LED路灯路面照度自动检测系统设计

余中泼 刘桂雄 陈晓曼 万泉

摘 要：道路照明采用LED路灯导致照度降低，影响道路交通安全，研究基于自动车载平台的LED路灯路面照度检测系统，加强LED照明产品监督与检测技术。该系统检测流程根据国标制定，由自动检测装置与监控中心两部分组成，其中自动检测装置通过传感器感知照度值、距离值、角度值、路程值，角度值、路程值分别用于控制智能车直线行驶、定点定位，照度值通过ZigBee无线远程传输。通过与人工检测对比实验，结果表明：该系统较目前照度检测技术有高效率、低成本、高准确度等优点。

关键词：道路照度；车载平台；自动检测；LED

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）09-0088-04

0 引 言

道路照明目的是提供安全可见度[1]。LED（light emitting diode）照明技术以节能、低成本等诸多优点[2]逐渐被道路照明所采用，但根据美、英、德等国研究表明[3]，由于采用LED路灯导致路面照度降低，使道路交通事故发生率最多增加36%，这违背道路照明目的，故需加强LED照明产品监督与检测技术。目前LED路灯质量检测国内外研究动态主要表现在：1）提出新LED质量检测指标观点，给出测试方法[4-6]，对人工检测布点法进行改进并给出实验数据[7]，但都尚未得到认证；2）针对人工测量局限性，提出用检测软件进行实验室模拟测量[8]，但模拟检测准确度达不到要求；3）提出基于车载式（测量车用于机动车）道路照明测量不用设点逐点测量，也不用为排除其他车辆车灯引起干扰和保证测量人员安全而阻断交通[9-11]，但整套装置造价昂贵，影响其推广应用；4）随着数字成像技术发展，基于CCD道路照明测量技术是一种精度较高且方便可行测试方法[12-14]，但该技术还有待深入研究，需要更高精度相机、图像处理软件来估算光度参数才可达到实时准确测量结果。针对路面检测技术检测量大、检测效率低下等问题，笔者开发一套基于自动车载平台的LED路灯路面照度检测系统。

1 LED路灯路面照度检测系统原理框图

本检测系统的外界检测量有照度值、距离值、角度值、路程值，分别由照度传感器模块、相位激光测距模块、航向角模块、编码器模块进行检测。控制量由直流电机PWM控制，由中央处理器及电机驱动模块来实现。信号传输由ZigBee无线模块、2.4 GHz无线遥控模块来实现，下位机信号显示通过液晶屏显示，上位机数据显示由软件界面显示。图1为自动检测系统模块组成图。

自动测量前，通过激光测距确定两根灯杆间距离，依据GB/T 5700——2008《照明测量方法》标准[15]，采用中心布点法确定照度参数测试点，图2为自动测量工作原理示意图。自动测量装置向前直线行进，编码器模块实时监控移动距离，到达确定测试点后装置自动进行路面照度参数测量，将结果保存在存储模块并无线上传至监控中心，进行分析显示。随着测量装置从灯杆1走到灯杆2，即完成1个车道检测，如此依次完成各个车道检测。

2 系统关键模块设计

2.1 自动检测平台

采用后轮双直流电机驱动的履带式智能车作为自动测量装置，由金属履带、金属驱动轮、钢波箱等零件组成，具有避震装置，与轮式车比较，具有如下优点：1）转向半径小，可实现零角度转向，对于直线运动控制有非常大优势；2）抓地能力强，对地面平均压强低，通过性能更好，可适应较复杂路况地面检测；3）机动性强，波箱减速比机构可大大增强车前进动力，越障与爬坡效果好。

车体长360 mm，宽220 mm，具有0～25 km/h运动速度和360°全方位移动方向，载重5 kg，使用7.2 V 5 000 mAh镍氢电池，可保证以最大速度连续作业1 h。图3为履带式智能车平台硬件结构图。

2.2 车载测量系统

1）照度值由GY-30数字光模块测量，如图4所示，通过光电元件采集光能并转成电能，通过放大器放大电流，由AD器件转换成数字信号后通过总线形式将信号传出。芯片采用BH1750FVI，測量范围为1-65535lx，模块采用I2C总线接口。

2）距离值由相位激光测距模块实现测量，具有加减勾股测量功能，在没有反射板下测量范围为0.03～60 m，测量准确度达±1 mm，测量时间间隔为0.1～3 s，模块采用串行（TTL）通信。

3）角度值由GY-25航向角模块实现测量，可以测量三轴角度值，其工作原理是通过陀螺仪与加速度传感器经过卡尔曼数据融合算法直接得到角度值。测量范围为0～360°，分辨率达到0.01°，测量准确度为1°，响应频率为100 Hz，满足角度值实时采集要求。模块采用串行（TTL）通信。

4）路程值由E6A2-CW3C欧姆龙500线编码器实现测量，其原理是将电机转动的角位移转换成电信号，再转变成计数脉冲，从而用脉冲数来表示路程的大小。该编码器转一圈可产生500个脉冲，可达到本系统位置准确度要求，响应频率在70 kHz以上，满足实时测量要求。

2.3 车载控制系统

测量系统采集到的角度值、路程值作为车载控制系统输入量，用于控制履带式智能车的双直流电机速度与启停，来实现智能车直线定点行走。图5为车载反馈控制系统框图。

由测量道路的道路方向决定智能车给定方向，通过航向角模块输出的角度值与给定方向的偏差来对PWM波进行PID调节控制，使智能车保持沿着给定方向直线行驶。

由测量前的激光测距确定的两根灯杆间距离决定智能车给定距离，通过编码器模块输出脉冲数得出智能车向前行驶路程进行启停控制来测量照度。

2.4 车载远程监控系统

测量系统采集到的照度值通过车载无线通信系统远程传输到监控中心，并可实时出测试报告。无线传输采用ZigBee模块，核心芯片采用TI公司的CC2530，其传输可靠距离>800 m，自动重连距离在600 m以上，上位机采用基于Delphi设计的无线数据接收、显示，利用SQL数据库进行历史数据存储。

3 样机的实际测试

图6为本测试系统实物图，由自动车载端（即履带式智能车）与监控中心（即计算机）两部分组成。

检测路段选取广州市天河区岳洲路路段，双车道、路段长度30 m、宽度6.5 m，该路段整体建设标准高，照明设施较为完善，选择该路段作为检测对象具有典型性。使用“LED路灯路面照度自动检测系统”进行实地测试实验，与人工检测结果进行对比验证，以测试其实际应用效果。为减少对交通的影响，避开道路高峰时间，选择道路车流量较少的时间进行检测。检测前对检测车道进行围闭，用激光测距测得两灯杆之间距离为30.44 m，确定布点间距，按照国家标准GB/T 5700——2008《照明测量方法》的中心布点法来确定被测量点，在道路中线处测量。先进行人工逐点检测记录，测量点之间距离由皮尺确定。再进行车载式自动检测，将履带式智能车放在中线起始点，自动走完整个车道后，上位机实时显示其照度数据。

表1为实验数据，通过对比实验可以清楚看到车载式自动检测相比于传统人工检测节省2/3时间，大大提高检测效率，同时用平均照度表示人工与自动的照度检测结果，其相对误差δ=1.95%，准确度满足测量要求。

4 结束语

基于自动车载平台的LED路灯路面照度检测系统具有良好实用性，相比于现有检测技术，该系统优势在于：1）效率高。快速自动检测和输出检测结果，测量时间可节省2/3；2）成本低。人力成本只用1名测试人员就可完成整个测试工作；3）准确度高。机器代人，大大降低人工检测对检测结果准确性和一致性的影响。

本研究初步设计并实验道路照度检测新技术，处于尝试与探索阶段，还存在很多问题与不足，希望能从以下两点进行改良：1）优化小车结构，提升车体性能，提高续航能力；2）改善自动控制系统，进行严格测试，提高检测系统可靠性。

参考文献

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（编辑：刘杨）