CN101833860B

CN101833860B - 高精度超声波固定式交通流量调查设备

Info

Publication number: CN101833860B
Application number: CN2010101755636A
Authority: CN
Inventors: 陶平安; 陶劲松; 陶震宇
Original assignee: WUHAN LU'AN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Wuhan Lu'an Electronic Technology Group Co.,Ltd.
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2030-05-11
Also published as: CN101833860A

Abstract

本发明公开了一种高精度超声波固定式交通流量调查设备，包括超声波检测器和与其相连的在每个受检车道内纵向设置的两个超声波探头，超声波探头固定在公路上端的支架上，超声波探头内包括方波发生器、驱动电路、超声波发送器、超声波接收器、放大电路和比较电路，超声波检测器包括采集卡内的单片机、I/O口扩展芯片和104主机部分，安装在同一受检车道内的两个超声波探头发射的超声波频率分别为25KHz和40KHz，方波发生器和驱动电路之间设有编码器，放大电路和比较电路之间设有解码器。本发明能够有效避免多车道间声波相互干扰、提高检测精度。

Description

高精度超声波固定式交通流量调查设备

技术领域

本发明涉及交通流量调查技术领域，特别是涉及一种高精度超声波固定式交通流量调查设备。

背景技术

超声波在为人类熟知前，早已经在大自然界中存在了很长的一般时间。动物中如蝙蝠、鲸鱼、海豚即是以声纳波作为行进间的导向定位，目前，超声波已广用于工业、航海和医疗等领域。超声波在交调行业的应用始于日本。早期的模拟式超声波交调仪器既笨重、操作麻烦，而且可识别的车型种类较少；自从出现数字化超声波系统后，超声波在交调方面的应用才算进了一大步，不仅探测质量稳定，同时增加了探测结果再处理的可能性，为超声波成像出现奠定了基础。近年来由于计算机工业的大幅进展，带动了相关产品的研究，硬盘容量的扩大、内存的扩增、中央处理器的升级，使得数据的传输及运算加速不少，于是数字化的超声波成像式交调系统成了一个研究的方向。但是由于超声波发射与反射均在一直线上，因此针对目前的实际交通环境，单频超声波信号无法解决同一断面内的多车道数据采集问题。同一断面的多车道数据采集如采用单频超声波信号，将造成相邻两车道间超声波信号的重叠衍射，信号互相干扰，最终导致数据的丢失与不准，大大影响交通量统计数据的准确性与可靠性。现有的超声波交通流量调查设备发射的超声波没有规律，通常都是收到上一个超声波信号后再发射下一个超声波信号，不仅容易造成超声波信号丢失，而且取样点较少，导致识别车型不够准确，对车型的判断精度仅达60％～70％。综上所述，现有产品普遍存在多车道间声波相互干扰、检测精度有限的缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种能够有效避免多车道间声波相互干扰、提高检测精度的高精度超声波固定式交通流量调查设备。

本发明提供的高精度超声波固定式交通流量调查设备，包括超声波检测器和与其相连的在每个受检车道内纵向设置的两个超声波探头，超声波探头固定在公路上端的支架上，超声波探头内包括方波发生器、驱动电路、超声波发送器、超声波接收器、放大电路和比较电路；超声波检测器包括采集卡内的单片机、I/O口扩展芯片和104主机部分；安装在同一受检车道内的两个超声波探头发射的超声波频率分别为25KHz和40KHz，方波发生器和驱动电路之间设有编码器，放大电路和比较电路之间设有解码器；方波发生器生成指定的方波信号，方波信号经过编码器进行编码后，由驱动电路驱动超声波发送器每间隔5毫秒对地垂直发射超声波；超声波到达路面后向上反射，超声波接收器收到反射回来的超声波后经放大电路放大再进行解码，叠加发送方波的起始信号后，比较电路运算出差值；采集卡内的I/O口扩展芯片收到比较电路发送的叠加差值信号后，通过单片机进行取样，将车辆侧面投影数据化为一组高度数据，104主机部分对高度数据进行判别，通过检测路面车辆高度变化曲线计算出交通流量，通过检测车辆纵向外轮廓线识别车辆类型，通过车辆通过前后探头的时间差识别车速，并将得出的交通流量、车辆类型和车速传送至数据传输终端，再通过互联网将其传输给数据中心。

在上述技术方案中，所述单片机的取样频率为200Hz。

在上述技术方案中，所述超声波检测器内采集卡通过RS232串口与104主机部分相连。

本发明是利用超声波检测原理结合现代数字化信号编码技术，通过计算机通用技术与单片机应用，实现公路(高速公路)、桥梁、隧道及特殊路段的车流量信息采集，真实有效的反映交通流量数据的设备。

与现有技术相比，本发明主要具有如下优点：

①、由于安装在同一受检车道内的两个超声波探头发射的超声波频率分别为25KHz和40KHz，采用变频超声波发射，反射回来的超声波信号自然也不会重复叠加，解决了现有交通流量调查设备多车道间声波相互干扰的问题。

②、由于引入了对超声波信号的编码解码，超声波信号一一对应，不易丢失，并且将取样频率固定在200Hz，这样对于时速72km、车长5米的车辆，1秒内的取样数由8点增加到50点，车型判断准确度提高，车速、交通流量准确度也随之提高，精度由70％增加到95％，检测精度明显提高。

附图说明

图1为本发明超声波探头与超声波检测器的结构框图；

图2为本发明的信号流向示意图；

图3为本发明的工作流程图；

图4为本发明的超声波编码示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

参见图1所示，本发明提供的高精度超声波固定式交通流量调查设备，包括超声波检测器和与其相连的在每个受检车道内纵向设置的两个超声波探头，超声波探头固定在公路上端的支架上，超声波探头内包括方波发生器、驱动电路、超声波发送器、超声波接收器、放大电路和比较电路，超声波检测器包括采集卡内的单片机、I/O口扩展芯片和104主机部分，其中：安装在同一受检车道内的两个超声波探头发射的超声波频率不同，分别为25KHz和40KHz。方波发生器和驱动电路之间设有编码器，放大电路和比较电路之间设有解码器。超声波检测器内采集卡通过RS232串口与104主机部分相连。参见图2所示，超声波探头与超声波检测器连接，超声波检测器与数据传输终端连接，数据传输终端通过互联网传送至数据中心。

参见图3所示，方波发生器生成指定的方波信号，方波信号经过编码器进行编码后，由驱动电路驱动超声波发送器每间隔5毫秒对地垂直发射超声波；超声波到达路面后向上反射，超声波接收器收到反射回来的超声波后经放大电路放大再进行解码，叠加发送方波的起始信号后，比较电路运算出差值；采集卡内的I/O口扩展芯片收到比较电路发送的叠加差值信号后，通过单片机进行取样，取样频率固定在200Hz，将车辆侧面投影数据化为一组高度数据，104主机部分对高度数据进行判别，通过检测路面车辆高度变化曲线计算出交通流量，通过检测车辆纵向外轮廓线识别车辆类型，通过车辆通过前后探头的时间差识别车速，并将得出的交通流量、车辆类型和车速传送至数据传输终端，再通过互联网将其传输给数据中心。

本发明的工作原理详细阐述如下：

交通流量采集的数据包括车型、流量和车速三个基本元素，其中，完成了车型识别就可以直接得到流量数据，所以，前台的检测设备实际上是完成两个检测：车型识别和车速检测。

超声波检测交通流量的原理：检测路面运动物体高度变化曲线。

车型识别原理：识别车辆纵向外轮廓线。

车速识别原理：车辆通过前后探头的时间差识别车速。

同一断面多车道车型识别原理分析：为实现超声波技术在实际交通流量断面车型识别领域的应用，遂开发了编码变频超声波发射系统，即实现了相邻车道间超声波信号的不重叠、不衍射、不干扰的三“不”功能，同时为实现车型分类的准确性、可靠性以及可调性，遂开发了车型数据模型比对系统，实现了车型外观侧面轮廓曲线数据与车型模型数据实时比对。

本发明中单片机设置的取样频率固定在200Hz，即以5毫秒为时间间隔对地垂直发射超声波信号，之所以以200Hz作为该系统超声波发射频率原因有二：

其一，该系统主要安装于各交通要道、高速公路，所在路段均存在车流量大，车速高的特点。以高速公路为例：高速公路普遍限速100Km/h，即行驶车辆在正常情况下均会将车速保持在时速100公里范围内(当然也存在严重超速的情况，此处不赘述)。当车速达到每小时90公里，该车每秒将前进25米，假设该车为小型轿车车长4米，则全车通过固定检测断面所需时间为0.16秒。如果该车以每小时180公里的时速行驶，则全车通过该固定检测断面的用时仅为0.08秒，即80微秒。为有效提高流量检测精度，最大限度的检测出可能存在的超速车辆，同时平衡现有设备的应用极限以及成本造价，故将发射频率确定在200Hz。

其二，对地发射的超声波在接触到被检测物体时难免出现反射波偏离原有垂直轨道的情况，造成部分数据的缺失，因此在被检测车辆高速通过检测断面时，检测系统接收到的反射波越多，则对被检测车辆的轮廓侧面信息描绘就越详细、越准确，车型分类的精确度也就越高。在行驶车辆以每小时90公里的速度通过检测断面时，假设该车辆车长为5米，则全车通过检测断面所需时间为0.2秒，即200毫秒。因此在该车辆通过检测断面时，检测系统累计向该被检测车辆发射超声波信号40次(每5毫秒发射一次)，由此可以断定检测系统所能接收到的最大超声波信号数为40个。即便期间发生信号反射轨迹偏离导致信号丢失的情况，依旧可以保证97％(反复试验所得数据)的反射信号被接收到，因此车型分类精度能够得以保证。

超声波信号的发射与接收：理论上来说每一个超声波信号的发射都伴随着该信号的反射接收，尽管在不间断的发射与接收过程中，存在着反射信号丢失的情况，但由于这种情况出现的次数极少，与巨大的信号发射量相比在此可以忽略不计。

参见图4所示，对于每个发射信号以及接收信号，该系统均进行了标定编码，即发射信号1对应接收信号1，发射信号2对应接收信号2，以此类推。以一秒为一个周期，对每秒钟发射的两百个超声波信号从1到200进行标定编码，同样对反射信号从1到200进行标定编码。两个发射信号时间间隔之间如未接收到任何反射信号，则认为该反射信号偏离垂直反射轨迹，即信号丢失(对于丢失的信号不做记录、解码)。

解码步骤：

1.在同一道路上安装前后两个超声波发射器，初始化中间距离为S，根据被测车辆触动第一个超声波发射器A与第二个超声波发射器B之间的时间间隔获得车速V。

2.在被检车辆完全通过超声波发射器B后，系统统计总共接收到的反射波数量N，并根据每个反射波的发射间隔(对于每个丢失信号，此处默认为1进行累加填补)得到被检车辆的总长度，即L＝0.005N·V

在获得被检车辆长度后，系统根据其长度将超声波反射信号中的高度信息逐一解码标定还原到车辆长度的横轴线上，最终获得一个二维的车辆侧面轮廓图。使用超声波成像识别车辆的方法是获取车辆侧向图像，这个完全省略了细节，纯由高度H和径向长度L组成的图像完全能被识别出车型。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.高精度超声波固定式交通流量调查设备，包括超声波检测器和与其相连的在每个受检车道内纵向设置的两个超声波探头，超声波探头固定在公路上端的支架上，超声波探头内包括方波发生器、驱动电路、超声波发送器、超声波接收器、放大电路和比较电路；超声波检测器包括采集卡内的单片机、I/O口扩展芯片和104主机部分；其特征在于：安装在同一受检车道内的两个超声波探头发射的超声波频率分别为25KHz和40KHz，方波发生器和驱动电路之间设有编码器，放大电路和比较电路之间设有解码器；方波发生器生成指定的方波信号，方波信号经过编码器进行编码后，由驱动电路驱动超声波发送器每间隔5毫秒对地垂直发射超声波；超声波到达路面后向上反射，超声波接收器收到反射回来的超声波后经放大电路放大再进行解码，叠加发送方波的起始信号后，比较电路运算出差值；采集卡内的I/O口扩展芯片收到比较电路发送的叠加差值信号后，通过单片机进行取样，将车辆侧面投影数据化为一组高度数据，104主机部分对高度数据进行判别，通过检测路面车辆高度变化曲线计算出交通流量，通过检测车辆纵向外轮廓线识别车辆类型，通过车辆通过前后探头的时间差识别车速，并将得出的交通流量、车辆类型和车速传送至数据传输终端，再通过互联网将其传输给数据中心；所述单片机的取样频率为200Hz。

2.如权利要求1所述的高精度超声波固定式交通流量调查设备，其特征在于：所述超声波检测器内采集卡通过RS232串口与104主机部分相连。