CN106297373A - 基于互相关和地磁传感器的停车场车辆检测方法 - Google Patents
基于互相关和地磁传感器的停车场车辆检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于互相关和地磁传感器的停车场车辆检测方法,包括:所述地磁传感器节点采集所经过车辆对地磁的扰动信号,并对采集的信号进行预处理和特征提取,对处理后的信号进行K-means聚类,聚类后的聚类中心信号作为参考信号,并将采集的实时监测数据与参考信号进行互相关计算,最后根据相关性,做出车辆检测的相应判断。上述停车场车辆检测方法采用信号的互相关来判断停车位的状态,由于所选择的参考信号与噪声干扰信号相关性低,而与实际的车辆信号相关性高,可以通过简单的阈值方法来判定待测信号是否为车辆信号。本方法采用了K-means聚类算法,将聚类中心信号作为参考信号,该方法在噪声较大的路边停车场也具有较好的检测性能。
Description
【技术领域】
本发明涉及车辆检测技术,尤其涉及一种停车场车辆检测方法。
【背景技术】
目前停车场车辆检测的方法主要有:超声、视频和地磁检测等手段。超声检测是停车场使用较多的成熟的检测方法,优点是准确度较高,但是在路边停车场安装和维护不方便;视频检测具有直观、信息量丰富等优点,其缺点是图像处理需要存储大量信息,而且容易受到光照条件及天气条件的影响。地磁传感器的优点有:体积小、功耗低、灵敏度高、易于集成以及安装和维护方便等优点。只要把地磁传感器放置于车辆经过的区域就可以感应到车辆的存在,既可以检测道路车流量也可以应用停车场车辆检测。
当一辆汽车经过地磁传感器上方时,会对这一区域的磁场有较大的瞬间影响,外部磁场的改变会导致传感器的输出值发生变化,如图1所示;当车辆离开目标区域后,磁场恢复原来状态。通过地磁传感器输出值的变化来检测车辆是可行的,目前的已有的算法主要可以分为两种:基于阈值的检测方法和基于互相关的检测方法。
基于阈值的算法,主要的思想是当没车的时候确定背景磁场值作为基线,基线被认为是不变的,当磁场传感器的输出值与基线值的差值超过阈值时则判决有车,否则没车。这些阈值方法都存在一个共同的问题:基线漂移、阈值选取等因素对算法的检测精度影响较大。
互相关检测方法可以有效滤掉与参考信号不相关的噪声信号,使得有效信号得以加强,从而提高检测准确率。但是准确检测的关键在于找到一个合适的参考信号,参考信号必须尽可能地与有效信号相似,同时参考信号要保持与噪声信号无关。已有的检测算法参考信号有高斯曲线、磁场变化曲线等,这些方法适用于动态车辆检测,对于静态车辆检测并没有合适的参考信号,因此本发明旨在通过K-means聚类算法找到与实际的有效信号最相关的参考信号,同时设计停车场车辆检测算法,最终能够有效、准确的检测停车场车辆,从而能够准确地判断出车位的状态信息,为智能化停车场管理奠定了基础。
【发明内容】
有鉴于此,有必要提供一种可靠的停车场车辆检测方法。所述地磁传感器节点采集所经过车辆对地磁的扰动信号;然后对采集的信号进行预处理和信号特征提取;对预处理和信号特征提取后的信号进行K-means聚类,并将K-means聚类后的聚类中心作为参考信号;将采集的实时监测数据与参考信号进行互相关计算,互相关计算结果与阈值进行比较,超过阈值则认为车位状态改变,在认为车位状态改变后根据车位前一时刻状态来判断车位最新状态。
在优选的实施方式中,对采集信号的预处理步骤包括下述步骤:所述采集信号进行平滑滤波处理;所述滤波后信号进行去基线处理;所述信号进行求模计算。其中平滑滤波采用下述公式:
其中,xraw(t)是采样的x轴原始数据,N为设置的平滑窗口长度,xs(t)是所述x轴平滑滤波后的信号,y轴和z轴采用与x轴相同的平滑滤波方法。
去基线处理采用下述公式:
xs-b(t)=xs(t)-xbase(t)
其中,xs(t)是x轴平滑滤波后的信号,xbase(t)是x轴的基线值,y轴和z轴采用与x轴相同的去基线方法。
计算模值采用下述公式:
其中,xs-b(t)、ys-b(t)和zs-b(t)分别表示x、y和z轴的取基线后的信号。
在优选的实施方式中,所述对预处理信号进行特征提取包括下述步骤:所述预处理后信号进行特征曲线截取,去除静态部分;对截取的特征曲线进行插值处理,使特征曲线长度相同;所述插值处理后的信号进行归一化处理。
所述预处理后信号进行特征曲线截取,去除静态部分,采用下述公式;
Ga=G(t),{(t1-td)≤t≤t2+td}
Gd=G(t),{(t3-td)≤t≤t4+td}
其中,t1是车辆到达的时间,t2是停车后信号从不稳定状态转变为稳定状态的时间点;同样,t3是车辆离开的时间,t4是车离开后信号从不稳定状态转变为稳定状态的时间点,td是时间延迟参数。
所述对截取的特征曲线进行插值处理,使特征曲线长度相同,插值方法包括以下步骤:
(1)计算特征曲线长度L,并拟合曲线y=f(x);
(2)在长度L的区间上平均分布M个点(x1,x2,…,xM,M为插值后的固定长度);
(3)根据曲线f(x),计算出M个点所对应的函数值(y1,y2,…,yM);
(4)Y=[y1,y2,…,yM]即为插值后特征曲线;
所述特征曲线进行归一化处理,将信号归一到最大值为1,最小值为-1的范围中,采用下述公式:
其中,Ymax和Ymin分别表示归一化范围的最大值1和最小值-1,X是原始信号,Xmax和Xmin分别表示原始信号中的最大值和最小值。
在优选的实施方式中,所述对提取的特征信号进行k-means聚类包括下述步骤:
Step 1:随机选取k个聚类质心点,为μ1,μ2,...,μk∈Rn。
Step 2:对于每一个样本{x(1),...,xm},计算其类别:
Step 3:对于每一个类j,重新计算该类的质心:
重复step2和step3直到收敛;
其中,K是已知的聚类数,C(i)代表样本I与k个类中距离最近的那个类,C(i)的值是1到k中的一个,质心μj代表同一类样本的中心点。
在优选的实施方式中,所述μj引用为互相关检测中的参考信号。
在优选的实施方式中,所述将采集实时检测数据与参考信号进行互相关计算,采用下述公式:
其中Gm表示经过预处理的待检测信号,Ym是经过聚类得到的参考信号,和分别表示两个信号的均值,RGY(τ)表示两个信号的互相关系数,且在[-1,1]范围内,当两个信号互相关程度较高时,越趋近于1,当两个信号完全不相关时,越趋近于0。
所述判断车位状态是否改变采用下述公式:
其中,Event(t)表示状态是否改变,为1时表示改变,为0时表示状态不变;TH为设定阈值;RGY(t)为互相关计算结果。
所述目前车位状态判断采用下述公式:
其中,S(t)=0表示车位空闲,S(t)=1表示车位被占用。
有益效果:本发明中的互相关检测方法不依赖于阈值检测方法中与基线的对比,其检测精度不受基线漂移的影响,提高其鲁棒性;在已有的互相关检测算法中参考信号有高斯曲线、磁场变化曲线等,这些方法适用于动态车辆检测,对于停车场静态车辆检测并没有合适的参考信号,本发明通过K-means聚类算法找到与实际的有效信号最相关的参考信号,同时设计停车场车辆检测算法,最终能够有效、准确的检测停车场车辆,从而能够准确地判断出车位的状态信息,为智能化停车场管理奠定了基础。
【附图说明】
图1为车辆驶入和驶出时所对应的地磁信号变化曲线;
图2为停车场车辆检测方法流程图;
图3为采集信号预处理流程图;
图4为提取特征信号流程图;
图5为去除静态波形,截取驶入和驶出的波形曲线;
图6为K-means聚类算法流程图;
图7为互相关检测流程图;
图8为互相关检测结果示例图。
【具体实施方式】
以下结合具体的实施实例和附图进行说明。
如图2所示,一种传停车场车位检测方法,包括以下步骤:
S210,采集信号进行预处理。该步骤包括如下步骤,如图3所示:
S211,采集信号进行平滑滤波处理。均值滤波是对某一参数连续采样N次,然后把N次采样值求和,再取其平均值作为本次采样值。地磁信号虽然可靠,但是也会有一些小的高频干扰,而均值滤波比较适用削弱于这种波动范围较小的高频干扰。平滑滤波采用下述公式:
其中,xraw(t)是采样的x轴原始数据,N为设置的平滑窗口长度,xs(t)是所述x轴平滑滤波后的信号,y轴和z轴采用与x轴相同的滤波方法。
S212,本方法不关心基线,只关心车辆所引起的地磁变化量,为了简化计算,本方法采用了去基线处理,采用下述公式:
xs-b(t)=xs(t)-xbase(t)
其中,xs(t)是x轴平滑滤波后的信号,xbase(t)是x轴的基线值,y轴和z轴采用与x轴相同的去基线方法。
S213,本方法不考虑方向,只考虑了变化量的模值,计算模值采用下述公式:
其中,xs-b(t)、ys-b(t)和zs-b(t)分别表示x、y和z轴的取基线后的信号。
S220,特征提取处理。该步骤包括如下步骤,如图4所示:
S221,特征信号截取处理。预处理后的信号绝大部分处于稳定状态,只有在车辆驶入或驶出的时候,信号才处于波动状态,为了节省计算资源和存储资源,降低功耗,大部分稳定状态可以移除,截取部分波动曲线作为特征曲线即可。如图5(左)所示,驶入(arrival)事件时间段(t1~t2),输出(departure)事件时间段(t3~t4)为特征曲线,为了提高准确性,本发明设置了延迟时间td,因此截取的特征曲线为,如图5(右)所示。特征信号截取处理采用下述公式:
Ga=G(t),{(t1-td)≤t≤t2+td}
Gd=G(t),{(t3-td)≤t≤t4+td}
其中,t1是车辆到达的时间,t2是停车后信号从不稳定状态转变为稳定状态的时间点;同样,t3是车辆离开的时间,t4是车离开后信号从不稳定状态转变为稳定状态的时间点,td是时间延迟参数。
S222,截取的特征曲线进行插值处理,使特征曲线长度相同,插值方法包括下述步骤:
(1)计算特征曲线长度L,并拟合曲线y=f(x);
(2)在长度L的区间上平均分布M个点(x1,x2,…,xM,M为插值后的固定长度);
(3)根据曲线f(x),计算出M个点所对应的函数值(y1,y2,…,yM);
(4)Y=[y1,y2,…,yM]即为插值后特征曲线;
S223,所述插值后曲线进行归一化处理,将信号归一到最大值为1,最小值为-1的范围中,归一化采用下述公式:
其中,Ymax和Ymin分别表示归一化范围的最大值1和最小值-1,X是原始信号,xmax和xmin分别表示原始信号中的最大值和最小值。
S230,特征提取结果进行K-means聚类,聚类中心作为互相关检测的参考信号,如图6所示聚类包括下述步骤:
S231:随机选取k个聚类质心点,为μ1,μ2,...μk∈Rn。
S232:对于每一个样本{x(1),...,xm},计算其类别:
S233:对于每一个类j,重新计算该类的质心:
其中,K是已知的聚类数,C(i)代表样本I与k个类中距离最近的那个类,C(i)的值是1到k中的一个,质心μj代表同一类样本的中心点。
S234:重复step2和step3直到收敛;
S240,互相关检测。该步骤包括下述步骤:采集的实时监测数据与参考信号进行互相关计算;将互相关计算结果与阈值进行比较,如果超过阈值则认为车位状态发生改变,否则车位状态不变;在认为车位状态改变后根据车位前一时刻状态来判断车位最新状态,其流程图如图7所示。
S241,所述采集的实时监测数据与参考信号进行互相关计算,采用下述公式:
其中,Gm表示经过预处理的待检测信号,Ym是经过聚类得到的参考信号,和分别表示两个信号的均值,RGY(τ)表示两个信号的互相关系数,且在[-1,1]范围内,当两个信号互相关程度较高时,越趋近于1,当两个信号完全不相关时,越趋近于0。
S242,所述将互相关计算结果与阈值进行比较采用下述公式:
其中,Event(t)表示状态是否改变,为1时表示改变,为0时表示状态不变;TH为设定阈值;RGY(t)为互相关计算结果。
S243,所述目前车位状态判断采用下述公式:
其中,S(t)=0表示车位空闲,S(t)=1表示车位被占用。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种基于互相关和地磁传感器的停车场车辆检测方法,包括以下步骤:
地磁传感器节点采集所经过车辆对地磁的扰动信号;
对采集的信号进行预处理和信号特征提取;
对预处理和信号特征提取后的信号进行K-means聚类,并将K-means聚类后的聚类中心信号作为参考信号;
将采集的实时监测数据与参考信号进行互相关计算,将互相关计算结果与阈值进行比较以判断车位状态是否发生改变,超过阈值则认为车位状态改变,在认为车位状态改变后根据车位前一时刻状态来判断车位最新状态。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,对采集的信号进行预处理具体为:
将采集的信号进行平滑滤波处理,然后进行去基线处理,最后计算基线处理后信号的模值。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述平滑滤波处理采用下述公式:
其中,xraw(t)是采样的x轴原始数据,N为设置的平滑窗口长度,xs(t)是所述x轴平滑滤波后的信号,y轴和z轴采用与x轴相同的方法进行平滑滤波。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述去基线处理采用下述公式:
xs-b(t)=xs(t)-xbase(t)
其中,xs(t)是x轴平滑滤波后的信号,xbase(t)是x轴的基线值,y轴和z轴采用与x轴相同的方法进行去基线处理。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,计算基线处理后信号的模值采用下述公式:
其中,xs-b(t)、ys-b(t)和zs-b(t)分别表示x、y和z轴的取基线后的信号。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述信号特征提取具体为:
将预处理后信号进行特征曲线截取,去除静态部分;然后进行插值处理;最后将插值处理后的信号进行归一化。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述特征曲线截取采用下述公式:
Ga=G(t),{(t1-td)≤t≤(t2+td)}
Gd=G(t),{(t3-td)≤t≤(t4+td)}
其中,t1是车辆到达的时间,t2是停车后信号从不稳定状态转变为稳定状态的时间点,t3是车辆离开的时间,t4是车离开后信号从不稳定状态转变为稳定状态的时间点,td是时间延迟参数。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述插值处理包括以下步骤:
(1)计算特征曲线长度L,并拟合曲线y=f(x);
(2)在长度L的区间上平均分布M个点(x1,x2,…,xM,M为插值后的固定长度);
(3)根据曲线f(x),计算出M个点所对应的函数值(y1,y2,…,yM);
(4)Y=[y1,y2,…,yM]即为插值后特征曲线。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述将插值处理后的信号进行归一化采用下述公式:
其中,Ymax和Ymin分别表示归一化范围的最大值1和最小值-1,X是原始信号,xmax和xmin分别表示原始信号中的最大值和最小值。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述K-means聚类中,训练样本{x(1),...,xm}来自于停车场的地磁传感器采集的数据,每个x(i)∈Rn,k-means算法是将样本聚类成k个簇,具体步骤如下:
Step 1:随机选取k个聚类质心点,为μ1,μ2,...,μk∈Rn;
Step 2:对于每一个样本,计算其类别:
C(i):=argminj||x(i)-μj||2;
Step 3:对于每一个类j,重新计算该类的质心:
重复step2和step3直到收敛;
其中,K是已知的聚类数,C(i)代表样本I与k个类中距离最近的那个类,C(i)的值是1到k中的一个,质心μj代表同一类样本的中心点。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述μj引用为相关检测的参考信号。
12.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述互相关计算采用下述公式:
其中,Gm表示经过预处理的待检测信号,Ym是经过聚类得到的参考信号,和分别表示两个信号的均值,RGY(τ)表示两个信号的互相关系数,且在[-1,1]范围内,当两个信号互相关程度较高时,越趋近于1,当两个信号完全不相关时,越趋近于0。
13.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述判断车位状态是否改变采用下述公式:
其中,Event(t)表示状态是否改变,为1时表示改变,为0时表示状态不变;TH为设定阈值;RGY(t)为互相关计算结果。
14.根据权利要求12的方法,其特征在于,所述判断车位最新状态采用下述公式:
其中,S(t)=0表示车位空闲,S(t)=1表示车位被占用。
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