CN112761092A - 一种基于激光雷达探测技术的闸机设备及运行方法 - Google Patents

一种基于激光雷达探测技术的闸机设备及运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达探测技术的闸机设备及运行方法，闸机设备包括主机箱体和从机箱体，主机箱体内设有通道控制器和激光雷达，且主机箱体侧面与激光雷达对应高度位置设有一圈透光罩，激光雷达工作过程中产生的光束透过透光罩之后对闸机外部目标扫描测距；所述主机箱体和从机箱体上方均设有身份验证单元；所述主机箱体和从机箱体靠近闸机通道侧安装有摆门机构；所述激光雷达、摆门机构和身份验证单元均连接于通道控制器。本发明能够实现360度全向探测，消除检测盲区，可以准确检测到通道内部人员的通行状态，提高了设备的使用安全性。

Description

一种基于激光雷达探测技术的闸机设备及运行方法
技术领域
本发明属于智能设备技术，具体涉及一种基于激光雷达探测技术的闸机设备及运行方法。
背景技术
闸机作为一种出入口通道管控设备，被广泛应用于写字楼、学校、企业园区、商超等很多场景，通过对身份的自助验证，及对闸门的自动开闭，实现人员自助通行和对出入口安全管控功能。
传统的闸机通道内部设有多个点阵排布的对射光电传感器，用于检测人员的通行状态，并在人员正常通行后，立刻关闭闸门，防止其他非法人员尾随闯入，然而，这种方式存在多个缺陷：(1)相邻传感器之间存在检测盲区，无法准确检测到通道内部人员的通行状态，影响闸机的正确工作；(2)因检测盲区较多，对于尾随闯入的非法人员，难以进行有较检测，对出入口安全管控能力较弱；(3)因多个传感器的安装空间要求，闸机设备的机身长度通常需要设计在1米～2米，才能实现通道范围的基本检测，这使得传统的闸机体积庞大，成本高昂，且在一些空间较小的出入口，甚至不具备空间进行安装，只能采用没有传感器且没有通行检测功能的简化版闸机代替，这种简化版闸机无法判断人员通行状态，只能在开门后延时固定时间后关门(延时时间通常为8至15秒)，在延时期间非法人员可随意闯入，几乎不具备出入口安全管控能力；(4)因传感器布置数量多，只要其中有一对传感器出现故障，闸机设备就无法正常工作，有时导致闸门误动作对正在通行的用户造成伤害；(5)当有孩童或身材比较纤瘦的用户位于通道内的闸门工作区时，会因身体处于传感器检测盲区而无法触发闸机防撞机制，造成闸门机械运动伤人，存在较大的安全隐患；(6)传统闸机上安装的对射光电传感器，每一对都需要反复调整位置和安装角度，使其发射端传感器的光束能够射正接收端传感器，通常是在工厂测试需要调整一次进行出厂测试，再安装至现场以后还需要再次调整，对人力耗费很大；(7)因传统闸机机箱体积大、机身重，运输过程极为不便，运输成本、搬运成本、现场安装成本都很高，不便于推广。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种能够实时检测闸机通道内人员的通行状态、消除检测盲区、提高了设备使用安全性，同时还缩短了闸机机身设计长度的基于激光雷达探测技术的闸机设备及运行方法。
技术方案：本发明的基于激光雷达探测技术的闸机设备，包括主机箱体和从机箱体，主机箱体内设有通道控制器和激光雷达，且主机箱体侧面与激光雷达对应高度位置设有一圈透光罩，激光雷达工作过程中产生的光束透过透光罩之后对闸机外部目标扫描测距；所述主机箱体和从机箱体上方均设有身份验证单元；所述主机箱体和从机箱体靠近闸机通道侧安装有摆门机构；所述激光雷达、摆门机构和身份验证单元均连接于通道控制器。
所述激光雷达水平安装在主机箱体内，激光雷达的光束扫描圆面与水平面平行，实现360度全方位扫描探测。
所述激光雷达的测距参数大于闸机通道的宽度，确保整个闸机设备都处于激光雷达的测量范围内。
所述通道控制器具备多个信号输入接口，通道控制器通过信号输入接口接收身份验证单元发送的授权信号，从而控制摆门机构打开，实现信号传输。
还包括语音报警器，语音报警器与通道控制器的信号输出端连接，当有目标单位非法闯入或者人员尾随时能够及时发出报警提示。
构建双闸机通道时，将设有通道控制器和激光雷达的主机箱体设置在两个从机箱体中间，使得带有双闸机通道的闸机设备整体处于激光雷达的监测范围内。
所述闸机设备的机身长度为100mm～200mm，造型小巧美观，适用于空间狭小的环境。
本发明还包括一种基于激光雷达探测技术的闸机设备的运行方法，包括以下步骤：
(a)通电后通道控制器控制激光雷达全方位旋转探测，激光雷达将各个角度的的探测数据发送至通道控制器；
(b)通道控制器对激光雷达的探测数据进行解析后，筛选出置信度高于设定阈值的探测数据，再根据筛选出的探测数据计算各角度光束所测得的障碍距离并保存；
(c)激光雷达持续工作，通道控制器对闸机通道区域内各角度的测距值进行解析；当闸机通道区域内任何角度的测距值发生变化时，通道控制器(3)判断此距离值是否小于闸机通道宽度，若小于闸机通道宽度，则认定此角度位置存在目标单位；
(d)通道控制器向身份验证单元发出身份验证请求，身份验证单元验证通过后将授权开门信号发送至通道控制器，通道控制器控制摆门机构打开，形成敞开放行的通道；
(e)当通道控制器检测到一个目标单位依次通过闸机通道区域内的各个角度时，判定此目标单位已正常通过闸机通道，通道控制器控制摆门机构立即关闭。
步骤(e)中，当通道控制器检测到有两个以上目标单位进入通道时，通道控制器控制语音报警器进行尾随报警提示，并在第一个目标单位通过闸机通道后立刻关闭摆门机构，能够阻拦尾随人员。
步骤(e)中，在通道控制器检测一个目标单位依次通过闸机通道区域内的各个角度的过程中，通道控制器还根据目标单位在在每个阶段中位移变化的距离及时间计算出目标单位移动的平均速度；当计算出的平均速度低于设定阈值时，判定通行的目标单位为存在运动障碍的人员，此时通道控制器将摆门机构的运行速度调至低速。
本发明的工作原理为：闸机设备上电后，激光雷达开始工作，并循环对360度全向角度的物理单位进行测距，用户过闸时，先通过身份验证单元对用户身份进行验证，通道控制器接收到身份验证单元的授权信号后，控制摆门机构开门，此时，用户从闸机通道内通行，当用户进入通道时，通道控制器根据前文所述的运行方法，对通道内部所发生的不同事件进行处理，从而实现授权人员通过闸机后，立即控制闸门机构关门，防止尾随人员非法闯入，当探测到非法人员闯入或尾随时，能够及时报警提醒。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)通过360度激光雷达对通道内进行探测，替代了传统的点阵布局光电传感器，有效缩短了机身的设计尺寸，设备成本得到了大幅降低，同时放在在空间较小的出入口进行安装使用；(2)通过一个激光雷达可以实现对一个或两个闸机通道进行检测功能，简化了闸机的功能部件结构，进一步降低了闸机的生产成本；(3)具备360度测距能力，能够实现对闸机外部目标的感知，从而生产更多空间信息数据，为出入口场景的更多智慧应用提供了数据基础；(4)通过360度全向探测，解决了传统闸机传感器布局存在检测盲区的问题，避免了闸门机械伤人的问题，提高了设备的使用安全性；(5)不但能够对用户通行时的位置进行判断，还能对用户通行闸机的速度进行判断，从而为特殊人群提供更为人性化的通行服务；(6)因机身十分小巧，非常方便生产，运输，及现场部署，对各个环节的人力都有很大节省。
附图说明
图1为本发明所述闸机设备的结构示意图；
图2为本发明所述闸机设备的原理框图；
图3为图2中激光雷达的扫描示意图；
图4为本发明中构建双通道闸机阵列时的结构示意图；
图5为本发明中构建双通道闸机阵列时的原理框图。
图6为本发明闸机机身与传统闸机机身的尺寸对比图；
图7为本发明闸机机身与传统闸机机身的检测原理对比图；
图8为图2中通道控制器内电源电路的电路图；
图9为图2中通道控制器内微处理器电路的电路图；
图10为图2中通道控制器内雷达检测电路的电路图；
图11为图2中通道控制器内伺服控制电路的电路图；
图12为图2中通道控制器内信号输入电路的电路图；
图13为图2中通道控制器内信号输出电路的电路图；
图14为本发明闸机机身与传统闸机机身的俯视图的对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做进一步详细描述。
如图1和图2所示，本发明的基于激光雷达探测技术的闸机设备，包括主机箱体1、从机箱体2、通道控制器3、激光雷达4、摆门机构5和身份验证单元6。主机箱体1和从机箱体2共同构成闸机通道。主机箱体1内设有通道控制器3和激光雷达4。作为优化，本发明还包括语音报警器，语音报警器与通道控制器3的信号输出端连接。
如图1和图3所示，激光雷达4水平安装在主机箱体1内，用于对闸机通道内及闸机外部的目标单位进行测距感知，并将数据发送给通道控制器3。激光雷达4的光束扫描圆面与水平面平行，激光雷达4的扫描面为固定直径的圆形。当目标单位出现在扫描圆面区域时，激光雷达4会将目标的位置的角度和距离通过串行通讯线发送给通道控制器3，通道控制器3内置激光雷达4通行逻辑判定算法程序，能接收激光雷达4的探测数据并进行分析处理。主机箱体1侧面与激光雷达4对应高度位置设有一圈透光罩，激光雷达4工作过程中循环360度探测的光束透过透光罩之后对闸机外部目标扫描测距。激光雷达4的工作原理为，通过内部设置的无刷电机，带动激光测距探头快速360度旋转，通过DTOF技术，实现对周围环境目标的快速扫描测距。为了确保整个闸机设备能够处于激光雷达4的测量范围内，激光雷达4的测距参数应当大于闸机通道的宽度，可根据通道宽度选型1米～10米的激光雷达。本实施例中，激光雷达可采用型号为LDROBOT-LD06的360度激光雷达。如图7所示，左侧为传统闸机，右侧为本发明闸机，激光雷达4的检测光束能够对360个角度进行密集探测，因绘图限制，俯视图中激光雷达4光束仅绘出其中50个角度光束作为示意，不代表实际检测角度的数量，。
主机箱体1和从机箱体2靠近闸机通道侧安装摆门机构5。主机箱体1和从机箱体2上的摆门机构5均通过串行通讯线与通道控制器3连接，通道控制器3根据通行逻辑判定结果，直接与摆门机构5对接并控制摆门机构5开合运动，摆门机构5根据通道控制器3下发的命令实现门体运动控制。
主机箱体1和从机箱体2上方均设有身份验证单元6，身份验证单元6通过信号线与通道控制器3连接。身份验证单元6可采用人脸识别器、RFID读卡器、二维码识别器中的一种或多种组合，用于对通行人员的身份进行识别。身份验证单元6通过以太网与后台系统连接，并根据后台系统下发的白名单库，对通行人员识别身份进行比对验证，验证通过后会通过其自身的输出接口将授权信号发送给通道控制器3。通道控制器3具备多个信号输入接口，通道控制器3通过信号输入接口接收身份验证单元6发送的授权信号，从而控制摆门机构5打开。身份验证单元可采用型号为PME-820D的人脸识别器。
如图4和图5所示，构建双闸机通道时，由3台设备组成两个通道，需在主机箱体1内设置一个通道控制器3和一个激光雷达4，并将主机箱体1设置在两个从机箱体2中间，就可以实现对左右两个通道的目标探测功能。激光雷达4循环360度对左右两个通道的目标进行扫描，并将结果输出给通道控制器3进行处理。主机箱体1和从机箱体2上的摆门机构5及身份验证单元6均与主机箱体1内的通道控制器3连接。如图6和图14所示，左侧为传统闸机，右侧为本发明闸机，传统闸机设备的1900mm，本发明中闸机设备的机身长度为100mm～200mm，机身造型小巧美观，即使出入口空间狭小，仍然可以非常方便的安装使用。
通道控制器3由电源电路、微处理器、非易失性数据存储器、信号输入电路、信号输出电路、RS232通讯电路、RS485通讯电路、雷达检测电路、伺服控制电路组成。如图8所示，电源电路由LM22680MRX、SPX1117M3及外部电阻、电容、电感、二极管等电路组成，用于将输入电压转换成用电单元所需的5V和3.3V供电电压。如图9所示，微处理器电路由STM32F103VET6及外部复位电路、外部晶振电路组成，用于实现通道控制器3的程序逻辑控制。
如图10所示，雷达检测电路中包含第一雷达接口和第二雷达接口，第一雷达接口的第1脚和第2脚分别于微处理器的第78脚和第79脚连接，用以实现第一雷达的数据传输。第一雷达接口的第3脚与微处理器的第95脚连接，微处理器通过PWM波控制的方式对第一雷达扫描电机的转速进行控制。第二雷达接口的第1脚和第2脚分别于微处理器的第80脚和第83脚连接，用以实现第二雷达的数据传输。第二雷达接口的第3脚与微处理器的第96脚连接，微处理器通过PWM波控制的方式对第二雷达扫描电机的转速进行控制。第一雷达接口和第二雷达接口的第5脚均接+3V3；第一雷达接口和第二雷达接口的第6脚均接+5V；第一雷达接口和第二雷达接口的第4脚均接GND。第二雷达接口作为备用，用于在较多孩童(例如幼儿园)的使用环境下，可在闸机设备下端增加一个激光雷达4，接入通道控制器3中，实现对身高低于800mm左右的孩童通行进行检测。
如图11所示，伺服控制电路由SP3072EEN及外部阻容器件组成，SP3072EEN的第1脚和第4脚分别于微处理器的第25脚和第26脚连接，SP3072EEN的第2脚和第3脚同时与微处理器的24脚连接，微处理器通过伺服控制电路对摆门机构的伺服系统发送控制命令，从而实现对摆门开关动作的控制。如图12所示，信号输入电路由多个LTV-356T及外部电阻构成，用于接收到身份验证单元的授权信号，并将信号发送给微处理器。如图13所示，信号输出电路由多个2N3904S、AO3401、SS14、外部电阻构成及输出接口组成，2N3904S的基级通过限流电阻与微处理器的GPIO口连接；2N3904S的发射极接地；2N3904S的集电极通过两个电路与VIN连接，且两个电阻之间的节点与AO3401的栅极连接；AO3401的源极也与VIN连接；AO3401的漏极与输出接口连接。
本发明还包括一种基于激光雷达探测技术的闸机设备的运行方法，包括以下步骤：
(a)设备上电后，通道控制器3通过PWM波控制激光雷达4内部电机转动，激光光束360旋转探测，并将各个角度的的探测距离、置信度、角度信息等数据发送至通道控制器3；
(b)通道控制器3对激光雷达4反馈的探测数据进行解析后，将置信度低于设定阈值的数据清除，筛选出置信度高于设定阈值的探测数据，再根据筛选出的探测数据计算各角度光束所测得的障碍距离；通道控制器3将各角度的障碍距离保存在非易失性数据存储器中，作为初始环境下的360度参考边距；
(c)激光雷达4持续工作，并将各角度的探测数据实时发送给通道控制器3；通道控制器3对闸机通道区域(即面向闸机通道内部方向的180度区域)内各角度的测距值进行解析；当面向通道方向的180度区域内的某个角度测距值发生变化时，通道控制器3判断此距离值是否小于闸机通道宽度，若小于闸机通道宽度，则认定此角度位置存在目标单位；
(d)通道控制器3向身份验证单元6发出身份验证请求，身份验证单元6验证通过后将授权开门信号发送至通道控制器3，通道控制器(3)控制摆门机构(5)打开，形成敞开放行的通道；若通道控制器3未收到身份验证单元6的授权开门信号时，如果闸机通道内存在人或物体目标单位，通道控制器3判定为非法闯入，并控制语音报警器进行非法闯入报警提示；
(e)当通道控制器(3)检测到一个目标单位依次通过闸机通道区域内的各个角度时，判定此目标单位已正常通过闸机通道，通道控制器(3)控制摆门机构(5)立即关闭，防止其他非法人员尾随通过。
步骤(e)中，当通道控制器3检测到有两个以上目标单位进入通道时，通道控制器3控制语音报警器进行尾随报警提示，并在第一个目标单位通过闸机通道后立刻关闭摆门机构5，阻拦尾随人员。
步骤(e)中，在通道控制器(3)检测一个目标单位依次通过闸机通道区域内的各个角度的过程中，通道控制器(3)还根据目标单位在在每个阶段中位移变化的距离及时间计算出目标单位移动的平均速度，具体为，根据目标单位在每个阶段的位移变化的距离除以位移变化的时间，计算出目标移动的速度，根据多段速度求平均值，得到目标移动的平均速度；当计算出的平均速度低于设定阈值时，判定通行的目标单位为老人、孕妇或残疾等存在运动障碍的人员，此时，当人员通过摆门机构5运动区域时，通道控制器3将摆门机构5的运行速度调整为低速，缓慢关门，以充分保证老弱病残等特殊人群的身体安全；当判断出所求平均速度高于设定阈值时，通道控制器3控制摆门机构5立刻以正常速度关闭，阻拦尾随人员。

Claims (10)

1.一种基于激光雷达探测技术的闸机设备，其特征在于：包括主机箱体(1)和从机箱体(2)，主机箱体(1)内设有通道控制器(3)和激光雷达(4)，且主机箱体(1)侧面与激光雷达(4)对应高度位置设有一圈透光罩，激光雷达(4)工作过程中产生的光束透过透光罩之后对闸机外部目标扫描测距；所述主机箱体(1)和从机箱体(2)上方均设有身份验证单元(6)；所述主机箱体(1)和从机箱体(2)靠近闸机通道侧安装有摆门机构(5)；所述激光雷达(4)、摆门机构(5)和身份验证单元(6)均连接于通道控制器(3)。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达探测技术的闸机设备，其特征在于：所述激光雷达(4)水平安装在主机箱体(1)内，激光雷达(4)的光束扫描圆面与水平面平行。
3.根据权利要求2所述的基于激光雷达探测技术的闸机设备，其特征在于：所述激光雷达(4)的测距参数大于闸机通道的宽度。
4.根据权利要求1所述的基于激光雷达探测技术的闸机设备，其特征在于：所述通道控制器(3)具备多个信号输入接口，通道控制器(3)通过信号输入接口接收身份验证单元(6)发送的授权信号，从而控制摆门机构(5)打开。
5.根据权利要求1所述的基于激光雷达探测技术的闸机设备，其特征在于：还包括语音报警器，语音报警器与通道控制器(3)的信号输出端连接。
6.根据权利要求1所述的基于激光雷达探测技术的闸机设备，其特征在于：构建双闸机通道时，将设有通道控制器(3)和激光雷达(4)的主机箱体(1)设置在两个从机箱体(2)中间。
7.根据权利要求1至6任一项所述的基于激光雷达探测技术的闸机设备，其特征在于：所述闸机设备的机身长度为100mm～200mm。
8.一种根据权利要求1所述基于激光雷达探测技术的闸机设备的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通电后通道控制器(3)控制激光雷达(4)全方位旋转探测，激光雷达(4)将各个角度的的探测数据发送至通道控制器(3)；
(b)通道控制器(3)对激光雷达(4)的探测数据进行解析后，筛选出置信度高于设定阈值的探测数据，再根据筛选出的探测数据计算各角度光束所测得的障碍距离并保存；
(c)激光雷达(4)持续工作，通道控制器(3)对闸机通道区域内各角度的测距值进行解析；当闸机通道区域内任何角度的测距值发生变化时，通道控制器(3)判断此距离值是否小于闸机通道宽度，若小于闸机通道宽度，则认定此角度位置存在目标单位；
(d)通道控制器(3)向身份验证单元(6)发出身份验证请求，身份验证单元(6)验证通过后将授权开门信号发送至通道控制器(3)，通道控制器(3)控制摆门机构(5)打开，形成敞开放行的通道；
(e)当通道控制器(3)检测到一个目标单位依次通过闸机通道区域内的各个角度时，判定此目标单位已正常通过闸机通道，通道控制器(3)控制摆门机构(5)立即关闭。
9.根据权利要求8所述的基于激光雷达探测技术的闸机设备的运行方法，其特征在于：步骤(e)中，当通道控制器(3)检测到有两个以上目标单位进入通道时，通道控制器(3)控制语音报警器进行尾随报警提示，并在第一个目标单位通过闸机通道后立刻关闭摆门机构(5)。
10.根据权利要求8所述的基于激光雷达探测技术的闸机设备的运行方法，其特征在于：步骤(e)中，在通道控制器(3)检测一个目标单位依次通过闸机通道区域内的各个角度的过程中，通道控制器(3)还根据目标单位在在每个阶段中位移变化的距离及时间计算出目标单位移动的平均速度；当计算出的平均速度低于设定阈值时，判定通行的目标单位为存在运动障碍的人员，此时通道控制器(3)将摆门机构(5)的运行速度调至低速。
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