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1、(10)申请公布号 CN 102788557 A(43)申请公布日 2012.11.21CN102788557A*CN102788557A*(21)申请号 201210256707.X(22)申请日 2012.07.20G01B 11/04(2006.01)(71)申请人太原理工大学地址 030024 山西省太原市迎泽西大街79号申请人山西万立科技有限公司(72)发明人李丽宏 王亚姣 唐小平 朱旭李刚(74)专利代理机构山西五维专利事务所(有限公司) 14105代理人李印贵(54) 发明名称基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统(57) 摘要本发明公开了一种基于相关算法的单激光传感器车辆长。
2、高检测系统，系统由系统硬件和上位机软件组成，其中系统硬件包括激光传感器、工控机、显示器、不间断电源（UPS）、开关电源和交换机，上位机软件安装在工控机上。激光传感器实时扫描检测区域，上位机软件实时采集传感器输出的车辆的长高数据，完成采集数据的数据转换和有效数据识别并进行相关运算后，得出车辆的长度和高度，并在上位机界面上显示；同时根据设定的限高值和限长值自动判断被测车辆能否通行，对超过限定值的车辆进行报警。本发明公开的车辆长高检测系统安装简便、成本低、开发周期短、测量精度高、自动化程度高，可有效提高车辆长高超限治理工作的效率。(51)Int.Cl.权利要求书3页 说明书6页 附图3页(19)中华。
3、人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 3 页 说明书 6 页 附图 3 页1/3页21.一种基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，由系统硬件和上位机软件组成，其中系统硬件包括激光传感器、工控机、显示器、不间断电源（UPS）、开关电源和交换机，上位机软件安装在工控机上，其特征在于：系统采用单一激光传感器同时实现车辆长度和高度的检测；激光传感器安装在车道上方的传感器支架上，激光传感器安装在车道上方的传感器支架上；激光传感器实时扫描检测区域，采集被测车辆的长高数据，采集获得的长高数据通过交换机传输给工控机，由工控机中的上位机软件对车辆的长高信息进行处理和相关运算，得到车辆的长。
4、度值和高度值，并将其显示在显示器上，其中：所述的工控机中的上位机软件对车辆的长高信息进行处理，包括车辆长高信息采集中的数值转换与有效数据识别，然后对处理后的数据进行相关运算，完成车辆高度值计算和车辆长度值计算；不间断电源为系统提供电源，开关电源为激光传感器提供24V直流电；工控机中的上位机软件实时采集激光传感器的扫描数据，完成采集数据的数据转换和有效数据识别，并将有效数据保存至工控机中的TXT文档中；在进行相关运算后，得出车辆的长度和高度，并在工控机中的界面上显示；同时根据设定的限高值和限长值自动判断被测车辆能否通行，对超过限定值的车辆进行报警。2.根据权利要求1所述的基于相关算法的单激光传感。
5、器车辆长高检测系统，其特征在于：所述的上位机软件对车辆的长高信息进行数值转换与有效数据识别，然后对处理后的数据进行相关运算，完成车辆高度值计算和车辆长度值计算。3.根据权利要求2所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，其特征在于：所述的数值转换：激光传感器一个扫描周期的扫描范围为91度至101度，以极坐标形式输出扫描数据，被检测车辆表面反射回的各扫描点的极径为(m)，m=1,2,.21，对应的极角为start,end91 ,91.5 ,92 ,.,101 ，其中m表示一个周期传感器扫描点的个数，start为传感器输出的起始角度值，end为传感器输出的终止角度值；根据极坐标系到直角坐标。
6、系的转换公式x=cos,y=sin得到被测点到传感器的水平距离为x(m)=|(m)cos|，被测点到传感器的垂直距离为y(m)=(m)sin，其对应被测物的实际高度值data_h(m)和实际长度值data_l(m)分别为计算公式（1）、（2）：data_h(m)=H-y(m)（1）data_l(m)=L-x(m)（2）其中，H表示传感器扫描原点到地面的垂直距离；L为传感器扫描角度范围内的水平距离。4.根据权利要求2所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，其特征在于：所述的有效数据：激光传感器连续采集数据并实时传输给工控机中的上位机软件，这些激光传感器连续采集数据当中包括三种数据：目标。
7、检测物的信息数据；地面上的信息；车道内干扰物的信息数据；这些激光传感器连续采集数据当中的第一种数据能够代表所测车辆在进入和离开检测区域这段时间的信息，是所需要的有效性数据；所述的有效数据识别：权 利 要 求 书CN 102788557 A2/3页3首先，通过工控机中的上位机软件设置设定值H_thr。激光传感器扫描91度对应的检测点为A，101度对应的检测点为B，检测的高度数据实时传输给工控机中的上位机软件，并与设定值H_thr进行比较，当激光传感器A点检测高度数据大于设定值H_thr时，认为有目标车辆进入车道，这时，工控机中的上位机软件开始将激光传感器检测的高度和长度数据分别转换为高度序列值和。
8、单位元长度序列值并保存到TXT文档中，同时循环比较高度序列中的最大值；若B点检测数据和A点监测数据同时小于设定值H_thr时，则认为车辆已完全通过检测区域，这时，启动工控机中的上位机软件计算整车长度；若两个完整的扫描周期检测到的高度数据全为零，则认为上一辆车已检测完毕，系统开始判断是否有下一辆车驶入。5.根据权利要求2所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，其特征在于：所述的车辆高度值计算：1）由单次扫描上传到工控机的极坐标值(m)，及所对应的极角，通过坐标变换，求出激光传感器单次扫描时各点的高度分量y(m)=(m)sin，及各点的相对长度分量x(m)=|(m)cos|；2）利用公式。
9、(1)和(2)计算被测车辆的单次扫描各点的高度值和相对长度值；3）工控机计算激光传感器一个扫描周期所获得的高度分量的最大值，即单次采样最大高度值H_single(i)=Max(data_h(m),m=1,2,2.21)，其中，i为扫描次数，i=1,2,3,.k；k为上位机在车辆通过扫描区域过程中激光传感器扫描的组数，m为单次采样获得的数据个数；4）计算k次内所有组中最大高度值，取H_max=Max(H_single(i),i1,2,2.k)，可得激光传感器扫描到被测车辆所有高度的最大值；5）求出高度值后，根据高度限定值，得到高度超限值。6.根据权利要求2所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高。
10、检测系统，其特征在于：所述的车辆长度值计算：1）从目标车辆所属的工控机TXT文档里读入高度序列和相对长度序列，并求得其维数，由高度序列和相对长度序列之间的关系获得，二者维数相同，都为M*N；2）采用后一组数据左移一位与前一组数据做运算，每进行一次运算就会得到一个系数，每两组高度序列进行完一次运算可以产生2N-1个系数，2N-1个系数中的最大值，并记录平移次数，即“渡越时间”；3）激光传感器每扫描一个周期就会上传21个数值，这21个数据之间的测量时间间隔是相等的，一个扫描周期测量的高度序列和上一个周期测量的高度序列作为运算的两个信号序列x(n)和y(n)，将x(n)和y(n)作运算：Ti,i+m。
11、x(i)y(i+m)data_h(i)data_h(i+m) （3）将(3)式代入(4)式，N为有限长时，得公式（5）：权 利 要 求 书CN 102788557 A3/3页4若有M+1个互相关函数值时，则m=0,1,2,M，M表示实际高度值data_h的行数，m表示数据序列的组数；根据上述公式可以得到各相关函数值；4）被测车辆的单位长度元L为：Li=L(i,1)-L(i+1,m+1)，i=1，2，3.M-1 (6)5）整车长度L为：i=1，2，3.M-1 (7)其中：m表示“渡越时间”，L(i,1)是指第i组长度序列中91度所对应的相对长度值，L(i+1,m+1)指第i+1组长度序列中(91。
12、+m*0.5)度所对应的相对长度值；M指高度(相对长度)序列的组数。7.根据权利要求1所述的基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，其特征在于：工控机中的上位机软件在对激光传感器的扫描数据进行数据转换和有效数据识别后，将有效的车辆高度数据data_h(m)和长度数据data_l(m)保存到工控机中的TXT文档里，并按照如下的格式保存：YYYY-MM-DD hh:mm:ss h1 h2 h3h21*l1 l2 l3l21Y、M、D、h、m、s分别为年、月、日、时、分、秒，年、月、日之间由“-”连接；时、分、秒之间由“:”连接；日与时之间有一个空格；h1到h21为车辆高度数据，每个数据之间由空。
13、格连接；h1与秒之间有一个空格；h21紧跟一个回车符，之后以“* *”开头的l1到l21是车辆长度数据，每个数据之间由空格连接。权 利 要 求 书CN 102788557 A1/6页5基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统技术领域0001 本发明属于车辆检测技术领域，具体涉及一种单激光传感器测量车辆长度和高度的检测系统。背景技术0002 随着我国公路交通运输业的迅速发展，车辆超限超载现象也日益严重。大型货运车辆及带挂汽车的超限运输，对公路和桥梁造成了极大的破坏，对交通安全、运输市场秩序构成了极大的危害。目前，大多数车辆长高检测还处于人工或静态测量阶段。为了满足交通运输部门对于超限治理的需要。
14、，实现大型货车超限治理工作的自动化和智能化，本发明公开一种基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统。发明内容0003 本发明克服现有技术存在的不足，公开一种基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统。0004 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：0005 一种基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统，由系统硬件和上位机软件组成，其中系统硬件包括激光传感器、工控机、显示器、不间断电源（UPS）、开关电源和交换机，上位机软件安装在工控机上，其特征在于：系统采用单一激光传感器同时实现车辆长度和高度的检测；激光传感器安装在车道上方的传感器支架上，激光传感器安装在车道上方的传感器支架上；激光传感器。
15、实时扫描检测区域，采集被测车辆的长高数据，采集获得的长高数据通过交换机传输给工控机，由工控机中的上位机软件对车辆的长高信息进行处理和相关运算，得到车辆的长度值和高度值，并将其显示在显示器上，其中：所述的工控机中的上位机软件对车辆的长高信息进行处理，包括车辆长高信息采集中的数值转换与有效数据识别，然后对处理后的数据进行相关运算，完成车辆高度值计算和车辆长度值计算；不间断电源为系统提供电源，开关电源为激光传感器提供24V直流电；工控机中的上位机软件实时采集激光传感器的扫描数据，完成采集数据的数据转换和有效数据识别，并将有效数据保存至工控机中的TXT文档中；在进行相关运算后，得出车辆的长度和高度，并。
16、在工控机中的界面上显示；同时根据设定的限高值和限长值自动判断被测车辆能否通行，对超过限定值的车辆进行报警。0006 本发明的优点在于安装简便、成本低、开发周期短、测量精度高、自动化程度高，可以有效提高车辆长高超限治理工作的效率。0007 1、车辆长高信息采集0008 车辆长高信息通过激光传感器采集，激光传感器安装在车道上方的传感器支架上，由开关电源供电。0009 1）数值转换0010 激光传感器一个扫描周期的扫描范围为91度至101度，以极坐标形式输出扫描说 明 书CN 102788557 A2/6页6数据，被检测车辆表面反射回的各扫描点的极径为(m)，m1,2,.21，对应的极角为start。
17、,end91 ,91.5 ,92 ,.,101 ，其中m表示一个周期传感器扫描点的个数，start为传感器输出的起始角度值，end为传感器输出的终止角度值。根据极坐标系到直角坐标系的转换公式xcos,ysin可得被测点到传感器的水平距离为x(m)|(m)cos|，被测点到传感器的垂直距离为y(m)(m)sin，其对应被测物的实际高度值data_h(m)和实际长度值data_l(m)分别为：0011 data_h(m)H-y(m)5190-y(m) （1）0012 data_l(m)L-x(m)915-x(m) （2）0013 其中，H表示传感器扫描原点到地面的垂直距离；L为传感器扫描角度范围内。
18、的水平距离。0014 有效的车辆高度数据data_h(m)和长度数据data_l(m)按照如下的格式保存到TXT文档里：0015 YYYY-MM-DD hh:mm:ss h1 h2 h3h210016 *l1 l2 l3l210017 YYYY-MM-DD hh:mm:ss是保存数据日期，Y、M、D、h、m、s分别为年、月、日、时、分、秒，年、月、日之间由“-”连接；时、分、秒之间由“:”连接；日与时之间有一个空格；h1到h21为data_h(m)数据，每个数据之间由空格连接；h1与秒之间有一个空格；h21紧跟一个回车符，之后以“* *”开头的l1到l21是data_l(m)数据，每个数据之间。
19、由空格连接。0018 2）有效数据识别0019 激光传感器连续采集数据并实时传输给上位机软件，这些数据当中包括三种数据：目标检测物的信息数据；地面上的信息；车道内干扰物的信息数据。这些数据当中只有第一种数据能够代表所测物体在进入和离开检测区域这段时间的信息，是我们所需要的有效性数据，所以需要对采集获得的数据进行有效性识别，这样做一方面减小了系统资源的开销，另一方面保证了所测物体的准确性。0020 首先，通过上位机软件设置设定值H_thr。0021 激光传感器扫描91度对应的检测点为A，101度对应的检测点为B，检测的高度数据实时传输给上位机软件，并与设定值H_thr进行比较，当激光传感器A点检。
20、测高度数据大于设定值H_thr时，认为有目标车辆进入车道，这时，上位机软件开始将激光传感器检测的高度和长度数据分别转换为高度序列值和单位元长度序列值并保存到TXT文档中，同时循环比较高度序列中的最大值；0022 若B点检测数据和A点监测数据同时小于设定值H_thr时，则认为车辆已完全通过检测区域，这时，启动上位机软件计算整车长度；0023 若2个完整的扫描周期检测到的高度数据全为零，则认为上一辆车已检测完毕，系统开始判断是否有下一辆车驶入。0024 2、车辆高度值计算0025 1）由单次扫描上传到工控机的极坐标值(m)，及所对应的极角，通过坐标变换，求出传感器单次扫描时各点的高度分量y(m)(。
21、m)sin，及各点的相对长度分量x(m)|(m)cos|；0026 2）利用公式(1)和(2)计算被测物体的单次扫描各点的高度值和相对长度值；说 明 书CN 102788557 A3/6页70027 3）计算传感器一个扫描周期所获得的高度分量的最大值，即单次采样最大高度值H_single(i)Max(data_h(m),m1,2,2.21)，其中，i为扫描次数，i=1,2,3,.k；k为工控机在车辆通过扫描区域过程中传感器扫描的组数，m为单次采样获得的数据个数。0028 4）计算k次内所有组中最大高度值，取H_maxMax(H_single(i),i1,2,2.k)，可得传感器扫描到被测物体所。
22、有高度的最大值；0029 5）求出高度值后，根据高度限定值，得到高度超限值。0030 3、车辆长度值计算0031 1）从目标车辆所属的TXT文档里读入高度序列和相对长度序列，并求得其维数，由高度序列和相对长度序列之间的关系可知，二者维数相同，都为M*N。0032 2）采用后一组数据左移一位与前一组数据做相关运算，每进行一次相关运算就会得到一个相关系数，每两组高度序列进行完一次相关运算可以产生2N-1个相关系数，2N-1个相关系数中的最大值，并记录平移次数，即“渡越时间”。0033 3）激光传感器的扫描角度范围为91101，则激光传感器每扫描一个周期就会上传21个数值，这21个数据之间的测量时间。
23、间隔是相等的，一个扫描周期测量的高度序列和上一个周期测量的高度序列作为相关运算的两个信号序列x(n)和y(n)，将x(n)和y(n)作相关运算：0034 Ti,i+mx(i)y(i+m)data_h(i)data_h(i+m) (3)0035 0036 将(3)式代入(4)式，N为有限长时，得：0037 0038 若有M+1个互相关函数值时，则m=0,1,2,M，M表示data_h的行数，m表示数据序列的组数。根据上述公式可以得到各相关函数值。0039 4）被测车辆的单位长度元L为：0040 LiL(i,1)-L(i+1,m+1)，i=1，2，3.M-1 (6)0041 5）整车长度L为：00。
24、42 i=1，2，3.M-1 (7)0043 其中，m表示“渡越时间”，L(i,1)是指第i组长度序列中91度所对应的相对长度值，L(i+1,m+1)指第i+1组长度序列中(91+m*0.5)度所对应的相对长度值；M指高度(相对长度)序列的组数。附图说明0044 图1为本发明系统硬件组成框图；0045 图2为本发明单传感器测量长高示意图；0046 图3为本发明车辆长高测量数值计算示意图；说 明 书CN 102788557 A4/6页80047 图4为本发明单激光传感器测距示意图；0048 图5为本发明上位机软件流程图。具体实施方式0049 以下结合附图介绍本发明详细技术方案：0050 如图1所。
25、示，基于相关算法的单激光传感器车辆长高检测系统的系统硬件包括激光传感器、工控机、显示器、不间断电源（UPS）、开关电源和交换机。激光传感器采集被测车辆的长高数据，采集获得的长高数据通过交换机传输给工控机，由安装在工控机上的上位机软件对车辆的长高信息进行处理及相关运算，得到车辆的长度值和高度值，并将其显示在显示器上，UPS为系统提供不间断电源，开关电源为激光传感器提供24V直流电。0051 1.车辆长高信息数值转换0052 如图2和图3所示，激光传感器安装在车道上方的传感器支架上，支架高6米，宽5米。0053 激光传感器一个扫描周期的扫描范围为91度至101度，以极坐标形式输出的扫描数据中极径为。
26、(m)，m1,2,.21，对应的极角为start,end91 ,91.5 ,92 ,.,101 ，其中m表示一个周期传感器扫描点的个数，start为传感器输出的起始角度值，end为传感器输出的终止角度值。其对应被测物的实际高度值data_h(m)和实际长度值data_l(m)分别为：0054 data_h(m)H-y(m)5190-y(m) （1）0055 data_l(m)L-x(m)915-x(m) （2）0056 其中，H表示传感器扫描原点到地面的垂直距离；L为传感器扫描角度范围内的水平距离。0057 2011年11月18日20时37分57秒采集的有效data_h(m)和data_l(m。
27、)按照如下的格式保存到TXT文档里：0058 2011-11-1820:37:57 802 804 794 784 769 738 711 592 556 514 219 20 11 1530 28 29 20 16 16 320059 *880 842 803 765 726 685 645 597 554 510 441 376 329 284 240 194 148101 547-360060 2）车辆长高有效数据识别0061 激光传感器一个扫描周期91度对应的检测点为A，101度对应的检测点为B，检测的高度数据实时传输给上位机软件，并与设定值H_thr进行比较，当激光传感器A点检测高度。
28、数据大于系统设定值H_thr时，认为有目标车辆进入车道，这时，上位机软件开始将激光传感器检测的高度和长度数据分别转换为高度序列值和单位元长度序列值并保存到TXT文档中，同时循环比较高度序列中的最大值；0062 若B点检测数据和A点监测数据同时小于设定值H_thr时，则认为车辆已完全通过检测区域，这时，启动上位机软件计算整车长度；0063 若2个完整的扫描周期检测到的高度数据全为零，则认为上一辆车已检测完毕，系统开始判断是否有下一辆车驶入。0064 图4所示为车辆穿过激光传感器扫描区域的一个子过程，工控机将有效的高度序说 明 书CN 102788557 A5/6页9列、相对长度序列数据保存到TX。
29、T文档里，在整个车辆模型完全通过扫描区域时，系统自动启动相关算法进行长度测量。0065 激光传感器的扫描频率为50Hz，扫描角度分辨率为0.5，设定扫描角度范围为91101，则激光传感器每扫描一个周期就会上传21个数值，这21个数据之间的测量时间间隔是相等的。0066 从目标车辆所属的TXT文档里读入高度序列和相对长度序列，并求得其维数M*N。0067 采用后一组数据左移一位与前一组数据做相关运算，记录平移次数，即“渡越时间”。高度序列是按照传感器扫描角度从小到大的顺序排列的，即91,91.5,.101，数据左移相当于图4中的数据序列得到的图像右移，在图4中数据序列-2右移移11个单位角度与数。
30、据序列-1关联程度达到最大，数据序列-3右移14个单位角度与数据序列-2关联程度最大，也就是数据序列-2和数据序列-1中的S1点重合、数据序列-3和数据序列-2中的S2点重合。0068 在数据序列-2与数据序列-1的互相关运算中，平移次数为11，S1点在数据序列-2中所对应的相对长度序列L2，在数据序列-1中所对应的相对长度序列L1，那么此时车辆移动的距离为L1减去L2。在数据序列-3与数据序列-2的互相关运算中，平移次数为14，S2点在数据序列-2中所对应的相对长度序列L，在数据序列-3中所对应的相对长度序列L3，那么此时车辆移动的距离为L1减去L3。0069 本次周期测量的高度序列和上一个。
31、周期测量的高度序列作为相关运算的两个信号序列x(n)和y(n)，将x(n)和y(n)作相关运算，得到各相关函数值，将整个TXT文档中的高度数据依次两两做相关运算得到渡越时间m，如表1所示。0070 表1渡越时间表0071 0072 本实例中，N=21，传感器每个扫描周期按照设定的输出角度范围，以长度为N的序列上传至工控机，通过高度数据序列沿着角度递减方向移位，每次补一个0移动一个角度分辨率，即0.5，共移动20次。0073 根据上述分析，在得到“渡越时间”即平移次数后，根据式（6）和式（7）可得到被测车辆的整车的长度L。0074 上位机软件采用VB和matlab混合编程。利用VB语言开发的工控。
32、机界面，操作简单、界面友好、代码执行效率较高；利用matlab强大的数据处理功能进行复杂数据处理运说 明 书CN 102788557 A6/6页10算，方便实现相关算法。上位机软件的流程如图5所示：首先系统初始化，上位机软件通过网络通讯控件向传感器发送连接请求命令，如果连接成功，则发送连续读取数据命令，上位机软件实时采集扫描数据；经过数据预处理后判定有车进入扫描区域，则将有效数据保存至TXT文档里，经过处理和运算后，得出车辆的高度和长度，并在工控机界面上显示；同时根据设定的限高值和限长值系统自动判断被测车辆能否通行，如果超过限定值系统会有报警提示，以提醒检测站工作人员作相应的处理；正常情况下，保证传感器与工控机的通信是连续无间断的，需要有网络连接和一定的自动恢复连接功能；可根据现场实际情况对测量值进行系统误差补偿值、限高值和限长值进行手动设定。0075 系统在实际应用时，要求车辆的通过速度小于20Km/h。说 明 书CN 102788557 A10。