CN104267205B - 一种道路车辆行驶速度垂向测速仪及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种道路车辆行驶速度垂向测速仪及方法，垂向测速仪包括第一光学干涉仪、激光测距仪、第二光学干涉仪、计时器和控制装置；第一光学干涉仪与第二光学干涉仪水平放置，其夹角为；激光测距仪处于该夹角的角平分线上；第一光学干涉仪、激光测距仪、第二光学干涉仪及计时器分别与控制装置连接。本垂向测速仪采用激光干涉检测技术，检测信噪比高，测速的准确度高；与激光测速仪和雷达测速仪（这两者测量时需要与车辆保持同一直线）相比，使用该仪器测量方向垂直于道路，使用安全；该仪器可全天候工作，可连续测量，与线圈测速相比，成本较低且无需破坏路面。
Description
技术领域
本发明涉及速度测量领域中的垂向测速仪，更具体地，涉及一种道路车辆行驶速度垂向测速仪及方法。
背景技术
目前机动车测速系统大致分为线圈测速、激光测速、雷达测速、视频测速等方式。
线圈测速一般要用到两个线圈，当机动车进入第一个线圈时会在电路中产生电磁感应，同时触发计时器开始计时；走出第二个线圈后，计时结束，根据两个线圈之间的距离和产生感应的时间差，算出车辆通过监测区域时的平均速度。线圈测速原理简单，设备成本较低，能获得比较高的准确率。其不足之处是安装施工时会破坏路面，影响路面寿命，且线圈在地下容易受环境影响和重型车辆挤压而产生形变，需要经常更换和维护。
激光测速的原理是建立在光波测距的基础之上，利用对运动物体的多次测距与时间之比得出其运动速度。雷达测速的原理是利用多普勒效应计算速度，多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发生变化。激光测速系统和雷达测速系统对于测速的角度要求非常高，测速系统应与车辆的运动方向保持在同一条直线上。在车辆处于高速行驶时，这种测量方法存在诸多不便并有安全隐患。
视频测速的原理本质是虚拟线圈测速，即在视频图像中的车道上，相距30-50m处设两个虚拟线圈，由于摄像机拍摄的帧率是一定的，通过计算视频的帧数可得到车辆经过的时间，利用车辆通过两个虚拟线圈的时间差，就可得出车辆速度。其优点是简单方便、不破坏路面。但其缺点是测速误差大，容易受到光照等因素的影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明首先提出一种测量误差小，且使用方便的道路车辆行驶速度垂向测速仪。
本发明的又一目的是提出一种道路车辆行驶速度垂向测量方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种道路车辆行驶速度垂向测速仪，包括第一光学干涉仪、激光测距仪、第二光学干涉仪、计时器和控制装置；所述第一光学干涉仪与第二光学干涉仪水平放置，其夹角为θ；激光测距仪处于该夹角的角平分线上；第一光学干涉仪、激光测距仪、第二光学干涉仪及计时器分别与控制装置连接。
更进一步的，所述垂向测速仪还包括装设有启动按键。
更进一步的，所述垂向测速仪还包括与控制装置连接的显示装置。
更进一步的，所述垂向测速仪还包括可拆卸的支架，垂向测速仪的测量主体部分安装在支架上，且该支架是可拆卸的，方便运输存放。
为了提高计时器的精度，单片机采用晶振值大于24MHz的单片机。
一种道路车辆行驶速度垂向测量方法，包括：
当车辆头部行驶至第一光学干涉仪的检测线上，第一光学干涉仪检测到行驶车辆的反射光信号时，控制装置控制启动计时器开始计时，并触发激光测距仪进行测距；当车辆头部行驶至第二光学干涉仪的检测线上，第二光学干涉仪监测到车辆的反射光信号，控制装置控制计时器停止计时，激光测距仪停止测距；激光测距仪将所测距离发送到控制装置，控制装置选取距离最小值作为车辆到被测车辆与垂向测速仪之间的距离l；
根据第一光学干涉仪、第二光学干涉仪间的探测光束之间的夹角值θ以及车辆到被测车辆与垂向测速仪之间的距离l，计算车辆在测量时间内的运动距离，再根据计时器测得的时间值，计算所述车辆的行驶速度。
在实际使用过程，垂向测速仪启动方式有两种形式：第一种方式是当车辆接近测量点时，实验人员按下启动按键，当车辆离开测量点时，实验人员松开按键，则完成一次测量；第二种方式是测速仪进行持续测量，当启动测速仪，测速仪连续工作，不断测量车辆速度，并按一定格式记录在内存中。
第一光学干涉仪与第二光学干涉仪采用干涉检测技术，利用激光光源，检测信噪比高，能准确监测经过车辆，其测量范围为0-20m，可在路旁检测到不同车道出车辆经过的信号。
更进一步的，所述激光测距仪由第一光学干涉仪触发启动后，间隔固定时间持续发射测量信号，获取被测车辆与垂向测速仪间的距离发送至控制装置。
垂向测速仪内部放置两个光学干涉仪和一个激光测距仪，两光学干涉仪以一定的夹角放置，激光测距仪处于该夹角的角平分线上。两光学干涉仪可检测到来自行驶车辆的反射光信号，激光测距仪可测量车辆测量点的距离。
当车辆行驶至一号光学干涉仪的检测线上，第一光学干涉仪检测到行驶车辆的反射光信号时，启动计时器开始计时，并触发激光测距仪进行测距；当车辆行驶至第二光学干涉仪的检测线上，第二光学干涉仪监测到车辆的反射光信号，触发计时器停止计时，激光测距仪停止测距；然后根据两光学干涉仪探测光束之间的夹角和测得垂直距离，计算车辆的运动路程；再根据计时器测得时间值计算车辆的行驶速度。
本发明道路车辆行驶速度垂向测速仪采用激光干涉检测技术，检测信噪比高，测速的准确度高；与激光测速仪和雷达测速仪(这两者测量时需要与车辆保持同一直线)相比，使用该仪器测量方向垂直于道路，使用安全；该仪器可全天候工作，可连续测量，与线圈测速相比，成本较低且无需破坏路面。
附图说明
图1为垂向测速仪内部布置示意图。
图2为垂向测速仪测速流程图。
图3-5为垂向测速仪测量示意图。
图6为垂向测速仪几何尺寸示意图。
图7为垂向测速仪摆放误差示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明的一种道路车辆行驶速度垂向测速仪，包括第一光学干涉仪3、激光测距仪4、第二光学干涉仪5、计时器和控制装置；第一光学干涉仪3与第二光学干涉仪5水平放置，其夹角为θ；激光测距仪4处于该夹角的角平分线上；第一光学干涉仪3、激光测距仪4、第二光学干涉仪5及计时器分别与控制装置连接。
其测速原理如下：如图1所示。两光学干涉仪可检测到来自行驶车辆的反射光信号，激光测距仪4可测量车辆测量点的距离。其工作流程可分为5个步骤，如图2所示。
1、车辆接近测量点，启动速度垂向测速仪
垂向测速仪启动方式有两种形式：第一种方式是当车辆接近测量点时，有实验人员按下启动按键，当车辆离开测量点时，实验人员松开按键，则完成一次测量；第二种方式是测速仪进行持续测量，当启动测速仪，测速仪连续工作，不断测量车辆速度，并按一定格式记录在内存中。
2、车辆被第一光学干涉仪3检测，计时器开始计时，并触发激光测距仪4工作当车辆经过测量点时，第一光学干涉仪3检测到车辆头部，计时器开始计时，同时触发激光测速仪4以每10毫秒进行一次测距，如图3所示。
3、车辆经过中心位置，激光测距仪4测得车辆与测量点的最小距离(即垂直方向距离)，如图4所示。
4、车辆被第二光学干涉仪5检测，计时器停止计时，激光测距仪4停止工作；当车辆经过第二光学干涉仪5的检测线时，车辆被第二光学干涉仪5检测，如图5所示。此时，计时器停止计时，获得车辆在两个光学干涉仪检测线之间行驶的时间t，激光测距仪4停止测距，控制装置选取测距距离最小值的为车辆到垂向测速仪之间的距离l。
5、计算车速，并返回显示装置进行显示
为便于分析和计算，假定各参数如下：两光学干涉仪夹角θ，两光学干涉仪间距为a，测速仪与被测车辆距离为l，被测车辆速度为v，计时器测得的时间t，如图6所示。
根据两个光学干涉仪之间的夹角θ和测速仪与被测车辆距离为l计算车辆的运动距离L：
再根据计时器测得的时间t，计算所述车辆的行驶速度：
将计算的车辆速度值保存至内存，并返回显示装置显示。
误差分析：当垂向测速仪摆放角度不垂直于车辆行驶方向时，会产生误差，如图7所示。具体误差分析如下：
设垂向测速仪测量倾斜垂向测速仪计算结果：
汽车实际速度：
误差百分比：
在本实例中，设定两光学干涉仪夹角θ＝5°，两光学干涉仪间距为a＝0.2m，假设测速仪器与被测车辆距离l为5-20m，测量倾斜角为范围为0-10°。当l＝20m，时，误差δ有最大值，代入式(5)中，误差δ为最大值δmax＝1.53％。直观的，车辆速度一般为3-35m/s，该垂向测速仪的测量误差仅为0.05-0.54m/s。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种道路车辆行驶速度垂向测速仪，其特征在于，包括第一光学干涉仪（3）、激光测距仪（4）、第二光学干涉仪（5）、计时器和控制装置；所述第一光学干涉仪（3）与第二光学干涉仪（5）水平放置，且两光学干涉仪发光方向沿夹角向外，其夹角为θ；其第一光学干涉仪（3）与第二光学干涉仪（5）间的长度为a；激光测距仪（4）处于该夹角的角平分线与第一、第二光学干涉仪连线相交的交点上；第一光学干涉仪（3）、激光测距仪（4）、第二光学干涉仪（5）及计时器分别与控制装置连接。
2.根据权利要求1所述的道路车辆行驶速度垂向测速仪，其特征在于，所述垂向测速仪还包括启动按键。
3.根据权利要求1或2所述的道路车辆行驶速度垂向测速仪，其特征在于，所述垂向测速仪还包括与控制装置连接的显示装置。
4.根据权利要求3所述的道路车辆行驶速度垂向测速仪，其特征在于，所述垂向测速仪还包括可拆卸的支架。
5.一种利用权利要求1所述道路车辆行驶速度垂向测速仪的道路车辆行驶速度垂向测量方法，其特征在于，包括：
当车辆头部行驶至第一光学干涉仪（3）的检测线上，第一光学干涉仪（3）检测到行驶车辆的反射光信号时，控制装置控制启动计时器开始计时，并触发激光测距仪（4）进行测距；当车辆头部行驶至第二光学干涉仪（5）的检测线上，第二光学干涉仪（5）监测到车辆的反射光信号，控制装置控制计时器停止计时，激光测距仪（4）停止测距；激光测距仪（4）将所测距离发送到控制装置，控制装置选取距离最小值作为车辆到垂向测速仪之间的距离l；
根据第一光学干涉仪（3）、第二光学干涉仪（5）间的探测光束之间的夹角值θ以及车辆到垂向测速仪之间的距离，计算车辆在测量时间内的运动距离，再根据计时器测得的时间值，计算所述车辆的行驶速度。
6.根据权利要求5所述的道路车辆行驶速度垂向测量方法，其特征在于，所述第一光学干涉仪（3）与第二光学干涉仪（5）的测量范围为0-20m。
7.根据权利要求5或6所述的道路车辆行驶速度垂向测量方法，其特征在于，所述激光测距仪（4）由第一光学干涉仪（3）触发启动后，间隔固定时间持续发射测量信号，获取被测车辆与垂向测速仪间的距离发送至控制装置。
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