CN103413449B - 一种高速公路匝道智能指路系统及其指路方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高速公路匝道交通指路技术领域，公开了一种高速公路匝道智能指路系统及其指路方法。该高速公路匝道智能指路系统，包括位于每条高速公路匝道入口处的门式框架，还包括：安装在车辆上的车载导航系统和无线信号发射器；所述门式框架的横梁上安装有ARM9处理器、N个无线信号接收器、N个摄像机以及N个LED显示屏，N为高速公路匝道入口处对应的车道数，每个车道的上方对应固定有一个无线信号接收器、一个摄像机和一个LED显示屏；所述车载导航系统电连接所述无线信号发射器，所述ARM9处理器分别电连接N个无线信号接收器、N个摄像机和N个LED显示屏。

Description

一种高速公路匝道智能指路系统及其指路方法

技术领域

本发明属于高速公路匝道交通指路技术领域，特别涉及一种高速公路匝道智能指路系统及其指路方法。

背景技术

指路标志是传递道路方向、地点、距离的标志，指路标志信息量的大小以及所指示内容的易辨认性会对驾驶员行车方便性和快捷性关键性的影响。为了满足交通通行需要以及美观等方面的要求，现有高速公路匝道设计越来越复杂，为使驾驶员能正确选择匝道，与之配套的高速公路匝道指路标志的内容也越来越多，但是其易读性极差，很大程度上起不到正确指示驾驶员行车的作用。对道路情况不了解的陌生驾驶员在高速公路上行车时，绝大多数情况下都需要靠高速公路匝道指路标志来指导行车，但是由于高速公路匝道指路标志内容过多、驾驶员需要的路径信息不明显等原因，驾驶员不能在辨认距离内有效的获取高速公路匝道指路标志上的有用信息，从而走错匝道，这样给人们出行带来了极大的不便。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高速公路匝道智能指路系统及其指路方法。该高速公路匝道智能指路装置投资费用少，适合规模化推广，其指路方法具有智能化、自动化、无需操作和可靠性高的特点。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种高速公路匝道智能指路系统，包括位于每条高速公路匝道入口处的门式框架，其特征在于，还包括：安装在车辆上的车载导航系统和无线信号发射器；所述门式框架的横梁上安装有ARM9处理器、N个无线信号接收器、N个摄像机以及N个LED显示屏，N为高速公路匝道入口处对应的车道数，每个车道的上方对应固定有一个无线信号接收器、一个摄像机和一个LED显示屏；所述车载导航系统电连接所述无线信号发射器，所述ARM9处理器分别电连接N个无线信号接收器、N个摄像机和N个LED显示屏。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

所述无线信号发射器和无线信号接收器均采用nRF2401单片射频收发芯片。

所述一种高速公路匝道智能指路系统，还包括安装在车辆上的单片机，所述车载导航系统通过单片机电连接无线信号发射器。

所述每个摄像机的镜头朝向对应车道的来车方向，所述每个LED显示屏面向对应车道的来车方向。

技术方案二：

一种高速公路匝道智能指路方法，基于上述一种高速公路匝道智能指路系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1：所述N个LED显示屏均显示固定路径信息，所述固定路径信息包括：高速公路匝道入口处所有车道对应的行车方向，以及高速公路匝道入口处所有车道对应的目的地；

在高速公路匝道入口处的每个车道上的摄像机拍摄范围以内，选取多个标定点，采集这些标定点的经纬度数据，确定每个车道上的摄像机拍摄范围对应的经纬度范围；

S2：每个摄像机采集对应车道的道路图像，并将道路图像发送至ARM9处理器；如果车辆的车载导航系统处于开启状态，车载导航系统将车辆地理数据发送至无线信号发射器，所述车辆地理数据包括车辆所在位置的经纬度和行驶目的地；无线信号发射器将车辆地理数据通过无线信道发送出去；至少一个无线信号接收器接收到所述车辆地理数据后，将其发送至ARM9处理器；

S3：在ARM9处理器中，提取出道路图像中车辆的车牌图像，进而提取出车辆的车牌号的前两位字符，确定车辆的归属地；

S4：如果ARM9处理器在设定时间段内没有收到来自无线信号接收器的车辆地理数据，则根据车辆的归属地确定对应的参考路径信息，将参考路径信息发送至对应的LED显示屏；所述设定时间段为ARM9处理器提取出车辆的车牌号的前两位字符之后的k秒，k为1至5；

如果ARM9处理器在设定时间段内收到来自无线信号接收器的车辆地理数据，则根据车辆行驶目的地确定对应的参考路径信息，然后根据车辆所在位置的经纬度和每个摄像机拍摄范围对应的经纬度范围，确定车辆位于哪个摄像机的拍摄范围之内，然后将参考路径信息发送至对应的LED显示屏；

S5：在所述对应的LED显示屏上显示所述参考路径信息，所述参考路径信息显示在对应的固定路径信息的后面。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

在步骤S1中，利用手持GPS导航仪分别采集多个标定点的经纬度数据。

在步骤S3之前，所述ARM9处理器对所述道路图像进行滤波。

所述高速公路匝道智能指路系统还包括安装在车辆上的单片机，所述车载导航系统通过单片机电连接无线信号发射器；在步骤S2中，车载导航系统将车辆地理数据发送至单片机；单片机将车辆地理数据封装为数据包，然后将所述数据包发送至无线信号发射器；无线信号发射器将所述数据包通过无线信道发送出去；至少一个无线信号接收器接收到所述数据包后，将其发送至ARM9处理器；

在步骤S4中，当ARM9处理器接收到来自无线信号接收器的数据包后，将所述数据包解析为车辆行驶目的地和车辆所在位置的经纬度。

本发明的有益效果为：本发明的一种高速公路匝道智能指路系统将传统的高速公路匝道指路交通标志换成显示可变信息的LED显示屏，在显示指路信息时，此LED显示屏在显示固定路径信息的基础上，将车辆要经过的参考路径信息凸显出来。本发明具有投资费用少、设计简单、可靠性高的特点。本发明的一种高速公路匝道智能指路方法具有智能化高的特点，对驾驶员快速准确获取有用的指路交通信息起到很好的促进作用。

附图说明

图1为本发明的一种高速公路匝道智能指路系统的结构示意图；

图2为本发明的一种高速公路匝道智能指路系统的电气连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的一种高速公路匝道智能指路系统的结构示意图；参照图2，为本发明的一种高速公路匝道智能指路系统的电气连接示意图。该高速公路的匝道入口处竖立有一个门式框架6，门式框架6有立柱和横梁组成，举例来说，该匝道入口处的道路为单向两车道。则首先进行设备的安装，具体安装过程如下：在门式框架6的横梁上安装两个摄像机3，这两个摄像机3对应安装在两个车道的中心线上方。两个摄像机3采用粗纹螺栓固定在门式框架6的横梁上，并且两个摄像机3以一定角度向下朝向对应车道的来车方向。由于摄像机3体积小，安装位置远离驾驶员视线注视区域，不会对驾驶员造成干扰。两个摄像机3用于采集对应车道的道路图像。本发明实施例中，摄像机3采用中星YJS-01USB2.0摄像头，其有效像素600万。

ARM9处理器1封装在金属盒中，通过导线与外界进行信号传输，ARM9处理器1固定在门式框架6的横梁中部。利用USB连接线分别将两个摄像机3与ARM9处理器1的USB接口连接。ARM9处理器1用于根据接收到的数据识别目标车辆的归属地，同时对驾驶员的驾驶意图作初步判断。本发明实施例中，ARM9处理器1的型号为S3C2410。

将单片机10安装在车载导航系统附近，本发明实施例中，单片机10采用89C52单片机；使用数据线连接车载导航系统9的数据接口和单片机10的I/O接口。无线信号发射器11安装在车辆5的发动机罩下方的空闲处，避免对无线信号发射器11形成遮挡，能够保证无线信号发射器11的正常工作。本发明实施例中，使用数据线连接无线信号发射器11的数据接口和单片机10的I/O接口，无线信号发射器11采用nRF2401单片射频收发芯片，将该nRF2401单片射频收发芯片设置为发射模式，以保证无线信号发射器11正常工作。车载导航系统9用于获取车辆行驶目的地和车辆所在的经纬度，并用于将车辆行驶目的地和车辆所在的经纬度发送至无线信号发射器11；无线信号发射器11用于接收车辆行驶目的地和车辆所在的经纬度，并用于通过无线信道将车辆行驶目的地和车辆所在的经纬度发送出去。

在门式框架6的横梁上安装有两个无线信号接收器2，这两个无线信号接收器2通过螺栓对应固定在两个摄像机3的旁边，避免对两个无线信号接收器2形成遮挡，保证两个无线信号接收器2的顺利工作。使用数据线分别将两个无线信号接收器2的信号接口与ARM9处理器1的I/O接口连接。本发明实施例中，两个无线信号接收器2均采用nRF2401单片射频收发芯片，将该nRF2401单片射频收发芯片设置为接收模式，以保证两个无线信号接收器2的正常工作。两个无线信号接收器2用于接收车辆行驶目的地和车辆所在的经纬度，用于将车辆行驶目的地和车辆所在的经纬度发送至ARM9处理器1。

在门式框架6的横梁的下方固定有两个LED显示屏4，这两个LED显示屏4对应安装在两个车道的上方，用于向对应车道的车辆提示路径信息。本发明实施例中，这两个LED显示屏4用于替代传统的固定信号匝道指路交通标志。使用数据线分别将两个LED显示屏4的数据接口和ARM9处理器1的I/O接口连接。本发明实施例中，LED显示屏4采用亮牌P10全彩高亮LED电子屏。

本发明实施例中，LED显示屏4显示的信息分为两种：固定路径信息以及参考路径信息。其中固定路径信息包括：高速公路匝道入口处所有车道对应的行车方向，以及所有车道对应的目的地。固定路径信息保持不变，始终显示在高速公路匝道入口处的所有LED显示屏4上。

参考路径信息是动态显示的路径信息，它显示在LED显示屏4上固定路径信息的后面。其具体显示过程如下：当车辆进入摄像机3的拍摄范围时，对应的摄像机3采集到的道路图像包括车辆的图像，ARM9处理器1分别接收摄像机3采集的车牌号信息，通过图像处理程序和对比判断得到车辆的归属地，同时接收无线信号接收器2发送的车辆行驶目的地和车辆所在位置的经纬度，对上述三组信息进行综合判断，分析出车辆5在哪个车道，并同时根据驾驶员的驾驶意图确定参考路径信息。在该车道上的LED显示屏4上突出显示该参考路径信息。根据具体情况，参考路径信息为：根据车辆归属地确定的参考路径信息，或根据车辆行驶目的确定的参考路径信息。下面举例说明固定路径信息以及参考路径信息，在高速公路匝道入口处共有三个车道，其中一个车道为南向北方向的直行车道，一个车道为北向南方向的直行车道，另一个车道为右转弯车道。则在高速公路匝道入口处的所有LED显示屏4上均显示如下固定路径信息：“南向北直行A地”，“北向南直行E地”“右转弯B地”；以上固定路径信息分为两行显示在LED显示屏4上。当一个车辆进入右转弯车道的摄像机的拍摄范围时，最终要显示的参考路径信息为：根据该车辆归属地确定的参考路径信息，或根据该车辆行驶目的确定的参考路径信息。该车辆的归属地为C地，车辆行驶目的为D地，而从高速公路匝道入口处行驶至C地需要沿右转弯车道行驶，而从高速公路匝道入口处行驶至D地，则需要掉头沿北向南方向的直行车道行驶。如果参考路径信息是根据该车辆归属地确定的，则在对应的LED显示屏4上，在“右转弯B地”的后面加上“C地”。如果参考路径信息是根据该车辆的行驶目的地确定的，则在对应的LED显示屏4上，在“北向南直行E地”的后面显示“D地”，从而提示车辆进行掉头。

在对目标车辆行驶意图进行判断时，为使驾驶员有足够的时间读取LED显示屏4上的信息，因此，无线信号发射器11的发射距离应该足够远，本实施例中采用的无线发射装置发射距离至少在500米以上，因此系统能够正常工作，不会出现高速公路匝道指路交通标志提示不及时的现象。

本发明实施例中，通过使用摄像机3采集对应车道上车辆的车牌图像，使用无线信号接收器2接收对应车道上车辆5发出的车载导航系统9中此目标车辆行驶目的地以及此目标车辆所在位置的经纬度，然后将摄像机3采集到的图像传输到ARM9处理器1，ARM9处理器1中的图像处理程序对采集到的车辆车牌图像进行处理，通过图像识别得到车辆的车牌号前两位字符，根据图像处理程序得到的车牌号前两位字符与ARM9处理器1中预先存储的各地区车牌号前两位字符比照，得出此车辆5的归属地，同时无线信号接收器2接收到的车辆5的行驶目的地以及此目标车辆所在位置经纬度传输至ARM9处理器1，在ARM9处理器1中，利用信号处理程序确定下车辆5是否要进入此处匝道和此目标车辆所在的车道，经上述处理后判断出车辆5的驾驶意图，在对应车道的LED显示屏4上，将此车辆5要经过的参考路径信息凸显出来，为驾驶员顺利获取有效的指路交通信息提供帮助。

本发明实施例的具体的工作过程包括以下步骤：

1）在两个车道上进行摄像机拍摄范围的经纬度标定，在车道对应的摄像机的拍摄范围内，选取足够多的标定点，优选地，摄像机的拍摄范围的边缘处，要设置足够多的标定点。首先对每个标定点进行经纬度的标定，从而确定下此车道摄像机拍摄范围对应的经纬度范围。其具体过程如下：测试人员使用手持GPS导航仪分别站在不同的标定点，对每个标定点的经纬度数据进行采集，从而建立起此车道摄像机拍摄范围对应的经纬度范围。对两个车道进行上述标定后，当车辆向门式框架驶来时，接收车辆发射的车载导航系统信号，将接收到的车辆所在位置经纬度与上述经纬度范围比较，便可确定车辆所在车道。

2）由于车辆经过此匝道的可能性具有随机性，因此，需要ARM9处理器根据接收的数据进行判断。当车辆向门式框架驶来时，摄像机采集到对应车道的道路图像，ARM9处理器对该道路图像进行预处理，其目的是去除摄像机所采集道路图像中的干扰信息。

由于不同天气条件下车道环境存在差异性，摄像机所采集到的道路图像中经常会出现与车辆无关的信息，这些信息对于车辆车牌号识别会产生干扰，因此在图像处理过程中首先对道路图像进行滤波，例如采用中值滤波算法进行滤波。对于道路图像中的某一个像素点，计算该像素点周围3×3范围内像素点灰度值的平均值，用该平均值作为该点的灰度值。通过使用3×3的中值滤波算法能基本消除摄像机所采集图像中所存在的干扰信息。

3）车辆车牌号前两位字符提取：

自然环境下，汽车图像背景复杂、光照不均匀，如何在自然背景中准确地确定车牌区域是整个识别过程的关键。首先对采集到的视频图像进行大范围相关搜索，找到符合汽车车牌特征的若干区域作为候选区，然后对这些候选区域做进一步分析、评判，最后选定一个最佳的区域作为车牌区域，并将其从道路图像中分离出来。完成车牌区域的定位后，再将车牌区域的字符进行分割（将其分为单个字符），然后进行识别。字符分割一般采用垂直投影法。由于字符在垂直方向上的投影必然在字符间或字符内的间隙处取得局部最小值，并且这个位置应满足车牌的字符书写格式、字符、尺寸限制和一些其他条件。利用垂直投影法对复杂环境下的汽车车牌图像中的字符进行分割，能够产生较好的效果。车牌字符识别方法基于模板匹配算法，首先将分割后的字符二值化并将其尺寸大小缩放为字符数据库中模板的大小，然后与所有的模板进行匹配，选择最佳匹配作为结果，将比照对到的车牌字符前两位与各地区车牌号进行比照，得到此车辆的归属地信息。

4）车辆行驶目的地和所在位置经纬度提取

当车辆的车载导航系统处于开启状态时，车载导航系统将车辆地理数据发送至89C52单片机；车辆地理数据包括车辆行驶目的地和车辆所在位置经纬度。利用89C52单片机将车辆地理数据封装为数据包，然后将该数据包发送至无线信号发射器；无线信号发射器将所述数据包通过无线信道发送出去；至少一个无线信号接收器接收到所述数据包后，将其发送至ARM9处理器。当ARM9处理器接收到来自无线信号接收器的数据包后，将所述数据包解析为车辆行驶目的地和车辆所在位置的经纬度。

5）驾驶员驾驶意图的判断

ARM9处理器对来自每一个无线信号接收器的信息进行数据程序处理，判断出车辆所在的车道后，实现对此目标车归属地、行驶目的地的综合判断，然后在对应的LED显示屏上凸显参考路径信息。具体判断流程如下：

第一、在ARM9处理器得到车辆的归属地之后，如果该归属地位于某高速公路匝道的出口方向，则表明车辆通过此高速公路匝道的可能性很大，但还不能确定此车辆一定会通过此高速公路匝道，因此需要经过下一步的判断。

第二、由于无线信号发射器的无线信号发射范围远远大于摄像机拍摄范围，并且在行车过程中驾驶员可能没有打开车载导航系统。此时，ARM9处理器就需要判断车载导航系统是否处于打开状态，如果ARM9处理器在设定时间段内没有收到来自无线信号接收器的车辆地理数据，则根据车辆的归属地确定对应的参考路径信息，将参考路径信息发送至对应的LED显示屏；该设定时间段指：ARM9处理器提取出车辆的车牌号的前两位字符之后的k秒。本发明实施例中，k取1至5秒，优选地，k取2秒。具体地说，如果ARM9处理器在设定时间段内没有收到来自无线信号接收器的车辆地理数据，则说明车辆的车载导航系统没有打开，此时只能仅以车辆归属地信息作为驾驶员驾驶意图的判断依据。根据车辆归属地确定对应的参考路径信息。因为每个车道上对应固定有一个无线信号接收器、一个摄像机和一个LED显示屏，ARM9处理器通过接口确定无线信号接收器、摄像机和LED显示屏之间的对应关系，并且ARM9处理器预先存储有该对应关系。此时，ARM9处理器根据提供道路图像的摄像机，找出ARM9处理器的摄像机接入接口，然后，根据该对应关系向通过对应的接口向对应的LED显示屏发送参考路径信息，在对应的LED显示屏显示该参考路径信息。

如果ARM9处理器在设定时间段内收到来自无线信号接收器的数据包，则首先将该数据包解析为：车辆行驶目的地和车辆所在位置的经纬度。此时，由于ARM9处理器中具有车辆的归属地和车辆行驶目的地，就需要根据车辆归属地和车辆行驶目的地，对驾驶员的驾驶意图综合判断。因为车辆行驶目的地最能代表驾驶员的驾驶意图，此时，ARM9处理器根据车辆行驶目的地确定对应的参考路径信息。然后，根据车辆所在位置的经纬度和每个车道摄像机拍摄范围对应的经纬度范围，确定该车辆处于哪个摄像机的拍摄范围之内（也就是确定出车辆所在的车道）。因为每个车道上对应固定有一个无线信号接收器、一个摄像机和一个LED显示屏，ARM9处理器通过接口确定无线信号接收器、摄像机和LED显示屏之间的对应关系，并且ARM9处理器预先存储有该对应关系。此时，ARM9处理器根据该对应关系，通过对应的接口向对应的LED显示屏发送参考路径信息，在对应的LED显示屏显示该参考路径信息。

在ARM9处理器进行上述判断过程以后，得到驾驶员可能的行驶路径，在固定路径信息不变的情况下将对应的参考路径信息凸显出来，以便于驾驶员在较短时间里有效的获取所需的指路信息，从而强化高速公路安全管理和提高运输生产率。

本发明的一种高速公路匝道智能指路系统，主要采用摄像机、无线信号接收器、无线信号发射器、89系列单片机和ARM9处理器，具有投资费用少、设计简单、可靠性高的特点。本发明的一种高速公路匝道智能指路方法，基于上述一种高速公路匝道智能指路系统，在该指路方法中，车辆行驶目的地和车辆所在位置经纬度由89系列单片机采集，并由无线信号发射器、无线信号接收器完成数据包的发送和接收，其道路图像处理以及驾驶员驾驶意图判断由ARM9处理器直接完成，具有智能化高的特点，而且对驾驶员快速准确获取有用的指路交通信息起到很好的促进作用。

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。

Claims (4)

1.一种高速公路匝道智能指路方法，基于一种高速公路匝道智能指路系统，所述高速公路匝道智能指路系统，包括位于每条高速公路匝道入口处的门式框架(6)；还包括：安装在车辆(5)上的车载导航系统(9)和无线信号发射器(11)；所述门式框架(6)的横梁上安装有ARM9处理器(1)、N个无线信号接收器(2)、N个摄像机(3)以及N个LED显示屏(4)，N为高速公路匝道入口处对应的车道数，每个车道的上方对应固定有一个无线信号接收器(2)、一个摄像机(3)和一个LED显示屏(4)；所述车载导航系统(9)电连接所述无线信号发射器(11)，所述ARM9处理器(1)分别电连接N个无线信号接收器(2)、N个摄像机(3)和N个LED显示屏(4)；

其特征在于，包括以下步骤：

S1：所述N个LED显示屏均显示固定路径信息，所述固定路径信息包括：高速公路匝道入口处所有车道对应的行车方向，以及高速公路匝道入口处所有车道对应的目的地；

在高速公路匝道入口处的每个车道上的摄像机拍摄范围以内，选取多个标定点，采集这些标定点的经纬度数据，确定每个车道上的摄像机拍摄范围对应的经纬度范围；

S2：每个摄像机采集对应车道的道路图像，并将道路图像发送至ARM9处理器；如果车辆的车载导航系统处于开启状态，车载导航系统将车辆地理数据发送至无线信号发射器，所述车辆地理数据包括车辆所在位置的经纬度和行驶目的地；无线信号发射器将车辆地理数据通过无线信道发送出去；至少一个无线信号接收器接收到所述车辆地理数据后，将其发送至ARM9处理器；

S3：在ARM9处理器中，提取出道路图像中车辆的车牌图像，进而提取出车辆的车牌号的前两位字符，确定车辆的归属地；

S4：如果ARM9处理器在设定时间段内没有收到来自无线信号接收器的车辆地理数据，则根据车辆的归属地确定对应的参考路径信息，将参考路径信息发送至对应的LED显示屏；所述设定时间段为ARM9处理器提取出车辆的车牌号的前两位字符之后的k秒，k为1至5；

如果ARM9处理器在设定时间段内收到来自无线信号接收器的车辆地理数据，则根据车辆行驶目的地确定对应的参考路径信息，然后根据车辆所在位置的经纬度和每个摄像机拍摄范围对应的经纬度范围，确定车辆位于哪个摄像机的拍摄范围之内，然后将参考路径信息发送至对应的LED显示屏；

S5：在所述对应的LED显示屏上显示所述参考路径信息，所述参考路径信息显示在对应的固定路径信息的后面。

2.如权利要求1所述的一种高速公路匝道智能指路方法，其特征在于，在步骤S1中，利用手持GPS导航仪分别采集多个标定点的经纬度数据。

3.如权利要求1所述的一种高速公路匝道智能指路方法，其特征在于，在步骤S3之前，所述ARM9处理器对所述道路图像进行滤波。

4.如权利要求1所述的一种高速公路匝道智能指路方法，其特征在于，所述高速公路匝道智能指路系统还包括安装在车辆上的单片机，所述车载导航系统通过单片机电连接无线信号发射器；

在步骤S2中，车载导航系统将车辆地理数据发送至单片机；单片机将车辆地理数据封装为数据包，然后将所述数据包发送至无线信号发射器；无线信号发射器将所述数据包通过无线信道发送出去；至少一个无线信号接收器接收到所述数据包后，将其发送至ARM9处理器；

在步骤S4中，当ARM9处理器接收到来自无线信号接收器的数据包后，将所述数据包解析为车辆行驶目的地和车辆所在位置的经纬度。