CN104821085A - 一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS），特别地涉及一种基于矩形单线圈实现车速车长测量的方法。一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法，得到标准车辆在一定速度下通过矩形线圈时的时间-频率数据；拟合处理，得到时间-频率曲线；取曲线上升沿某一段的斜率，并以该斜率和速度作为标准斜率和标准速度；当待测车辆以某一速度通过矩形线圈时，以同样的方法得到该车辆的时间-频率曲线，记该曲线为待测曲线；定义一个变换因子，对待测曲线进行 变换；取变换后曲线上升沿同一段的斜率，以标准斜率和标准速度为已知参数，利用斜率之比等于速度之比，得到车辆的速度，进而获得车长、车流量、道路占有率等交通信息。

Description

一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法

技术领域

本发明涉及智能交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)，特别地涉及一种基于矩形单线圈实现车速车长测量的方法。

背景技术

交通信息是城市交通规划和交通控制与管理的重要基础信息，车辆的速度作为交通信息中一个非常重要的参数，它既能反应当前的路况，发现交通中出现的问题，又能很好的度量交通系统的效率，具有实时性的特点。在单线圈车辆检测系统中，以车辆的速度作为交通信息采集系统中的基础参数，可以获得车辆的长度，进而实现以车辆的长度对车辆进行分类。

环形线圈车辆检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，由埋设在路面下的环形线圈、馈线及信号检测处理单元(包括耦合振荡电路、信号整形电路、检测信号放大电路、数据处理单元和通信接口等)三部分构成。环形线圈通过馈线连接道路交通信号控制机中的环形线圈检测器，环形线圈检测器检测出道路的交通信息并送给交通信号控制机的主机，从而完成交通信息的检测过程。通有交流电流的环形线圈埋在待检区域路面下，当车辆通过线圈或停在线圈上时，引起回路电感量的变化，信号检测处理单元检测出该变化就可以检测出车辆的存在。电感量的变化表现为耦合振荡电路频率的变化和相位的变化，所以检测电感量的变化通常有两种方式：一种方式是利用相位锁存器和鉴相器，对相位的变化进行检测；另一种方式是对其振荡频率进行检测。本方法采用了后一种检测方式。

传统双线圈车辆检测器虽然能够直接获得车速、车长等交通数据，但双线圈车辆检测器的两个线圈之间会引入串扰，影响测量的准确性，且在施工和维护时会对路面造成较大的破坏。

鉴于单线圈车辆检测器低成本，安装、维护比较方便，有研究人员通过定义一个平均有效车长，利用车流量和道路占有率建立相应的数学模型来研究和估计车辆的速度，以期用单线圈车辆检测器实现速度测量。但在实际应用中，车型种类较多，各种类型的车辆车长相差较大，这样就必然造成测量精度差，系统的可移植性差。

发明内容

为了解决单线圈车辆检测器直接进行车速车长测量的问题，本发明提出了一种利用车辆通过矩形单线圈时得到的时间-频率曲线上升沿的斜率来测量车辆速度，进而实现车长测量的方法。实验证明该方法测量精度高，能很好的实现车辆检测器的各项功能。

本发明所采用的技术方案是：一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法，按照如下步骤进行：

步骤一：将用导线制作的矩形单线圈埋地，矩形单线圈为振荡电路的一个电感器件，记录标准车辆以速度v₀通过矩形单线圈过程中振荡电路的频率变化，获得标准车辆的时间-频率数据，标准车辆行进过程中在矩形单线圈面上的投影覆盖整个矩形单线圈；振荡电路现有技术中已经多有提及，由于在本发明中的振荡电路的目的是获得在电感器件变化下的振荡电路频率变化数据，不依赖于某一特殊的振荡电路，而是任意一个振荡电路都可以使用，并且现有的双线圈测量中的振荡电路可以运用于本发明，所以就不对振荡电路多家解释。

步骤二：对标准车辆的时间-频率数据进行曲线拟合，得到标准车辆的时间-频率曲线，曲线频率的最大值即为标准车辆时间-频率曲线的平台频率f_max0，在没有车辆通过时的空载频率为f₀，取标准车辆时间-频率曲线的斜率作为标准斜率k₀；

步骤三：待测车辆以某一速度v₁通过该矩形单线圈，记录待测车辆行进过程中振荡电路的频率变化，获得待测车辆的时间-频率数据，对得到的时间-频率数据进行曲线拟合，得到待测车辆的时间-频率曲线，并记该曲线为待测曲线，曲线频率的最大值即为待测车辆时间-频率曲线的平台频率f_max1，矩形单线圈在车辆行驶方向上的边长为l_c，待测车辆的时间-频率曲线从最小频率到平台频率再到最小频率的时间，即为待测车辆进入矩形线圈和离开矩形线圈的间隔T；

步骤四：定义变换因子t，令t＝(f_max0-f₀)/(f_max1-f₀)；

步骤五：对待测曲线进行f-f变换，即将待测曲线在不同时刻的频率值与空载频率f₀求差，再以差值乘以变换因子t，得到的乘积再加上空载频率f₀，即为变换后曲线相应时刻的频率值，即若f₁、f₂、f₃为待测曲线依次(按照时间顺序)在不同时刻的频率值(也可以是以步骤三的待测车辆的时间-频率数据直接参与变换，运算后再拟合曲线，即为待测车辆变换后的时间-频率曲线)，则Δf₁＝f₁-f₀、Δf₂＝f₂-f₀、Δf₃＝f₃-f₀，令s₁＝Δf₁·t、s₂＝Δf₂·t、s₃＝Δf₃·t，则f₁、f₂、f₃经过变换后的频率值为 $f_1^{|}=f_0+s_1,f_2^{|}=f_0+s_2,f_3^{|}=f_0+s_3,$ 为对应变换后曲线对应f₁、f₂、f₃时刻的频率。待测曲线经过f-f变换后，获得待测车辆变换后的时间-频率曲线，取待测车辆变换后时间-频率曲线的斜率作为待测车辆的斜率k₁。待测曲线经过f-f变换后的频率变化量与标准曲线的频率变化量相同；

步骤六：待测车辆的速度v₁＝v₀·k₁/k₀，待测车辆的长度l_v＝v₁T-l_c。

上述公式中，斜率k₀是为计算速度而设定的一个标准斜率，在车辆检测器工作之前需进行标定；斜率k₁是待测车辆在待测速度下的斜率；v₀为设定的标准斜率对应的标准速度，在车辆检测器工作之前需进行标定；v₁为待测速度，对应于斜率k₁。

作为一种优选方式，所述矩形单线圈是指只有一个矩形线圈。

作为一种优选方式：步骤二中标准车辆的时间-频率数据在进行曲线拟合前需进行滤波处理，以有效去除干扰量的影响，步骤三中待测车辆的时间-频率数据在进行曲线拟合前需进行滤波处理，以有效去除干扰量的影响。

作为一种优选方式，步骤二中取标准车辆时间-频率曲线上升沿42％到75％之间的算术平均斜率作为标准斜率k₀，步骤五中取待测车辆变换后的时间-频率曲线上升沿42％到75％之间的算术平均斜率作为待测车辆的斜率k₁。

本发明的有益结果是：相比于原有的双线圈车辆检测器，本发明仅需要设置一个线圈即单线圈就可方便的实现车速车长的测量，进而实现车辆检测器的各项功能，降低了施工成本，减少了因铺设线圈对城市道路系统和城市环境造成的破坏，缩短了建设周期，此外还在一定程度上解决了两个线圈之间的串扰问题，后期易于维护，具有明显的优势；相比于原有的通过定义一个平均有效车长从而利用单线圈车辆检测器进行速度测量的方法，本发明提出的方法测量精度高，算法简单，且不受制于检测道路车辆行驶状况的影响，系统的可移植性强。

附图说明

图1是车长计算的原理图；

图2是标准曲线，标准车辆以90km/h，底盘距离线圈高度为37cm，通过线圈的时间-频率曲线；

图3是不同地盘高度的车辆以全覆盖或部分覆盖线圈面积的方式通过线圈的时间-频率曲线；

图4是图3经f-f变换后的时间-频率曲线；

图5是标准车辆以不同速度全覆盖线圈面积的方式通过线圈的时间-频率曲线；

图6是车辆从线圈1/3面积处通过的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

标准斜率及其对应的标准速度是本发明一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法进行测量之前必须获得的参数，需将其预先测量记录。因此标准斜率和标准速度的标定至关重要。具体的做法是：

选择标准车辆，一般应选用底盘较为平整的小型车作为标准车辆；

如图1所示，车辆以覆盖全部线圈面积的方式通过线圈，并能准确测量得到车辆通过线圈的速度v₀，同时通过车辆检测器记录标准车辆通过线圈时的时间-频率数据，获得时间频率-曲线，即为标准曲线；

取标准曲线上升沿42％到75％之间的平均斜率，从而得到标准斜率k₀和标准速度v₀，标准速度是指预先设定的一个速度，该速度作为标准值与待测车辆的速度进行比较，可以根据需要设定。

本文中标准车辆底盘距离线圈高度为37cm，以90km/h(标准速度v₀)覆盖全部线圈面积通过时的时间-频率曲线为标准曲线(标准车辆的时间-频率曲线),如图2所示。

在实际应用中，线圈所处的环境复杂，耦合振荡电路的振荡频率随温度、湿度等外界因素会有微小的变化。为了提高测量精度，在程序中设置基准频率自适应刷新算法，实现程序自稳零功能。此外，在实际测量中，车辆的类型较多，其底盘分布并不均匀，使得车辆检测器得到的时间-频率曲线并不平滑，因此采用限幅滤波和均值滤波进行当前频率的采集，并对采集到的时间-频率数据进行曲线拟合，从而得到与标准曲线形态一致的曲线。

计算斜率均取时间-频率曲线上升沿42％到75％之间的算术平均斜率,如图2所示的区间。区间的具体计算包括以下三步：对于标准曲线形态一致的曲线。

第一步：取曲线的平台频率f_max，在没有车辆通过时的空载频率为f₀；

第二步：求曲线的平台频率与空载频率的差值Δf，即Δf＝f_max-f₀；

第三步：分别用Δf乘以42％和75％得到Δf₁和Δf₂，令f₁＝f₀+Δf₁，f₂＝f₀+Δf₂，则区间[f₁,f₂]为曲线上升沿42％到75％的区间，即为计算斜率的区间。

在求取计算待测曲线斜率之前，必须对待测曲线进行f-f变换。由于时间-频率曲线上升沿斜率的大小受到频率变化量和时间两个因素的影响，而车辆的速度只与时间有关，与频率变化量无关。因此在用时间-频率曲线上升沿的斜率计算速度时，必须去除去不同频率变化量对上升沿斜率的影响。然而在实际应用中，车辆的类型较多，不同类型的车辆底盘距离线圈的高度不同，车辆通过线圈时覆盖线圈的面积可能不同，如图6所示，而且不同类型车辆底盘的结构也有所不同，这就势必造成车辆在不同的情况下通过线圈时，所以检测到的频率变化量是不相同的，从而影响时间-频率曲线上升沿斜率的大小。为此我们引入了一个变换因子t，对待测曲线进行f-f变换，把不同底盘高度，覆盖线圈不同面积的情况下得到的时间-频率曲线变换为与标准曲线频率变化量相同的曲线，从而消除车辆底盘高度、车辆通过线圈的位置不同对曲线上升沿斜率的影响。

如图3所示为待测曲线，图中曲线a是车辆以45km/h，底盘距离线圈高度为25cm，通过线圈的时间-频率曲线；曲线b是车辆以120km/h，底盘距离线圈高度为25cm，从覆盖线圈1/3面积处通过的时间-频率曲线；图4所示为图3经f-f变换后的曲线，图中曲线a′是曲线a经f-f变换后的时间-频率曲线，曲线b′是曲线b经f-f变换后的时间-频率曲线。由图4中的曲线可以看出，待测曲线经过f-f变换后，其频率变化量与标准曲线的频率变化量相同。

车辆通过矩形线圈时，车辆检测器(频率检测器)检测到频率变化量的大小与车辆底盘覆盖在线圈上的面积大小成正比例关系，由于在与车辆行驶方向垂直的方向上，线圈的宽度是一定的，因此在车辆通过线圈时速度一定的情况下，车辆检测器检测到频率变化量的大小与车辆进入线圈的时间成正比例关系。可以证明，在车辆底盘高度及车辆底盘结构一定的情况下，时间-频率曲线上升沿的斜率之比等于车辆通过线圈时的速度之比，即如图5所示是标准车辆以不同速度全覆盖线圈面积的方式通过线圈的时间-频率曲线，图中曲线c是标准车辆以144km/h通过线圈的时间-频率曲线，曲线d是标准车辆以36km/h通过线圈的时间-频率曲线。从图中不同速度下的曲线可以看出，车辆通过线圈时的速度越大，相应的时间-频率曲线上升沿的斜率就越大，反之，车辆通过线圈时的速度越小，相应的时间-频率曲线上升沿的斜率就越小。

至此，就可以利用矩形单线圈完成车速车长的测量。

下面结合附图和具体的非限定实例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

实施例一

不同底盘高度的车辆通过线圈

在实际的交通信息检测过程中，车辆的类型较多，不同类型的车辆具体地体现在车辆的底盘距离线圈的高度不同，通过地埋矩形线圈时引起的频率变化量不同。本发明的具体实施过程是：选定的标准车辆以速度v₀覆盖全部线圈面积通过时的时间-频率曲线为标准曲线，确定标准斜率k₀、标准速度v₀以及标准曲线的平台频率f_max0，如图2所示为标准曲线；测量待测车辆的时间-频率数据，对时间-频率数据进行滤波，并进行曲线拟合，得到待测曲线并获得待测曲线的平台频率f_max1，如图3中曲线a所示为待测曲线；计算变换因子t，t＝(f_max0-f₀)/(f_max1-f₀)；对待侧曲线进行f-f变换，通过f-f变换可有效地消除车辆不同底盘高度对测量的影响，如图4中曲线a′所示为曲线a经f-f变换后的曲线；求得变换后曲线的斜率k₁；则待测车辆的速度v₁可计算为：v₁＝v₀×k₁/k₀；同时通过车辆检测器得到车辆进入线圈和车辆离开线圈的时间间隔T，则车辆的长度为：l_v＝v₁T-l_c，其中l_v为车辆长度，l_c为检测线圈长度，如图1所示。

实施例二

车辆从线圈1/3面积处通过，如图6所示

矩形线圈埋设在道路的特定位置，而车辆的行驶状况复杂多样，因此常常有车辆从线圈局部通过的情况，并不完全覆盖线圈面积，从而影响到频率变化量的大小。本发明的具体实施过程是：选定的标准车辆以速度v₀覆盖全部线圈面积通过时的时间-频率曲线为标准曲线，确定标准斜率k₀、标准速度v₀以及标准曲线的平台频率f_max0，如图2所示为标准曲线；测量待测车辆的时间-频率数据，对时间-频率数据进行滤波，并进行曲线拟合，得到待测曲线并获得待测曲线的平台频率f_max1，如图3中曲线b所示为待测曲线；计算变换因子t，t＝(f_max0-f₀)/(f_max1-f₀)；对待侧曲线进行f-f变换，通过f-f变换可有效地消除车辆覆盖线圈面积不同的情况对测量影响，如图4中曲线b′所示为曲线b经f-f变换后的曲线；求得变换后曲线的斜率k₁；则待测车辆的速度v₁可计算为：v₁＝v₀×k₁/k₀；同时通过车辆检测器得到车辆进入线圈和车辆离开线圈的时间间隔T，则车辆的长度为：l_v＝v₁T-l_c，其中l_v为车辆长度，l_c为检测线圈长度，如图1所示。

综上所述，本文提出的基于矩形单线圈实现车速车长测量的方法满足车辆检测器的要求，具备实用价值。

Claims (4)

1.一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法，其特征在于按照如下步骤进行：

步骤一：将用导线制作的矩形单线圈埋地，矩形单线圈为振荡电路的一个电感器件，记录标准车辆以速度v₀通过矩形单线圈过程中振荡电路的频率变化，获得标准车辆的时间-频率数据，标准车辆行进过程中在矩形单线圈面上的投影覆盖整个矩形单线圈；

步骤二：对标准车辆的时间-频率数据进行曲线拟合，得到标准车辆的时间-频率曲线，曲线频率的最大值即为标准车辆时间-频率曲线的平台频率f_max0，在没有车辆通过时的空载频率为f₀，取标准车辆时间-频率曲线的斜率作为标准斜率k₀；

步骤三：待测车辆以某一速度v₁通过该矩形单线圈，记录待测车辆行进过程中振荡电路的频率变化，获得待测车辆的时间-频率数据，对得到的时间-频率数据进行曲线拟合，得到待测车辆的时间-频率曲线，并记该曲线为待测曲线，曲线频率的最大值即为待测车辆时间-频率曲线的平台频率f_max1，矩形单线圈在待测车辆行驶方向上的边长为l_c，待测车辆的时间-频率曲线从最小频率到平台频率再到最小频率的时间，即为待测车辆进入矩形线圈和离开矩形线圈的间隔T；

步骤四：定义变换因子t，令t＝(f_max0-f₀)/(f_max1-f₀)；

步骤五：对待测曲线进行f-f变换，即将待测曲线在不同时刻的频率值与空载频率f₀求差，再以差值乘以变换因子t，得到的乘积再加上空载频率f₀，即为变换后曲线相应时刻的频率值，待测曲线经过f-f变换后，获得待测车辆变换后的时间-频率曲线，取待测车辆变换后时间-频率曲线的斜率作为待测车辆斜率k₁；

步骤六：待测车辆的速度v₁＝v₀·k₁/k₀，待测车辆的长度l_v＝v₁T-l_c。

2.根据权利要求1所述的一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法，其特征在于，所述矩形单线圈是指只有一个矩形线圈。

3.根据权利要求1所述的一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法，其特征在于：步骤二中标准车辆的时间-频率数据在进行曲线拟合前需进行滤波处理，以有效去除干扰量的影响，步骤三中待测车辆的时间-频率数据在进行曲线拟合前需进行滤波处理，以有效去除干扰量的影响。

4.根据权利要求1所述的一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法，其特征在于：步骤二中取标准车辆时间-频率曲线上升沿42％到75％之间的算术平均斜率作为标准斜率k₀，步骤五中取待测车辆变换后的时间-频率曲线上升沿42％到75％之间的算术平均斜率作为待测车辆的斜率k₁。