CN100458867C - 一种实现机动车和自行车分类的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现机动车和自行车分类的方法，包括：周期性地采集地磁场信号；对所采集的地磁场信号提取特征参数，包括响应时间和车辆速度；根据所提取的特征参数实现机动车和自行车的识别，并输出识别的结果。本发明还公开了一种实现机动车和自行车分类的装置，包括传感模块、信号调理模块、无线通信模块和电源模块；还包括车辆分类模块。本发明只需测量两个特征参数，就可实现车型的识别，使用简单方便；本发明体积小，只要放在路边就可识别车辆，便于布设和维护，并且可以和其它交通装置和设备进行无线通信，构成信息采集和控制系统。

Description

一种实现机动车和自行车分类的方法和装置

技术领域

本发明涉及道路监测系统中的车辆分类技术领域，特别涉及一种实现机动车和自行车分类的方法和装置。

背景技术

在我国，自行车是主要的出行工具。在《发展我国大城市交通的研究》一文中，作者提到：据统计，全国自行车的拥有量约为4亿辆，大多数城市自行车的拥有量已接近饱和或即将饱和。在《我国自行车的发展历程》一文中，作者就我国自行车发展存在的问题进行了探讨：由于自行车道路建设不成系统，自行车缺乏专用的行驶空间，造成了路段、交叉口处自行车与机动车争道，相互影响。因此在机动车和自行车混行的道路上，实现这两者的自动识别对道路管理、道路规划都具有重要意义。

目前国内外的研究重点都放在机动车车型的识别问题上，现有技术中已经研制出了地磁线圈分类器、激光分类器、视频分类器等分类装置。广州运星科技有限公司研发的TS-DR3.0基础交通数据检测分析系统就是一个典型的地磁线圈分类器，它的识别步骤分为：样本采集、信息归类、提取信息特征参数和识别车型。它的识别原理是：不同型号的车辆经过地磁线圈时生成的频率曲线不同。但该系统只能识别机动车的车型，无法分辨机动车和自行车。而且该系统在安装时需要安装在路面下，不利于系统的安装和维护。

中原光电测控技术公司研制的激光车型识别系统则是一种典型的激光分类器，它由超声探测器、激光发射装置、激光接收装置和计算机终端处理器组成。它的检测原理是：超声探测器通过接收车辆回波信号来区分单车和拖挂车；激光发射和接收装置通过测量车轮边缘经过光束时刻来得到车型底盘参数。该识别系统暂未能识别机动车和自行车。

现有技术中还有一些其它类型的识别装置，如红外分类器、视频分类器等，它们也可对车辆类型进行区分，但缺点是易受天气变化的影响，且尚未具备机动车和自行车分类的功能。

公安部城市交通管理科学研究所进行了一项自行车群体流量检测方法的研究。他们利用安装在道路表面或地面下的环形线圈测量群体自行车特征，并通过对单辆自行车特征的提取来达到计算群体自行车数量的目的。该方法针对自行车道的车流量检测，并没有涉及机动车和自行车的分类，且环行线圈需安置在道路表面，不利于维护。

此外，目前大部分车辆识别装置都是通过有线方式进行传输，不利于布设和维护，且不利于道路车辆分类系统的扩展。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术只能识别机动车车型，无法分辨机动车和自行车的缺陷，从而提供一种实现机动车和自行车分类的方法。

本发明的另一个目的是克服现有系统在安装时需要安装在路面下，不利于安装和维护的缺陷，从而提供一种实现机动车和自行车分类的装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种实现机动车和自行车分类的方法，包括以下步骤：

步骤10)、周期性地采集地磁场信号；

步骤20)、对步骤10)中所采集的地磁场信号提取特征参数，所述的特征参数包括响应时间和车辆速度；

步骤30)、根据步骤20)中所提取的特征参数实现机动车和自行车的识别，并输出识别的结果。

上述技术方案中，在所述的步骤10)中，采集地磁场信号的周期在10毫秒到50毫秒之间。

上述技术方案中，所述的步骤20)包括以下步骤：

步骤21)、计算车辆的响应时间，所述的响应时间为所述地磁场信号波形的宽度；

步骤22)、计算车辆的行驶速度。

在所述的步骤21)中，所述的计算车辆的响应时间包括以下步骤：

步骤21-1)、计算波形的上升时间和波形的下降时间；

步骤21-2)、计算波形上升时间和下降时间的差值，判断它们的差的绝对值是否小于第一阈值，若是，则执行步骤21-3)，否则，执行步骤21-4)；

步骤21-3)、响应时间的值为波形上升时间和下降时间的和；

步骤21-4)、响应时间的值为波形上升时间和下降时间的较大值的两倍。

所述第一阈值的值在50～200毫秒之间。

在所述的步骤22)中，所述的计算车辆的行驶速度包括以下步骤：

步骤22-1)、车辆分类器A发送自己的本地时间T_TA；

步骤22-2)、车辆分类器B接收到车辆分类器A的本地时间T_TA后，将自己的本地时间T_TB设置为T_TA+δ_t，其中，δ_t是一个用于同步的微小时间；

步骤22-3)、把车辆分类器A和车辆分类器B中的初始时间T_Ap和T_Bp清零；

步骤22-4)、判断车辆分类器A是否检测到一辆车，若是，执行下一步，否则在下一个周期重新执行本步骤；

步骤22-5)、设定车辆分类器A检测到车辆的时间为T_Ap；

步骤22-6)、判断第二个车辆分类器B是否检测到车辆，若是执行下一步，否则在下一个时间周期内重新执行本步骤；

步骤22-7)、设定车辆分类器B检测到车辆的时间为T_Bp；

步骤22-8)、计算T_Ap和T_Bp的差，记录结果为T_ApBp，然后将两个车辆分类器之间的距离L除以时间差T_ApBp，得到车辆的速度。

所述的δ_t的值在10毫秒～30毫秒之间选取。

上述技术方案中，所述的步骤30)具体包括以下步骤：

步骤30-1)、对响应时间和车辆速度进行处理；

步骤30-2)、把步骤30-1)中的处理结果与第二阈值进行比较，如果处理结果大于该阈值，则执行下一步，否则执行步骤30-4)；

步骤30-3)、发送消息“有一辆汽车经过”，结束操作；

步骤30-4)、发送消息：“有一辆自行车经过”。

在所述的步骤30-1)中，所述的处理为对响应时间和车辆速度做乘积，或对响应时间和车辆速度做加权和，或对响应时间和车辆速度做指数加权和，或对响应时间和车辆速度做指数加权积。

上述技术方案中，当所述的处理为对响应时间和车辆速度做乘积时，所述第二阀值的值在(22～30)(公里/小时*秒)之间。

本发明还提供了一种实现机动车和自行车分类的装置，包括传感模块301、信号调理模块302，还包括车辆分类模块303；其中，所述的车辆分类模块303包括用于提取特征参数的特征提取单元3032，用于识别车型的车型识别单元3033，以及用于控制、协调装置中其他模块工作的控制单元3031；所述的传感模块301用于采集地磁场信号，所述的信号调理模块302用于放大信号并对信号做模数转换；

所述的传感模块301采集地磁场信号后，将所采集到的信号传输到信号调理模块302中，由信号调理模块302对信号做放大处理，并实现模数转换，模数转换后的信号输入到车辆分类模块303，所述的车辆分类模块从输入信号中提取包括响应时间和车辆速度在内的特征参数，并根据特征参数识别车辆的类型。

上述技术方案中，所述装置还包括用于发送车辆识别结果的无线通信模块304。

所述的传感模块301为磁阻传感器或磁感应线圈或霍尔效应磁场传感器或磁敏二极管或磁敏三极管。

所述的信号调理模块302包括放大器3021、A/D转换部件3023和复位部件3022。

所述的车辆分类模块303在可编程逻辑芯片上实现。

本发明的优点在于：

1、本发明的基于车辆的磁场响应时间和车辆速度的车辆识别方法，只需测量两个特征参数，就可实现机动车和自行车的识别，使用简单方便；

2、本发明在提供车辆类型信息的同时，还可以提供车速信息；

3、本发明的机动车和自行车分类装置体积小，只需放置于路边就可识别车辆，便于布设和维护；

4、本发明的机动车和自行车分类装置通过无线进行数据传输，无需铺设线路，便于系统布设和扩展；

5、多组车辆分类装置可以通过无线通信并采用自组织多跳方式形成网络；

6、本发明的机动车和自行车分类装置可以和其它交通装置和设备进行无线通信，构成特定的信息采集和控制系统。

附图说明

图1为车辆经过一个区域时引起地磁场变化的示意图；

图2为本发明中机动车和自行车分类方法的流程图；

图3为本发明中机动车和自行车分类装置的示意图；

图4A为本发明中响应时间的定义的示意图；

图4B为波形重叠情况的示意图；

图4C为响应时间计算方法的流程图；

图5A为本发明中一个实施例的车速测量场景示意图；

图5B为计算车辆速度方法的流程图；

图6为本发明一个实施例的车辆识别方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，车辆101在行驶过程中会引起区域102附近的地磁场的扰动，从图中可以看出，车辆101附近的地磁场与其他区域的地磁场之间的磁场强度有明显不同。本发明通过分析机动车和自行车行驶过程中地磁场强度的不同变化曲线，提取特征参数，从而实现车辆车型的识别。

在上述原理的基础上，本发明提供了一种机动车和自行车分类的实现方法，如图2所示，该方法的具体实现步骤如下：

步骤10、周期性地采集地磁场信号。采集地磁场信号的周期在10毫秒到50毫秒之间，当有车辆经过时，地磁场信号会发生变化，所采集到的地磁场信号如图4A所示。在本发明中，对地磁场的信息是用电压信号等其他形式来表示的，在下文中用地磁场信号表示这些带有地磁场信息的信号。

步骤20、提取特征参数。在本发明中，所涉及到的特征参数主要有两种，一种是响应时间，另一种是车辆速度。因此，在提取特征参数时，需要分别对响应时间和车辆的行驶速度进行计算。

步骤21、计算车辆的响应时间。在步骤10中已经提到，当有车辆经过时，会采集到如图4A所示的电压信号，该电压信号中包含有地磁场信息。电压信号的波形宽度被称为响应时间，在图4A中用402表示。车辆响应时间的长短与车辆类型及车辆速度有关：当机动车和自行车以相同速度经过车辆分类器时，机动车的响应时间较长，自行车的响应时间较短；对于同一辆车，当该车以较快速度经过车辆分类器时，对应的响应时间短，当该车以较慢速度经过车辆分类器时，对应的响应时间长。

在图4C中，对响应时间的计算方法做了详细的说明，具体实现步骤如下：

步骤21-1、计算波形的上升时间404和波形的下降时间403，用t_r表示上升时间，用t_f表示下降时间。对波形上升时间和下降时间的计算属于本领域的现有技术，本领域的普通技术人员都可以实现。

步骤21-2、计算波形上升时间和下降时间的差值，判断它们的差的绝对值是否小于一个阈值Threshold1，若是，则执行步骤21-3，否则，执行步骤21-4；

步骤21-3、响应时间的值为波形上升时间和下降时间的和；

步骤21-4、响应时间的值为2×max(t_r，t_f)。

在计算响应时间的实现过程中，由于在某些特殊情况下，两辆车的波形可能重叠，即出现图4B中405或406所示的情况，此时，上升时间404与下降时间403的差别较大，不能简单地把波形上升时间和下降时间的和作为响应时间，因此，在步骤21-2中增加了一个上升时间和下降时间的差的绝对值的判断步骤，对于上升时间与下降时间的差值大于阈值Threshold1的情况下(即波形重叠的情况下)，响应时间的计算过程应当如步骤21-4所示。此外，在步骤21-2中所述的阈值Threshold1的具体取值根据需要决定，通常在50～200毫秒之间。

步骤22、计算车辆的行驶速度。如图5A所示，在对车辆进行测速时，需要在道路上放置两个车辆分类器501和502，分别用分类器A和分类器B表示。计算车辆行驶速度的原理是将两个车辆分类器之间的距离除以一辆车经过两个车辆分类器的时间差。因此，为了保证两个车辆分类器之间的时间差针对的是同一辆车，两个车辆分类器之间的距离不能太长，使得在这段距离内尽量不发生超车现象。在实际应用中，两个分类器之间的距离L在2到5米之间，在本实施例中为3米。如图5B所示，计算车辆行驶速度的具体实现步骤如下：

步骤22-1、车辆分类器A发送自己的本地时间T_TA；

步骤22-2、车辆分类器B接收到车辆分类器A的本地时间T_TA后，将自己的本地时间T_TB设置为T_TA+δ_t，其中，δ_t是一个用于同步的微小时间，它的值在(10～30)毫秒之间选取；

步骤22-3、把车辆分类器A和车辆分类器B中的初始时间T_Ap和T_Bp清零；

步骤22-4、判断车辆分类器A是否检测到一辆车，若是，执行下一步，否则在下一个周期重新执行本步骤；

步骤22-5、设定车辆分类器A检测到车辆的时间为T_Ap；

步骤22-6、判断第二个车辆分类器B是否检测到车辆，若是执行下一步，否则在下一个时间周期内重新执行本步骤；

步骤22-7、设定车辆分类器B检测到车辆的时间为T_Bp；

步骤22-8、计算T_Ap和T_Bp的差，记录结果为T_ApBp，然后将两个车辆分类器之间的距离除以时间差T_ApBp，得到车辆的速度。其计算公式为：Velocity＝L/T_ApBp。

步骤30、根据步骤20中所提取的特征参数实现机动车和自行车的识别，并输出识别的结果。在前文中已经提到，步骤20中所提取的特征参数包括响应时间和车辆速度，对这两个特征参数进行处理，可以用于车辆类型的判别。

步骤30-1、把响应时间和车辆速度做乘积，得到的结果用RTVvalue表示；

步骤30-2、把步骤30-1中的计算结果与一个阈值Threshold2进行比较，如果计算结果大于该阈值，则执行下一步，否则执行步骤30-4；

步骤30-3、发送消息：“有一辆汽车经过”，结束操作；

步骤30-4、发送消息：“有一辆自行车经过”。

在本实施例中，对响应时间和车辆速度的处理采用做乘积的方式，但在实际使用中，还可以采用其它方式，包括用响应时间和速度的加权、指数加权和和或指数加权积等。在上述操作中，所述的阈值根据实验结果得到的预设值，它的值在(22～30)(公里/小时*秒)之间选取。

下面对本发明的实现机动车和自行车分类方法中所采用的分类装置进行说明。

图3是本发明的车辆分类装置的结构图，该装置包括传感模块301、信号调理模块302、车辆分类模块303、无线通信模块304和电源模块305；其中，电源模块305与装置中的传感模块301、信号调理模块302、车辆分类模块303、无线通信模块304电连接，车辆分类模块303还与装置中的传感模块301、信号调理模块302、无线通信模块304电连接，传感模块301还与信号调理模块302电连接。

传感模块301在车辆分类模块303的控制下周期性地采集原始磁场信号，并将地磁场信号转换为其它形式易于处理的信号。在本实施例中，传感模块301将地磁场信号转换为电压信号。传感模块301由磁阻传感器或磁感应线圈或其它类型能够检测地磁场的传感器组成，如霍尔效应磁场传感器、磁敏二极管、磁敏三极管。

信号调理模块302接收传感模块301转换后的信号，在放大器3021中对信号做放大处理，并将放大后的信号在A/D转换部件3023中做A/D转换。放大器3021的选取与传感器的分辨率、传感器的灵敏度和A/D转换的参考电压有关，它的放大倍数一般在(1000～4000)倍之间。信号调理模块302中还有复位部件3022，该部件的复位功能只有在传感器受到强磁场干扰后才起作用，复位部件3022对传感器进行复位，使之恢复正常。

带有地磁场信息的信号经过调理后，被车辆分类模块303接收，在模块中的特征提取单元3032中实现对响应时间和车辆速度等特征参数的提取，在模块中的车型识别单元3033中，根据所提取的特征参数对车辆的类型进行识别。车辆分类模块303的控制单元3031负责传感模块301、信号调理模块302、无线通信模块304和电源模块305的控制工作，使各模块能够协调工作。

车辆分类模块303得到对车辆类别的检测结果后，将结果发送到无线通信模块304，无线通信模块304将表示“有一辆汽车经过”或“有一辆自行车经过”的消息发送出去，这些消息被服务器或监控主机接收。车辆分类模块303通过可编程逻辑芯片实现，在实际应用中可以采用例如AVR系列单片机、PIC系列单片机、MSP430系列单片机、Philip51系列单片机、AT51系列单片机、STC51单片机、凌阳51系列单片机、ARM系列微处理器、XilinxFPGA(Spartan系列，Virtex系列)、Altera FPGA(Cyclone系列，CycloneII系列，Startix系列，StratixII系列)、TI DSP(TMS320C2000系列，TMS320C5000系列，TMS320C6000系列)、ADI DSP(Blackfin系列，ADSP系列，TS系列)、Motorola DSP(DSP系列，MSC系列，MC系列)、杰尔DSP(SC1000系列，SC2000系列)等多种类型的芯片。

电源模块305在DC/DC转换单元3051中执行电压转换任务，并由电池3052为传感模块301、信号调理模块302、车辆分类模块303和无线通信模块304提供能量。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (15)

1、一种实现机动车和自行车分类的方法，包括以下步骤：

步骤10)、周期性地采集地磁场信号；

步骤20)、对步骤10)中所采集的地磁场信号提取特征参数，所述的特征参数包括响应时间和车辆速度；

步骤30)、根据步骤20)中所提取的特征参数实现机动车和自行车的识别，并输出识别的结果。

2、根据权利要求1所述的实现机动车和自行车分类的方法，其特征在于，在所述的步骤10)中，采集地磁场信号的周期在10毫秒到50毫秒之间。

3、根据权利要求1所述的实现机动车和自行车分类的方法，其特征在于，所述的步骤20)包括以下步骤：

步骤21)、计算车辆的响应时间，所述的响应时间为所述地磁场信号波形的宽度；

步骤22)、计算车辆的行驶速度。

4、根据权利要求3所述的实现机动车和自行车分类的方法，其特征在于，在所述的步骤21)中，所述的计算车辆的响应时间包括以下步骤：

步骤21-1)、计算波形的上升时间和波形的下降时间；

步骤21-2)、计算波形上升时间和下降时间的差值，判断它们的差的绝对值是否小于第一阈值，若是，则执行步骤21-3)，否则，执行步骤21-4)；

步骤21-3)、响应时间的值为波形上升时间和下降时间的和；

步骤21-4)、响应时间的值为波形上升时间和下降时间的较大值的两倍。

5、根据权利要求4所述的实现机动车和自行车分类的方法，其特征在于，所述第一阈值的值在50～200毫秒之间。

6、根据权利要求3所述的实现机动车和自行车分类的方法，其特征在于，在所述的步骤22)中，所述的计算车辆的行驶速度包括以下步骤：

步骤22-1)、车辆分类器A发送自己的本地时间T_TA；

步骤22-2)、车辆分类器B接收到车辆分类器A的本地时间T_TA后，将自己的本地时间T_TB设置为T_TA+δ_t，其中，δ_t是一个用于同步的微小时间；

步骤22-3)、把车辆分类器A和车辆分类器B中的初始时间T_Ap和T_Bp清零；

步骤22-4)、判断车辆分类器A是否检测到一辆车，若是，执行下一步，否则在下一个周期重新执行本步骤；

步骤22-5)、设定车辆分类器A检测到车辆的时间为T_Ap；

步骤22-6)、判断第二个车辆分类器B是否检测到车辆，若是执行下一步，否则在下一个时间周期内重新执行本步骤；

步骤22-7)、设定车辆分类器B检测到车辆的时间为T_Bp；

步骤22-8)、计算T_Ap和T_Bp的差，记录结果为T_ApBp，然后将两个车辆分类器之间的距离L除以时间差T_ApBp，得到车辆的速度。

7、根据权利要求6所述的实现机动车和自行车分类的方法，其特征在于，所述的δ_t的值在10毫秒～30毫秒之间选取。

8、根据权利要求1所述的实现机动车和自行车分类的方法，其特征在于，所述的步骤30)具体包括以下步骤：

步骤30-1)、对响应时间和车辆速度进行处理；

步骤30-2)、把步骤30-1)中的处理结果与第二阈值进行比较，如果处理结果大于该阈值，则执行下一步，否则执行步骤30-4)；

步骤30-3)、发送消息“有一辆汽车经过”，结束操作；

步骤30-4)、发送消息：“有一辆自行车经过”。

9、根据权利要求8所述的实现机动车和自行车分类的方法，其特征在于，在所述的步骤30-1)中，所述的处理为对响应时间和车辆速度做乘积，或对响应时间和车辆速度做加权和，或对响应时间和车辆速度做指数加权和，或对响应时间和车辆速度做指数加权积。

10、根据权利要求9所述的实现机动车和自行车分类的方法，其特征在于，当所述的处理为对响应时间和车辆速度做乘积时，所述第二阀值的值在(22～30)(公里/小时*秒)之间。

11、一种应用于权利要求1所述的实现机动车和自行车分类方法的装置，包括传感模块(301)、信号调理模块(302)，其特征在于，还包括车辆分类模块(303)；

其中，所述的车辆分类模块(303)包括用于提取特征参数的特征提取单元(3032)，用于识别车型的车型识别单元(3033)，以及用于控制、协调装置中其他模块工作的控制单元(3031)；所述的传感模块(301)用于采集地磁场信号，所述的信号调理模块(302)用于放大信号并对信号做模数转换；

所述的传感模块(301)采集地磁场信号后，将所采集到的信号传输到信号调理模块(302)中，由信号调理模块(302)对信号做放大处理，并实现模数转换，模数转换后的信号输入到车辆分类模块(303)，所述的车辆分类模块从输入信号中提取包括响应时间和车辆速度在内的特征参数，并根据特征参数识别车辆的类型。

12、根据权利要求11所述的实现机动车和自行车分类的装置，其特征在于，所述装置还包括用于发送车辆识别结果的无线通信模块(304)。

13、根据权利要求11或12所述的实现机动车和自行车分类的装置，其特征在于，所述的传感模块(301)为磁阻传感器或磁感应线圈或霍尔效应磁场传感器或磁敏二极管或磁敏三极管。

14、根据权利要求11或12所述的实现机动车和自行车分类的装置，其特征在于，所述的信号调理模块(302)包括放大器(3021)、A/D转换部件(3023)和复位部件(3022)。

15、根据权利要求11或12所述的实现机动车和自行车分类的装置，其特征在于，所述的车辆分类模块(303)在可编程逻辑芯片上实现。

Images