CN106960581A - 基于声音信号的机动车测速装置 - Google Patents

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王凌
高建秋
平慈草
陈锡爱
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Abstract

一种基于声音信号的机动车测速装置，包括音频信号采集模块、计算机系统、通信模块和电源模块。该装置执行步骤为：音频信号采集模块实时采集机动车轮胎与路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出的声音信号，并把声音信号发送给计算机系统；计算机系统分析机动车轮胎与相邻的振动标线相互作用发出声音的时间间隔；计算机系统根据事先存储的相邻振动标线的距离长度以及车轮轮胎经过的时间值，计算得到机动车速度；计算机系统将机动车速度数据通过通信模块发送给对应的违章拍照控制装置。本发明成本低，安装简单，能够准确实现部分路段车速监测。

Description

基于声音信号的机动车测速装置
技术领域
本发明专利涉及一种基于声音信号的机动车测速装置，特别涉及一种基于行驶机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出声音信号的机动车测速装置。
背景技术
机动车测速装置对于各种道路系统的交通安全运行具有重要作用。常用的机动车测速原理主要有雷达、激光、地感线圈以及摄像视频等。近年来，不少公司或个人也研发了一些新的测速方法和装置。实用新型(专利授权公告号CN202694575U)利用在公路地面上安装的两个压力传感器作为触发装置，用来感测汽车经过的时间，并采用太阳能供电。实用新型(专利授权公告号CN204650761U)设计了一种一体化多目标雷达测速抓拍系统，该系统利用多目标检测雷达，对多车道上的机动车行驶超速情况进行监控。其他专利文献也提出了多种机动车超速测试方案，例如授权公告号CN204463436U、授权公告号CN204423639U、授权公告号CN204375168U等专利。已有的机动车测速装置有的安装困难，有的价格昂贵，不利于进一步大面积推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于声音信号的机动车测速装置，使其结构简单，成本低廉，安装方便。
为实现本发明所述目的，本发明提供一种基于声音信号的机动车测速装置，该装置包括：音频采集模块、计算机系统、通信模块和电源模块。该机动车测速装置安装于道路边侧，通过对机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出声音信号进行采集、辨识和分析完成机动车测速。
本发明的音频采集模块采用麦克风作为音频信号输入，并通过模数转换电路转换得到数字音频信号，实现采集包括机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出声音信号的道路环境音频数字信号，并将所获得的音频数字信号传送给计算机系统。
电源模块的作用是给音频采集模块、计算机系统和通信模块进行供电。
通信模块的作用在于将计算机系统的车速计算结果，传送给对应的违章拍照控制装置。
计算机系统包括音频数据存储软件模块和机动车速度识别软件模块，其特征在于，为准确实现机动车的识别和定位，该计算机系统执行如下步骤：
a)音频数据存储软件模块接收并存储由音频信号采集模块传送来的音频信号，该音频信号包含行驶机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出的声音信号；
b)机动车速度识别软件模块对音频信号进行预处理、分段、特征提取和特征分类，从而完成行驶机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出的声音信号的辨识；
c)机动车速度识别软件模块记录前后相邻两次机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出的声音信号的时间值，并根据前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)的距离，计算得出机动车速度；
d)机动车速度识别软件模块将机动车速度数据通过通信模块发送给对应的违章拍照控制装置。
本发明是一种基于声音信号的机动车测速装置，这种机动车测速装置根据机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出的声音信号的自动识别及其时间间隔的计算分析，实现机动车测速，具有安装方便和成本低廉的特点，适合部分道路的机动车测速。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明各模块和子模块之间的连接示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括四个组成部分：音频采集模块1、计算机系统2、通信模块3和电源模块4。音频采集模块1用于机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出的声音信号，并将所获得的数字音频信号传送给计算机系统2。
本发明的音频采集模块1采用麦克风作为音频信号输入，并通过模数转换电路转换得到数字音频信号，实现采集包括机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出声音信号的道路环境音频数字信号，并将所获得的音频数字信号传送给计算机系统2。本具体实施例中音频采集模块1的模数转换的采样频率为44kHz。
电源模块4的作用是给音频采集模块1、计算机系统2和通信模块3进行供电。
通信模块3的作用在于将计算机系统2的车速计算结果，传送给对应的违章拍照控制装置。
如图2所示，计算机系统2中设有音频数据存储软件模块11和机动车速度识别软件模块10。计算机系统2的音频数据存储软件模块11接收并存储由音频采集模块1获取的当前时刻的声音数字信号(即数字音频信号)，完成数字音频信号的存储。机动车速度识别软件模块10通过对所获得的音频信号进行预处理、分段、特征提取、特征分类和机动车速度计算等步骤，完成对机动车速度的自动判断。
本具体实施例中，采用前后设置的两条振动标线与经过的某机动车轮胎作用，从而单个轮胎经过会发出期望的前后两次音频信号。两条振动标线间距0.6米，其长度方向与机动车行进方向垂直，长度设计为0.8米，保证机动车只有单侧的两个轮胎会接触这两条振动标线。
本发明装置安装时，音频采集模块1所采用麦克风的安装位置，应当尽可能考虑该麦克风与前后设置的两条振动标线的距离大致相等，以减少机动车速度计算的误差。
本发明的计算机系统2采用STM32F407芯片，其内部集成有存储器和三路12位转换器，处理速度达到168MHz。
本发明的音频数据存储软件模块11和机动车速度识别软件模块10均采用C语言编程实现。
如图2所示，机动车速度识别软件模块10包括信号预处理子模块5、信号分段子模块6、特征提取子模块7、特征分类子模块8、机动车速度计算子模块9。各个子模块分别从前一模块获得数据，并通过对数据进行处理，将处理之后的数据传送给下一模块。
计算机系统2包含的各软件模块和子模块进一步详细说明如下：
1)音频数据存储软件模块11。音频采集模块1采集所需数字音频信号传送给音频数据存储软件模块11，由于采样频率为44kHz，模数转换器为12位(存储为2个字节16位，最高4位均为0)，因此每秒有90112字节音频数据。
2)机动车速度识别软件模块10。该模块包含的各子模块依次完成如下处理，并不断循环。
a)预处理子模块5。由于音频信号中包含高斯白噪声，本发明机动车速度识别软件模块10的预处理子模块5采用维纳滤波器进行滤波去噪。
b)信号分段子模块6。信号分段子模块6对音频数字信号进行分段读取，每段长度为1/16秒，即5632字节音频数据，采用快速傅里叶变换算法进行频谱分析。
c)特征提取子模块7。特征提取子模块7应用采用快速傅里叶变换算法对每段长度为5632字节的音频数据进行频谱分析，并将所得的频谱特征向量发送给特征分类子模块8。
d)特征分类子模块8。特征分类子模块8事先已经进行训练，存储了机动车轮胎与路面振动标线相互作用发出的声音信号频谱特征参数向量。特征分类子模块8接收到特征提取子模块7发送的某段音频数据的频谱特征向量后，马上计算该特征向量和频谱特征参数向量的相关系数，相关系数大于等于某个阈值，则判定该段音频信号当中包含机动车轮胎与路面振动标线相互作用发出的声音信号。如果判定该段音频信号中包含机动车轮胎与路面振动标线相互作用发出的声音信号，则特征分类子模块8调用信号分段子模块6和特征提取子模块7程序继续对5632字节分为32子段，每子段长度为176字节，并继续采用快速傅里叶变换算法计算每子段的频谱，并采用相关系数计算方法判定每个子段的音频信号是否包含机动车轮胎与路面振动标线相互作用发出的声音信号。每次第一次出现这种声音信号的子段对应时间值认为是轮胎和振动标线的接触时间值。
e)机动车速度计算子模块9。机动车速度计算子模块9根据特征分类子模块8传送过来的轮胎和振动标线的接触时间值，以及汽车轴距和相邻两个振动标线间距的差异，判断出同一个轮胎压过相邻两条振动标线的时间差，然后利用两条振动标线的间距数据除以该时间差估计得出机动车速度。
基于上述原理，本发明完成特定车道中机动车的速度监测。

Claims (2)

1.一种基于声音信号的机动车测速装置，包括音频采集模块(1)、计算机系统(2)、通信模块(3)和电源模块(4)，其中计算机系统(2)包括音频数据存储软件模块(11)和机动车速度识别软件模块(10)，其特征在于，为准确实现机动车的识别和定位，该计算机系统(2)执行如下步骤：
a)音频数据存储软件模块(11)接收并存储由音频信号采集模块传送来的音频信号，该音频信号包含行驶机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出的声音信号；
b)机动车速度识别软件模块(10)对音频信号进行预处理、分段、特征提取和特征分类，从而完成行驶机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出的声音信号的辨识；
c)机动车速度识别软件模块(10)记录前后相邻两次机动车轮胎与公路路面上前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)相互作用发出的声音信号的时间值，并根据前后设置的振动标线(或减速丘、或减速带、或公路道钉等)的距离，计算得出机动车速度；
d)机动车速度识别软件模块(10)将机动车速度数据通过通信模块(3)发送给对应的违章拍照控制装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于声音信号的机动车测速装置，其特征是，所述音频采集模块(1)采用麦克风作为音频信号输入，并通过模数转换电路转换得到数字音频信号。
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