CN103048697A - 可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置，包括发射单元、接收单元和控制部分；发射单元包括第一光幕装置单元、第二光幕装置单元和连接器；第一光幕装置单元和第二光幕装置单元为安装在电路板上按照间距为0.01m～0.1m排布成一条直线的红外发射传感器组成；第二光幕装置单元的高度小于第一光幕装置单元的高度；本发明消除利用两套独立光幕贴近安装进行车型分类检测时光幕之间的干扰现象，同时可以精确分离相临车辆，可以精确检测车辆的前进、倒车等行进方向，可以精确判断车辆的轴数及车辆的二维形状，进一步就可利用车辆的二维形状进行车型分类。

Description

可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置

技术领域

本发明涉及一种用于车型分类检测和车辆计重的光幕装置，主要用来识别车辆的行进方向、轴数、车高、底盘高度、侧面几何轮廓等，可用于车型自动识别、车辆分离和交通量统计等。

背景技术

为了准确进行车辆类型自动判别、车辆的重量自动检测和高精度车流量计数，必须能准确将每个通过车辆的各种需要的特征进行检测，如车辆经过检测区的开始检测时刻、结束时刻，车辆的行驶方向、车辆的车轴数、底盘高度、侧面几何轮廓、悬轴和车窗等特征，必须能将每个通过检测区车辆的对应各种特征依次放入队列中，保证在检测区下游足够远的距离(使最长的车辆都能通过监测区)位置，每台车都可获得它所对应的各种特征(如车型或重量等)；必须能对经过检测区后又倒出检测区的车辆(从队列中删除该辆车信息)、进入检测区后又倒出的车辆(不该将辆车信息放入队列中)等异常情况进行判断，保证队列的正确性，使车辆计数精度大于99.99％。如果在高速公路入口自助取卡车道和自动计重收费车道，出现队列问题(车辆计数不准)，就可能将一辆车的车型或重量误认为是另外一辆车的，如果在高峰期，在无人职守车道就可能造成几个小时车型或车辆重量不符。

在高速公路入口自助取卡车道和自动计重收费车道，目前都采用对射式光幕进行车辆分离。对射式光幕由发射单元和接收单元组成，发射单元由多个红外发射传感器、按照一定间距安装在一条光幕型材内，接收单元由多个红外接收传感器、按照红外发射传感器间距排布安装在另一条光幕型材内，如美国STI的WS6400系列、BANNER的MINI-ARRAY系列，德国SICK的ELG系列等。当光幕发射器和接收器之间有车辆挡住红外线时，光幕就有一个信号输出，表明有车辆在检测区内，到未挡时刻，表明该车辆已通过检测区，完成了对该车辆的检测。如果判断出在遮挡时段内每一时刻哪些红外光线被挡，则可测量车辆的二维形状。对射式光幕是目前车辆计数精度最高的检测器，但不能测量行车方向。

目前检测行车方向一般采用两对光电开关或环形线圈检测器和光幕或两套光幕等方式，通过两个光电开关被挡时间顺序，可很容易实现行车方向检测，价格也比较便宜，但容易被雨水和灰尘等干扰，检测精度很难达到高水平(99.9％)要求；环形线圈检测器在车辆排队时容易将两台紧邻车判为一辆车，易将底盘高的货车、长的拖挂车判为两辆车，因此靠环形线圈检测器和光幕的输出信号判断行车方向很难达到实际要求；而目前用于车辆分离的光幕没有防互相干扰功能，不能贴近安装，光幕之间会互相干扰，即使加光隔板，也很难保证杜绝对车辆行车方向的误判。如果两套光幕间距较大，又可能出现两台车同时处于两套光幕中间的特殊情况。另外，两套光幕的方案成本也很高。

发明内容

本发明的目的是克服现有用于车型分类检测和车辆测重的光幕装置的不足，提供一种防干扰、可精确检测车辆行车方向及轴数、车高、底盘高度、侧面几何轮廓等车辆特征参数的光幕装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置，包括发射单元、接收单元和控制部分；发射单元包括第一光幕装置单元、第二光幕装置单元和连接器；所述第一光幕装置单元和第二光幕装置单元由连接器连接合成光幕发射单元；第一光幕装置单元和第二光幕装置单元为安装在电路板上按照间距为0.01m～0.1m排布成一条直线的红外发射传感器组成；第二光幕装置单元的高度小于第一光幕装置单元的高度，且第二光幕装置单元的高度小于车辆高度；第一光幕装置单元和第二光幕装置单元的安装后前后间距为0.05m～1m；

所述接收单元包括第三光幕装置单元、第四光幕装置单元和连接器；所述第三光幕装置单元和第四光幕装置单元由连接器连接合成光幕接收单元；第三光幕装置单元和第四光幕装置单元的红外接收传感器数量及排列的间距与第一光幕装置单元和第二光幕装置单元的红外发射收传感器数量及排列的间距相同；第一光幕装置单元和第二光幕装置单元的传感器为红外发射传感器；第三光幕装置单元和第四光幕装置单元的传感器为红外接收传感器；所述发射单元和接收单元放置在收费站入口收费车道两侧，第一光幕装置单元对着第三光幕装置单元，第二光幕装置单元对着第四光幕装置单元；

所述控制部分包括控制器、接线端口和多芯电缆；控制器主要由单片机构成，控制器通过接线端口，用二条多芯电缆将发射单元的接线端口与接收单元的接线端口将光幕发射单元与接收单元相接在一起；

所述连接器为多芯电缆或排线或电路板。

为进一步实现本发明目的，所述第一光幕装置单元的高度优选为1.2m～4.5m。

所述第一光幕装置单元的高度进一步优选为1.56m。

所述第二光幕装置单元的高度优选为0.2m～1.5m。

述第二光幕装置单元的高度进一步优选为0.3m。

所述第一光幕装置单元和第二光幕装置单元的前后间距优选为0.15m。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果：

(1)本发明通过对行进车辆对二组光幕红外线造成不同的阻挡状态导致光幕装置输出的不同信号组合状态进行分析，从而判别车辆的行进方向、轴数、和二维形状。本发明可消除利用两套光幕进行车型分类检测时两套光幕之间的干扰现象。

(2)本发明可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置可准确区分同时位于其检测区内的相临车辆。

(3)本发明可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置可测量车辆二维形状。

(4)本发明可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置可精确判断车辆的轴数。

(5)本发明可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置可精确检测车辆的前进、倒车等行进方向信息。

(6)本发明可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置可测量车辆的轮胎的外径。

附图说明

图1是可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置的结构示意图。

图2是图1的发射单元的结构示意图。

图3是图1的接收单元的结构示意图。

图4是可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置的接线示意图。

图5是同时位于可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置检测区内相临车辆的位置示意图。图中只显示发射单元，未显示接收单元。

图6是可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置的扫描效果示意图。

图7是车轮外径的计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围，凡是根据本发明进行技术方案等同的变换，都属于本发明保护的范围。

本发明将传统安装在一条型材内按照一定间隔排布成一条直线的红外发射传感器及内部控制电路和配件分别安装在二条型材内，由连接器(如电缆)将二部分电路连接在一起，组成两个光幕发射单元；而接收单元则按照发射单元的红外发射传感器排布规律将红外接收传感器及内部控制电路和配件分别安装在二条型材内，由连接器(如电缆)将二部分电路连接在一起，组成两个光幕接收单元，使得每一个发射传感器都对应有一个接收传感器；两个光幕发射单元和接收单元则由一个安装在接收单元内的控制器协调控制。

如图1所示，可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置包括发射单元、接收单元和控制器及控制部分；如图2所示，发射单元包括第一光幕装置单元1、第二光幕装置单元2和连接器5；所述第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2；其中第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2为光幕发射部分，二者内部结构相同，只是高度和包含的红外发射传感器数目不同；第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2为安装在电路板上按照间距为0.01m～0.1m排布成一条直线的红外发射传感器组成。

第二光幕装置单元2的高度小于第一光幕装置单元1的高度，且第二光幕装置单元2的高度小于车辆高度；第一光幕装置单元1的高度在1.2m～4.5m，形成的光幕能将相邻二车分离和获得车辆高度信息，优选1.56m；第二光幕装置单元2的高度在0.2m～1.5m，至少能检测出车轮形状，优选0.3m；第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2的前后间距应在0.05m～1m之间，能测出车轮行径方向，优选0.15m。

如图3所示，接收单元包括第三光幕装置单元3、第四光幕装置单元4和连接器5；第三光幕装置单元3和第四光幕装置单元4的结构分别与第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2结构基本相同，不同之处在于第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2的传感器为红外发射传感器；而第三光幕装置单元3和第四光幕装置单元4的传感器为红外接收传感器。第三光幕装置单元3和第四光幕装置单元4的红外接收传感器数量及排列的间距与第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2的红外发射收传感器数量及排列的间距相同。

连接器5为分别将物理分开的第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2组成电路上只有一个光幕发射部分，将第三光幕装置单元3和第四光幕装置单元4连接起来，组成电路上只有一个光幕接受部分。连接器5是能将两个电路连接在一起的器件，为多芯电缆或排线或电路板。

如图4所示，控制部分包括控制器、接线端口6和多芯电缆；控制器主要由单片机构成，可以装在第三光幕装置单元3或第四光幕装置单元4中，也可装在第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2，还可装在发射单元和接收单元之间；控制器通过接线端口，用二条多芯电缆将发射单元的接线端口与接收单元的接线端口将光幕发射单元与接收单元相接在一起，接线端口6除提供同步信号、串口通信外，还可通过与电源以及报警器连接，给光幕发射单元与接收单元提供电源、报警信号等。二条多芯电缆优选埋在发射单元和接收单元之间的路下。

如图1、5所示，该光幕垂直放置在收费站入口收费车道两侧，第一光幕装置单元1对着第三光幕装置单元3，第二光幕装置单元2对着第四光幕装置单元4，其对应位置的红外发射传感器与接收传感器形成的光轴与行车方向垂直，连接器5将第一光幕单元1和第二光幕单元组2成光幕发射单元，另一连接器5将第三光幕单元3和第四光幕单元4组成光幕接收单元。

在车辆通过时，如果发射单元发射第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2红外发射传感器发射的红外线被通过的车辆遮挡，相应第三光幕装置单元3和第四光幕装置单元对应位置的红外接收传感器没有接收到红外线，该位置传感器的状态为1(或0)，否则输出为0(或1)。通过采集车辆通过时不同时刻光束的遮挡情况，则可得到车辆的二维形状点阵图，效果图如图6所示。

本发明同一端的光幕装置高度不同，一长一短，两套独立的光幕控制器和一套光幕控制器，因而降低了设备成本。因对物理分开的光幕一起采用顺序扫描技术，即在一个确定的时刻光幕只有一对红外发射传感器和接收传感器工作，避免了两套独立光幕红外线信号互相干扰，从而很好地消除了干扰现象。

1、消除干扰现象

可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置采用顺序扫描技术。顺序扫描技术就是在每一个循环周期中，各对红外发射传感器和红外接收传感器用扫描的方式顺序轮流工作，亦即对每对红外传感器和红外接收传感器给定一个确定的分时信号，从而实现时间相关。采用该技术，使得某一确定时刻只有对应位置的一对红外发射传感器和红外接收传感器工作，因而能很好消除相邻各对红外发射管和接收管之间的干扰。

2、分离车辆

车辆排队时，可能出现图5所示的情况：同时位于检测区内的两辆车间距小于第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2之间的距离，该距离也就是第三光幕装置单元3和第四光幕装置单元4之间的距离。

进行车型分类检测时，只要光幕被遮挡就认为车辆的车型分类信息还没有检测完毕。如果利用采用两对红外光幕的车型分类测量装置对车辆进行检测，则此时相临的两辆车就会被判断成一辆车。

由于可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置的第二光幕装置单元2高度低于第一光幕装置单元1，如图5所示，则第二光幕装置单元2和第一光幕装置单元1所扫描出来的二维形状不同，本装置以第一光幕装置单元1为标准，当第一光幕装置单元1对车辆扫描完成时，则认为前面一辆车的车型分类信息已经检测完毕。由此可以准确区分同时位于可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置检测区内的相临车辆。

3、检测车辆二维形状

当车辆行驶经过可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置的检测区时，系统记录下不同时刻第一光幕装置单元1被遮挡的各个位置的状态，由各个时刻不同位置的状态按时间顺序组合成车辆的二维形状扫描图，如图6所示。这样利用车辆自身的运动，当车辆经过检测区后，就得到了车辆各个位置的高度，完成了对车辆各点高度的测量，实现了对车辆二维形状的描述。

4、检测轴数

当车辆驶过可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置的检测区时，一个轴上的车轮先是遮挡第二光幕装置单元2，然后同时遮挡第二光幕装置单元2和第一光幕装置单元1，最后只遮挡第一光幕装置单元1。

判断车辆轴数时，首先判断该车辆是否正常行驶。若车辆为正常行驶，则根据所检测出来车辆的二维图形中车辆的车轮数目，即为车辆的轴数；若车辆非正常行驶(前进后又倒车)，则还需要删除该状态下所检测出来的轴数，从而得到车辆的轴数。

由于长短光幕都能检测出车轮数，故可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置的轴数检测精度高。

5、判断行车方向

由于第二光幕装置单元2高度低于第一光幕装置单元1，当车辆经过用于车型分类检测的光幕装置时，只有车轮能挡住第一光幕装置单元1的下半部分和第二光幕装置单元2。

当车辆行驶经过检测区时，第一个轴上的车轮先是遮挡第二光幕装置单元2，然后同时遮挡第二光幕装置单元2和第一光幕装置单元1，最后只遮挡第一光幕装置单元1。最后一个轴上的车轮先是遮挡第二光幕装置单元2，然后同时遮挡第二光幕装置单元2和第一光幕装置单元1，最后只遮挡第一光幕装置单元1。由此当对一辆车进行车型分类检测完毕后，若图6中A的位置领先于B的位置或C的位置领先于D的位置(在图6中表现为A在B的右边或C在D的右边)，则可以判断该车在前进。

当车辆已经驶过可测量车辆的行进方向、轴数和二维形状的光幕装置的检测区向后倒车时，最后一个轴上的车轮先是遮挡第一光幕装置单元1，然后同时遮挡第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2，最后只遮挡第二光幕装置单元2。第一个轴上的车轮先是遮挡第一光幕装置单元1，然后同时遮挡第一光幕装置单元1和第二光幕装置单元2，最后只遮挡第二光幕装置单元2。由此当对一辆车进行车型分类检测完毕后，若图6中A的位置滞后于B的位置或C的位置滞后于D的位置(在图6中表现为A在B的左边或C在D的左边)，则可以判断该车辆倒车。其它异常情况可以用同样的方法进行判断，在此不做赘述。

6、检测车轮的大小

当车辆的车轮经过第二光幕装置单元2时，测出该车轮a点经过第二光幕装置单元2的时间t₁，由图7所示，并测出车轮与地面的切点分别经过光幕装置第一光幕装置单元1和或第二光幕装置单元2的时间t₂，同一端两光幕装置之间的距离S为已知，则可以算出车辆的速度： $v=\frac{S}{t_2}$

则根据图7可计算出该车轮的外径： $R^2={(R-h)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{vt}}_1}{2}\right)}^2$

由

得 $R=\frac{h^2+{\left(\frac{{\mathrm{vt}}_1}{2}\right)}^2}{2h};$ 即为车辆的外径。

式中：h为第二光幕装置单元2所扫描的车轮的高度，由被遮挡的光轴数可获得该值；v为车辆的行驶速度；t₁为车轮的a点经过第二光幕装置单元2的时间。

由于二组光幕同时可测量车轮(车轴)、车辆二维形状，可提高检测精度，同时利用车辆二维形状可判断客货车和车型等。

Claims (6)

1.可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置，其特征在于：该光幕装置包括发射单元、接收单元和控制部分；发射单元包括第一光幕装置单元、第二光幕装置单元和连接器；所述第一光幕装置单元和第二光幕装置单元由连接器连接合成光幕发射单元；第一光幕装置单元和第二光幕装置单元为安装在电路板上按照间距为0.01m～0.1m排布成一条直线的红外发射传感器组成；第二光幕装置单元的高度小于第一光幕装置单元的高度，且第二光幕装置单元的高度小于车辆高度；第一光幕装置单元和第二光幕装置单元的安装后前后间距为0.05m～1m；

所述接收单元包括第三光幕装置单元、第四光幕装置单元和连接器；所述第三光幕装置单元和第四光幕装置单元由连接器连接合成光幕接收单元；第三光幕装置单元和第四光幕装置单元的红外接收传感器数量及排列的间距与第一光幕装置单元和第二光幕装置单元的红外发射收传感器数量及排列的间距相同；第一光幕装置单元和第二光幕装置单元的传感器为红外发射传感器；第三光幕装置单元和第四光幕装置单元的传感器为红外接收传感器；所述发射单元和接收单元放置在收费站入口收费车道两侧，第一光幕装置单元对着第三光幕装置单元，第二光幕装置单元对着第四光幕装置单元；

所述控制部分包括控制器、接线端口和多芯电缆；控制器主要由单片机构成，控制器通过接线端口，用二条多芯电缆将发射单元的接线端口与接收单元的接线端口将光幕发射单元与接收单元相接在一起；

所述连接器为多芯电缆或排线或电路板。

2.根据权利要求1所述的可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置，其特征在于：所述第一光幕装置单元的高度为1.2m～4.5m。

3.根据权利要求2所述的可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置，其特征在于：所述第一光幕装置单元的高度为1.56m。

4.根据权利要求2所述的可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置，其特征在于：所述第二光幕装置单元的高度为0.2m～1.5m。

5.根据权利要求4所述的可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置，其特征在于：所述第二光幕装置单元的高度为0.3m。

6.根据权利要求4所述的可测量车辆的行进方向、轴数和车辆二维形状的光幕装置，其特征在于：所述第一光幕装置单元和第二光幕装置单元的前后间距为0.15m。

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