CN109816997A - 具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测系统 - Google Patents

Abstract

一种具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置，通过采用具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置，对检测车流量的多个传感器及其观测信息进行合理支配与使用，将其采集的信息依据某种优化准则进行组合，对信息进行进一步处理，产生对交通道口车流量的车辆存在状态、堵车状态，平均车速、车型，占有率和平均车头时距参数，给出更准确的识别和更正确的数据。

Description

具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测系统

技术领域

本发明涉及道路运输监测领域，更具体的说是涉及一种具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置。

背景技术

在智能交通(intelligent transportation system，ITS)系统中，车辆检测器起着极其重要的作用，其检测对象包括车辆的存在性，车速，车流量以及车型分类等交通信息。车辆检测系统是ITS关键的子系统，它的检测水平直接影响着高速公路和城市道路监控系统的整体运行和管理水平。

车流量的检测是智能交通的基础，在系统中占重要地位。目前检测车流量采用的方法有，磁感应检测技术、声波检测技术、激光红外线检测法、视频检测技术和超声波检测法。

磁感应检测技术：环形线圈检测器却能够避免天气和能见度的影响，夜间依然正常检测，具有其他检测器无法比拟的优势，但是由于大型车辆的线圈频率曲线不规则，以及车辆没有按照道路的规定正常行驶时，检测出现盲区并且无法判别车型，遇到车流拥挤的路况时，线圈的检测准确度降低，同时需要埋设于地下，维护和安装成本高，容易对道路造成破坏，声波检测技术：容易受到噪声等外界环境干扰，检测距离短。

视频检测技术：视频检测是以车辆检测技术、摄像机和计算机图像处理技术为基础，大范围地对车辆施行检测和识别，在晚上以及恶劣气候环境下，检测的精度就显著降低，环境适应的能力较差有，并且图像处理计算量大，实时性差。

激光红外线检测法：红外线检测器是悬挂式或路侧式车辆检测器，这种检测器具有快速准确、轮廓清晰的检测能力，其缺点是工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。

超声波检测法：优点对雨、雾、雪的穿透力强、衰减小，因此可以在雨、雪、大雾等恶劣天气下工作；原理简单、制作方便、成本低。缺点是超声波的传播速度相对于电磁波来说慢了许多，当汽车在高速公路上以每小时上百公里的速度高速行驶时，使用超声波测距无法跟上车距的实时变化，误差大；超声波的方向性相对于气激光光束来讲要差的多，发散角大。当要测量距离较远的目标时，一方面由于气发散而使能量大大降低，另一方面会使分辨力下降，导致将邻车道的车辆或路边的物体作为测量目标。

以上所述传感器它们都具有高性能、精度高、体积小、操作方便等特点，但是由于它们提供的信息的时间、地点、表达形式、采样频率不同，可信度、不确定性不同，侧重点、用途等等也不同。

目前的车流量采集传统的信号往往由单个的传感器来完成，即使采用多个(种)传感器也仅是从多个侧面孤立地反映目标信息，在实际应用上，前进中的车辆速度、种类及环境、天气的变化，所以普遍存在检测信号不稳定，测量误差大的问题。如何将多个不同类型的传感器的测量信号加以综合利用，最大限度的提取有用信息，利用多个传感器来改善感知的质量，给出更准确的识别和更正确的数据是本专利需要解决的问题。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于在此提供一种设计合理，系统稳定，可靠性高，采用多传感器信息融合技术的检测汽车流量的车流量自动检测装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:

一种具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置包括：

超声波测距传感器1、激光测距传感器2、微波测距传感器3、超声波测距传感器信号处理单元4、激光测距传感器信号处理单元5、微波测距传感器信号处理单元6、超声波测距传感器微处理器单元7、激光测距传感器微处理器单元8、微波测距传感器微处理器单元9、数据融合中心单元10、电源适配器单元11、输出接口单元12、红绿灯显示单元13和无线通信模块14组成。

进一步，超声波测距传感器1将检测的信号送往超声波测距传感器信号处理单元4进行整形放大滤波，超声波测距传感器微处理器单元7接收来自超声波测距传感器信号处理单元4的输出信号，超声波测距传感器微处理器单元7输出信号送入数据融合中心单元10。

进一步，激光测距传感器2将检测的信号送往激光测距传感器信号处理单元5进行整形放大滤波，激光测距传感器信号处理单元5接收来自激光测距传感器信号处理单元2的输出信号，激光测距传感器微处理器单元8输出信号送入数据融合中心单元10。

进一步，微波测距传感器3将检测的信号送往微波测距传感器信号处理单元6进行整形放大滤波，微波测距传感器信号处理单元6接收来自激光测距传感微波测距传感器信号处理单元3的输出信号, 微波测距传感器微处理器单元9输出信号送入数据融合中心单元10。

进一步，数据融合中心单元10与无线通信模块14连接。

进一步，数据融合中心单元10与输出接口单元12连接，输出接口单元12外接红绿灯显示单元13。

进一步，电源适配器单元11外接220V交流市电、输出向各工作单元和传感器提供直流工作电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过采用具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置，对检测车流量的多个传感器及其观测信息进行合理支配与使用，将其采集的信息依据某种优化准则进行组合，对信息进行进一步处理，产生对交通道口车流量的车辆存在状态、堵车状态，平均车速、车型，占有率和平均车头时距参数，给出更准确的识别和更正确的数据。

附图说明

图1、具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置系统框图；

图2、车流量超声波测距框图；

图3、车流量激光测距框图；

图4、车流量微波测距框图；

图5、集中式结构多传感器数据融合框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置系统框图，超声波测距传感器1将检测的信号送往超声波测距传感器信号处理单元4进行整形放大滤波，超声波测距传感器微处理器单元7接收来自超声波测距传感器信号处理单元4的输出信号，超声波测距传感器微处理器单元7输出信号送入数据融合中心单元10。

激光测距传感器2将检测的信号送往激光测距传感器信号处理单元5进行整形放大滤波，激光测距传感器信号处理单元5接收来自激光测距传感器信号处理单元2的输出信号，激光测距传感器微处理器单元8输出信号送入数据融合中心单元10。

微波测距传感器3将检测的信号送往微波测距传感器信号处理单元6进行整形放大滤波，微波测距传感器信号处理单元6接收来自激光测距传感微波测距传感器信号处理单元3的输出信号, 微波测距传感器微处理器单元9输出信号送入数据融合中心单元10。

数据融合中心单元10与无线通信模块14连接，将交通道口车流量的车辆存在状态、堵车状态，平均车速、车型，占有率和平均车头时距参数车流量发往交通控制中心，同时数据融合中心单元10与输出接口单元12连接，输出接口单元12外接红绿灯显示单元13，数据融合中心单元10根据当前交通道口车流量的车辆存在状态、堵车状态，平均车速、车型，占有率和平均车头时距参数进行计算处理后，发出控制信号给红绿灯控制器，自动控制调节红绿灯转换时间，提高通行效率，从而预防路口交通堵塞。

电源适配器单元11外接220V交流市电、经过整流滤波后，输出稳定的直流电压，向各工作单元和传感器提供直流工作电源。

图2为车流量超声波测距单元框图，超声波测距单元采用微处理器来控制超声波测距，超声波测距单元的主要功能包括，确定车辆存在状态、堵车状态，平均车速、车型，占有率和平均车头时距。

首先由微处理器产生一个信号，通过超声波驱动电路，将信号连接到电声换能器上向某一方向的被测物体发射超声波，发射的超声波为一系列方波，其宽度为发射超声波的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。在发射时刻的同时控制软件开始计时，超声波在空气中开始传播，当遇到放射物体时立即返回来送入微处理器，当微处理器收到反射波后控制软件立即停止计时，超声波在空气中的传播速度为331.45米/秒，根据计时器记录的时间t，就可以算出发射点与被测量物体的距离。超声波的声速与温度有关，如温度变化不大，则可认为声速基本小变，如果温度变化较大则需要采用温度补偿进行校正。

微处理器通过数据处理确定单位时间内每个车道的平均车流、各车型数量统计、平均车速，平均占有率、平均车头时距和堵车时间，并将这些参数定时储存至FLASH存储器中。

超声波测距适用与高精度的中长距离的距离测量，因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，当采用微处理器进行控制时，如果微处理器使用12M晶振，系统的测量精度理论上可以达到毫米级别。

图3是车流量激光测距单元框图，激光传感器作为一种新兴的传感器，具有检测灵敏度高、抗干扰强等特点。激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标，然后接通激光电源，启动激光器发射激光脉冲，通过发射光学系统，向瞄准的目标发射激光脉冲信号，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，经过接收检测电路后将信号送到微处理器，微处理器记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

同时，该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，经光电转换电路形成计数系统开门计数时钟脉冲信号。起动计数系统，作为计时起点，时钟振荡器向计数器有效地输入计数时钟脉冲信号。另外大部分光脉冲能量射向待测目标，经目标反向作为回波信号进入接收光学系统，作用在光电探测器上，变换为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计数器的关门信号，计数器停止计数。读出计数器从开门到关门期间，进入计数器的时钟脉冲数，经过计算即可得到目标距离。

回波光束所转换的电信号通过改变微处理器口的状端态来实现通过微处理器控制CPLD计时部分开始计时与停止计时。

为了达到提高时间间端测最精度的目的、采用复杂可编程逻辑器件和单片机实现脉冲激光测距时间间隔测量系统中的方案，可编程逻辑器件的使用可大大简化电路结构，使得整个系统结构简单化，采用该设计方案的激光测距系统具有体积小、可靠性高的特点。传统的测量系统采用直接计数法来测量主波信号与回波信号之间的时间间隔，不能满足要求有较高测量精度的场合。目前，提高脉冲激光测践测量精度的方法主要是采用内插法，给出了基于可编程逻辑器件和单片机的模拟内插法，使得整个测试系统达到了较高的精度，并且该系统具有电路实现简单、可靠性高的优点。

图4是车流量微波测距框图，微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件，它由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。微波车流量检测器工作在24 GHz频段，受2kHz的三角波调制。系统主要由天线和收发组件射频前端、中频处理单元、模数转换器、数模转换器、三角波发生器、微处理器处理单元和其他电路组成。2kHz的三角波送入收发组件射频前端中的压控振荡器，经耦合器输出到天线发射端向外发射24 GHz调频发射波，当该波碰到目标后反射回来并经射频前端送入环形器，环行器又叫隔离器，它的突出特点是单向传输高频信号能量，它控制电磁波沿某一环行方向传输，环形器后面接入混频器，经过混频后输人中频处理单元，经信号调理单元对信号进行放大滤波后输出到数模转换器，经数模转换后输出到微处理器进行处理，计算和判别目标距离，并根据汽车驶离微波照射区域的时间和波形的变化以及微处理器内部定时器记录的数值计算车流量、车速、车道占有率、车型等，并将数据通过数据接口发送给数据融合中心单元。

图5是集中式结构多传感器数据融合框图，从多传感器系统的信息流通形式上看，其信息传输和处理的结构一般有集中式、分布式、混合式三种结构。在集中式结构中，只在信息融合中心设置一个中心数据处理器。超声波测距传感器微处理器单元7、激光测距传感器微处理器单元8、微波测距传感器微处理器单元9只针对各自传感器输入的多个参数按每一物体或事件进行分组和进行数据关联处理，也就是说超声波测距传感器微处理器单元7、激光测距传感器微处理器单元8、微波测距传感器微处理器单元9仅起到信息检测、录取的作用，本身没有做出决策，它们将所各自传感器的多个参数按每一物体或事件进行分组和进行数据关联处理后送到信息融合中心10，由信息融合中心10对各种类型的数据(如车流量、车速、车道占有率、车型等)进行综合分析、计算和判决后再作出道路的车流量、车流速度、排队长度以及事故状态等交通数据信息，最后发出相应的指令以操纵系统运行。

同时，由于采用了多传感器数据融合处理，当系统中的某些传感器出现问题时，可依赖其他正常传感器提供的信息，通过数据融合计算获得准确的交通信息。

信息融合中心10将输出结果可以通过无线通信模块14传到专门节点，可以通过输出接口单元12与现有红绿灯系统13进行适配控制红绿灯的动作。

具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置，软件控制程序主要有以下几个部分组成，第一，模数转换程序，将模拟量转换为数字量，并能够实现测量量程的自动选择；第二，对传感器输入信号的可编程放大；第三，传感器自检程序，用于检测传感器工作状态；第四，通信程序，主要完成采集数据的传输和命令字的传输及检测数据的存储和查询功能;第五，数据处理程序，实现滤波和非线性化处理；在软件算法上采用了与多传感器检测系统相关的多传感器数据处理算法、神经网络方法及遗传算法，在此不做过多阐述。

当然，本发明还可有其它实施案例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属技术领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置，其特征在于:包括由 超声波测距传感器1、激光测距传感器2、微波测距传感器3、超声波测距传感器信号处理单元4、激光测距传感器信号处理单元5、微波测距传感器信号处理单元6、超声波测距传感器微处理器单元7、激光测距传感器微处理器单元8、微波测距传感器微处理器单元9、数据融合中心单元10、电源适配器单元11、输出接口单元12、红绿灯显示单元13和无线通信模块14组成；超声波测距传感器1将检测的信号送往超声波测距传感器信号处理单元4进行整形放大滤波，超声波测距传感器微处理器单元7接收来自超声波测距传感器信号处理单元4的输出信号，超声波测距传感器微处理器单元7输出信号送入数据融合中心单元10；激光测距传感器2将检测的信号送往激光测距传感器信号处理单元5进行整形放大滤波，激光测距传感器信号处理单元5接收来自激光测距传感器信号处理单元2的输出信号，激光测距传感器微处理器单元8输出信号送入数据融合中心单元10；；微波测距传感器3将检测的信号送往微波测距传感器信号处理单元6进行整形放大滤波，微波测距传感器信号处理单元6接收来自激光测距传感微波测距传感器信号处理单元3的输出信号, 微波测距传感器微处理器单元9输出信号送入数据融合中心单元10。

2.根据权利要求1所述的一种具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置，其特征在于：数据融合中心单元10与无线通信模块14连接；将交通道口车流量的车辆存在状态、堵车状态，平均车速、车型，占有率和平均车头时距参数车流量发往交通控制中心，同时数据融合中心单元10与输出接口单元12连接，输出接口单元12外接红绿灯显示单元13，数据融合中心单元10根据当前交通道口车流量的车辆存在状态、堵车状态，平均车速、车型，占有率和平均车头时距参数进行计算处理后，发出控制信号给红绿灯控制器，自动控制调节红绿灯转换时间，提高通行效率，从而预防路口交通堵塞。

3.根据权利要求1所述的一种具有多传感器信息融合技术的车流量自动检测装置，其特征在于：电源适配器单元11外接220V交流市电、输出向各工作单元和传感器提供直流工作电源。