CN1603792B - 安装在道路上检测环境状况和监控交通的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种具有多功能组合视觉传感器的系统，该传感器利用一个CMOS或CCD技术的方阵，该方阵有一个划分为专用于一系列特定功能的子区域的敏感区域。
Description
技术领域
本发明涉及准备配置在道路上的静止检测装备的领域，该装备检测并在需要时记录环境状况与监测和控制交通状况。
背景技术
过去已经认为在需要时通过下列方法来改进城镇内外和公路上的道路安全状况：
监测环境和大气状况(照明，薄雾/雾，冰)；
监测交通(行驶在道路网络的某些部分中的车辆数目)；
控制交通(车辆队伍，意外事故，障碍，振动)。
最好自动而有效地执行所述功能，从而向使用人和操作人员提供可靠的实时信息，这些信息使特定的驾驶员改变其驾驶风格(速度、照明等)或其路线(改变路线或车道)及装载的物体以改变有关的装备(照明、道路标志等)，并直接干预公路操作人员(交通偏离、帮助)以及记录检查后的现场(如果需要)。
在有雾的情况下，可以使用设置在道路上或交通隔板上的带可变频率和可变照度的断续应急灯。但是，应急灯的频率和强度应当根据外部照明(白天、夜晚、黄昏)和能见度状况而调整，以便获得有效的信息同时避免晃眼现象。
申请人不知道上述领域中的先有技术解决办法，提供了一种视觉传感器，用于将若干功能组合在其敏感区域中的道路用途。
相反，已知的解决办法涉及：
测量能见度用的传感器(US 4931767，EP 0635731B1，GB2224175A，DE 19749397，EP 0691534，US 5118180，US 5206698，WO 8909015A1，US 5987152，DE 29811086，US 4502782，FR 2745915)；
交通控制用的静止位置(US 57771484，GB 2288900，ITMI93A001604，EP 1176570，FR 2771363)。
发明概述
因此本发明的主要目标是提供一种以多功能视觉传感器为基础的检测装置，用于待安装在道路或公路部分(例如入口)来监测和控制交通并用于检测雾/能见度，该装置简单、紧凑、便宜而高度可靠。
本发明的另一目标是提出一个上述系统，该系统也能用于控制车辆(如安全车)上，用于动态地监控环境和公路上的交通状况。
为了达到所述目标，本发明的目的是提供一种检测装置，待安装于道路或公路上或交通分隔器上，从而完成雾检测、光检测、交通监测和控制中的一项或多项功能，其特征在于，该装置包括包含CCD或CMOS方阵的传感器机构，该方阵有一利用光学系统划分为各子区域的灵敏区域，这些光学系统有不同的方向和/或视野和/或所述子区域的光学分隔方式。
特别是，本发明提出一种检测装置，待安装于道路或公路上或交通分隔器上，该装置包括包含CCD或CMOS方阵的传感器机构，该方阵有一利用光学系统划分为各子区域的灵敏区域，这些光学系统具有不同的视野和/或方向和/或子区域的光学分隔方式，其特征在于，所述子区域设计来进行不同特定功能，所述灵敏区域包括专用于观测行驶在道路网络的某些部分中的车辆数目的交通监测和还专用于观测车辆速度、安全距离、占用的紧急车道、车流或事故的交通控制的子区域，所述灵敏区域还包括专用于进行雾检测或光检测的子区域。
在本发明的优选实施例中，通过划分敏感区域而将上述各种功能组合在一个CCD或CMOS方阵内。
通过结合主动技术(间接、局部和精确的测量)和被动技术(直接、广泛和自动保证的测量)，能见度检测变得“更强”。
利用主动技术的能见度检测是以一种间接测量为基础的：检测的对象是与有关体积中的雾密度联系的背散射辐射。这是一种简单、精确而广泛应用的试验方法。但是，它有某些缺点，即它是一种局部的(评估传感器附近的雾密度)和间接的测量(通过半经验公式利用雾密度和能见度之间的相互关系)。
相反，利用被动技术的能见度检测是以一种广泛区域内的能见度直接测量为基础的(通过测量光强度和/或反差的在传感器之前的空间或现场中的雾评估)，并也能检测开始于离传感器的给定距离(大到50～100m)的雾堤(或任何降低能见度的其它微粒的悬浮)的存在。
以利用两种技术采集的信号之间的比较为基础，利用合适的数据融合算法，并采用(如果需要)环境照明、湿度和温度数据，可以利用两种技术的优点而获得能见度的精确而自动保证的评估，它也考虑到检测条件(白天、夜晚)，并能预测(如果需要)雾的生成和/或变稀。
专用于被动雾检测的方阵的敏感区域的一部分也执行交通监测和控制的功能。
该装置也组合一个温度和相对湿度传感器，从其可以获得露水温度，这些参数在使用一种预报可能生成雾的数学模型的情况下可能是有用的。
为了调制有关道路部分上应急灯的强度和/或调整其频率，迫切需要照明检测和能见度评估，以便使所述的照明对车辆清楚可见，但能避免危险的使驾驶员晃眼的现象。
因此，此类途径提供的优点是：
1.组合对于应用范围必需的数种功能；
2.预报可能的雾生成、雾堤的存在和更加自动保证的能见度检测；
3.紧凑而简单的系统，节省费用。
附图简述
现在参照仅作为不起限制作用的例子的附图来描述本发明，附图中：
图1是该装置的视图，该多功能传感器被组合在一个带翼部的密闭箱中，从而减小大气物质对光窗的撞击；
图2是按照本发明的方阵传感器的第一实施例的示意图，该实施例实现上述功能中的一些；
图3是主动雾检测的原理图；
图4表示用于雾检测的光学接收系统的可能的实施方案；
图5表示包括按照本发明的传感器方阵和联接其上的保护窗的组件的透视图；
图6是组成按照本发明的装置的第一实施例的各种元件的示意透视图；
图7是组成按照本发明的装置的第二实施例的各种元件的示意透视图，其基础是其部件为照相机敏感区域、场止动器、微透镜方阵、光学隔绝、微透镜方阵的微光学系统；以及
图8表示图7细节的放大的分解透视图。
优选实施例详述
道路用途的组合目视系统的特征是有下列功用或其一部分功用：
检测有关雾的存在的能见度值(用仪表)；
检测雾堤；
检测环境照明值(用勒克司做单位)；
检测内外温度；
检测外部相对湿度；
交通监测；
交通控制；
由于部分污秽光窗、传感器温度变化和辐射体的能量减弱而产生的自动调节；
自动清洗光窗或窗清洗；
在同一功能传感器或较低功能之间具有桥接作用的无线数据传输；
自动诊断。
该系统的构造包括：
CCD或CMOS视觉传感器(标准的或带有象素值预处理的专用的)；
温度传感器；
相对湿度传感器；
利用被动技术的能见度检测用的辐射体；
光学接收(用于辐射聚集和聚焦在不同的方阵区域上)和透射(用于成形发射光束)系统；
用于准直光学系统和隔开专用于不同功能的各区域的机械系统；
用于获得和处理图象、辐射体控制、温度和湿度信号的获得、无线传输、自动诊断的电子系统。
该系统例如可以安装在公路上存在的入口，从而监控有关的道路部分。
图1表示该装置的外壳2的实施例例子，其前表面有一安置实时检测系统(将在下面详细描述)的区域1，受到光窗3的保护。
本发明利用了构成2002年5月11日提交申请的意大利专利申请TO 2002A 000950的权利要求1的目的而本发明的优先权日期内仍然未公开的建议内容。上述专利申请书的全部内容参考包括于此。但是，应当指出，上述发明涉及一种安装在车辆上并包括一个有一划分成子区的敏感区域的CCD或CMOS方阵的非静止可视系统，这些子区域每个设计成用于现场监控或环境参数的检测，上述划分是利用各种光学系统(有或没有成象系统)来获得的，这些光学系统有不同的方向和/或视野和/或所述子区域的光学隔离方式。
如可从图2中见到，按照本发明的新系统的方阵4的敏感区域划分为其数目、位置和尺寸不同于上述专利申请书内容的子区域。在图2的配置中，方阵4有其划分为专用于下列功能的特定子区域的敏感区域：
1.交通监测和控制、能见度(被动技术)、雾堤；
2.能见度(主动技术)；
3.环境照明。
此外，还有可提供下列其它功能：
4.光窗上的污物(主动或被动技术)；
5.辐射体光能的操作/监控。
雾降低目视效率，因为雾减小环境反差并因此减小可见空间，有时达数米。基本上，目视效率由于觉察深度变小而变坏，觉察深度对于检验和评估空间中物体的位置是绝对必需的。
获得能见度的功能是通过组合两个子区域而完成的：在第一子区域中，由于雾的存在而产生的涉及能见度值的背散射辐射用主动技术测量(即通过一辐射体，如LED或激光二极管)；在对应于专用于交通监测和控制的第二子区域中，用被动技术和利用不同类型不同复杂性的算法计算(如反差分析；参数和荫蔽、值比例、重叠、视差等)而检测雾堤的存在，从而评价非局部能见度。
图3示意表示利用主动技术检测雾的原理。在该图中标号5和6分别表示辐射体和接收体。
在一种可能的配置中，专用于交通控制的区域除了给出道路网络的某些部分中行进的车辆数目外，还给出由于精确的图象处理分析而得到的车流(轿车而非卡车；在车流队列中行驶的车辆的平均速度)类型。同时测定对交通控制有用的参数，如速度(轿车和卡车两者)、安全距离、占用的紧急车道、车流、事故。
环境照明的功能是由方阵的特定子区域或由包括在专用于交通监控的方阵中的子区域完成的。
光窗上污物检测的功能可利用主动技术(即有辐射体)和被动技术(即没有辐射体)两者来执行，并可利用CMOS方阵的子区域或独立的接收组件作为敏感区。
在一可能的配置中，该系统装有与可见方阵隔开的电-光辐射-接收组件(虽然组合于传感器中)，从而以主动方式执行光窗上污物检测的功能。
按照本发明的另一优选的特点，光窗上污物检测的功能是用主动方式(即通过一个辐射体)执行的，但该接收体是所述可视方阵，带一专用于所述功能的子区域或带一包括在专用于上述功能之一的方阵中的子区域。
按照本发明的再一个优选的特点，光窗上污物检测的功能是用被动技术(如图象分析)在一专用于所述功能的方阵的子区域中或在包括于专用于上述功能的方阵的子区域(如专用于现场监控的子区域)中而执行的。
辐射的光功率的监控是通过一个专用于所述功能的子区域或利用一个与方阵隔开的光敏检测器或利用电子电路监控的控制电流和环境温度来完成的。
在一种可能的配置中，该系统还装有一个测量照相机温度的传感器(如热电偶或PCB温度传感器)，从而当温度在需要一个绝对值作为输出值的那些功能中变化时补偿方阵的响应。
在一种可能的配置中，该系统还装有一个测量外部温度(如热电偶)和测量外部相对湿度用的传感器，从而获得露水温度；这些参数能够预报雾的生成。
这个能够将交通监控、照明和雾检测的功能组合在同一CMOS方阵上的光学系统可以按照两种不同的配置来实施：
1.带有标准光学元件的配置(图6)
参照图6中所示的实施例，现场监控功能包括一个物镜30(如一个直径12mm和长度约20mm的显微视频透镜)，该物镜有一合适的焦距(如f＝6mm)和一相对于道路平面倾斜的光轴，从而框住一个相对于方阵中心移动并正交于方阵平面的道路部分。方阵4具有其保护玻璃16，有一不透明区域17和孔18，方阵4安置在物镜后面(也参见图5)。
对于被动技术的雾检测功能，使用如现场监控用的同一物镜。
按照一种优选的特点，用于完成现场监控和被动雾检测的图象光学系统由一个以微光学部件为基础的专用系统组成。
对于主动技术雾检测功能，使用一个玻璃或塑料光学纤维9(也参见图4)，其一端靠近方阵4，设有球状透镜15或GRIN(指数梯度)透镜15或根本没有透镜(如11中)，而其前端设有GRIN透镜13或带一微光学部件或根本没有透镜(如10中)。光学纤维9的前端联接在高带通(在大于800nm的波长透明)/干涉滤光器8(该滤光器也可以没有)和聚光透镜7上(该透镜可以是一个无滤光器的聚光透镜或一个带有干涉涂层的高带通材料的聚光透镜)。
光学纤维是一种用于改变相对于与方阵正交的方向的视野方向的廉价而紧凑的解决办法。事实上，因为在背散射技术中障碍物的存在能够危及能见度测量的正确性，所以接收体的视野应当最好沿水平方向或稍许向上取向。
在聚焦于光学纤维上时，聚光透镜7瞄准7～8度视野内的入射辐射。最好是，在该聚光透镜上应当涂敷防反射涂层。
高通量/干涉滤光器8目的在于限制由于环境光而产生的干扰，在一个调整到辐射体波长(800～900nm)的带中只过滤辐射分量。
按照一种优选的特点，聚光透镜7能够用作光学带通滤光器，用高带通材料制成，其上涂有合适的干涉涂层，使得光谱带通窗调整到辐射体的波长。
在光学纤维上游或下游使用微透镜或GRIN透镜能够改善纤维耦合效率如聚焦到CMOS方阵上。在后一种情况下，不仅有强度增益，而且减小了方阵上的辐射斑点。
另一种过滤辐射体(参照图6中标号31)信号的解决办法在于使用一调制到给定频率的LED作为辐射体和使用一个在该辐射体频率处的电子带通的过滤系统。这种解决办法是使用光学滤光器的替代或补充。
另一种用于过滤辐射体31的信号的解决办法在于使用环境发光信号来计算背景强度并从雾检测器信号中扣除后者。这种解决办法是已经描述的滤光系统的替代。
使用一个用聚光的塑料或玻璃制成的光学纤维32来用于照明功能，像被动技术雾检测功能的情况中那样。但是不应当使用聚光透镜，因为检测的信号具有足够的强度。
照明功能也可以通过计算专用于交通控制或专用于被动雾检测的区域上的平均入射强度来实现。在此种情况下，可以使用像这些功能中的同一光学部件。
对于主动技术的污物检测功能，使用一个像主动技术雾检测功能之一的光学系统。但是，在这些情况下，辐射体和接受体的视野在包括光窗的一部分的较小体积内重叠。因此涉及该功能的光学系统能使用主动技术雾检测功能的那些部件中的一个或多个。如果用电子技术过滤辐射，最好应当使用不同于雾检测功能所用的调制频率。
对于被动技术的污物检测功能，使用像现场监控一样的物镜。
在图6中，标号30a、7a、31a和32a分别表示物镜30、透镜7、辐射体31和光学纤维32的视野。
2.带有微光学部件的配置(图7、8)
在图7、8中所示的第二实施例的情况下，用于上述功能的光学聚光部件为包括微透镜或微透镜-棱镜-微透镜的系统。
该系统可以包括配置在CMOS方阵前面的一个或多个微透镜的方阵。在每个方阵上可以存在一个或多个微透镜。在所示情况下(见图8)，在传感器4附近设置一个微光学部件的方阵21，而微光学部件的方阵20向着该装置的外部配置。
对于每种功能，该光学系统包括安置在不同方阵上的一个或多个微透镜。
涉及光轴方向的问题可以用两种方式解决：
1.使用微平面镜或微棱镜(楔状或总反射)；
2.微透镜的轴向移动或倾斜。
球形光链也可以包括微过滤器的方阵或简单地包括用干涉涂层部分覆盖的光窗。
为了对每种功能隔绝和调整光学系统的隔板，可以使用一个或多个方便地穿孔的吸收材料衬垫。取决于其在光链中的位置(在微透镜方阵之前或之后)，这些衬底可以用作孔止动件、杂散光挡板或场止动件。在后一种情况下，最好不使用一个单独安置的衬底，而是使用一个安置在CMOS方阵的光保护窗上的吸收涂层。在图示情况下(见图8)，提供一个安置在两个微光方阵之间的带光止动件的光隔绝元件22和一个靠近传感器4的用作场止动件的元件23。
在与每种功能有关的光链中，棱镜使光轴偏移(在主动雾检测功能和照明功能的情况下为向上取向)，而一个微透镜(或多个微透镜)聚焦透射的光信号。
仍然按照本发明，该传感器还设置一个用玻璃或透明塑料制成的保护窗16，该窗用作光学纤维的支承(对于带有标准光学元件的配置)，而如果需要，设置一个棱镜；这些光学部件插入在所述窗中形成的孔中。
按照一个优选的特点，该保护窗与其上安置接近光敏区域的微透镜方阵的衬底符合一致。
参照图7，图中示出两个用作辐射体的LED 31，一个光束成形透镜33与它们联接。标号31a、L、F与T分别表示LED 31的发射束、照明功能的视野、主动技术雾检测功能的视野与交通监测和控制的视野。
仍然按照本发明的另一特点，在专用于各种功能的CMOS方阵的各区域之间安置一个光隔绝系统，该系统包括一个在向着该方阵的侧面上的带有一层吸收材料或反射材料的方阵保护窗表面的部分涂层，例如通过绢网印花术或热蒸发技术来涂层。在使用棱镜的情况下，各棱镜面也应当部分涂有一层吸收材料或反射材料，例如通过绢网印花术或热蒸发。
在带有微透镜的配置中，该光保护窗可以是一个微透镜方阵，不限制安置吸收涂层。
该视觉传感器可以是一个具有不同尺寸的CCD或CMOS传感器，该尺寸取决于所完成的功能的数目与设计用于交通监测和控制的视野。
按照一个优选的特点，该CMOS传感器有一种对数响应，从而有一种取决于象素光强度的几乎直线的能见度显示(用来表示)，并因而对大于100米的能见度值有较高的分辨率。
按照一种优选的特点，彩色CMOS传感器能够改进能见度评估算法的强度；在雾的情况下RGB值成为饱和，从而使图象不太光亮而趋向白色。
图象获得可在整个方阵上(在CCD情况下)完成或限制在方阵的子区域上(在CMOS情况下)完成。第二种方案能够对每个子区域使用不同的参数和获得速度。
在主动雾检测功能中，在光信号滤光器之外，还有一个滤光系统，以与辐射体一起的信号获得为基础(例如，在窗方式下，从专用的子区域产生的信号用一个至少两倍于辐射源频率的框架速度来获得)和以使用合适的数字滤光器为基础。
为了获得和处理信号，该装置还装有一个组合的电子组件和一个无线数据发送一接收组件，以便与其它同样的或低功能的传感器连通。
对于用主动和被动技术的能见度测量功能，该电子组件可以比较与两种测量有关的信号，并在需要时补充使用环境照明信号，从而通过合适的算法输出一个精确而自动保证的能见度信号。
按照另一个优选的特点，该电子组件也使用温度和湿度信号以相对于先前的算法作了改进的数据融合算法来评估能见度，并在需要时预测雾的生成和变稀。
着眼于远距离通讯领域的应用，可以：
1)用每个传感器作为从一个传感器到另一传感器传输数据的桥：每个传感器从上一个传感器接收数据并将其传输给下一个，反之亦然。这种传输进行到一个基地站为止，该站用收到的资料来处理警报信息、替代路线、召唤警察等。
2)使用全部或部分传感器来对到来的车辆发送指令信息。
基地站能通过GSM/GPRS/UMTS同时连接到一个中心数据基地，以便上载有关给定路段的数据并同时向行进中的车辆下载待发送的信息。
Claims (26)
1.一种检测装置，待安装于道路或公路上或交通分隔器上，该装置包括包含CCD或CMOS方阵(4)的传感器机构，该方阵有一利用光学系统划分为各子区域的灵敏区域，这些光学系统(31，7，8，9；31，20，21，22)具有不同的视野、和/或不同的方向、和/或所述子区域的不同的光学分隔方式，
其特征在于，所述子区域设计来进行不同特定功能，所述灵敏区域包括专用于观测行驶在道路网络的某些部分中的车辆数目的交通监测和还专用于观测车辆速度、安全距离、占用的紧急车道、车流或事故的交通控制的子区域，所述灵敏区域还包括专用于进行雾检测或光检测的子区域。
2.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，该装置安装在以一定距离一个隔一个地安置在道路一部分上的一系列入口。
3.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，所述传感器机构被设计成能通过结合利用辐射体的间接或局部的测量的主动技术和直接、延伸或自动保证的测量的被动技术而综合与薄雾、雾和雾堤的存在有关的能见度检测功能。
4.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，所述传感器机构设计用来组合雾堤检测的功能。
5.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，所述传感器机构被设计成能结合能见度评估和光检测，从而调整有关道路部分上的应急照明强度。
6.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，所述传感器机构被设计成能综合传感器机构的内部温度检测，用于自动调整传感器机构的响应。
7.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，所述传感器包括一个自动清洗光窗或用于清洗光窗的机构。
8.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，该方阵有其被划分为5个子区域的灵敏区域，每个子区域专用于下列功能之一：(1)交通监测和控制、被动技术的能见度和/或雾检测；(2)主动技术的能见度检测；(3)环境照明；(4)主动或被动技术的光窗上的污物检测；(5)辐射体的操作。
9.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，专用于被动技术的雾检测的方阵灵敏区域的部分也执行交通监测和控制的功能。
10.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，光窗上污物检测的功能是以通过一辐射体的主动技术方式来执行的，并且接收体与该方阵隔开且被组合在该装置中。
11.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，光窗上污物检测的功能是以主动技术方式执行的，并且接收体是该方阵本身，利用一专用于所述光窗上污物检测的功能的子区域。
12.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，光窗上污物检测的功能是通过图象分析的被动技术方式在专用于所述光窗上污物检测的功能的一个方阵子区域中执行的。
13.按照权利要求12的检测装置，其特征在于，专用于所述光窗上污物检测的功能的一个方阵子区域也执行现场监测。
14.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，辐射体操作的监控包括通过专用于所述辐射体的操作功能的一个子区域或通过一与方阵隔开的光敏检测器或通过一监测控制电流和环境温度的电子电路来监控辐射的光能。
15.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，专用于被动技术的雾检测的子区域使用一个位移离方阵中心一定距离的物镜。
16.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，该专用于被动雾检测的子区域通过一个微透镜系统来接收光信号。
17.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，在专用于照明功能的子区域中，利用一根用塑料或玻璃制成的光学纤维来收集光学信号。
18.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，照明功能通过计算专用于交通监测或主动技术的雾检测的区域上的平均入射强度来完成。
19.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，用于各种功能的聚光部件由一个或多个重叠的微透镜或微透镜-棱镜-微透镜的方阵组成，由此在每个方阵上可以存在一个或多个微透镜，而且对于每种功能，该光学系统包括一个或多个配置在不同方阵上的微透镜。
20.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，该传感器机构有一用玻璃或透明塑料制成的保护窗，也用作对光学纤维的支承。
21.按照权利要求8的检测装置，其特征在于，在专用于各种功能的各区域之间设置一个光学隔绝系统，光学隔绝系统基于方阵保护窗的表面或微透镜方阵在向着该方阵的侧面上部分地覆盖一层通过绢网印花术或热蒸发技术施加的吸收材料或反射材料。
22.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，该CMOS方阵传感器机构有一对数响应。
23.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，该CMOS方阵传感器机构是一种彩色传感器。
24.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，该方阵是一种平行的构造的CMOS方阵。
25.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，所述传感器机构还包括一个无线数据传输-接收组件，用于与其它传感器连通。
26.按照权利要求1的检测装置，其特征在于，所述传感器机构至少部分地用于将指令-信息输送到迎面而来的车辆。
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