一种车辆高度检测与超高报警装置及方法与流程

本发明涉及公路车辆高度检测技术领域，特别是一种车辆高度检测与超高报警装置及方法。

背景技术：

随着城市交通的立体化发展趋势，高架、隧道等交通设施日益增多。针对超高车辆在道路上行驶，造成桥梁、隧道等设施结构的损坏和驾驶员生命财产损失，传统做法是在有限高要求的道路上安装限高龙门架，但是这种做法无法明确提示车辆是否已超高，碰撞事故屡见不鲜，因此亟需研制一种新型的车辆超高主动预警装置以有效提醒驾驶员进行避让，减少撞桥、卡桥等交通事故的发生。

目前，国内外对超高检测研究主要集中在激光、红外与视频检测三个方向。德国SICK公司提出了一套专门的车辆超高检测方案，利用HISIC450和LMS111等性能卓越的激光传感器进行车辆超高的准确测量；杨晓丹采用多传感器融合理念，利用红外电光开关光幕实现了车辆超高检测，并采用相位法提高了检测精度；李玲玲提出了一种通过双摄像机联合检测并定位超高车辆的新技术，该方法可以精确地进行车辆超高检测并对车辆所在车道进行定位。但由于城市各路段的限高标准不一，以上的超高检测装置只能对车辆是否超高进行判断，驾驶员无法获取驾驶车辆的准确高度信息，当行驶至未安装超高检测装置的限高路段时仍存在冲撞风险。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种准确度高、成本低、反应灵敏且实时性好的车辆高度检测与超高报警装置及方法，以实现车辆高度的非接触式测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种车辆高度检测与超高报警装置，包括支架、电源模块、主控模块、检测模块、触发模块和显示报警模块，所述触发模块、检测模块、主控模块和显示报警模块顺次连接，其中支架为电源模块、主控模块和检测模块提供安装平台，并且支架为检测模块提供初始测量高度；触发模块在有车辆接近时向主控模块提供工作触发信号；电源模块包括多级电压转换装置，将220V市电转化为装置各个模块所需的电压；检测模块包括激光测距模块和红外线光电开关传感器，以测量车辆的车高并且检测车辆是否超高；主控模块负责模块间的通信、协调各个模块并行工作以完成装置功能；显示报警模块在显示车辆车高的同时，对超高车辆发出声音报警信号；

所述检测模块中的激光测距模块和红外线光电开关传感器的安装高度根据道路的限高值确定；所述检测模块中有多个激光测距模块，该多个激光测距模块在支架上的水平安装分布由通过该道路车辆的统计车宽值和预设的置信度确定；车辆接近装置时，触发模块触发装置工作；车辆通过装置时，主控模块通过对多个激光测距模块返回的测量值进行融合处理得，到车辆的车高值并进行第一次车辆超高检测；车辆通过装置后，主控模块根据光电开关传感器的开关信号对车辆进行第二次超高检测，并将车高值和两次超高检测结果传输给显示报警模块。

优选地，所述的支架采用龙门架结构，横跨道路安装，支架的宽度即为道路的宽度，支架的高度为道路限高高度的1.125倍，为激光测距模块提供测量空间。

优选地，所述的触发模块选用Honeywell公司的三轴传感器HMC5883L，以触发模块安装车道的行驶方向为X轴方向，以垂直于行驶方向的水平分量为Y轴方向，以垂直于X轴、Y轴的垂直分量为Z轴方向，该传感器在检测到车辆接近时产生的Z轴方向上的地磁波动后，通过I2C接口向主控模块传输触发信号。

优选地，所述的主控模块以意法半导体公司生产的STM32F103VET6型芯片为核心，该芯片采用Cortex-M3内核，最高工作频率达到72Mhz，内部集成CAN、I2C、SPI总线，支持USART和USB通信方式，完成对装置其余各个模块的控制。

优选地，所述的显示报警模块包括点阵式LED显示屏和声光报警器，所述显示屏沿着道路通行方向安装在支架前方10m处，能够显示主控模块计算出的车辆高度，声光报警器在主控模块检测到车辆超高时发出报警信号。

优选地，所述的检测模块包括3个RLM-S40R型激光测距模块以及一对欧姆龙生产的对射型红外线光电开关传感器E3Z-T61。

一种车辆高度检测与超高报警方法，步骤如下：

步骤1，确定检测模块的安装高度：将道路限高的具体数值作为对射型红外线光电开关传感器的安装高度，并确定支架的高度D，即激光测距模块的安装高度；

步骤2，确定激光测距模块在支架上的安装分布：车辆通过检测装置时中轴线所在的位置服从正态分布，根据统计平均车宽值和预设的置信度确定三个激光测距模块在支架上的水平布设位置，并按照这个布设位置将激光测距模块安装在支架上；

步骤3，车辆高度检测：装置在道路上安装完毕后，当车辆通过检测装置时，三个激光测距模块以固定的频率返回自身距离通过车辆顶部的距离值，根据该距离值确定车高h，主控模块将h与道路限高进行比较，第一次确定车辆是否超高；

步骤4，车辆超高报警：当车辆通过检测装置后，主控模块根据车辆最高处是否切割红外线光电开关传感器产生的射束，第二次判断车辆是否超高：如果第二次超高检测的结果是车辆已经超高，则在第一次超高检测中无论车辆是否超高，都触发声光报警器发出报警信号；如果第二次超高检测的结果是车辆未超高，则以第一次超高检测的检测结果为依据确定是否触发声光报警器。

进一步地，步骤2所述根据统计平均车宽值和预设的置信度确定三个激光测距模块在支架上的水平布设位置，具体如下：

统计平均车宽值定义为w，w的计算方法为：对通过装置目标安装道路的500辆车辆进行车宽值统计，然后取平均值即可得到统计平均车宽值w；

置信度定义为α，置信度α的具体值根据装置的目标精度确定，其值取95％～98％；

道路宽度为W，车辆通过检测装置时中轴线的位置服从N(0,σ)分布，该分布的概率分布函数定义为φ(x)，根据正态分布的3σ原则，确定正态分布的方差σ为：

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{3(W-w)}$

激光测距模块的分布间隔定义为x，由下面不等式算出：

φ(σx)≤(1-α/2)

则激光测距模块横向安装位置分别为距离车道一侧(W/2-x)m、(W/2)m、(W/2+x)m处。

进一步地，步骤3所述三个激光测距模块以固定的频率返回自身距离通过车辆顶部的距离值，根据该距离值确定车高h，具体如下：

记三个激光测距模块测量距离值分别为和其中i表示激光测距模块的采样个数，取则车高h为：

h＝D-d

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)成本低、反应快且实时性好；(2)采用激光测距模块实现非接触式测量，测量结果精度高；(3)按照正态分布确定多个激光测距模块的测量位置，确保测量车辆的最高点；(4)对通过装置的车辆进行两次超高检测，保证装置较低的超高检测漏报率。

附图说明

图1为本发明车辆高度检测与超高报警装置的结构示意图。

图2为本发明中地磁传感器安装示意图。

图3为本发明中车辆高度检测原理图。

图4为本发明车辆高度检测与超高报警装置的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明中的车辆高度检测与超高报警装置，包括支架、电源模块、主控模块、检测模块、触发模块和显示报警模块，所述触发模块、检测模块、主控模块和显示报警模块顺次连接，其中支架为电源模块、主控模块和检测模块提供安装平台，并且支架为检测模块提供初始测量高度；触发模块在有车辆接近时向主控模块提供工作触发信号；电源模块包括多级电压转换装置，将220V市电转化为装置各个模块所需的电压；检测模块包括激光测距模块和红外线光电开关传感器，以测量车辆的车高并且检测车辆是否超高；主控模块负责模块间的通信、协调各个模块并行工作以完成装置功能；显示报警模块在显示车辆车高的同时，对超高车辆发出声音报警信号；

所述检测模块中的激光测距模块和红外线光电开关传感器的安装高度根据道路的限高值确定；所述检测模块中有多个激光测距模块，该多个激光测距模块在支架上的水平安装分布由通过该道路车辆的统计车宽值和预设的置信度确定；车辆接近装置时，触发模块触发装置工作；车辆通过装置时，主控模块通过对多个激光测距模块返回的测量值进行融合处理得，到车辆的车高值并进行第一次车辆超高检测；车辆通过装置后，主控模块根据光电开关传感器的开关信号对车辆进行第二次超高检测，并将车高值和两次超高检测结果传输给显示报警模块。

所述的支架采用龙门架结构，横跨道路安装，支架的宽度即为道路的宽度，支架的高度为道路限高高度的1.125倍，为激光测距模块提供测量空间。

结合图2，所述的触发装置选用Honeywell公司的三轴传感器HMC5883L，以触发模块安装车道的行驶方向为X轴方向，以垂直于行驶方向的水平分量为Y轴方向，以垂直于X/Y的垂直分量为Z轴方向，该传感器在检测到车辆接近时产生的Z轴方向上的地磁波动后，通过I2C接口向主控模块传输触发信号。

所述的主控装置以意法半导体公司生产的STM32F103VET6型芯片为核心，该芯片采用Cortex-M3内核，最高工作频率达到72Mhz，内部集成CAN、I2C、SPI总线，支持USART和USB通信方式，完成对装置其余各个模块的控制。

所述的显示报警模块由点阵式LED显示屏和声光报警器组成，所述显示屏沿着道路通行方向安装在支架前方10m处，显示屏能够显示通过装置的车辆的精确车高，声光报警器能够在车辆超高时发出报警信号。

所述的检测模块由3个RLM-S40R型激光测距模块以及一对欧姆龙生产的对射型红外线光电开关传感器E3Z-T61组成。

本发明中的车辆高度检测与超高报警方法，包含以下步骤：

步骤1，确定检测模块的安装高度：将道路限高的具体数值作为对射型红外线光电开关传感器的安装高度，并确定支架的高度D，即激光测距模块的安装高度；

步骤2，确定激光测距模块在支架上的安装分布：车辆通过检测装置时中轴线所在的位置服从正态分布，根据统计平均车宽值和预设的置信度确定三个激光测距模块在支架上的水平布设位置，并按照这个布设位置将激光测距模块安装在支架上；

统计平均车宽值定义为w，w的计算方法为：对通过装置目标安装道路的500辆车辆进行车宽值统计，然后取平均值即可得到统计平均车宽值w；

置信度定义为α，置信度α的具体值根据装置的目标精度确定，其值取95％～98％；

道路宽度为W，车辆通过检测装置时中轴线的位置服从N(0,σ)分布，该分布的概率分布函数定义为φ(x)，根据正态分布的3σ原则，确定正态分布的方差σ为：

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{3(W-w)}$

激光测距模块的分布间隔定义为x，由下面不等式算出：

φ(σx)≤(1-α/2)

则激光测距模块横向安装位置分别为距离车道一侧(W/2-x)m、(W/2)m、(W/2+x)m处。

步骤3，车辆高度检测：装置在道路上安装完毕后，当车辆通过检测装置时，三个激光测距模块以固定的频率返回自身距离通过车辆顶部的距离值，根据该距离值确定车高h，主控模块将h与道路限高进行比较，第一次确定车辆是否超高；

装置在道路上安装完毕后，当车辆通过检测装置时，如附图3所示，三个激光测距模块会以一定的频率返回自身距离通过车辆顶部的距离值，记三个激光测距模块测量距离值分别为和其中i表示激光测距模块的采样个数。取则车高h为：

h＝D-d

在测量到车高的具体值之后，主控模块将该值与道路限高进行比较，第一次确定车辆是否超高。

步骤4，车辆超高报警：当车辆通过检测装置后，主控模块根据车辆最高处是否切割红外线光电开关传感器产生的射束，第二次判断车辆是否超高：如果第二次超高检测的结果是车辆已经超高，则在第一次超高检测中无论车辆是否超高，都触发声光报警器发出报警信号；如果第二次超高检测的结果是车辆未超高，则以第一次超高检测的检测结果为依据确定是否触发声光报警器。

对本发明的原理和效果进一步说明如下：

所述的触发装置依靠模块中的三轴传感器HMC5883L按照图2中所示的安装方式安装在车道中间，其中X轴方向为车道设定的行驶方向，Y轴方向为垂直于行驶方向的水平分量，Z轴方向为垂直于X/Y的垂直分量。车辆接近地磁传感器时，传感器Z轴方向上会出现磁场强度波动。传感器通过检测Z轴方向上出现的磁场强度波动来判断是否有车辆经过。所述的检测模块中的激光测距模块的工作频率为2Hz、测量精度为±3mm，并能够通过RS232接口将测量的距离值传送给主控装置进行处理。所述的检测模块采用激光测距模块和红外线光电开关传感器对通过装置车辆进行两次超高检测，可以保证99％的超高检测率。车辆通过支架的速度不超过20km/h，在车辆完全通过支架后，显示屏上会显示出当前车辆的精确车高，具体数值以m为单位并且精确到小数点后两位；若检测模块检测到通过车辆超高，则触发报警模块发出声音报警信号以提醒司机注意绕行。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

在某桥隧口前500m处安装本发明中的车辆高度检测和超高报警装置，道路宽为3.5m，桥隧口限高为4m。

步骤1，确定支架的安装宽度为3.5m，支架上激光传感器模块的安装高度为4.5m，支架上红外线光电开关传感器的安装高度为4m。

步骤2，对通过该道路的车辆进行样本容量为1000的车宽统计，得到统计平均车宽值为2.5m。取激光传感器模块测得通过车辆最高处的置信度为95％，计算车辆中轴线位置服从的正态分布的方差σ为1/3，则车辆中轴线位置服从N(0,1/3)分布。计算出激光测距模块的分布间隔x为0.55m，则激光位移传感器横向安装位置分别为距离车道一侧1.2m、1.75m和2.3m。

步骤3，根据附图4将装置安装完毕，给系统上电。一辆顶部不规则的货车以15km/h的速度通过该装置，触发装置工作。货车通过支架的时间大概是2s，激光测距模块测量距离值分别为{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}，计算出车高为3.72m。装置对车辆进行第一次车辆超高比较，结果显示该货车未超高。

步骤4，货车的最高处没有切割红外线光电开关传感器产生的射束，装置第二次超高检测结果显示车辆未超高，LED显示屏上显示具体车高值3.72m，报警装置未发出声音报警信号。

综上所述，本发明车辆高度检测与超高报警装置及方法，通过三个激光位移传感器以及对射型红外线光电开关传感器实现了车高的准确测量与超高检测，并将车高信息通过LED显示屏进行反馈，以便驾驶员的后续路径选择或为其他路径诱导系统提供车高信息支持，同时，当该装置检测到车辆自身高度超过前方路段限定高度时，立即对车辆驾驶员警示以提醒其进行避让。本发明适用于立交桥、隧道、涵洞等对通行车辆的车高有限制的场合，且保护范围不限于上述实施例。