CN114280322B - 基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统及方法，其系统包括：光栅阵列模块、实时数据采集模块、车辆位置确定模块以及车辆速度确定模块；光栅阵列模块用于实时获取车辆的振动信号；实时数据采集模块用于以预设采集时间长度和预设采样频率采集振动信号，获得振动采样信号；车辆位置确定模块用于基于振动采样信号确定车辆位置；车辆速度确定模块用于基于振动采样信号确定车辆的车轮对应的采样点信息，并根据采样点信息确定车辆速度。本发明实现了对车辆的全天候监测，并提高了对车辆进行定位和测速的效率和精度。

Description

基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统及方法

技术领域

本发明涉及车辆定位测试技术领域，具体涉及一种基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统及方法。

背景技术

在建设交通强国的背景下，智能交通成为当前的研究热点。而对车辆的实时定位和实时速度是重要因素。

现有技术中一般使用视频、雷达检测技术或基于北斗、GPS等车辆定位技术实现对车辆的定位和/或对车辆的测速。而基于视频、雷达等监测技术，对路面的覆盖率低，存在80％以上的盲区，同时易受天气、环境的影响，存在寿命短，易失效等特征，无法实现全时空、全天候的路面监测。同时，基于北斗、以及GPS等车辆定位技术的车辆覆盖率低，GPS数据受制于第三方，平台信息无法进行实时反馈，导致车辆位置和速度确定效率较低，无法全方位满足智能交通的应用。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统及系统，用以解决现有技术中存在的无法实现对车辆的全天候监测以及信息反馈不及时导致车辆位置和速度确定效率较低的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，包括：光栅阵列模块、实时数据采集模块、车辆位置确定模块以及车辆速度确定模块；

所述光栅阵列模块用于实时获取车辆的振动信号；

所述实时数据采集模块用于以预设采集时间长度和预设采样频率采集所述振动信号，获得振动采样信号；

所述车辆位置确定模块用于基于所述振动采样信号确定所述车辆位置；

所述车辆速度确定模块用于基于所述振动采样信号确定所述车辆的车轮对应的采样点信息，并根据所述采样点信息确定所述车辆速度。

在一些可能的实现方式中，所述光栅阵列模块包括光栅阵列传感光缆以及光栅阵列解调仪，所述光栅阵列传感光缆包括多个间隔排布的光栅传感器；

所述光栅传感器用于实时获取光信号；

所述光栅阵列解调仪用于将所述光信号转换为振动信号。

在一些可能的实现方式中，所述基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统还包括数据分割模块；

所述数据分割模块用于基于所述光栅传感器对所述振动采样信号进行分割，获得与所述光栅传感器一一对应的多个振动采样子信号。

在一些可能的实现方式中，所述车辆位置确定模块包括振动参数确定单元、车辆识别单元以及车辆位置确定单元；

所述振动参数确定单元用于确定所述振动采样子信号的频率、峰峰值、能量值和峭度值；

所述车辆识别单元用于根据所述振动采样子信号的频率、峰峰值、能量值和峭度值识别是否发生车辆行驶事件；

所述车辆位置确定单元用于当发生车辆行驶事件时，基于与所述振动采样子信号对应的所述光栅传感器的敷设位置确定所述车辆位置。

在一些可能的实现方式中，所述车辆速度确定模块包括车辆轴距确定单元、车轮信息确定单元以及车辆速度确定单元；

所述车辆轴距确定单元用于根据所述振动采样子信号的频率、峰峰值、能量值和峭度值确定所述车辆的车型等级信息，并根据所述车型等级信息确定所述车辆的轴距；

所述车轮信息确定单元用于根据所述振动采样子信号确定所述车辆的前轮采样时刻和后轮采样时刻；

所述车辆速度确定单元用于基于所述轴距、所述前轮采样时刻和所述后轮采样时刻确定所述车辆速度。

在一些可能的实现方式中，所述车轮信息确定单元包括包络线确定子单元、极值确定子单元以及前后轮采样时刻确定子单元；

所述包络线确定子单元用于确定所述振动采样子信号的包络线；

所述极值确定子单元用于基于所述包络线确定所述振动采样子信号的多个极值；

所述前后轮采样时刻确定子单元用于从所述多个极值中确定出采样时间较小的第一极值点以及采样时间较大的第二极值点，所述第一极值点为所述前轮采样时刻，所述第二极值点为所述后轮采样时刻。

在一些可能的实现方式中，所述车辆位置为：

local_n＝N×D

所述车辆速度为：

式中，local_n为所述车辆位置；v_n为所述车辆速度；N为与发生车辆行驶事件的振动采样子信号对应的光栅传感器的序号；D为光栅传感器间的间距；L_car为所述轴距；t₁为前轮采样时刻；t₂为后轮采样时刻。

在一些可能的实现方式中，所述基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统还包括参数调整模块；

所述参数调整模块用于调整所述预设采集时间长度，和/或所述预设采样频率，和/或所述光栅传感器的个数。

在一些可能的实现方式中，所述基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统还包括滤波模块；

所述滤波模块用于对所述振动采样信号进行低通滤波。

另一发明，本发明还提供了一种基于光栅阵列传感器的车辆定位测速方法，适用于上述任意一种实现方式中所述的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，所述基于光栅阵列传感器的车辆定位测速方法包括：

实时获取车辆的振动信号；

以预设采集时间长度和预设采样频率采集所述振动信号，获得振动采样信号；

基于所述振动采样信号确定所述车辆位置；

基于所述振动采样信号确定所述车辆的车轮对应的采样点信息，并根据所述采样点信息确定所述车辆速度。

采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，通过利用光栅阵列模块实时获取车辆的振动信号，利用实时数据采集模块以预设采集时间长度和预设采样频率采集振动信号，获得振动采样信号，并分别通过车辆位置确定模块和车辆速度确定模块确定车辆位置和车辆速度，由于光栅阵列模块获取车辆的振动信号不受天气、环境的影响，因此，可实现全天候对车辆位置和车辆速度的监测。进一步地，振动采样信号无需发送至第三方平台，实现了振动采样信号的实时获取，从而可提高对车辆进行定位和测速的效率及精度。

进一步地，本发明提供的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统还可灵活的运用在多车道、多车辆速度以及行驶轨迹监测，可作为道面全时全域、智能化监测的新技术实施手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统的一个实施例结构示意图；

图2为本发明提供的车轮信息确定单元的一个实施例结构示意图；

图3为本发明提供的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速方法的实施例流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如：A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明提供了一种基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统及方法，以下分别进行说明。

图1为本发明提供的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统的一个实施例结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统10包括：光栅阵列模块100、实时数据采集模块200、车辆位置确定模块300以及车辆速度确定模块400；

光栅阵列模块100用于实时获取车辆的振动信号；

实时数据采集模块200用于以预设采集时间长度和预设采样频率采集振动信号，获得振动采样信号；

车辆位置确定模块300用于基于振动采样信号确定车辆位置；

车辆速度确定模块400用于基于振动采样信号确定车辆的车轮对应的采样点信息，并根据采样点信息确定车辆速度。

与现有技术相比，本发明实施例提供的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统10，通过利用光栅阵列模块100实时获取车辆的振动信号，利用实时数据采集模块200以预设采集时间长度和预设采样频率采集振动信号，获得振动采样信号，并分别通过车辆位置确定模块300和车辆速度确定模块400确定车辆位置和车辆速度，由于光栅阵列模块100获取车辆的振动信号不受天气、环境的影响，因此，可实现全天候对车辆位置和车辆速度的监测。进一步地，振动采样信号无需发送至第三方平台，实现了振动采样信号的实时获取，从而可进一步提高对车辆进行定位和测速的精度。

进一步地，本发明提供的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统10还可灵活的运用在多车道、多车辆速度以及行驶轨迹监测，可作为道面全时全域、智能化监测的新技术实施手段。

应当理解的是：实时数据采集模块200中的预设采集时间长度以及预设采样频率可根据实际需求进行调整。

具体地：预设采样频率应当与车辆位置和车辆速度的精度要求和确定效率要求相关。例如：当对车辆速度和车辆位置的精度要求较高时，则预设采样频率应当设置为较大值；当对车辆速度和车辆位置的确定效率要求较高时，预设采样频率应当设置为较小值。

预设采集时间长度应当与用户感兴趣的时间长度内的振动采样信号相关。由于光栅阵列模块实时不间断的在获取车辆的振动信号，因此，通过设置预设采集时间长度，可较小振动采样信号的信号量，提高对车辆速度、车辆位置的确定效率。

因此，在本发明的一些实施例中，如图1所示，基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统10还包括参数调整模块500；

参数调整模块500用于调整预设采集时间长度，和/或预设采样频率，和/或光栅传感器的个数。

通过设置参数调整模块500可使基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统10适用不同的要求，提高基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统10的适用性。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，光栅阵列模块100包括光栅阵列传感光缆110以及光栅阵列解调仪120，光栅阵列传感光缆110包括多个间隔排布的光栅传感器111；

光栅传感器111用于实时获取光信号；

光栅阵列解调仪120用于将光信号转换为振动信号。

在本发明的一些实施例中，光栅阵列传感光缆110中的多个光栅传感器111均匀间隔设置，具体地，相邻两个光栅传感器111之间的间距为5米。

应当理解的是：光栅传感器111的个数与相邻两个光栅传感器111之间的间距和光栅阵列传感光缆110的长度相关，具体地，光栅传感器111的个数为光栅阵列传感光缆110的长度与相邻两个光栅传感器111之间的间距的比值。

需要说明的是：为了在保证光栅阵列传感光缆110在进行光栅传感的同时，兼顾对光栅阵列传感光缆110的抗压保护性，在本发明的一些实施例中，光栅阵列传感光缆110的埋深为20厘米。

还需要说明的是：为了确保对车辆长距离监测的可靠性，在敷设光栅阵列传感光缆110之前，需要对光栅阵列传感光缆110进行质量检测，其中质量检测包括光栅传感器111的反射谱以及光栅一致性。

本发明实施例中，基于连续振动的传感机理，车辆在某一时刻沿着道面行驶，会引地面的振动，同时振动会随着混泥土介质传至最近的光栅传感器111，导致光栅阵列传感光缆110中的光属性的相对变化，通过光栅阵列解调仪120进行一系列光电以及模数转化，获得车辆的振动信号。

由于振动采样信号是连续的信号链，为了便于后续将车辆位置与光栅传感器111的位置进行对应，在本发明的一些实施例中，如图1所示，基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统10还包括数据分割模块600；

数据分割模块600用于基于光栅传感器111对振动采样信号进行分割，获得与光栅传感器111一一对应的多个振动采样子信号。

本发明实施例通过将振动采样信号分割为与光栅传感器111一一对应的多个振动采样子信号，可在振动采样子信号分析出发生车辆行驶事件时，通过阈值对应的光栅传感器111快速的确定出车辆位置。

在本发明的具体实施例中，如图1所示，车辆位置确定模块300包括振动参数确定单元310、车辆识别单元320以及车辆位置确定单元330；

振动参数确定单元310用于确定振动采样子信号的频率、峰峰值、能量值和峭度值；

车辆识别单元320用于根据振动采样子信号的频率、峰峰值、能量值和峭度值识别是否发生车辆行驶事件；

车辆位置确定单元330用于当发生车辆行驶事件时，基于与振动采样子信号对应的光栅传感器111的敷设位置确定车辆位置。

具体地，振动采样子信号的频率可将振动采样子信号进行快速傅里叶变换获得，即：

F＝FFT(A_n)

式中，F为振动采样子信号的频率；FFT(A_n)表示对振动采样子信号A_n进行快速傅里叶变换；A_n为振动采样子信号。

振动采样子信号的峰峰值为：

P＝max{A_n}-min{A_n}

式中，P为振动采样子信号的峰峰值；max{A_n}为振动采样子信号的最大值；min{A_n}为振动采样子信号的最小值。

振动采样子信号的能量值为：

E＝{A_n}²

式中，E为振动采样子信号的能量值。

振动采样子信号的峭度值为：

式中，Kurosis为振动采样子信号的峭度值；N为振动采样子信号中采样点的个数；X_n为第n个采样点的值；μ_X(n)为振动采样子信号中所有采样点的值的平均值；SD₄为4阶中心矩。

需要说明的是，车辆识别单元320的具体识别过程为：当振动采样子信号的频率在阈值频率范围内，峰峰值在阈值峰峰值范围内，能量值在阈值能量值范围内，且峭度值在阈值峭度值范围内，则发生车辆行驶事件，否则，则未发生车辆行驶事件。

其中，阈值频率范围、阈值峰峰值范围、阈值能量值范围以及阈值峭度值范围可根据实际情况进行调整，例如，在一个具体实施例中，阈值频率范围为10Hz-20Hz。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，车辆速度确定模块400包括车辆轴距确定单元410、车轮信息确定单元420以及车辆速度确定单元430；

车辆轴距确定单元410用于根据振动采样子信号的频率、峰峰值、能量值和峭度值确定车辆的车型等级信息，并根据车型等级信息确定车辆的轴距；

车轮信息确定单元420用于根据振动采样子信号确定车辆的前轮采样时刻和后轮采样时刻；

车辆速度确定单元430用于基于轴距、前轮采样时刻和后轮采样时刻确定车辆速度。

本发明实施例通过确定出的车型等级信息，确定车辆的轴距，根据轴距、前轮采样时刻和后轮采样时刻确定车辆速度，可确定车辆速度的方式简单，快速。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，车轮信息确定单元420包括包络线确定子单元421、极值确定子单元422以及前后轮采样时刻确定子单元423；

包络线确定子单元421用于确定振动采样子信号的包络线；

极值确定子单元422用于基于包络线确定振动采样子信号的多个极值；

前后轮采样时刻确定子单元423用于从多个极值中确定出采样时间较小的第一极值点以及采样时间较大的第二极值点，第一极值点为前轮采样时刻，第二极值点为后轮采样时刻。

其中，从多个极值中确定第一极值点和第二极值点的具体方式为：基于极值阈值和采样时间从多个极值中确定第一极值点和第二极值点，即：首先确定出大于极值阈值的两个极值点，然后根据采样时间确定出第一极值点和第二极值点。

需要说明的是：当车辆匀速运行时，第一极值点的数值与第二极值点的数值相等。

在本发明的一些实施例中，车辆位置为：

local_n＝N×D

车辆速度为：

式中，local_n为车辆位置；v_n为车辆速度；N为与发生车辆行驶事件的振动采样子信号对应的光栅传感器的序号；D为光栅传感器间的间距；L_car为轴距；t₁为前轮采样时刻；t₂为后轮采样时刻。

在一个具体实例中，车辆的理论速度为30km/h，经过本发明实施例确定出来的车辆速度为30.75km/h，可以看出：本发明实施例中基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统10的对车速测量的准确率大于97％。

为了消除振动采样信号中的噪声信号对振动采样信号的准确性造成影响，在本发明的一些实施例中，如图1所示，基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统还包括滤波模块700；

滤波模块700用于对振动采样信号进行低通滤波。

通过设置滤波模块700可消除振动采样信号中的噪声，从而可进一步提高对车辆定位和测速的准确性。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于光栅阵列传感器的车辆定位测速方法，适用于上述任意实施例中的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统10，如图3所示，基于光栅阵列传感器的车辆定位测速方法包括：

S301、实时获取车辆的振动信号；

S302、以预设采集时间长度和预设采样频率采集振动信号，获得振动采样信号；

S303、基于振动采样信号确定车辆位置；

S304、基于振动采样信号确定车辆的车轮对应的采样点信息，并根据采样点信息确定车辆速度。

上述实施例提供的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速方法可实现上述基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统实施例中描述的技术方案，上述步骤具体实现的原理可参见上述基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统实施例中的相应内容，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上对本发明所提供的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，其特征在于，包括：光栅阵列模块、实时数据采集模块、车辆位置确定模块以及车辆速度确定模块；

所述光栅阵列模块用于实时获取车辆的振动信号；

所述实时数据采集模块用于以预设采集时间长度和预设采样频率采集所述振动信号，获得振动采样信号；

所述车辆位置确定模块用于基于所述振动采样信号确定所述车辆位置；

所述车辆速度确定模块用于基于所述振动采样信号确定所述车辆的车轮对应的采样点信息，并根据所述采样点信息确定所述车辆速度；

所述光栅阵列模块包括光栅阵列传感光缆以及光栅阵列解调仪，所述光栅阵列传感光缆包括多个间隔排布的光栅传感器；

所述基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统还包括数据分割模块；

所述数据分割模块用于基于所述光栅传感器对所述振动采样信号进行分割，获得与所述光栅传感器一一对应的多个振动采样子信号；

所述车辆位置确定模块包括振动参数确定单元、车辆识别单元以及车辆位置确定单元；

所述振动参数确定单元用于确定所述振动采样子信号的频率、峰峰值、能量值和峭度值；

所述车辆识别单元用于根据所述振动采样子信号的频率、峰峰值、能量值和峭度值识别是否发生车辆行驶事件；

所述车辆位置确定单元用于当发生车辆行驶事件时，基于与所述振动采样子信号对应的所述光栅传感器的敷设位置确定所述车辆位置。

2.根据权利要求1所述的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，其特征在于，所述光栅传感器用于实时获取光信号；所述光栅阵列解调仪用于将所述光信号转换为振动信号。

3.根据权利要求2所述的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，其特征在于，所述车辆速度确定模块包括车辆轴距确定单元、车轮信息确定单元以及车辆速度确定单元；

所述车辆轴距确定单元用于根据所述振动采样子信号的频率、峰峰值、能量值和峭度值确定所述车辆的车型等级信息，并根据所述车型等级信息确定所述车辆的轴距；

所述车轮信息确定单元用于根据所述振动采样子信号确定所述车辆的前轮采样时刻和后轮采样时刻；

所述车辆速度确定单元用于基于所述轴距、所述前轮采样时刻和所述后轮采样时刻确定所述车辆速度。

4.根据权利要求3所述的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，其特征在于，所述车轮信息确定单元包括包络线确定子单元、极值确定子单元以及前后轮采样时刻确定子单元；

所述包络线确定子单元用于确定所述振动采样子信号的包络线；

所述极值确定子单元用于基于所述包络线确定所述振动采样子信号的多个极值；

所述前后轮采样时刻确定子单元用于从所述多个极值中确定出采样时间较小的第一极值点以及采样时间较大的第二极值点，所述第一极值点为所述前轮采样时刻，所述第二极值点为所述后轮采样时刻。

5.根据权利要求3所述的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，其特征在于，所述车辆位置为：

所述车辆速度为：

式中，local_n为所述车辆位置；v_n为所述车辆速度；N为与发生车辆行驶事件的振动采样子信号对应的光栅传感器的序号；D为光栅传感器间的间距；L_car为所述轴距；t₁为前轮采样时刻；t₂为后轮采样时刻。

6.根据权利要求2所述的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，其特征在于，所述基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统还包括参数调整模块；

所述参数调整模块用于调整所述预设采集时间长度，和/或所述预设采样频率，和/或所述光栅传感器的个数。

7.根据权利要求1所述的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，其特征在于，所述基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统还包括滤波模块；

所述滤波模块用于对所述振动采样信号进行低通滤波。

8.一种基于光栅阵列传感器的车辆定位测速方法，其特征在于，适用于如权利要求1所述的基于光栅阵列传感器的车辆定位测速系统，所述基于光栅阵列传感器的车辆定位测速方法包括：

实时获取车辆的振动信号；

以预设采集时间长度和预设采样频率采集所述振动信号，获得振动采样信号；

基于所述振动采样信号确定所述车辆位置；

基于所述振动采样信号确定所述车辆的车轮对应的采样点信息，并根据所述采样点信息确定所述车辆速度。