CN107255819A - 一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置及检测方法 - Google Patents

一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置及检测方法。主控模块：包括供电电路、控制电路、无线模块、电源接口和通信接口；多个结构相同的超声波测距模块，均主要包括超声波信号处理电路、超声波发射器、超声波接收器。将多个超声波测距模块和主控模块装在车厢内顶面；主控模块发送信号逐个选择超声波测距模块逐一工作，每个超声波测距模块通过超声波发射器和超声波接收器测量出对应模块正下方剩余空间的高度，将测得的距离信息发送给主控模块；主控模块再通过无线模块将距离信息发射出去；传送给驾驶室或控制中心，达到车厢剩余空间实时监测。本发明覆盖适应性好，成本低、精度高、稳定性好、不受外界光线和电磁干扰的影响。

Description

一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及车厢剩余空间检测装置及方法，具体涉及一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置及检测方法。
背景技术
货物进行装载时，车厢空间利用率的高低直接影响到运输效率和运输成本，所以近年来车厢装载优化已经成为了研究的热点。因此，车厢剩余容积的有效测量对提高车厢空间利用率、优化车厢空间资源的配置具有重要的现实意义。
目前对于车厢剩余空间的检测方法公开报道的较少，但是对于车厢空间的检测方法有如下几种，例如吴风炎利用视频对公交车车厢的空间利用率进行检测和分析，但该方式占用大量的存储空间，且对光线敏感，见文献吴风炎.2016.基于视频的公交车厢拥挤度分析方法及设备实现.硕士学位论文，济南：山东大学；张超宇利用无线射频识别技术对地铁车厢的空间利用率进行检测和研究，实现了人数预报功能，以减缓地铁车厢空间资源利用不均的问题，此方法无法实现精确的空间检测，见文献张超宇.基于射频识别技术的地铁车厢人数检测方法研究.科技风（应用技术版）.2016年6月上；邢冀川等介绍了基于激光三角法原理的货车车厢体积测量系统，并且已通过大量实际货车数据验证了可行性，但此方法成本较高且在有物体遮挡时有测量盲点，见文献邢冀川，罗小红.利用激光三角法测量货车车厢体积.红外与激光工程.第41卷11期，2012年11月。
以上检测方法虽然在给定条件下可实现对车厢剩余空间的检测，但成本较高，且使用环境受限制。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置及检测方法，可实现车厢剩余容积的灵活测量。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置
包括主控模块、多个结构相同的超声波测距模块和连接总线。
所述主控模块：包括供电电路、控制电路、无线模块、电源接口和通信接口；供电电路与主控模块中的电源接口和控制电路相连，主控模块中的通信接口依次与控制电路和与无线模块相连。
所述多个结构相同的超声波测距模块，均包括磁铁、超声波信号处理电路、超声波发射器、超声波接收器、通信接口和电源接口；每个超声波测距模块中的电源接口与主控模块中的电源接口相连，每个超声波测距模块中的通信接口与主控模块中的通信接口相连，每个超声波信号处理电路与各自超声波测距模块中的通信接口相连，每个超声波发射器（2.3）和超声波接收器均与各自超声波信号处理电路相连，磁铁固定在车厢内顶面；多个结构相同的超声波测距模块通过连接总线串联后和主控模块连接。
二、一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置的检测方法，该方法的步骤如下：
步骤1）多个超声波测距模块通过连接总线串联后和主控模块连接，并按照设计要求将多个超声波测距模块间隔安装在车厢内顶面，同时通过各自磁铁固定在车厢内顶面，主控模块也固定在车厢内顶面；
步骤2）每个超声波测距模块由各自超声波信号处理电路控制，通过各自超声波发射器和各自超声波接收器测量出各自对应超声波测距模块正下方剩余空间的高度，然后再将测得的距离信息通过各自通信接口发送给主控模块；
步骤3）主控模块为超声波测距模块提供电源接口和通信接口，每个超声波发射器向正下方垂直发射超声波，碰到物体后的回波由各自超声波接收器接收并测量出该位置剩余空间的高度；主控模块发送信号逐个选择超声波测距模块逐一工作，并接收选中的超声波测距模块发送回的距离信息，再将距离信息通过无线模块发射出去；
步骤4）最后无线模块将获得的车厢上方所有探测点的高度测量信息，传送给驾驶室或控制中心，同时考虑超声波测距模块的间隔，就能计算得到车厢上方剩余空间的大小，达到车厢剩余空间实时监测。
所述多个超声波测距模块间隔安装在车厢内顶面为等间隔安装或不等间隔安装，需要增加超声波测距模块的密度时，则能在任意两个超声波测距模块中通过连接总线再增加超声波测距模块。
所述连接总线包含电源总线和I2C串行总线。
本发明具有的有益效果是：
本发明实现了一定精度的车厢剩余容积测量，覆盖适应性好，测量范围根据载货的特点和情况经过节点数目的优化可以调节。并且成本低、精度高、稳定性好、不受外界光线和电磁干扰的影响。
附图说明
图1是主控模块的连接结构框图。
图2是超声波测距模块的连接结构框图。
图3是超声波测距模块结构框图。
图4是本发明装置的实施例安装示意图。
图中：1、主控模块，1.1、供电电路， 1.2、控制电路，1.3、无线模块，1.4、电源接口，1.5、通信接口，2、超声波测距模块，2.1、磁铁，2.2、超声波信号处理电路，2.3、超声波发射器，2.4、超声波接收器，2.5、通信接口， 2.6、电源接口，3、连接总线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明包括主控模块1、多个结构相同的超声波测距模块2和连接总线3。
如图1所示，所述主控模块1，包括供电电路1.1、由32位单片机组成的控制电路1.2(型号为STM32F103ZET6)、无线模块1.3、电源接口1.4和通信接口1.5；供电电路1.1与主控模块1中的电源接口1.4相连，主控模块1中的通信接口1.5依次与控制电路1.2和与无线模块1.3相连；目的是为超声波测距模块2提供电源接口2.6和通信接口2.5，因此主控模块1可发送信号逐个选择超声波测距模块2逐一工作，并接收超声波测距模块2发送回的距离信息；控制电路1.2与无线模块1.3的输入端相连，无线模块1.3通过产生高频交变磁场将数据发射出去。
如图2所示，所述多个结构相同的超声波测距模块2：均包括磁铁2.1、超声波信号处理电路2.2(型号为STM8S105K4)、超声波发射器2.3、超声波接收器2.4、通信接口2.5和电源接口2.6；每个超声波测距模块2中的电源接口2.6与主控模块1中的电源接口1.4相连，每个超声波测距模块2中的通信接口2.5与主控模块1中的通信接口1.5相连，实现了主控模块和多个超声波测距模块之间信号的收发；每个超声波信号处理电路2.2与各自超声波测距模块2中的通信接口2.5相连，实现了主控模块1和多个超声波测距模块2之间信号的收发；每个超声波发射器2.3和超声波接收器2.4均与各自超声波信号处理电路2.2相连，磁铁2.1固定在车厢内顶面；多个结构相同的超声波测距模块2通过连接总线3串联后和主控模块1连接。
如图3所示，磁铁2.1为圆柱形，用螺丝固定在超声波信号处理电路2.2的底座表面的中心位置。超声波测距模块2在探测距离方向的精度为毫米级别，横向覆盖范围为15°范围，通过超声波发射器2.3向正下方垂直发射超声波，在发射时刻的同时由超声波信号处理电路2.2开始计时，途中碰到货物顶端立刻返回，再由超声波接收器2.4接收，在同一时刻超声波信号处理电路2.2立即停止计时，则可以得到超声波在空气中传播的时间，再结合超声波在空气中的传播速度（340m/s）就可以得到对应超声波测距模块正下方剩余空间的高度（即传播时间和传播速度的乘积，再除以2）。超声波发射器2.3的技术指标如表1所示。
表1
使用电压V DC 5
静态电流mA ﹤2
电平输出V ﹥5
感应角度 ≦15
探测距离cm 2-450
精度mm 可达3
如图4所示，超声波测距模块2根据车厢实际情况、载货的特点按照一定距离灵活地通过连接总线3级联成矩阵并和主控模块1相连，通过磁铁2.1安装在车厢的内顶面，当车厢不为磁性材料时，则可在车厢顶部嵌入钢梁。如果需要增加节点密度，则可任意在两个超声波测距模块2中通过连接总线3串联上另一个超声波测距模块2,这种总线、接口的模式可轻松地实现模块的挂载与删除。
其中主控模块1靠近驾驶室，由车辆本身的电瓶对主控模块1中的供电电路1.1供电。
I2C串行总线通过串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线在连接到I2C串行总线的器件间传递信息，且每个器件即主控模块1与每个超声波测距模块2均有唯一地址，因此主控模块1与每个超声波测距模块2可以处理对应地址的数据包，即主控模块1可以发送信号逐个选择超声波测距模块2逐一工作，被选择的超声波测距模块2也可将探测到的距离信息发送给主控模块1。主控模块1中的无线模块1.3再将距离信息通过无线WIFI或者3G/4G的方式发射出去，所发射信号可以被驾驶室或车辆控制中心接收，驾驶室或车辆控制中心在获得所有探测点的距离信息后，同时考虑超声波测距模块的间隔就可以计算得到车厢的上方剩余空间的大小，可实时监测本车或同时监测多个车辆的车厢剩余空间。

Claims (4)

1.一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置，其特征在于：包括主控模块（1）、多个结构相同的超声波测距模块（2）和连接总线（3）；
所述主控模块（1）：包括供电电路（1.1）、控制电路（1.2）、无线模块（1.3）、电源接口（1.4）和通信接口（1.5）；供电电路（1.1）与主控模块（1）中的电源接口（1.4）和控制电路（1.2）相连，主控模块（1）中的通信接口（1.5）依次与控制电路（1.2）和与无线模块（1.3）相连；
所述多个结构相同的超声波测距模块（2）：均包括磁铁（2.1）、超声波信号处理电路（2.2）、超声波发射器（2.3）、超声波接收器（2.4）、通信接口（2.5）和电源接口（2.6）；每个超声波测距模块（2）中的电源接口（2.6）与主控模块（1）中的电源接口（1.4）相连，每个超声波测距模块（2）中的通信接口（2.5）与主控模块（1）中的通信接口（1.5）相连，每个超声波信号处理电路（2.2）与各自超声波测距模块（2）中的通信接口（2.5）相连，每个超声波发射器（2.3）和超声波接收器（2.4）均与各自超声波信号处理电路（2.2）相连，磁铁（2.1）固定在车厢内顶面；多个结构相同的超声波测距模块（2）通过连接总线（3）串联后和主控模块（1）连接。
2.用于权利要求1所述的一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置的检测方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
步骤1）多个超声波测距模块（2）通过连接总线（3）串联后和主控模块（1）连接，并按照设计要求将多个超声波测距模块（2）间隔安装在车厢内顶面，同时通过各自磁铁（2.1）固定在车厢内顶面，主控模块（1）也固定在车厢内顶面；
步骤2）每个超声波测距模块（2）由各自超声波信号处理电路（2.2）控制，通过各自超声波发射器（2.3）和各自超声波接收器（2.4）测量出各自对应超声波测距模块（2）正下方剩余空间的高度，然后再将测得的距离信息通过各自通信接口（2.5）发送给主控模块（1）；
步骤3）主控模块（1）为超声波测距模块（2）提供电源接口（1.4）和通信接口（1.5），每个超声波发射器（2.3）向正下方垂直发射超声波，碰到物体后的回波由各自超声波接收器（2.4）接收并测量出该位置剩余空间的高度；主控模块（1）发送信号逐个选择超声波测距模块（2）逐一工作，并接收选中的超声波测距模块（2）发送回的距离信息，再将距离信息通过无线模块（1.3）发射出去；
步骤4）最后无线模块（1.3）将获得的车厢上方所有探测点的高度测量信息，传送给驾驶室或控制中心，同时考虑超声波测距模块（2）的间隔，就能计算得到车厢上方剩余空间的大小，达到车厢剩余空间实时监测。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置的检测方法，其特征在于：所述多个超声波测距模块（2）间隔安装在车厢内顶面为等间隔安装或不等间隔安装，需要增加超声波测距模块（2）的密度时，则能在任意两个超声波测距模块（2）中通过连接总线（3）再增加超声波测距模块（2）。
4.根据权利要求2所述的一种基于超声波阵列的车厢剩余空间检测装置的检测方法，其特征在于：连接总线（3）包含电源总线和I2C串行总线。
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