本发明涉及一种车位锁装置及其测距方法，尤其是一种基于激光测距的车位锁装置及其测距方法，主要应用在开放式道路停车场，属于智能交通技术领域。
背景技术：
随着机动车数量的迅猛增加，停车难已经成为城市，特别是大型城市面临的严重问题。由于城市中心区域历史规划的限制，配建停车场资源少，停车难问题更为突出，在道路旁开辟一定数量的停车位，缓解城市中心区的停车难问题已成为各个城市的一项重要举措。但是相对封闭式停车场，道路停车场没有明确的出入口，而且停车位多呈平行分布，道路停车位的管理与收费无法沿用封闭式停车场基于出入口道闸的管理与收费系统。
上世纪90年代以来，我国各个城市陆续引入了在欧美广泛使用的咪表进行路边自助缴费，但逃费现象严重，已经逐渐被废弃。
日本的开放式室外停车场则采用基于车位锁的管理与收费系统，当车辆停泊在对应车位时，通过内置地磁传感器或地感线圈探测到车位被占用后，车位锁自动升起，锁定车辆。只有缴费后，车位锁自动解锁，车辆才能移出停车位，有效避免了恶意逃费现象。但由于缺乏对停车入位是否规范的技术手段，需要大量引导人员辅助和指引驾驶员停车，运营成本高。
近年来，广泛用于智能交通领域车流量统计的地磁传感器或地感线圈被用于开放式道路停车场的管理，但仅实现对车位状态的检测，无法实现无人收费。随着车牌识别技术的成熟，基于单车位车牌识别的道路停车场管理系统在多个城市展开试点，但无法实现强制缴费，只能通过事后补交的方式解决恶意逃费的问题。
技术实现要素：
为了解决现有技术存在的问题，针对现有开放式道路停车场的管理与收费需求，本发明提出一种基于激光测距的车位锁装置及其测距方法，通过引入低成本激光测距技术，对车位占用状态以及停车入位是否规范进行检测，解决了现有车位锁缺乏停车入位规范性检测导致的运营成本高及无法实现无人收费等问题。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：一种基于激光测距的车位锁装置，包括主控盒、电机控制盒和锁体，其特征在于，所述主控盒内置有主控单元、可旋转激光测距单元、无线通信单元及呼叫按钮，所述主控单元分别与可旋转激光测距单元、无线通信单元及呼叫按钮连接；所述电极控制盒内安装有电机控制单元、直流减速电机、蜗轮蜗杆装置及电源单元，所述电机控制单元与直流减速电机连接，所述直流减速电机与蜗轮蜗杆装置连接；所述锁体包括传动轴、可翻转车轮挡板及支撑座，所述支撑座位于传动轴下方，且与传动轴连接，所述传动轴与可翻转车轮挡板连接；所述主控单元通过rs485串口与电机控制单元连接，所述蜗轮蜗杆装置与锁体中的传动轴连接。
进一步地，所述无线通信单元负责车位锁与停车场管理系统的数据交互，所述可旋转激光测距单元内设置有多个不同的固定旋转角度，用于检测车位是否被占用及车辆停放是否规范，所述呼叫按钮用于车主没有安装移动支付软件时，呼叫现场巡检人员进行现场人工缴费，所述主控单元负责整个车位锁的管理和控制，控制可旋转激光测距单元调整旋转角度进行激光测距，并通过rs485串口控制电机控制单元，执行车位锁升起和落下指令，所述电机控制单元根据主控单元的控制指令，控制直流减速电机的旋转及旋转方向，所述直流减速电机经蜗轮蜗杆装置驱动锁体中的传动轴运动，所述传动轴带动可翻转车轮挡板升起或落下。
进一步地，所述主控盒的上表面印刷有车位对应的二维码和车位编号，用于车主扫描支付停车费用，且距离路面的架设高度为0.5米，通过内部走线的立杆与电机控制盒相连，所述电机控制盒部署在停车位道路边缘区域，且固定在路面上，所述锁体部署在停车位的中部靠后区域，且位于车辆的前后轮之间，所述锁体长度为0.8米以上且不超过车身的宽度，水平垂直于停车方向，且安装在停车位路面上，所述可翻转车轮挡板可升起的最大高度不低于30cm。
进一步地，所述主控盒也可与电机控制盒放置在同一个防水盒中，并安装在停车位道路边缘区域。
进一步地，所述电极控制盒内还安装有电源单元，所述电源单元分别与主控盒、电机控制单元、直流减速电机连接，负责为整个车位锁提供工作电源，且电源单元为工作电压是24vdc的大容量蓄电池或220vac-24vdc的电源转换模块。
进一步地，所述激光测距单元的测距范围不低于5米，且测量误差不大于5mm。
为了进一步实现以上技术目地，本发明还提出一种基于激光测距的车位锁装置的测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、车位锁待机：在车辆未驶入停车位时，车位锁处于待机状态，主控盒的可旋转激光测距单元的激光测试角度设置为水平垂直于停车方向，且处于周期测距工作状态；
步骤二、当车辆驶入停车位时，主控盒的可旋转激光测距单元测量距离值小于距离门限值，并连续测量n次；
步骤三、当连续n次测量结果基本相同时，则判断车辆已驶入停车位，对应停车位状态设为被占用状态；
步骤四、主控盒的主控单元调整可旋转激光测距单元的旋转角度，分别测量m-1个预设角度对应的车体距离。
步骤五、根据m-1个不同角度的车体距离测量值、主控盒与车体水平垂直距离测量值，基于m-1个不同角度值，算出车体相对停车位的倾斜及沿停车方向车尾与主控盒的距离，根据计算结果判断检测车辆是否停放在停车线内；
步骤六、当车辆没有停放在停车线内时，车位锁通过主控盒的无线通信单元向停车场管理系统发送停车不规范报警消息，现场巡检人员收到消息后抵达现场进行人工引导或开具罚单；
步骤七、当车辆停放规范后，车位锁通过主控盒的无线通信单元向停车场管理系统发送停车开始计时消息，并关闭可旋转激光测距单元，同时通过主控单元向电机控制单元下达车位锁升起命令，电机控制单元输出驱动电流，驱动直流减速电机进行正向旋转，所述直流减速电机经蜗轮蜗杆装置驱动锁体中的传动轴运动，所述传动轴带动可翻转车轮挡板升起；
步骤八、当电机控制单元输出的驱动电流值大于门限值时，则说明锁体的可翻转车轮挡板已顶住停放车辆的底盘，停止直流减速电机旋转；否则，可翻转车轮挡板升高至最高位置时，停止直流减速电机旋转；
步骤九、当车主准备驾车离开时，需打开对应支付软件，扫描并识别主控盒上表面的二维码或车位编号，停车场管理系统计算出停车费用后发送给车主，车主确认停车费用后，通过移动支付方式实现自助缴费；
步骤十、若车主没有安装对应支付软件，则需按下主控盒的呼叫按钮，所述主控单元接收到呼叫按钮的呼叫消息后，通过无线通信单元向停车场管理系统发送停车缴费消息，现场巡检人员收到消息后抵达现场进行人工收费；
步骤十一、缴费完成后，停车场管理系统通过无线通信单元向车位锁发出解锁指令，主控盒的主控单元控制电机控制单元，执行车位锁落下操作，并重新进入待机值守状态。
进一步地，所述步骤二中的距离门限值为0.5米，连续测量次数n为3。
进一步地，所述可旋转激光测距单元的m个预设角度中，第1个角度水平垂直于停车方向，第m-2个角度对应车辆右后轮前切面距离车尾最短的车辆（如小型两厢车）的尾部，第m个角度对应停车位的后停车线，所述预设角度个数m不小于4。
进一步地，所述步骤五中检测车辆是否停放在停车线内的算法，包括如下步骤：
1）、当可旋转激光测距单元处于第1角度时，获得第1角度的车体距离测量值，假设车辆停放规范，基于已知的剩余m-1个固定角度，计算剩余m-1个固定角度的车体距离估计值；
2）、可旋转激光测距单元顺序向车尾方向旋转m-2个角度，获得m-2个角度对应的车体距离测量值，并与预先计算出的车体距离估计值进行比较：
a）.若第m-2角度对应的车体距离测量值远大于车体距离估计值，则判断车辆停放过于靠前，无法保证车位锁的锁体位于车辆的前后轮之间；
b）.若各个角度上对应的车体距离测量值与车体距离估计值之差的绝对值大于一个门限值，则判断车辆没有平行于车位停放；
3）、当可旋转激光测距单元旋转至第m个角度，获得第m个角度的车体距离测量值，若车体距离测量值与车体距离估计值之差的绝对值小于一个门限值，则判断车辆停放过于靠后。
与传统开放式室外停车场收费管理相比，本发明具有以下优点：
1）相对单车位车牌识别方案，本发明具有避免事后补交引发争议、运营成本低等优点；
2）相对传统的车位锁管理方案，引入可旋转激光测距单元，低成本实现了车位占用与停车入位是否规范的实时检测，能够规范停车秩序，减少现场引导人员，降低运营成本。
附图说明
图1为本发明的组成示意图。
图2为本发明的部署示意图。
图3为本发明的工作流程图。
图4为本发明的检测停车规范性示意图。
附图标记说明：1—主控盒、101—主控单元、102—可旋转激光测距单元、103—无线通信单元、104—呼叫按钮、2—电机控制盒、201—电机控制单元、202—直流减速电机、203—蜗轮蜗杆装置、204—电源单元、3—锁体、301—传动轴、302—可翻转车轮挡板、303—支撑座。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明不限于以下的实施方式，在以下的说明中所参照的各图是为了能够对本发明的内容进行理解而设置的，即本发明不限于附图所举例。
根据图1所示，一种基于激光测距的车位锁装置，包括主控盒1、电机控制盒2和锁体3，其特征在于，所述主控盒1内置有主控单元101、可旋转激光测距单元102、无线通信单元103及呼叫按钮104，所述主控单元101分别与可旋转激光测距单元102、无线通信单元103及呼叫按钮104连接；所述电极控制盒2内安装有电机控制单元201、直流减速电机202、蜗轮蜗杆装置203及电源单元204，所述电机控制单元201与直流减速电机202连接，所述直流减速电机202与蜗轮蜗杆装置203连接；所述锁体3包括传动轴301、可翻转车轮挡板302及支撑座303，所述支撑座303位于传动轴301下方，且与传动轴301连接，支主要用于保证传动轴301的水平稳定，所述传动轴301与可翻转车轮挡板302连接；所述主控单元101通过rs485串口与电机控制单元201连接，所述电源单元204分别与主控盒1、电机控制单元201、直流减速电机202连接，所述蜗轮蜗杆装置203与锁体3中的传动轴301连接；
所述无线通信单元103负责车位锁与停车场管理系统的数据交互，所述可旋转激光测距单元102内设置有多个不同的固定旋转角度，用于检测车位是否被占用及车辆停放是否规范，所述呼叫按钮104用于车主没有安装移动支付软件时，呼叫现场巡检人员进行现场人工缴费，所述主控单元101负责整个车位锁的管理和控制，控制可旋转激光测距单元102调整旋转角度进行激光测距，所述激光测距单元102的测距范围不低于（超过）5米，且测量误差不大于5mm，并通过rs485串口控制电机控制单元201，执行车位锁升起和落下指令，所述电机控制单元201根据主控单元101的控制指令，控制直流减速电机202的旋转及旋转方向，同时主控单元101内置有直流减速电机202驱动电流监测功能，当直流减速电机202驱动电流超过一个门限值时，停止电机旋转，保护直流减速电机202，并保证车位锁不会因升力过大损坏停放车辆地盘，所述直流减速电机202经蜗轮蜗杆装置203驱动锁体3中的传动轴301运动，所述传动轴301带动可翻转车轮挡板302升起或落下，所述电源单元204负责为整个车位锁提供工作电源，所述电源单元204为工作电压是24vdc的大容量蓄电池或220vac-24vdc的电源转换模块。
根据图2所示，本实施例中所述主控盒1距离路面的架设高度默认为0.5米，且其上表面印刷有车位对应的二维码和车位编号，用于车主扫描支付停车费用，并通过内部走线的立杆与电机控制盒2相连，所述电机控制盒2部署在停车位道路边缘区域，且固定在路面上，所述锁体3部署在停车位的中部靠后区域，确保车辆规范停放时，锁体3位于车辆的前后轮之间，所述锁体长度为0.8米以上且不超过车身的宽度，水平垂直于停车方向，且安装在停车位路面上，所述可翻转车轮挡板302可升起的最大高度不低于30cm；
本实施例中之所以将主控盒1距离路面高度设为0.5米，一方面是因为车辆的金属车体部分高度均大于0.5米，不会因为车窗等影响测距准确性，另一方面，架高0.5米避免雨雪天气停车溅起的水花或泥浆影响激光测距的准确性；此外，从人机交互角度，便于车主扫码支付与按下呼叫按钮104。
本发明中的主控盒1也可与电机控制盒2放置在同一个防水盒中，并安装在停车位道路边缘区域，并不局限于图2中的部署位置。
本发明实施例中的一种基于激光测距的车位锁装置的测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、车位锁待机：在车辆未驶入停车位时，车位锁处于待机状态，主控盒1的可旋转激光测距单元102的激光测试角度设置为水平垂直于停车方向，且处于周期测距工作状态；
步骤二、当车辆驶入停车位时，主控盒1的可旋转激光测距单元102测量距离值小于距离门限值，并连续测量n次，其中距离门限值默认为0.5米，连续测量次数默认n为3；
步骤三、当连续n次测量结果基本相同时，则判断车辆已驶入停车位，对应停车位状态设为被占用状态；
步骤四、主控盒1的主控单元101调整可旋转激光测距单元102的旋转角度，分别测量m-1个预设角度对应的车体距离。
所述可旋转激光测距单元102的m个预设角度中，第1个角度水平垂直于停车方向，第m-2个角度对应车辆右后轮前切面距离车尾最短的车辆（如小型两厢车）的尾部，第m个角度对应停车位的后停车线，本实施例中预设角度个数m默认为6；
步骤五、根据m-1个不同角度的车体距离测量值、主控盒1与车体水平垂直距离测量值，基于m-1个不同角度值，算出车体相对停车位的倾斜及沿停车方向车尾与主控盒1的距离，根据计算结果判断检测车辆是否停放在停车线内；
根据图4所示，具体地，检测车辆是否停放在停车线内的算法，包括如下步骤：
1）、当可旋转激光测距单元102处于第1角度时，获得第1角度的车体距离测量值，假设车辆停放规范，基于已知的剩余m-1个固定角度，计算剩余m-1个固定角度的车体距离估计值；
2）、可旋转激光测距单元102顺序向车尾方向旋转m-2个角度，获得m-2个角度对应的车体距离测量值，并与预先计算出的车体距离估计值进行比较：
a）.若第m-2角度对应的车体距离测量值远大于车体距离估计值，则判断车辆停放过于靠前，无法保证车位锁的锁体3位于车辆的前后轮之间；
b）.若各个角度上对应的车体距离测量值与车体距离估计值之差的绝对值大于一个门限值，则判断车辆没有平行于车位停放；
3）、当可旋转激光测距单元102旋转至第m个角度，获得第m个角度的车体距离测量值，若车体距离测量值与车体距离估计值之差的绝对值小于一个门限值，则判断车辆停放过于靠后；
步骤六、当车辆没有停放在停车线内时，车位锁通过主控盒1的无线通信单元103向停车场管理系统发送停车不规范报警消息，现场巡检人员收到消息后抵达现场进行人工引导或开具罚单；
步骤七、当车辆停放规范后，车位锁通过主控盒1的无线通信单元103向停车场管理系统发送停车开始计时消息，并关闭可旋转激光测距单元102，减少车位锁功耗；同时通过主控单元101向电机控制单元201下达车位锁升起命令，电机控制单元201输出驱动电流，驱动直流减速电机202进行正向旋转，所述直流减速电机202经蜗轮蜗杆装置203驱动锁体3中的传动轴301运动，所述传动轴301带动可翻转车轮挡板302升起；
步骤八、当电机控制单元201输出的驱动电流值大于门限值时，则说明锁体3的可翻转车轮挡板302已顶住停放车辆的底盘，为了保护直流减速电机202，避免损坏停放车辆，停止直流减速电机202旋转；否则，可翻转车轮挡板302升高至最高位置时，停止直流减速电机202旋转；
步骤九、当车主准备驾车离开时，需打开对应支付软件，扫描并识别主控盒1上表面的二维码或车位编号，停车场管理系统计算出停车费用后发送给车主，车主确认停车费用后，通过移动支付方式实现自助缴费；
步骤十、若车主没有安装对应支付软件，则需按下主控盒1的呼叫按钮104，所述主控单元101接收到呼叫按钮104的呼叫消息后，通过无线通信单元103向停车场管理系统发送停车缴费消息，现场巡检人员收到消息后抵达现场进行人工收费；
步骤十一、缴费完成后，停车场管理系统通过无线通信单元103向车位锁发出解锁指令，主控盒1的主控单元101控制电机控制单元201，执行车位锁落下操作，并重新进入待机值守状态。
具体地，电机控制单元201收到主控单元101下达车位锁落下命令，电机控制单元201输出驱动电流，驱动直流减速电机202进行反向旋转，所述直流减速电机202经蜗轮蜗杆装置203驱动锁体3中的传动轴301反向运动，所述传动轴301带动可翻转车轮挡板302落下；
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。