CN104361751A - 一种自由流收费的激光扫描车型识别系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自由流收费的激光扫描车型识别系统。本发明所述的系统包括激光扫描检测装置和与其连接的车型识别装置，其中所述的激光扫描检测装置包括激光发射与接收模块一、激光发射与接收模块二，分别与其连接的激光扫描模块一、激光扫描模块二，与激光扫描模块一、激光扫描模块二连接的数据处理和系统控制模块，所述的车型识别装置用于执行车型分类算法，并将车型数据上传至车道系统。采用本发明所述的系统，可以实现平均车速120公里/小时以下自由车流的所有通过车辆的车型自动识别。

Description

一种自由流收费的激光扫描车型识别系统
技术领域
本发明属于智能交通信息采集设备及方法技术领域，具体涉及一种自由流收费的激光扫描车型识别系统。
背景技术
当前我国道路交通压力日益严重，全国重点城市都出现严重的拥堵现象，在这种情况下为了解决城市主干道拥堵收费问题，提高智能交通管理信息化水平，无收费岛的高速ETC(电子不停车收费系统)即多车道自由流(Multi-lane Free Flow，MLFF)收费系统已经成为国内外研究和发展的热点。自由流与低速ETC相比减少了栏杆和收费岛，提高了收费效率和车辆通行速度，但需要在道路主干道的龙门架上安装多台路侧单元(RSU)、车辆定位、车型自动分类、图像抓拍和车牌识别等系统。其中车型自动分类技术可以自动获取车型信息，并将其与车载单元(OBU)上的车型识别信息进行匹配，根据匹配结果，执行相应的操作。通过该方法，能够避免OBU对应的车型信息和车辆不对应的情况，避免车辆逃费。相关的参考文献如“ETC多车道自由流实现方案”(叶红芸、张健，《中国交通信息化》[J]，2013年09期)及的“多车道自由流电子收费技术探讨”(高东峰、王春生、田林岩、马刚，《中国交通信息化》[J],2011年01期)。
目前，车型的自动识别分类技术主要有两类，一类是有基于地磁感应原理的地磁感应识别技术，一类是基于视频流的视频图像的识别技术。相关的参考文献如“自由流收费技术研究”(邱亮亮、郭晓春，《中国交通信息化》[J],2012年08期)，“基于多传感器的车辆外围轮廓检测和车型识别系统”(樊大帅,张军,王寒凝,金辉宇,第三十一届中国控制会议论文集D卷,2012)。
基于地磁感应原理的地磁感应线圈识别需要将感应线圈埋设在收费车道内，当车辆从环形感应线圈上方通过时，车体底盘的磁铁材料与环形线圈产生涡流效应，使得环形线圈电感量发生变化，对这种反映车辆特征的感应信号归类就可以实现车型分类。其缺点是：地磁感应识别将车辆底盘形状的三维信息转变为感应到的一维信息，加大了信号分析的难度和识别车型的难度，而且当车辆在线圈上方变速时严重影响识别的准确率。
基于视频流的视频图像的车型识别，对进入车辆检测区的车辆进行图像采集，首先对目标区域进行车辆分割和提取，然后选取车辆的特征，根据车型分类器对目标车辆进行分类。其缺点是：视频流在环境背景复杂的场景下车辆的分割和提取比较困难，导致识别的稳定性和准确性较差。同时在通过车辆速度较高的情况下，需要处理的数据量巨大，处理的难度和系统成本较高。相关文献参见：Hussain,K.F.“Automatic vehicleclassification system using range sensor”,Information Technology:Coding and ComputingITCC 2005.International Conference on(Volume:2),2005；及Stroffek,J.“Highway TollEnforcement”,Vehicular Technology Magazine,IEEE(Volume:5,Issue:4),Dec.2010。
专利号为CN201210202048.1、名称为“基于高速脉冲激光扫描的车型自动识别系统及方法”(公告日为2014年07月09日)的中国专利申请公开了一种基于高速脉冲激光扫描的车型自动识别系统及方法，该车型自动识别系统包括高频激光测距模块、车辆轮廓绘制模块和车型识别模块，高频激光测距模块和车辆轮廓绘制模块垂直设置于车道上方。该发明所公开的方法是通过高频激光测距模块进行实时脉冲激光测距并发送距离值至车辆轮廓绘制模块；车辆轮廓绘制模块实时绘制距离参数扫描图并将其发送至车型识别模块；车型识别模块根据距离参数扫描图上的车辆轮廓信息实现车型识别，从而有效克服了现有技术中的缺陷，提供了一种设置及维护简单，成本低廉，车型识别率较高，应用范围广泛的车型自动识别系统及方法。但是该技术方案存在以下问题：
1、该方案采用单点激光测距，无法准确获得车辆的长度数据，车辆长度需要根据车速和通过时间进行计算，当车速较快时测量精度会降低。
2、该方案无法检测车辆的宽度数据。即该方案的车型识别缺失车辆宽度数据，实际应用过程中可能造成系统误判。
专利号为CN201210384872.3、名称为“一种基于激光器的车型识别检测方法及系统”(公告日为2014年04月16日)的中国专利申请公开了一种基于激光器的车型识别检测方法及系统，包括以下步骤：S1，激光器测量并计算车辆的最高高度值；S2，所述激光器将所述车辆的最高高度值和所述激光器中设定的限高高度值做对比；S3，所述激光器测量并计算所述车辆的最长长度值和所述车辆的车框变化率，并分别将所述车辆的最长长度值及所述车辆的车框变化率和放射型标准数据做比对，并将比对结果发送到所述控制主机；S4，所述控制主机根据所述车辆的比对结果判断是否存储所述采集设备采集的所述车辆的图像。但是该技术方案存在以下问题：
1、在车辆高速(120km/s)通过时无法准确测量车辆的宽度和长度信息。
2、激光测量方向与路面不垂直，车流通过时存在测量盲区，不利于进行前车和后车的车辆分离。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种自由流收费的激光扫描车型识别系统。该系统能够实现平均车速120公里/小时以下自由车流的所有通过车辆的车型自动识别。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，包括以下装置：
激光扫描检测装置和与其连接的车型识别装置，其中所述的激光扫描检测装置包括激光发射与接收模块一、激光发射与接收模块二，分别与其连接的激光扫描模块一、激光扫描模块二，与激光扫描模块一、激光扫描模块二连接的数据处理和系统控制模块，所述的车型识别装置用于执行车型分类算法，并将车型数据上传至车道系统。
进一步，所述的激光发射与接收模块一、激光发射与接收模块二包括脉冲激光发射电路、激光回波接收电路、激光准直光学部件、激光接收光学部件及半导体激光二极管。
进一步，所述的脉冲激光发射电路驱动半导体激光二极管产生5-20ns脉宽、峰值功率为20W-50W的905nm红外脉冲激光，激光经过准直光学部件以小于5mrad的发散角射出，遇到目标物后回波经过接收光学部件到达激光回波接收电路。
更进一步，所述的脉冲激光发射电路驱动半导体激光二极管产生10ns脉宽、峰值功率为30W的905nm红外脉冲激光。
进一步，所述的激光扫描模块一、激光扫描模块二是由电机控制器、直流无刷电机、单圈绝对值码盘组成，所述的电机控制器通过脉冲宽度调制信号控制直流无刷电机匀速旋转，带动激光反射镜旋转形成二维的扫描平面，扫描速度1200-3000转/分钟；单圈绝对值码盘得到的旋转角度信息用于控制激光的发射时刻，以实现特定角分辨率的均匀扫描，扫描范围为120-180度；所述角分辨率的优选范围为0.15-0.5度。
进一步，所述的数据处理和系统控制模块包括数据采集与处理单元和系统控制单元，其中所述的数据采集与处理单元包括采样量化模块和实时距离计算模块；所述的系统控制单元包括用于控制电机的转速和脉冲激光发射时刻的控制模块，将角度信息和距离信息进行匹配的匹配模块，及通过以太网口上传到车型识别装置的上传模块。
进一步，采用数字全波型的回波检测方法；所述数字全波型的回波检测方法是指直接用高速模拟数字转换器对接收到的激光回波信号进行采样，激光回波信号的时刻判定和时间的测量都采用数字信号处理的方法。
进一步，所述的车型识别装置设置在后台上位机上。
进一步，所述的后台上位机上的车型识别装置采用工控机与前端激光扫描检测装置通讯，通过通讯接口获取车辆截面各点到测量系统的距离，从而确定沿车辆长度方向各断面的高度、宽度、长度情况，通过两个扫描面的数据融合得到车辆的整体轮廓信息，并与各类型的车辆进行特征匹配，获得车辆类型，通过3G或者以太网上传到车道系统。
进一步，所述的获取车辆截面各点到测量系统的距离的通讯接口是网口或者RS485，所述的后台上位机上的车型识别装置(12)通过3G或者以太网将获得的车辆类型上传到车道系统。
进一步，所述的车型识别装置直接嵌入到激光扫描检测装置中。
本发明的效果在于，采用本发明所述的系统，可以实现平均车速120公里/小时以下自由车流的所有通过车辆的车型自动识别，具体来说：
1、激光轮廓扫描基于激光测距原理直接测量车辆的三维轮廓，方法稳定可靠，受背景环境和气候的影响较小；
2、设备针对自由流收费系统应用，实现120km/h高速通过车辆的准确识别，采用两套激光扫描传感器生成两个激光扫描面垂直路面并扫的扫描方式，得到两个扫描面上的距离测量数据，根据其中一个扫描面的测量结果得到车辆的宽度和高度，根据另一个扫描面的测量结果得到车辆的长度，这样可以同时测量车辆的长、宽、高的三个维度，然后通过数据重构可以得到完整的车辆三维轮廓，保证了高速车辆的识别准确度，当车辆速度较快时仍能保证较高的测量精度，符合自由流收费的应用场景；
3、在为了提高测量速度和精度，将数字全波型的回波检测方法应用到激光扫描车型识别设备中；
4、设备采用光纤耦合、光纤准直、光纤分光技术，用光纤延时的方法实现单块电路板对发射激光和激光回波的接收，提高了设备集成度，降低了系统成本。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述系统的原理示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述系统的结构框图；
图3是本发明具体实施方式中所述系统工作方法的流程图；
图4是本发明具体实施方式中所述脉冲激光发射电路的电路图；
图5是本发明具体实施方式中所述激光回波接收电路的电路图；
图6是本发明具体实施方式中所述数字全波型的回波检测方法的流程图；
图中：1路面支架，2目标车辆，3道路平面，5第一扫描面，6第二扫描面，11激光扫描检测装置，12车型识别装置，13激光发射与接收模块一，14激光发射与接收模块二，15激光扫描模块一，16激光扫描模块二，17系统控制模块，18数据采集与处理单元，19系统控制单元。
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描述。
如图2所示，一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，包括激光扫描检测装置11和与其连接的后台上位机中的车型识别装置12两个部分，其中所述的激光扫描检测装置11包括激光发射与接收模块一13、激光发射与接收模块二14，分别与其连接的激光扫描模块一15、激光扫描模块二16，与激光扫描模块一15、激光扫描模块二16连接的数据处理和系统控制模块17。所述的激光扫描检测装置11可以实现两个二维平面的激光轮廓扫描，同时检测路面两个方向向量上的车辆截面，直接、快速的测量通过车辆的车型信息。
本实施例中，所述的激光发射与接收模块一13、激光发射与接收模块二14包括如图4所示的脉冲激光发射电路、如图5所示的激光回波接收电路、激光准直光学部件、激光接收光学部件及半导体激光二极管等。
其中脉冲激光发射电路驱动半导体激光二极管产生10ns脉宽、峰值功率约30W的905nm红外脉冲激光，激光经过准直光学部件以小于5mrad的发散角射出。所述905nm红外脉冲激光的脉宽还可以是范围为5-20ns内的其他取值，峰值功率也可是范围为20W-50W内的其他取值；遇到目标物后激光回波经过接收光学部件到达激光回波接收电路。为了提高集成度和稳定性，发射和接收光学部分采用光纤输出耦合、光纤分光、光纤准直等技术。
所述的激光扫描模块一15、激光扫描模块二16是由电机控制器、直流无刷电机、单圈绝对值码盘组成。电机控制器通过脉冲宽度调制(PWM)信号控制直流无刷电机匀速旋转，带动激光反射镜旋转形成二维的扫描平面，扫描速度每分钟3000转。单圈绝对值码盘得到的旋转角度信息用于控制激光的发射时刻，以实现特定角分辨率(如0.5度)的均匀扫描，扫描范围大于120度。其中，所述扫描速度也可以是范围为1200-3000转/分钟内的其他取值；所述角分辨率也可以是范围为0.15-0.5度内的其他取值。
数据处理和系统控制模块17是整个检测装置的核心，包括数据采集与处理单元18和系统控制单元19两个部分。其中所述的数据采集与处理单元18包括采样量化模块和实时距离计算模块；所述的系统控制单元19包括用于控制电机的转速和脉冲激光发射时刻的控制模块，将角度信息和距离信息进行匹配的匹配模块，及通过以太网口上传到车型识别装置12的上传模块。数据采集与处理单元18能够进行采样量化、实时距离计算，每秒可以实现50K的激光测距点云。为了实现快速的高精度测量，采用数字全波型的回波检测方法，如图6所示。数字全波型的回波检测方法是指直接用高速模拟数字转换器(ADC)对激光回波信号(需要预处理)进行采样，激光回波的时刻判定和时间的测量都采用数字信号处理的方法，包括以下步骤：
S21，采用高速模拟数字转换器(ADC)将激光回波的模拟信号转化为数字信号；
S22，提取激光回波信号的脉冲波形；
S23，将激光回波信号与激光发射信号进行特征匹配；
S24，根据匹配结果判定回波时刻，计算回波延时得到测距结果。
系统控制单元19控制电机的转速和脉冲激光发射时刻，将角度信息和距离信息进行匹配，通过以太网口上传到后台上位机车型识别装置12。后台上位机作为车型识别装置12的载体执行车型分类算法，并将车型数据上传至车道系统。采用工控机与前端激光扫描测量系统(2套)通讯，通过通讯接口如网口或者RS485获取车辆截面各点到测量系统的距离，从而确定沿车辆长度方向各断面的高度、宽度、长度情况，通过两个扫描面的数据融合得到车辆的整体轮廓信息，并与各类型的车辆进行特征匹配，获得车辆类型，通过3G或者以太网上传到车道系统。
本发明具体实施方式中还针对高速公路或城市主干道的自由流收费系统应用，提出一种基于激光轮廓扫描的车型自动识别方法。
如图1、图3所示，一种自由流收费的激光扫描车型识别方法，包括以下步骤：
S11,通过安装在路面支架1上的激光扫描检测装置11并行扫描行驶车辆的两个截面，获得测量的角度和距离数据，其中第一扫描面5平行于道路延伸方向，垂直于道路平面3且位于道路中间位置，扫描通过车辆的车型纵截面的轮廓信息，第二扫描面6与第一个扫描面5有夹角，垂直于道路平面3且覆盖整个道路宽度，扫描通过车辆的车型横截面轮廓信息；
S12,所述的激光扫描检测装置11通过网口将测量的角度和距离数据上传到后台上位机上的车型识别装置12；
S13,所述的车型识别装置12首先将扫描装置的测量数据由以测量设备为参照的极坐标转换为以路面为参照的直角坐标，然后将第一扫描面5、第二扫描面6的测量数据进行融合，计算得到车辆的长、宽、高以及整个车辆的轮廓信息，并实现多车辆情况下的车辆分离判定；
S14,将得到的车辆的轮廓信息与车型分类特征库进行匹配，实现车型的自动识别功能。
实际应用中，所述的第一扫描面5与第二扫描面6之间也可以为其他的角度，只要两个扫描面都垂直于道路平面3且呈一定角度均可实现同样的发明目的，本实施例中，第一扫描面5与第二扫描面6呈75度角。为了是避免多车道时相邻两个识别设备的扫描面重合导致的信号串扰问题，第一扫描面5与第二扫描面6之间不垂直。
所述的激光扫描检测装置11安装于5.5m高的路面支架1上，激光扫描检测装置11的主控电路板采用ARM+FPGA的解决方案。
另外，所述的车型分类算法也可以直接嵌入到激光扫描检测装置11中，这样用一个设备就可以完成本实施例中所述方案全部发明目的。
如图6所示，为了实现快速的高精度测量，本实施例中通过激光扫描检测装置获得测量的角度和距离数据时采用数字全波型的回波检测方法，包括以下步骤：
S21，采用高速模拟数字转换器(ADC)将激光回波的模拟信号转化为数字信号；
S22，提取激光回波信号的脉冲波形；
S23，将激光回波信号与激光发射信号进行特征匹配；
S24，根据匹配结果判定回波时刻，计算回波延时得到测距结果。
通过上述实施例可以看出，采用本发明具体实施方式中所述的系统，可以实现平均车速120公里/小时以下自由车流的所有通过车辆的车型自动识别。
本领域技术人员应该明白，本发明所述的系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，包括激光扫描检测装置(11)和与其连接的车型识别装置(12)，其中所述的激光扫描检测装置(11)包括激光发射与接收模块一(13)、激光发射与接收模块二(14)，分别与其连接的激光扫描模块一(15)、激光扫描模块二(16)，与激光扫描模块一(15)、激光扫描模块二(16)连接的数据处理和系统控制模块(17)，所述的车型识别装置(12)用于执行车型分类算法，并将车型数据上传至车道系统。
2.如权利要求1所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征在于：所述的激光发射与接收模块一(13)、激光发射与接收模块二(14)包括脉冲激光发射电路、激光回波接收电路、激光准直光学部件、激光接收光学部件及半导体激光二极管。
3.如权利要求2所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征在于：所述的脉冲激光发射电路驱动半导体激光二极管产生5-20ns脉宽、峰值功率20W-50W的905nm红外脉冲激光，激光经过准直光学部件以小于5mrad的发散角射出，遇到目标物后回波经过接收光学部件到达激光回波接收电路。
4.如权利要求3所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征在于：所述的脉冲激光发射电路驱动半导体激光二极管产生10ns脉宽、峰值功率为30W的905nm红外脉冲激光。
5.如权利要求1所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征在于：所述的激光扫描模块一(15)、激光扫描模块二(16)是由电机控制器、直流无刷电机、单圈绝对值码盘组成，所述的电机控制器通过脉冲宽度调制信号控制直流无刷电机匀速旋转，带动激光反射镜旋转形成二维的扫描平面，扫描速度1200-3000转/分钟；单圈绝对值码盘得到的旋转角度信息用于控制激光的发射时刻，以实现特定角分辨率的均匀扫描，扫描范围为120-180度；所述角分辨率为0.15-0.5度。
6.如权利要求1所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征在于：所述的数据处理和系统控制模块(17)包括数据采集与处理单元(18)和系统控制单元(19)，其中所述的数据采集与处理单元(18)包括采样量化模块和实时距离计算模块；所述的系统控制单元(19)包括用于控制电机的转速和脉冲激光发射时刻的控制模块，将角度信息和距离信息进行匹配的匹配模块，及通过以太网口上传到车型识别装置(12)的上传模块。
7.如权利要求6所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征在于：采用数字全波型的回波检测方法；所述数字全波型的回波检测方法是指直接用高速模拟数字转换器对接收到的激光回波信号进行采样，激光回波信号的时刻判定和时间的测量都采用数字信号处理的方法。
8.如权利要求1至7任一项所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征是：所述的车型识别装置(12)设置在后台上位机上。
9.如权利要求8所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征在于：所述的后台上位机上的车型识别装置(12)采用工控机与前端激光扫描检测装置(11)通讯，通过通讯接口获取车辆截面各点到测量系统的距离，从而确定沿车辆长度方向各断面的高度、宽度、长度情况，通过两个扫描面的数据融合得到车辆的整体轮廓信息，并与各类型的车辆进行特征匹配，获得车辆类型，通过3G或者以太网上传到车道系统。
10.如权利要求9所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征在于：所述的获取车辆截面各点到测量系统的距离的通讯接口是网口或者RS485。
11.如权利要求9所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征在于：所述的后台上位机上的车型识别装置(12)通过3G或者以太网将获得的车辆类型上传到车道系统。
12.如权利要求1至6任一项所述的一种自由流收费的激光扫描车型识别系统，其特征是：所述的车型识别装置(12)直接嵌入到激光扫描检测装置(11)中。
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