列的索引信息即包含角度信息。

第三步，fpga在旋转反射机构的零点时刻(旋转一圈的结束标记)检查有效测距值点数a，若达到设定的判定条件，则保持开关量输出单元的状态，若不满足，则对开关量输出单元的状态进行复位。若存在数据处理的单片机或外部计算单元，fpga还会传输当前扫描数据圈的测距数据序列到数据处理的单片机或外部计算单元。

以900r/min来评估开关量状态改变的耗时。设置旋转反射机构的零点时刻与30度扫描角一致，扫描一圈的时间约为67ms，若以有效扫描角度为30度至150度，数据分4段，则最快情况下开关量状态置位时间为30/360*67＝5.58ms.开关量状态复位时间为67ms。

第四步，当开关量状态由置位状态到复位状态时，表示车辆离开检测区域，单片机或外部计算单元对接收的各个单帧测距数据序列进行整合，得到车辆的点云数据。对点云数据进行处理，得到车辆的特征信息。

例如对单帧车辆的最高测距值进行提取并滤波后得到的最大值为车辆的高度值，利用pointnet深度神经网络对点云数据进行分类识别，得到车辆的轴组分类信息。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。