CN103927870A - 一种基于多个震动检测传感器的车辆检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多个震动检测传感器的车辆检测装置，包括震动检测单元、震动信号调理电路、数据采集单元、微处理器、存储单元和无线发射模块，震动检测单元、震动信号调理电路、数据采集单元和微处理器依次连接，存储单元、无线发射模块分别与微处理器连接，车辆行驶过程中，车轴通过车轮对路面产生连续激励，造成的路面震动由多个震动传感器检测到，并将检测信号通过信号调理电路后输入微控制器，由微控制器处理震动数据获得震源定位，进而获得车轴定位数据，从而获得轴数、轴距、车速、车型分类等车辆信息。本发明具有不受雨、雪、雾等天气因素和车辆的外形尺寸等因素的影响，安装维护简单，运行稳定的优点。

Description

一种基于多个震动检测传感器的车辆检测装置

技术领域

本发明涉及应用于智能交通领域的车辆检测器，具体涉及一种基于多个震动传感器的车辆检测装置。

背景技术

车辆在道路中行驶时，会释放出热、声、磁等信号。交通检测器通过检测其中的一种或几种信号，用以检测行驶中的车辆。按照交通检测器所使用的检测传感器的种类分，可以将其分为压力、加速度、磁场、电感、超声波、频率、光电、图像传感等。它们通过感知、转换和传输相关物理量检测出某一界面车辆通过的时间、外形尺寸或者图像，并将其传输给处理单元。处理单元将这些传输过来的物理量转换为车辆要素值，如轴数、轴距、车辆尺寸等。目前应用较广泛的检测器有环形线圈检测器、地磁检测器、超声波检测器和视频检测器。但是，这些交通检测器从检测原理和安装使用等方面仍存在问题和不足，制约着交通管理与控制水平的提高和发展。

交通检测技术从安装方式上分，可分为路面埋入式和悬挂式。采用路面埋入式的检测器，如环形线圈，安装时需要破坏路面，造成路面的损坏。而这种安装方式也给道路养护带来难题。检测器自身性能也容易受路面变形等因素的影响，而车辆在传感器上的反复碾压也加速检测器的老化和损坏。采用悬挂式的检测器，如视频检测器，需要架设梁架设施固定检测器，同时由于架设位置的不同，检测效果会受到检测角度、车辆外形等因素的影响。

同时，传统车辆检测技术信号来源较为单一，检测结果受检测器与车辆的距离，角度以及相对位置等因素的影响，检测器在不同道路环境下工作的环境适应性不强。

同时，在这些交通数据采集和分类系统中，还存在车型分类不够精细，参数测量不够准确等不足。如利用双激光获取密度图像进行车型识别，仅能区分4种车型；运用视频技术测量车辆参数，仅将车辆分为小汽车与非小汽车2类；利用红外检测技术对车型进行分类，可实现5种车型分类；用激光测量车轮车轴仅将车辆分为2类；采用空间投影方法测量车辆的参数，仅将车辆分为3类。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多个震动传感器的车辆检测装置。能够利用行驶中的车辆通过轮胎对路面产生连续激励的客观事实，采用安装于道路表面上的多个震动传感器，检测车辆激励所产生的震动波，通过对震源的定位和跟踪，得到车轴数据，从而进一步获得其它交通参数数据，如：车辆速度、轴数和轴距，以及车辆分类等。

本发明的目的是这样实现的：一种基于多个震动检测传感器的车辆检测装置，包括震动检测单元、震动信号调理电路、数据采集单元、微处理器、存储单元和无线发射模块，震动检测单元、震动信号调理电路、数据采集单元和微处理器依次连接，存储单元、无线发射模块分别与微处理器连接，车辆行驶过程中，车轴通过车轮对路面产生连续激励，造成的路面震动，由安装于道路表面或内部的震动检测单元检测到，并将路面震动强度信息转换成加速度强度信号发送给震动信号调理电路，震动信号调理电路整理震动检测单元发送的加速度强度信号，并传输此信号给数据采集单元；数据采集单元将接收到的加速度强度信号转换成数字信号并发送给微处理器；微处理器对接收到的数字加速度信号进行处理分析和计算，获得车辆参数信息，并将车辆参数信息通过存储单元和无线发射模块进行转存和发送；所述的震动检测单元包括三个或三个以上震动或加速度传感器，以空间阵列的形式布设道路表面或埋设于道路内部，通过多个震动传感器的同时工作获得震源定位；

微处理器分析路面加速度数据获得车辆参数信息的具体步骤：

1)以某一已知位置为原点在道路平面上建立平面坐标系，三个加速度传感器所在位置坐标为已知量，通过计算震动信号到达三个加速度传感器的时间间隔，结合已知的传感器位置坐标，能够计算出震源位置，即车轴位置；计算公式为：

$\sqrt[2]{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2}=l_1$

$\sqrt[2]{{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2}=l_2$

$\sqrt[2]{{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2}=l_3$

${\mathrm{\τ}}_1\left(t\right)=\frac{l_1-l_2}{v_s}$

${\mathrm{\τ}}_2\left(t\right)=\frac{l_2-l_3}{v_s}$

式中：

(x₁，y₁)——第一加速度传感器平面坐标；

(x₂，y₂)——第二加速度传感器平面坐标；

(x₃，y₃)——第三加速度传感器平面坐标；

(x，y)——车轴即震源中心点平面坐标；

l₁——车轴即震源中心点到第一加速度传感器的距离；

l₂——车轴即震源中心点到第二加速度传感器的距离；

l₃——车轴即震源中心点到第三加速度传感器的距离；

τ₁(t)——车轴即震源产生的震动波到达第一加速度传感器和第二加速度传感器的时间差；

τ₂(t)——车轴即震源产生的震动波到达第二加速度传感器和第三加速度传感器的时间差；

v_s——车轴震源产生的震动波在道路表面传播的速度；

通过计算，得(x，y)，即得车轴中心点的平面坐标；

2)同一辆车各车轴产生的震动波信号具有一定相关性，通过震动信号相关性分析，能够将车轴位置信息按同属车辆分组，从而获得车辆轴数信息；将同一辆车各车轴位置数据做差得轴距信息；信号相关系数计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}_{x_1{x}_2}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{\∞}{X}_1\left(n\right)X_2\left(n\right)}{\left[{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{\∞}{X}_1^2\left(n\right)X_2^2\left(n\right)\right]}$

式中：

——信号相关系数；

X₁(n)——第一车轴产生信号序列；

X₂(n)——第二车轴产生信号序列；

将计算得到的信号相关性系数与存储在微处理器中的相关性系数阈值进行对比，若计算结果达到此阈值则判断这两个信号相关，即这两个车轴属同一辆车。

轴距计算公式为：

$L_{\mathrm{axle}}=\sqrt[2]{{(x^{\′}-x^{\′\′})}^2+{(y^{\′}-y^{\′\′})}^2}$

式中：

L_axle——车辆轴距；

(x′，y′)——车辆前轴中心点平面坐标；

(x″，y″)——车辆后轴中心点平面坐标；

3)根据一定时间间隔检测到的同一车轴定位数据变化，计算得到车辆行驶速度，在车辆正常行驶时，设车辆的行驶速度在较短的时间内是速度恒定的，设为v_c，则得：

$v_c=\frac{\sqrt[2]{{(x\left(t_1\right)-x\left(t_2\right))}^2+{(y\left(t_1\right)-y\left(t_2\right))}^2}}{t}$

这里t是车辆第一个车轴按照恒定速度v_c行驶到两加速度传感器中心点所需的时间；

4)根据车辆轴数和轴距数据对车辆大小和类型进行详细区分。

本发明具有以下优点：

1.本发明所采用的震动检测原理，与传统检测原理相比，由于其震动传播介质为道路，因此不受雨、雪、雾等天气因素和车辆的外形尺寸等因素的影响；

2.本发明提出的基于多个震动传感器的车辆检测装置，所用震动传感器构成传感器阵列布设在道路表面或埋设于道路内部，相比传统检测手段的单一信号来源，能够获得更加丰富的检测信息，具有更强的检测精度；

3.本发明所采用的交通参数检测方法，与传统一种检测方法一般只能提供单一或较少参数的情况相比，可以提供丰富的交通参数数据，如：车速、轴数、轴距，以及依据这些数据获得的车辆统计、车辆分类和通行能力等交通参数；

4.本发明提出的基于多点震动单元的检测装置，与应用较普遍的传统交通检测器的安装方法相比，传感器阵列可以安装在行车道外的道路表面。这种安装和检测方式不用破坏道路，也不用架设梁架，便于安装和维护。不易受到车辆碾压和路面变形影响，从而提高了装置检测可靠性和使用寿命。

附图说明

图1是本发明的装置结构连接示意图。

图2是本发明安装位置示意图。

图3是本发明具体实施样例2震动检测器位置图。

图4是本发明具体实施样例3震动检测器位置图。

图5是本发明工作步骤框图。

具体实施方式

实施例1

如图1和5所示，一种基于多个震动检测传感器的车辆检测装置，包括震动检测单元、震动信号调理电路、数据采集单元、微处理器、存储单元和无线发射模块，震动检测单元、震动信号调理电路、数据采集单元和微处理器依次连接，存储单元、无线发射模块分别与微处理器连接，车辆行驶过程中，车轴通过车轮对路面产生连续激励，造成的路面震动，由安装于道路表面或内部的震动检测单元检测到，并将路面震动强度信息转换成加速度强度信号发送给震动信号调理电路，震动信号调理电路整理震动检测单元发送的加速度强度信号，并传输此信号给数据采集单元；数据采集单元将接收到的加速度强度信号转换成数字信号并发送给微处理器；微处理器对接收到的数字加速度信号进行处理分析和计算，获得车辆参数信息，并将车辆参数信息通过存储单元和无线发射模块进行转存和发送；所述的震动检测单元包括三个或三个以上震动或加速度传感器，以空间阵列的形式布设道路表面或埋设于道路内部，通过多个震动传感器的同时工作获得震源定位；

微处理器分析路面加速度数据获得车辆参数信息的具体步骤：

1)以某一已知位置为原点在道路平面上建立平面坐标系，三个加速度传感器所在位置坐标为已知量，通过计算震动信号到达三个加速度传感器的时间间隔，结合已知的传感器位置坐标，能够计算出震源位置，即车轴位置；计算公式为：

$\sqrt[2]{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2}=l_1$

$\sqrt[2]{{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2}=l_2$

$\sqrt[2]{{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2}=l_3$

${\mathrm{\τ}}_1\left(t\right)=\frac{l_1-l_2}{v_s}$

${\mathrm{\τ}}_2\left(t\right)=\frac{l_2-l_3}{v_s}$

式中：

(x₁，y₁)——第一加速度传感器平面坐标；

(x₂，y₂)——第二加速度传感器平面坐标；

(x₃，y₃)——第三加速度传感器平面坐标；

(x，y)——车轴即震源中心点平面坐标；

l₁——车轴即震源中心点到第一加速度传感器的距离；

l₂——车轴即震源中心点到第二加速度传感器的距离；

l₃——车轴即震源中心点到第三加速度传感器的距离；

τ₁(t)——车轴即震源产生的震动波到达第一加速度传感器和第二加速度传感器的时间差；

τ₂(t)——车轴即震源产生的震动波到达第二加速度传感器和第三加速度传感器的时间差；

v_s——车轴震源产生的震动波在道路表面传播的速度；

通过计算，得(x，y)，即得车轴中心点的平面坐标；

2)同一辆车各车轴产生的震动波信号具有一定相关性，通过震动信号相关性分析，能够将车轴位置信息按同属车辆分组，从而获得车辆轴数信息；将同一辆车各车轴位置数据做差得轴距信息；信号相关系数计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}_{x_1{x}_2}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{\∞}{X}_1\left(n\right)X_2\left(n\right)}{\left[{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{\∞}{X}_1^2\left(n\right)X_2^2\left(n\right)\right]}$

式中：

——信号相关系数；

X₁(n)——第一车轴产生信号序列；

X₂(n)——第二车轴产生信号序列；

将计算得到的信号相关性系数与存储在微处理器中的相关性系数阈值进行对比，本实施样例中设定相关性系数阈值为0.75，若计算结果达到此阈值则判断这两个信号相关，即这两个车轴属同一辆车。

轴距计算公式为：

$L_{\mathrm{axle}}=\sqrt[2]{{(x^{\′}-x^{\′\′})}^2+{(y^{\′}-y^{\′\′})}^2}$

式中：

L_axle——车辆轴距；

(x′，y′)——车辆前轴中心点平面坐标；

(x″，y″)——车辆后轴中心点平面坐标；

3)根据一定时间间隔检测到的同一车轴定位数据变化，计算得到车辆行驶速度，在车辆正常行驶时，设车辆的行驶速度在较短的时间内是速度恒定的，设为v_c，则得：

$v_c=\frac{\sqrt[2]{{(x\left(t_1\right)-x\left(t_2\right))}^2+{(y\left(t_1\right)-y\left(t_2\right))}^2}}{t}$

这里t是车辆第一个车轴按照恒定速度v_c行驶到两加速度传感器中心点所需的时间；

4)根据车辆轴数和轴距数据对车辆大小和类型进行详细区分。

本发明的车辆检测步骤如下：

1)设备初始化。初始化过程中，所述微处理器启动各数据接口，并对所述震动检测单元进行初始设置，包括传感器量程、数据传输模式等；

2)所述微处理器控制震动检测单元检测路面震动信息，并将采集到的加速度信号通过所述震动信号调理电路整理后输入所述数据采集单元；

3)所述数据采集单元将加速度信号进行模数转换，并将数字加速度信号输入微处理器；

4)所述微处理器分析加速度信号，判断是否有车辆经过。微处理器中存有车辆造成路面震动信号的相应特征信息，包括震动信号强度、频率分布范围等，通过对比分析采集到的信号特征信息，可以判断是否有车辆经过。若判断结果为有车辆经过，则进入步骤5)，若判断结果为没有车辆经过，则返回到步骤2)；

5)所述微处理器对不同传感器采集的加速度信号进行相关性分析，将信号分组，获得各传感器采集的同一车轴造成路面震动信号，计算得到车轴定位数据，进而计算获得车辆轴数、轴距、车速等参数信息；

微处理器分析路面加速度数据获得车辆参数信息的具体步骤：

5.1)通过计算震动信号到达各传感器的时间间隔，结合已知的传感器分布距离间隔，可计算出震源位置(即车轴位置)；

5.2)已知各车轴位置，通过震动信号相关性分析，可以将车轴位置信息按同属车辆分组，从而获得车辆轴数信息和轴距信息；

5.3)根据一定时间间隔检测到的同一车轴定位数据变化，可以计算得到车辆行驶速度；

5.4)根据车辆轴数和轴距数据对车辆大小和类型进行详细区分。

6)所述微处理器将计算得到的车辆参数信息转存到存储单元，并通过无线发射模块予以发送。

实施例2

如图3所示，所述震动检测单元包括4个震动传感器，传感器按一定间隔d呈一条直线分布，被安装在道路表面，此样例中d取50cm。本实施方案采用的震动传感器为PCB公司，型号为：393B12的震动传感器。当车辆在行车道上行驶时，其车轴通过轮胎与路面接触，对道路产生连续的激励。此激励产生的震动波通过道路路面扩散传播，由4个震动传感器检测到。震动传感器采集到的震动数据通过震动信号调理电路2后输入数据采集单元3。所述数据采集单元3为16位A/D转换器，采样率为20kHz。经过模数转换的震动信号输入微处理器4，进行数据处理分析。所述微处理器4为德州仪器公司的CC2540芯片内核。微处理器4通过处理震动数据，对车辆车轴进行定位和跟踪，得到车辆信息，包括轴数、轴距、车速等。存储单元5负责存储微处理器4计算获得的车辆参数信息，在此样例中采用SD卡作为存储单元。所述无线发射模块6负责将获得的车辆参数信息通过无线网络予以发送，此样例中所述无线发射模块6为应用蓝牙4.0协议的无线传输模块。微处理器4连接存储单元5和无线发射模块6，将车辆信息转存到存储单元5中，同时，输入无线发射模块6进行发送。

实施例3

如图4所示，所述震动检测单元1包括4个震动传感器，传感器按一定间隔d呈正方形对称分布，被安装在行车道外的道路表面，此样例中d取50cm。本实施方案采用的震动传感器为飞思卡尔公司的MMA7260震动传感器。当车辆在行车道上行驶时，其车轴通过轮胎与路面接触，对道路产生连续的激励。此激励产生的震动波通过道路路面扩散传播，由震动传感器阵列检测到。震动传感器采集到的震动数据通过震动信号调理电路2后输入数据采集单元3。所述数据采集单元3为14位A/D转换器。经过模数转换的震动信号输入微处理器4，进行数据处理分析。所述微处理器4为MCS-51单片机。微处理器4通过处理震动数据，得到车辆信息，包括轴数、轴距、车速等。存储单元5负责存储微处理器4计算获得的车辆参数信息，在此样例中采用MMC卡作为存储单元。所述无线发射模块6负责将获得的车辆参数信息通过无线网络予以发送，此样例中所述无线发射模块6为应用Zigbee通信协议的无线传输模块。微处理器4连接存储单元5和无线发射模块6，将车辆信息转存到存储单元5中，同时，输入无线发射模块6进行发送。

Claims (1)

1.一种基于多个震动检测传感器的车辆检测装置，包括震动检测单元、震动信号调理电路、数据采集单元、微处理器、存储单元和无线发射模块，其特征在于：震动检测单元、震动信号调理电路、数据采集单元和微处理器依次连接，存储单元、无线发射模块分别与微处理器连接，车辆行驶过程中，车轴通过车轮对路面产生连续激励，造成的路面震动，由安装于道路表面或内部的震动检测单元检测到，并将路面震动强度信息转换成加速度强度信号发送给震动信号调理电路，震动信号调理电路整理震动检测单元发送的加速度强度信号，并传输此信号给数据采集单元；数据采集单元将接收到的加速度强度信号转换成数字信号并发送给微处理器；微处理器对接收到的数字加速度信号进行处理分析和计算，获得车辆参数信息，并将车辆参数信息通过存储单元和无线发射模块进行转存和发送；所述的震动检测单元包括三个或三个以上加速度或震动传感器，以空间阵列的形式布设道路表面或埋设于道路内部，通过多个震动传感器的同时工作获得震源定位；

微处理器分析路面加速度数据获得车辆参数信息的具体步骤：

1)以某一已知位置为原点在道路平面上建立平面坐标系，三个加速度传感器所在位置坐标为已知量，通过计算震动信号到达三个加速度传感器的时间间隔，结合已知的传感器位置坐标，能够计算出震源位置，即车轴位置；计算公式为：

$\sqrt[2]{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2}=l_1$

$\sqrt[2]{{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2}=l_2$

$\sqrt[2]{{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2}=l_3$

${\mathrm{\τ}}_1\left(t\right)=\frac{l_1-l_2}{v_s}$

${\mathrm{\τ}}_2\left(t\right)=\frac{l_2-l_3}{v_s}$

式中：

(x₁，y₁)——第一加速度传感器平面坐标；

(x₂，y₂)——第二加速度传感器平面坐标；

(x₃，y₃)——第三加速度传感器平面坐标；

(x，y)——车轴即震源中心点平面坐标；

l₁——车轴即震源中心点到第一加速度传感器的距离；

l₂——车轴即震源中心点到第二加速度传感器的距离；

l₃——车轴即震源中心点到第三加速度传感器的距离；

τ₁(t)——车轴即震源产生的震动波到达第一加速度传感器和第二加速度传感器的时间差；

τ₂(t)——车轴即震源产生的震动波到达第二加速度传感器和第三加速度传感器的时间差；

v_s——车轴震源产生的震动波在道路表面传播的速度；

通过计算，得(x，y)，即得车轴中心点的平面坐标；

2)同一辆车各车轴产生的震动波信号具有一定相关性，通过震动信号相关性分析，能够将车轴位置信息按同属车辆分组，从而获得车辆轴数信息；将同一辆车各车轴位置数据做差得轴距信息；信号相关系数计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}_{x_1{x}_2}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{\∞}{X}_1\left(n\right)X_2\left(n\right)}{\left[{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{\∞}{X}_1^2\left(n\right)X_2^2\left(n\right)\right]}$

式中：

——信号相关系数；

X₁(n)——第一车轴产生信号序列；

X₂(n)——第二车轴产生信号序列；

将计算得到的信号相关性系数与存储在微处理器中的相关性系数阈值进行对比，若计算结果达到此阈值则判断这两个信号相关，即这两个车轴属同一辆车。

轴距计算公式为：

$L_{\mathrm{axle}}=\sqrt[2]{{(x^{\′}-x^{\′\′})}^2+{(y^{\′}-y^{\′\′})}^2}$

式中：

L_axle——车辆轴距；

(x′，y′)——车辆前轴中心点平面坐标；

(x″，y″)——车辆后轴中心点平面坐标；

3)根据一定时间间隔检测到的同一车轴定位数据变化，计算得到车辆行驶速度，在车辆正常行驶时，设车辆的行驶速度在较短的时间内是速度恒定的，设为v_c，则得：

$v_c=\frac{\sqrt[2]{{(x\left(t_1\right)-x\left(t_2\right))}^2+{(y\left(t_1\right)-y\left(t_2\right))}^2}}{t}$

这里t是车辆第一个车轴按照恒定速度v_c行驶到两加速度传感器中心点所需的时间；

4)根据车辆轴数和轴距数据对车辆大小和类型进行详细区分。