CN107909820A - 一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器及实现方法。分车器包括安装支架及安装在壳体内的旋转反射模块、测距模块、图像处理分析模块、主控模块和电源模块；通过电脉冲信号诱发激光发射器发出测距用的脉冲激光束，经由旋转反射机构转化成激光光束阵列实现对经过光束阵列的物体进行三维图像还原，再经对图像进行分析处理，从而实现分车，并得到车轴信息。本发明相对于传统的车辆分离器和轮轴识别装置，可以同时实现分车和轮轴识别两种功能，减少装置数量，易于现场安装施工，既降低了成本，也增加了灵活性；另外使用实时的图像扫描，也大大提高了检测和测量的精度。非接触式测量提高使用寿命且施工简易，拆装方便不受现场环境限制。

Description

一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器及实现方法

技术领域

本发明涉及智能交通领域，具体涉及到一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器及实现方法。

背景技术

近年来我国经济飞速发展，交通行业作为经济交流的纽带也随之显现出愈加重要的影响。与此同时各类相关问题也屡出不穷，尤其是超载问题，不仅对道路、桥梁造成损毁而且影响交通安全。为治理超载问题，高速称重变得尤为重要，而分车，测车轴类型，是称重系统的重要依托。

目前高速称重系统中使用的车辆分离器主要为光栅式分离器，采用对射式原理，需要发射端和接收端分别安装在道路两侧对准后形成闭合光路。由于现场环境复杂，对准困难，体积较大容易倾倒倾斜，或有其他非影响性障碍物都会使设备造成误判；且线路较多，对施工和维护造成诸多不便。

目前高速称重系统中使用轮轴检测设备多采用轮轴识别器。此类产品均属于接触式检测，导致设备容易损坏，使用年限低，而且安装时需破开路面或秤体，施工和安装过程复杂，后期维护成本高，费时费力。

目前的分车、测车轴的相关设备多为单功能设备，使用过程中需要两种设备配合使用，增加设备数量的同时提高了设备故障率，且增加了成本投入。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种集成轮轴识别功能的激光扫描分车器及实现方法。该分车器通过电脉冲信号诱发激光发射器发出测距用的脉冲激光束，再经由旋转反射装置转化成激光光束阵列的基本形式，实现对经过光束阵列的物体进行三维图像还原，再经由分析单元对图像进行分析处理，从而实现分车，并在此基础上得到车轴信息。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器，其特征在于：包括安装壳体的支架及安装在壳体内的旋转反射模块、测距模块、图像处理分析模块、主控模块和电源模块；所述旋转反射模块包括第一驱动电路和旋转反射机构；测距模块包括激光脉冲产生电路、激光发射单元、激光接收单元、放大整形电路、距离计算单元和第二驱动电路；所述图像处理分析模块包括三维图像存储单元、三维图像分析单元和串行通信接口；三维图像存储单元采用FLASH芯片，三维图像分析单元采用第一单片机，所述主控模块包括第二单片机、开关量输出单元和以太网通信接口；所述电源模块为主控模块、旋转发射模块、测距模块、图像处理分析模块提供工作电压；其中：主控模块的第二单片机分别与开关量输出单元和以太网通信接口连接；主控模块的第二单片机连接旋转反射模块的第一驱动电路，第一驱动电路连接旋转反射机构，旋转反射机构连接到主控模块的第二单片机；主控模块的第二单片机连接测距模块的第二驱动电路，第二驱动电路分别连接激光发射单元、距离计算单元，激光接收单元连接放大整形电路，放大整形电路连接距离计算单元，距离计算单元连接到主控模块的第二单片机；主控模块的第二单片机分别连接图像处理分析模块的FLASH芯片、第一单片机和串行通信接口，FLASH芯片与第一单片机连接，第一单片机连接串行通信接口。

所述激光发射单元包括激光发射二极管、发射透镜、激光准直机构；发射透镜放置在激光发射二极管的前面，激光准直机构放置在发射透镜前方；所述激光接收单元包括激光接收二极管、接收滤光片、接收透镜、激光接收反射镜；接收滤光片和接收透镜放置在激光接收二极管前面，激光接收反射镜放在接收透镜后面，并且均和激光接收二极管垂直，激光发射二极管和激光接收二极管并排放置。

所述旋转反射机构包括上旋转架、棱镜固定架、多边形棱镜、码盘、盘齿轮、直齿轮、直流电机、下定位座；其中：上旋转架上端与壳体骨架通过轴承连接，下端与镜片固定架进行固定连接；大反射镜粘接在镜片固定架的镜片安装面上；码盘、盘齿轮按照排列顺序依次通过螺丝固定在镜片固定架的底部；下定位座上端固定镜片固定架，下端固定在壳体上，上旋转架、镜片固定架、大反射镜、码盘、盘齿轮、下定位座纵向同轴安装；直齿轮与盘齿轮进行啮合，二者旋转轴互相垂直；直流电机转子与直齿轮同轴连接，直流电机底部固定在壳体上；码盘用于为主控模块提供旋转角度位置信息。

所述旋转反射机构包括上旋转架、棱镜固定架、多边形棱镜、码盘、盘齿轮、直齿轮、直流电机、下定位座；其中：上旋转架上端与壳体骨架通过轴承连接，下端与棱镜固定架进行固定连接；多边形棱镜粘接在棱镜固定架的镜片安装面上；码盘、盘齿轮按照排列顺序依次通过螺丝固定在棱镜固定架的底部；下定位座上端固定棱镜固定架，下端固定在壳体上，所述上旋转架、棱镜固定架、多边形棱镜、码盘、盘齿轮、下定位座纵向同轴安装；直齿轮与盘齿轮进行啮合，二者旋转轴互相垂直；直流电机转子与直齿轮同轴连接，直流电机底部固定在壳体上；码盘用于为主控模块提供旋转角度位置信息。

一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器的实现方法，其特征在于，有如下步骤：

第一步：通电后，主控模块提供脉宽可调制的脉冲信号给旋转反射模块的第一驱动电路，第一驱动电路将脉宽可调制的脉冲信号进行放大后驱动旋转反射机构以一恒定转速旋转；同时主控模块采集旋转反射机构的角度位置信息，并以此角度位置信息为基准产生50KHz的电脉冲信号控制激光测距模块的激光发射单元发射出50KHz的激光光束；主控模块的第二单片机产生的电脉冲信号和旋转反射机构的物理位置一一对应，使得激光光束在指定的角度发射脉冲；各个激光光束形成固定夹角的激光光束阵列，夹角范围0.09°-0.36°，夹角通过选择大反射镜或多边形棱镜的方式进行人为设定。

第二步：通过上位机对分车器进行边界S设置，边界S为一矩形边界，输入参数a1,a2,b1,b2；其中a1为矩形边界与分车器的距离，a2为矩形边界的宽度，b1为分车器的安装高度，b2为矩形边界的长度；如果边界S内有不可去除的可检测到的物体W时，在完成边界S的设置后，通过上位机开启边界自学习模式，测量边界S范围内已经存在的物体形成自学习边界Z；主控模块对边界S和自学习边界Z进行比较，取二者最小值作为检测的有效边界；如果没有可检测到的物体，则不用开启边界自学习模式，此时边界S为有效边界；此时主控模块的开关量输出单元一直保持默认的低电平。

第三步：通过上位机开启地平面，查询是否有物体与地面产生无间隙接触，主控模块的第二单片机会将此数据传输给三维图像分析单元，三维图像分析单元的FLASH芯片将此数据保存，用于轮胎的判定。

第四步：当车辆进入有效边界时，主控模块通过图形比较，发现有效边界内有物体，主控模块判定有车辆进入；此时主控模块的开关量输出单元输出高电平；同时输出另一路高电平信号给三维图像存储单元FLSAH芯片的片选引脚，第一单片机通过并行数据端口和并行地址端口将三维坐标存储在FLSAH芯片中。

第五步：激光光束阵列中的一束光照射到车辆上，光束经车体漫反射，反射后的光束被激光测距单元内部的激光接收单元所接收，距离计算单元采集激光脉冲产生单元的起始时间信号和放大整形电路的终止信号，计算出该束光的距离信息传输给主控模块的第二单片机，同时第二单片机采集旋转反射机构的角度位置信息；第二单片机将该束光距离信息和旋转反射机构的角度位置信息形成一个极坐标，并临时存储在第二单片机内；当旋转反射机构旋转过一圈后，第二单片机将激光光束阵列的距离信息、角度位置信息、当前的时间信息形成一组三维坐标传输给图像处理分析模块的三维图像存储单元，随着车体向前行驶，三维图像存储单元存储每一组三维坐标。

第六步：当车辆离开时，主控模块连续三次检测到有效边界内没有发生变化，判定车辆已经离开，同时主控模块的开关量输出单元输出低电平；此时由三维图像分析单元的第一单片机读取每组三维坐标，形成三维图像，并对形成的三维图像进行分析；当图像中形成类似圆形并且此图像在最低点与有效边界的对地边界重合的则判断为车辆的轮胎；此时图像处理模块继续分析该圆心是否有明显且类似圆形的平面内凹，若有内凹则判定为一次双胎轴；若无内凹，则判定为一次单胎轴，并记录。

第七步：当分车器系统进行步骤三至步骤五的过程中，图像处理分析模块每做出一次判定，图像处理分析模块的串行通信接口都会将数据传输至主控单元；主控单元通过以太网通信接口将车辆数据包括有无车辆、车轴数、轴型等传输给上位机或客户工控机；通过开关量输出单元输出车辆分车信息，即输出高电平为车辆正在通过；输出低电平为无车或车辆已离开。

所述分车器系统对三维图像的形成有以下步骤：分车器系统建立以分车器为圆心的极坐标系，则所述边界S内的每一个点都由主控模块形成一组点到圆心的线距离L，线与0º轴的夹角β的位置数据Lx, βx，且每一个点的坐标不重复；当有车进入后，激光光束阵列打到车身上，车身对激光光束进行漫反射，测距模块的激光接收单元接收到此时的激光光束，通过放大整形电路由距离计算单元计算出各个激光光束的距离值并传输到主控模块的第二单片机，与此同时旋转反射机构将各个激光光束的角度信息值传输至主控模块的第二单片机，此时的位置点数据均为同一平面即光束扫描面上的二维数据组，当此二维位置信息组被传送至第二单片机后，第二单片机提取此时的时间值，组成完整的位置信息，并传输到图像处理分析模块的三维图像存储单元；车辆向前行驶，下一扫描周期的激光光束阵列打到车身的下一位置上，同样建立此时的位置信息，以此类推；图像处理分析模块中的三维图像存储单元接收到主控模块的第二单片机所传输的三维位置信息后进行存储，并发送给三维图像分析单元，并由其建立坐标系形成三维图像。

本发明通过电脉冲信号诱发激光发射器发出测距用的脉冲激光束，再经由旋转反射机构转化成激光光束阵列的基本形式，实现对经过光束阵列的物体进行三维图像还原，再经由分析单元对图像进行分析处理，从而实现分车，并在此基础上得到车轴信息。分车器侧装于道路旁，形成的光束阵列与车行进方向垂直，和路面保持垂直。通电后，预先对周围环境进行扫描用于检测输出。

本发明的优点和有益效果是：该集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器用于辅助称重系统检测车轴和分车，相对于传统的车辆分离器和轮轴识别装置，可以同时实现这两种功能，减少装置数量，降低因设备数量导致的故障率，易于现场安装施工，不需对现场路面进行额外的破坏，既降低了成本，也增加了灵活性，且对安装要求低，更智能。非接触式安装提高使用寿命且施工简易，拆装方便不受现场环境限制，另外使用实时的图像扫描，也大大提高了检测和测量的精度。该分车器扫描范围广，距离大，无盲区，可自动识别道路内的非车辆障碍物并排除，不会造成误判等问题。

附图说明

图1为本发明的连接原理框图；

图2为图1中的三维图像存储单元电原理图；

图3为本发明分车器安装示意图；

图4为图1中旋转反射机构第一实施例爆炸图；

图5为图1中旋转反射机构第二实施例爆炸图；

图6为图3中的壳体剖视图；

图7为本发明分车器的坐标示意图；

图8为本发明测距扫描示意图；

图9为本发明三维图像处理示意图；

图10为本发明第一单片机的第一部分电路原理图；

图11为本发明第一单片机的第二部分电路原理图；

图12为本发明第一单片机的第三部分电路原理图；

图13为本发明第一单片机的第四部分电路原理图；

图14为本发明以太网通信接口的第一部分电路原理图；

图15为本发明以太网通信接口的第二部分电路原理图；

图16为本发明串行通信接口电路原理图；

图17为本发明第二单片机的第一部分电路原理图；

图18为本发明第二单片机的第二部分电路原理图；

图19为本发明第二单片机的第三部分电路原理图；

图20为本发明第二单片机的第四部分电路原理图。

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：

如图1、图3所示，集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器包括安装壳体2的支架1及安装在壳体2内的旋转反射模块、测距模块、图像处理分析模块、主控模块和电源模块；旋转反射模块包括第一驱动电路和旋转反射机构；测距模块包括激光脉冲产生电路、激光发射单元、激光接收单元、放大整形电路、距离计算单元和第二驱动电路；图像处理分析模块包括三维图像存储单元、三维图像分析单元和串行通信接口；三维图像存储单元采用FLASH芯片，三维图像分析单元采用第一单片机，主控模块包括第二单片机、开关量输出单元和以太网通信接口；电源模块为主控模块、旋转发射模块、测距模块、图像处理分析模块提供工作电压。其中：主控模块的第二单片机分别与开关量输出单元和以太网通信接口连接；主控模块的第二单片机连接旋转反射模块的第一驱动电路，第一驱动电路连接旋转反射机构，旋转反射机构连接到主控模块的第二单片机；主控模块的第二单片机连接测距模块的第二驱动电路，第二驱动电路分别连接激光发射单元、距离计算单元，激光接收单元连接放大整形电路，放大整形电路连接距离计算单元，距离计算单元连接到主控模块的第二单片机；主控模块的第二单片机分别连接图像处理分析模块的FLASH芯片、第一单片机和串行通信接口，FLASH芯片与第一单片机连接，第一单片机连接串行通信接口。

三维图像分析单元输出结果给第一单片机以及第一单片机输出地平面信息给三维图像分析单元都是通过此串行通信接口进行数据传输。开关量输出单元和以太网接口以航空插头出线的方式提供给外部高低电平信号和数据信息。

如图2所示，三维坐标存储单元为一并行接口FLASH芯片，第一单片机的并行地址端口连接FLASH芯片的AD1-AD18端口，控制第一单片机和FLASH芯片通信数据保存的位置。第一单片机的并行数据端口连接FLASH芯片的D0-D15端口，需要传输的数据可以通过该端口传输。三维图像分析单元使用第一单片机实现，第一单片机1通过并行接口读取三维存储单元的三维图像信息，分析后输出结果通过串行通信接口传输给主控模块的第二单片机。第一单片机和第二单片机的型号均为STM32F407ZG，FLASH芯片型号为M29W400DT。

如图11，图12，图13所示的第一单片机原理图，图中第一单片机的FSMC_A1- FSMC_A18并行地址端口和FLASH芯片的AD1-AD18端口连接；第一单片机的FSMC_D0- FSMC_D15并行数据端口和FLASH芯片的D0-D15端口连接。

如图14、15所示为以太网通信接口电路原理图，图14中ETH_MDIO,ETH_MDC,RMII_TXD0，RMII_TXD1，RMII_TX_EN,RMII_RXD0，RMII_RXD1，RMII_CRS_DV,RMII_REF_CLK,ETH_RESET为以太网接口芯片的RMII接口，分别和第二单片机的RMII接口：ETH_MDIO,ETH_MDC,RMII_TXD0，RMII_TXD1，RMII_TX_EN,RMII_RXD0，

RMII_RXD1，RMII_CRS_DV,RMII_REF_CLK,ETH_RESET对应连接；图14中TPTX+,TPTX-,TPRX+,TPRX-为以太网数据传输端口与图15中的 TPTX+,TPTX-,TPRX+,TPRX-对应连接。

图15所示为HR911105芯片部分，图14中所传输的数据经过此芯片进行整形后直接和外部设备的以太网接口连接并进行信号传输。

图16所示为串行通信接口芯片，图中USARTI_TX,USARTI_RX 接口与第二单片机的USARTI_TX,USARTI_RX接口进行连接，图中USARTI_TX2,USARTI_RX2接口与第一单片机的USARTI_TX2, USARTI_RX2接口进行连接，两个单片机通过此芯片进行数据传输。

如图17，图18，图19，图20所示的第二单片机原理图，图中第二单片机的FSMC_A1-FSMC_A18并行地址端口和FLASH芯片的AD1-AD18端口连接；第二单片机的FSMC_D4- FSMC_D12并行数据端口和FLASH芯片的D0-D7端口连接；图中PWM_IN端口为接收来自旋转反射机构的角度位置信号；PWM_OUT端口为控制电机转速的脉宽可调制的脉冲信号；OUT1为开关量输出端口；OUT2为一脉冲信号经过第二驱动电路的放大后给激光脉冲产生电路；PB1为一开关量信号，连接第一单片机，作为第一单片机开始进行图像分析的控制信号；图中第二单片机的USART1_TX和USART1_RX串行通信端口通过图像处理分析模块的串行通信接口将信号放大后连接第一单片机的USART1_TX2和USART1_RX2端口，实现两个单片机之间的数据传输；图19中PB12/SPI2_NSS, PB12/SPI2_SCK, PB12/SPI2_MISO, PB12/SPI2_MOSI为第二单片机的SPI通信接口，连接距离计算单元，接收来自距离计算单元的距离信息。

如图6所示，测距模块的激光发射单元包括激光发射二极管13、发射透镜14、激光准直机构15；发射透镜14放置在激光发射二极管13的前面，激光准直机构15放置在发射透镜14前方；激光接收单元包括激光接收二极管16、接收滤光片17、接收透镜18、激光接收反射镜19；接收滤光片17和接收透镜18放置在激光接收二极管16前面，激光接收反射镜19放在接收透镜18后面，并且均和激光接收二极管16垂直，激光发射二极管13和激光接收二极管16并排放置。

激光发射二极管13发射的光束，经过发射透镜14和激光准直机构15后形成一束具有一定角度的光束。激光光束打到物体上漫反射回来的光经过接收滤光片17和接收透镜18后将光束汇聚，再经过激光接收反射镜19后进入激光接收二极管16。

距离计算单元通过采集来自激光脉冲产生电路的窄脉冲信号和来自放大整形电路的接收脉冲信号，计算出时间差t，进一步计算出车身上光反射点到分车器的距离=ct/2，c为激光速度。

激光脉冲产生电路产生频率为50KHz及以上的脉冲信号。单片机通过采集旋转反射机构的角度位置信息，并以此为时间基准输出脉冲信号给激光脉冲产生电路。激光脉冲产生电路对单片机输出的脉冲信号进行处理，进一步得到激光发射单元所需的6ns左右的窄脉冲信号。

如图4所示，旋转反射模块的旋转反射机构包括上旋转架3、镜片固定架4、大反射镜6、码盘8、盘齿轮9、直齿轮10、直流电机11、下定位座12；其中：上旋转架3上端与壳体2骨架通过轴承连接，下端与镜片固定架4进行固定连接；大反射镜6粘接在镜片固定架4的镜片安装面上；码盘8、盘齿轮9按照排列顺序依次通过螺丝固定在镜片固定架4的底部；下定位座12上端固定镜片固定架4，下端固定在壳体2上，上旋转架3、镜片固定架4、大反射镜6、码盘8、盘齿轮9、下定位座12纵向同轴安装；直齿轮10与盘齿轮9进行啮合，二者旋转轴互相垂直；直流电机11转子与直齿轮10同轴连接，直流电机11底部固定在壳体2上；码盘8用于为主控模块提供旋转角度位置信息。

如图5所示，旋转反射模块的旋转反射机构包括上旋转架3、棱镜固定架5、多边形棱镜7、码盘8、盘齿轮9、直齿轮10、直流电机11、下定位座12；其中：上旋转架3上端与壳体2骨架通过轴承连接，下端与棱镜固定架5进行固定连接；多边形棱镜7粘接在棱镜固定架5的镜片安装面上；码盘8、盘齿轮9按照排列顺序依次通过螺丝固定在棱镜固定架5的底部；下定位座12上端固定棱镜固定架5，下端固定在壳体2上，上旋转架3、棱镜固定架5、多边形棱镜7、码盘8、盘齿轮9、下定位座12纵向同轴安装；直齿轮10与盘齿轮9进行啮合，二者旋转轴互相垂直；直流电机11转子与直齿轮10同轴连接，直流电机11底部固定在壳体2上；码盘8用于为主控模块提供旋转角度位置信息。

旋转反射机构工作原理：当主控单元提供脉宽可调制的脉冲信号（PWM信号）给旋转反射模块的驱动电路1，驱动电路1控制直流电机11以一恒定的速度进行旋转，直流电机带动与其直连的直齿轮10转动；直齿轮10通过一定的传动比带动与其啮合的盘齿轮9转动，并使其达到2000r/min及以上的旋转速度；盘齿轮9旋转的同时带动镜片固定架4或棱镜固定架5与其进行同步转动，实现光束的扫描。

激光脉冲产生电路控制激光发射单元发射出窄激光光束。窄光束经过旋转的大反射镜6或多边形棱镜7后形成一组窄光束阵列。窄光束阵列的角度范围为90°~190°，如图7至图9所示。光束之间的夹角范围为0.09°~0.36°。

光束夹角参数无法在同一设备内完成所有范围的选择，但每一台分车器的夹角可根据旋转反射机构的不同形式进行预选择。如图4所示，当选用镜片固定架4与大反射镜6所组成的旋转反射机构形式时，光束之间的夹角为0.36°，即360°/1000=0.36°，码盘刻度为1000。如图5所示，当选用棱镜固定架5与多边形棱镜7所组成的旋转反射机构形式时，光束之间的夹角可以达到0.36°至0.09°之间的参数值，即当棱镜边数为n时角度为360°/(n*1000)=0.36°/n，若为四边形棱镜则为0.36°/4=0.09°。

如图1至图9所示，集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器的实现方法有如下步骤：

第一步：通电后，主控模块提供PWM信号给旋转反射模块的第一驱动电路，第一驱动电路将PWM信号进行放大后驱动旋转反射机构以一恒定转速旋转，即直流电机11转速设定为3000r/min；同时主控模块采集旋转反射机构的角度位置信息，并以此角度位置信息为基准产生50KHz及以上的电脉冲信号控制激光测距模块的激光发射单元发射出50KHz及以上的激光光束；主控模块的第二单片机产生的电脉冲信号和旋转反射机构的物理位置一一对应，使得激光光束在指定的角度发射脉冲；各个激光光束形成固定夹角的激光光束阵列，夹角范围0.09°-0.36°，夹角通过选择大反射镜或多边形棱镜的方式进行人为设定。

第二步：通过上位机对分车器进行边界S设置，如图7所示，边界S为一矩形边界，输入参数a1,a2,b1,b2；其中a1为矩形边界与分车器的距离，a2为矩形边界的宽度，b1为分车器的安装高度，b2为矩形边界的长度；如果边界S内有不可去除的可检测到的物体W时，在完成边界S的设置后，通过上位机开启边界自学习模式，测量边界S范围内已经存在的物体形成自学习边界Z；主控模块对边界S和自学习边界Z进行比较，取二者最小值作为检测的有效边界；如果没有可检测到的物体W，则不用开启边界自学习模式，此时边界S为有效边界；此时主控模块的开关量输出单元一直保持默认的低电平。

第三步：通过上位机开启地平面，查询是否有物体与地面产生无间隙接触，主控模块的第二单片机会将此数据传输给三维图像分析单元，三维图像分析单元的FLASH芯片将此数据保存，用于轮胎的判定。

第四步：当车辆进入有效边界时，主控模块通过图形比较，发现有效边界内有物体，主控模块判定有车辆进入；此时主控模块的开关量输出单元输出高电平；同时输出另一路高电平信号给三维图像存储单元FLSAH芯片的片选引脚，第一单片机通过并行数据端口和并行地址端口将三维坐标存储在FLSAH芯片中。

第五步：激光光束阵列中的一束光照射到车辆上，光束经车体漫反射，反射后的光束被激光测距单元内部的激光接收单元所接收，距离计算单元采集激光脉冲产生单元的起始时间信号和放大整形电路的终止信号，计算出该束光的距离信息传输给主控模块的第二单片机，同时第二单片机采集旋转反射机构的角度位置信息；第二单片机将该束光距离信息和旋转反射机构的角度位置信息形成一个极坐标，并临时存储在第二单片机内；当旋转反射机构旋转过一圈后，第二单片机将激光光束阵列的距离信息、角度位置信息、当前的时间信息形成一组三维坐标传输给图像处理分析模块的三维图像存储单元，随着车体向前行驶，三维图像存储单元存储每一组三维坐标。

第六步：当车辆离开时，主控模块连续三次检测到有效边界内没有发生变化，判定车辆已经离开，同时主控模块的开关量输出单元输出低电平；此时由三维图像分析单元的第一单片机读取每组三维坐标，形成三维图像，并对形成的三维图像进行分析；当图像中形成类似圆形并且此图像在最低点与有效边界的对地边界重合的则判断为车辆的轮胎；此时图像处理模块继续分析该圆心是否有明显且类似圆形的平面内凹，若有内凹则判定为一次双胎轴；若无内凹，则判定为一次单胎轴，并记录。此步骤是经实际查看、翻阅资料总结得出：现有车辆受单双胎的安装方式与其他如刹车等的影响，汽车单胎轮毂与其轮胎处于近似同一平面；双胎轮毂明显内凹，通过此区别可区分单胎与双胎。

第七步：当分车器系统进行步骤三至步骤五的过程中，图像处理分析模块每做出一次判定，图像处理分析模块的串行通信接口都会将数据传输至主控单元；主控单元通过以太网通信接口将车辆数据包括有无车辆、车轴数、轴型等传输给上位机或客户工控机；通过开关量输出单元输出车辆分车信息，即输出高电平为车辆正在通过；输出低电平为无车或车辆已离开。

第八步：快速循环以上步骤，实现对车道车辆的实时监测。

如图7、图8、图9所示，分车器系统对三维图像的形成有以下步骤：分车器系统建立以分车器为圆心的极坐标系，则边界S内的每一个点都由主控模块形成一组点到圆心的线距离L，线与0º轴的夹角β的位置数据Lx, βx，且每一个点的坐标不重复；当有车进入后，激光光束阵列打到车身上，车身对激光光束进行漫反射，测距模块的激光接收单元接收到此时的激光光束，通过放大整形电路由距离计算单元计算出各个激光光束的距离值：L1、L2、L3、L4……，并传输到主控模块的第二单片机，与此同时旋转反射机构将各个激光光束的角度信息值β1、β2、β3、β4……传输至主控模块的第二单片机，此时的位置点数据均为同一平面即光束扫描面上的二维数据组（L1，β1）（L2，β2）（L3，β3）（L4，β4）……，当此二维位置信息组被传送至第二单片机后，第二单片机提取此时的时间值，组成完整的（L11，β11，T1）（L12，β12，T1）(L13，β13，T1）（L14，β14，T1）……的位置信息，并传输到图像处理分析模块的三维图像存储单元；车辆向前行驶，下一扫描周期的激光光束阵列打到车身的下一位置上，同样建立此时的位置信息，（L21，β21，T2）（L22，β22，T2）(L23，β23，T2）（L24，β24，T2）……以此类推；图像处理分析模块中的三维图像存储单元接收到主控模块的第二单片机所传输的三维位置信息后进行存储，并发送给三维图像分析单元，并由其建立坐标系形成三维图像。

Claims (6)

1.一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器，其特征在于：包括安装壳体（2）的支架（1）及安装在壳体（2）内的旋转反射模块、测距模块、图像处理分析模块、主控模块和电源模块；所述旋转反射模块包括第一驱动电路和旋转反射机构；测距模块包括激光脉冲产生电路、激光发射单元、激光接收单元、放大整形电路、距离计算单元和第二驱动电路；所述图像处理分析模块包括三维图像存储单元、三维图像分析单元和串行通信接口；三维图像存储单元采用FLASH芯片，三维图像分析单元采用第一单片机，所述主控模块包括第二单片机、开关量输出单元和以太网通信接口；所述电源模块为主控模块、旋转发射模块、测距模块、图像处理分析模块提供工作电压；

其中：主控模块的第二单片机分别与开关量输出单元和以太网通信接口连接；主控模块的第二单片机连接旋转反射模块的第一驱动电路，第一驱动电路连接旋转反射机构，旋转反射机构连接到主控模块的第二单片机；主控模块的第二单片机连接测距模块的第二驱动电路，第二驱动电路分别连接激光发射单元、距离计算单元，激光接收单元连接放大整形电路，放大整形电路连接距离计算单元，距离计算单元连接到主控模块的第二单片机；主控模块的第二单片机分别连接图像处理分析模块的FLASH芯片、第一单片机和串行通信接口，FLASH芯片与第一单片机连接，第一单片机连接串行通信接口；

所述激光发射单元包括激光发射二极管（13）、发射透镜（14）、激光准直机构（15）；发射透镜（14）放置在激光发射二极管（13）的前面，激光准直机构（15）放置在发射透镜（14）前方；所述激光接收单元包括激光接收二极管(16)、接收滤光片（17）、接收透镜（18）、激光接收反射镜（19）；接收滤光片（17）和接收透镜(18)放置在激光接收二极管(16)前面，激光接收反射镜(19)放在接收透镜(18)后面，并且均和激光接收二极管（16）垂直，激光发射二极管（13）和激光接收二极管（16）并排放置。

2.根据权利要求1所述的一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器，其特征在于：所述旋转反射机构包括上旋转架（3）、镜片固定架（4）、大反射镜(6)、码盘(8)、盘齿轮(9)、直齿轮(10)、直流电机(11)、下定位座(12)；其中：上旋转架（3）上端与壳体（2）骨架通过轴承连接，下端与镜片固定架（4）进行固定连接；大反射镜（6）粘接在镜片固定架（4）的镜片安装面上；码盘（8）、盘齿轮（9）按照排列顺序依次通过螺丝固定在镜片固定架（4）的底部；下定位座（12）上端固定镜片固定架（4），下端固定在壳体（2）上，上旋转架（3）、镜片固定架（4）、大反射镜(6)、码盘(8)、盘齿轮(9)、下定位座(12)纵向同轴安装；直齿轮（10）与盘齿轮（9）进行啮合，二者旋转轴互相垂直；直流电机（11）转子与直齿轮（10）同轴连接，直流电机（11）底部固定在壳体（2）上；码盘（8）用于为主控模块提供旋转角度位置信息。

3.根据权利要求1所述的一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器，其特征在于：所述旋转反射机构包括上旋转架（3）、棱镜固定架（5）、多边形棱镜（7）、码盘(8)、盘齿轮(9)、直齿轮(10)、直流电机(11)、下定位座(12)；其中：上旋转架（3）上端与壳体（2）骨架通过轴承连接，下端与棱镜固定架（5）进行固定连接；多边形棱镜（7）粘接在棱镜固定架（5）的镜片安装面上；码盘（8）、盘齿轮（9）按照排列顺序依次通过螺丝固定在棱镜固定架（5）的底部；下定位座（12）上端固定棱镜固定架（5），下端固定在壳体（2）上，所述上旋转架（3）、棱镜固定架（5）、多边形棱镜（7）、码盘(8)、盘齿轮(9)、下定位座(12)纵向同轴安装；直齿轮（10）与盘齿轮（9）进行啮合，二者旋转轴互相垂直；直流电机（11）转子与直齿轮（10）同轴连接，直流电机（11）底部固定在壳体（2）上；码盘（8）用于为主控模块提供旋转角度位置信息。

4.一种如权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器的实现方法，其特征在于，有如下步骤：

第一步：通电后，主控模块提供脉宽可调制的脉冲信号给旋转反射模块的第一驱动电路，第一驱动电路将脉宽可调制的脉冲信号进行放大后驱动旋转反射机构以一恒定转速旋转；同时主控模块采集旋转反射机构的角度位置信息，并以此角度位置信息为基准产生50KHz的电脉冲信号控制激光测距模块的激光发射单元发射出50KHz的激光光束；主控模块的第二单片机产生的电脉冲信号和旋转反射机构的物理位置一一对应，使得激光光束在指定的角度发射脉冲；各个激光光束形成固定夹角的激光光束阵列，夹角范围0.09°-0.36°，夹角通过选择大反射镜或多边形棱镜的方式进行人为设定；

第二步：通过上位机对分车器进行边界S设置，边界S为一矩形边界，输入参数a1,a2,b1,b2；其中a1为矩形边界与分车器的距离，a2为矩形边界的宽度，b1为分车器的安装高度，b2为矩形边界的长度；如果边界S内有不可去除的可检测到的物体W时，在完成边界S的设置后，通过上位机开启边界自学习模式，测量边界S范围内已经存在的物体形成自学习边界Z；主控模块对边界S和自学习边界Z进行比较，取二者最小值作为检测的有效边界；如果没有可检测到的物体，则不用开启边界自学习模式，此时边界S为有效边界；此时主控模块的开关量输出单元一直保持默认的低电平；

第三步：通过上位机开启地平面，查询是否有物体与地面产生无间隙接触，主控模块的第二单片机会将此数据传输给三维图像分析单元，三维图像分析单元的FLASH芯片将此数据保存，用于轮胎的判定；

第四步：当车辆进入有效边界时，主控模块通过图形比较，发现有效边界内有物体，主控模块判定有车辆进入；此时主控模块的开关量输出单元输出高电平；同时输出另一路高电平信号给三维图像存储单元FLSAH芯片的片选引脚，第一单片机通过并行数据端口和并行地址端口将三维坐标存储在FLSAH芯片中；

第五步：激光光束阵列中的一束光照射到车辆上，光束经车体漫反射，反射后的光束被激光测距单元内部的激光接收单元所接收，距离计算单元采集激光脉冲产生单元的起始时间信号和放大整形电路的终止信号，计算出该束光的距离信息传输给主控模块的第二单片机，同时第二单片机采集旋转反射机构的角度位置信息；第二单片机将该束光距离信息和旋转反射机构的角度位置信息形成一个极坐标，并临时存储在第二单片机内；当旋转反射机构旋转过一圈后，第二单片机将激光光束阵列的距离信息、角度位置信息、当前的时间信息形成一组三维坐标传输给图像处理分析模块的三维图像存储单元，随着车体向前行驶，三维图像存储单元存储每一组三维坐标；

第六步：当车辆离开时，主控模块连续三次检测到有效边界内没有发生变化，判定车辆已经离开，同时主控模块的开关量输出单元输出低电平；此时由三维图像分析单元的第一单片机读取每组三维坐标，形成三维图像，并对形成的三维图像进行分析；当图像中形成类似圆形并且此图像在最低点与有效边界的对地边界重合的则判断为车辆的轮胎；此时图像处理模块继续分析该圆心是否有明显且类似圆形的平面内凹，若有内凹则判定为一次双胎轴；若无内凹，则判定为一次单胎轴，并记录；

第七步：当分车器系统进行步骤三至步骤五的过程中，图像处理分析模块每做出一次判定，图像处理分析模块的串行通信接口都会将数据传输至主控单元；主控单元通过以太网通信接口将车辆数据包括有无车辆、车轴数、轴型等传输给上位机或客户工控机；通过开关量输出单元输出车辆分车信息，即输出高电平为车辆正在通过；输出低电平为无车或车辆已离开。

5.根据权利要求4所述的一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器的实现方法，其特征在于，所述分车器系统对三维图像的形成有以下步骤：

分车器系统建立以分车器为圆心的极坐标系，则所述边界S内的每一个点都由主控模块形成一组点到圆心的线距离L，线与0º轴的夹角β的位置数据Lx, βx，且每一个点的坐标不重复；当有车进入后，激光光束阵列打到车身上，车身对激光光束进行漫反射，测距模块的激光接收单元接收到此时的激光光束，通过放大整形电路由距离计算单元计算出各个激光光束的距离值并传输到主控模块的第二单片机，与此同时旋转反射机构将各个激光光束的角度信息值传输至主控模块的第二单片机，此时的位置点数据均为同一平面即光束扫描面上的二维数据组，当此二维位置信息组被传送至第二单片机后，第二单片机提取此时的时间值，组成完整的位置信息，并传输到图像处理分析模块的三维图像存储单元；车辆向前行驶，下一扫描周期的激光光束阵列打到车身的下一位置上，同样建立此时的位置信息，以此类推；图像处理分析模块中的三维图像存储单元接收到主控模块的第二单片机所传输的三维位置信息后进行存储，并发送给三维图像分析单元，并由其建立坐标系形成三维图像。

6.根据权利要求4所述的一种集成汽车轮轴识别功能的激光扫描分车器的实现方法，其特征在于，所述旋转反射机构以一恒定转速旋转是：直流电机(11)转速设定为2000r/min-4000r/min。