CN201051310Y - 具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器。该检测器由毫米波测速单元、超声波测高单元、数据处理单元、存储单元和通信单元组成，该毫米波测速单元、超声波测高单元分别与数据处理单元和存储单元连接，该数据处理单元、存储单元和通信单元依次连接。本实用新型具有很强的分道能力，使用方便；测量得到精确的车速度和车流量；在得到车流量的同时，测量得到精确的车高曲线；具有全天候能力；能够得到车辆的准确类型，解决了现有的交通视频技术在识别车型时受光线干扰严重的缺陷。

Description

具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器

一技术领域

本实用新型属于能在公路上实时地测量正在行驶的车辆的车长、车高、车速和车型的技术，特别是一种具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器。

二背景技术

随着改革开放的不断深入，经济的飞速发展使与之相适应的基础设施投资力度越来越大，交通需求的急速发展，导致交通拥挤、环境污染、事故增多等问题日益严重。交通流检测器是通过数据采集和设备监控等方式，在道路上实时地检测交通量、车辆速度、车流密度和时空占有率等各种交通参数，这些智能交通系统中最基础的参数，是道路状况实时监控、出行者动态信息系统不可缺少的基础数据。检测器检测到的数据，通过通信系统传送到本地控制器或是直接上传至监控中心计算机，作为监控中心分析、判断、发出信息和提出控制方案的主要依据。所以，交通流检测器及其检测技术水平的高低直接影响到道路交通信息系统、控制系统的工作效率以及整体运行和管理水平。

现行的检测器种类有很多，包括磁感应检测器、波频车辆检测器红外检测器、超声波检测器及视频检测器等。

磁感应检测器分线圈和磁阻传感器两种。线圈检测器是传统的交通流检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。车辆通过埋设在路面下的环形线圈，引起线圈磁场的变化，检测器据此计算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数。但线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍；而且埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字路口，由于车辆启动或者制动时对损坏程度更加严重；再者感应线圈易受到冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响，寿命一般不超过两年；最后感应线圈由于自身的测量原理所限制，当车流拥堵，车间距小于3m的时候，其检测精度大幅降低，甚至无法正常检测，因此，近年来有被其他检测器逐步取代的趋势。

磁阻传感器利用AMR磁阻效应，根据一些铁磁物体对地磁的扰动，来检测车辆的存在，也可以根据不同车辆对地磁产生的扰动不同来识别车辆类型。安装、维修方便，不必封闭车道、不破坏路面。但对于纵向过于靠近的车辆的干扰排除能力较差，即当车流速度较低，前后车辆之间的距离较小时对测量精度影响较大。

波频车辆检测器是以微波、超声波和红外线等对车辆发射电磁波产生感应的检测器。交通微波传感器是一种价格低、性能优越的交通流检测器，一台RTMS侧挂可同时检测8个车道的车流量、道路占用率、平均车速和长车流量，且安装简便。其车流量的检测精度在车流稳定，车速分布均匀的道路上比较准确，但是在车流拥堵以及大型车较多的路段，由于遮挡，测量精度会受到比较大的影响。车速测量在车型单一的区域准确度较高，但是在车型分布不均匀的道路上有比较大的误差。另外侧挂微波检测器要求距离最近的车道有3m的空间，因此，在桥梁、立交、高架路的安装会受到限制。虽然微波监测器也可正挂，此时流量检测以及车速检测都有很高的精度，但一套设备只能检测一条车道，价格昂贵。

红外检测器是顶置式或路侧式的交通流检测器，一般采用反射式检测技术，具有快速准确、轮廓清晰的检测能力，但工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。

超声波检测器是根据声波的传播和反射原理，通过对发射波和反射波的时差测量实现位移测量的设备。声波在空气中的传播速度为340m/s，由此可根据反射波和发射波的时差计算出反射物距探头的距离。当有车辆通过时，由于车辆本身的高度，使探头接收到反射波的时间缩短，就表明有车辆通过或存在。由于超声波传感器顶置于车道上方，因此不存在检测时受遮挡的问题，同时车间距很小时也能准确计数，解决了车辆拥堵时准确检测的问题。但车速的测量是根据车辆先后到达已知距离的两个传感器的时间差计算所得，因为超声的测量频率较小，所以测量精度不高。因为测量频率不高，和速度的精度不高导致的车长的测量精度也不高，所以虽然具有车型识别的能力但精度不高。

交通视频技术是使用计算机视频技术检测交通信息，通过视频摄象机和计算机模仿人眼的功能。其在视频范围内划定虚拟线圈，车辆进入检测区域使背景灰度发生变化，从而感知车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速度。有着直观可靠，安装维护方便，检测范围广等优点，但摄像机视角的选择变得十分关键，安装高度不够会导致视角变小，车辆之间的遮挡会影响测量；安装高度过高会使得安装难度增加，支架的摆动幅度变大，在有风的天气或者桥梁振动的情况下使测量精确度受到较大影响；受能见度以及采光度的影响较大；对雨天、雾天、积水、有阴影的区域会产生更大影响。此类检测器的最大问题是气候适应性差，温度适应性差，可靠性差，测量精度差。

三实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够实时检测车速、车流量、车高、车长等交通参数，并具备车型识别能力的具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器，由毫米波测速单元、超声波测高单元、数据处理单元、存储单元和通信单元组成，该毫米波测速单元、超声波测高单元分别与数据处理单元和存储单元连接，该数据处理单元、存储单元和通信单元依次连接；所述的毫米波测速单元测量得到车辆的速度v和多普勒信号的持续时间t₁；超声波测高单元得到车辆的高度曲线h₁...h_n；数据处理单元根据车辆速度v、多普勒信号的持续时间t₁、车辆的高度曲线h₁...h_n和预设参数得到车辆的车速、车流量、车高、车长和车型和交通流量信息；存储单元存储处理程序、预设参数、交通流量、车辆参数信息，并具有能保存一定时间段内所有交通信息的数据库；通讯单元提供串口通讯、网络通讯、超限报警信号和分类计数信号，根据外部需求，提供实时车辆数据的传输和历史数据的查询。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：(1)具有很强的分道能力，使用方便，可以广泛架设在市内街道交通、公路和高速公路上。街道、公路和高速公路上的众多的指示牌、指示等、隧道、桥梁为该设备的架设提供了方便。(2)利用毫米波的多普勒效应，测量得到精确的车速度和车流量，解决了现有的单纯利用超声波的检测器在测速上的不精确问题。(3)利用超声米波测距，在得到车流量的同时，测量得到精确的车高曲线，解决了现有的单纯利用毫米波多普勒的检测器测量得不到车高的缺陷。(4)利用毫米波和超声波的全天候能力，解决了现有的红外和视频交通参数检测器对环境适应差的缺陷。(5)利用毫米波和超声波得到的车速、持续时间、得到车长，解决了现有的交通检测器得不到车长的缺陷；利用计算得到的车长和超声波得到的车高曲线，能够得到车辆的准确类型，解决了现有的交通视频技术在识别车型时受光线干扰严重的缺陷。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

四附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的毫米波测速单元构成框图。

图3是本实用新型的超声波测高单元构成框图。

图4是本实用新型应用的的工况示意图。

五具体实施方式

结合图1，本实用新型具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器，由毫米波测速单元1、超声波测高单元2、数据处理单元3、存储单元4和通信单元5组成，该毫米波测速单元1、超声波测高单元2分别与数据处理单元3和存储单元4连接，该数据处理单元3、存储单元4和通信单元5依次连接；所述的毫米波测速单元1测量得到车辆的速度v和多普勒信号的持续时间t₁；超声波测高单元2得到车辆的高度曲线h₁...h_n；数据处理单元3根据车辆速度v、多普勒信号的持续时间t₁、车辆的高度曲线h₁...h_n和预设参数得到车辆的车速、车流量、车高、车长和车型和交通流量信息；存储单元4存储处理程序、预设参数、交通流量、车辆参数信息，并具有能保存一定时间段内所有交通信息的数据库；通讯单元5提供串口通讯、网络通讯、超限报警信号和分类计数信号，根据外部需求，提供实时车辆数据的传输和历史数据的查询。

工作前，本实用新型具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器6采取顶架8的方式(架设在车道10上方的桥梁、隧道、指示牌等的下方)，每车道架设一个，测定好离地距离H和毫米波测速单元1的雷达波束与地面(公路9)夹角为α，通过通信单元5的串口或者网口传输到本实用新型检测器6中，并预先设置好高超长报警、超速报警、超高报警的门限。工作时，毫米波测速单元1采用连续波，利用运动目标的多普勒效应，根据预设的离地距离H和毫米波测速单元1的雷达波束与地面夹角为α，来测定车辆7的速度v和多普勒持续时间t₁，得到车长s，存储在存储单元4的双端口RAM中；超声波测高单元2根据预设的离地距离H，得到对每一辆车7的车高曲线，存储在存储单元4的双端口RAM中；数据处理单元3从存储单元4的双端口RAM中读取车速v、车长s和车高曲线h₁...h_n，根据预设的车型模糊函数k，计算得到车辆的准确车型，并根据预先设置的报警门限，确定报警信号的状态。

毫米波测速单元1包括天线、固态的微波组件、具有自动增益控制的接收机、全数字可编程的DSP信号处理机和双端口RAM接口等部分组成。固态的微波组件包括高稳定振荡源、环流器和混频器等。数字信号处理由AD变换器、CPLD和DSP等器件组成。雷达发射的微波经运动目标反射由雷达天线接收，回波信号经接收机放大后，由AD转换为数字信号送入信号处理机。信号处理机完成信号滤波、谱分析和恒虚警处理等运算后估计出车速和持续时间。信号处理是以TI公司的TMS320VC33浮点DSP为平台。其功能包括自动增益控制(AGC)信号放大、滤波、A/D转换以及通过双端口RAM与外部进行通信，如图3所示。首先用运放进行20dB的放大(TLC2272)，然后进行自动增益控制(MCP6S21)，以保证AD变换前的信号幅度基本恒定，接着进行AD变换前的抗混叠滤波(MCP6002)；之后进行12bit模数变换(ADS7816)，变换后的数据通过CPLD串并转换，经中断送入DSP(TMS320VC33)进行FFT变换和恒虚警处理，最后经双端口RAM接口将车速v和车长送至存储单元。

毫米波测速单元1利用连续波，采用多普勒效应，利用预设的离地面高度为H和雷达波束与地面夹角为α计算车速v：

$v=\frac{\mathrm{\λ}*f_d}{2*\cos \mathrm{\α}}---\left(1\right)$

其中λ为波长，f_d为毫米波测速单元精确估计出来的多卜勒频率。

毫米波测速单元1检测多卜勒信号存在的时间长度来计算车辆的长度。设多卜勒信号持续时间为t₁，雷达波束在车道上照射区域长度为L，则车辆的车身长度s为：

s＝v*t₁-L    (2)

超声波测高测时单元2由超声发射电路、超声波接收电路、中心控制处理器、通信传输电路组成。中心控制处理器用于产生振荡信号、各种控制信号、以及数学运算等，超声波发射电路受中心处理器的控制，并将其信号放大，以产生几百伏的高压以驱动压电传感器，通过压电传感器将电能转换成机械能，在空气中传播出去，超声波接收电路将超声传感器所接收到的微弱信号进行放大、滤波等处理，送到中心处理器产生中断信号，中心处理器在接收到中断信号后就进行运算，计算出距离地面的高度数据。其组成框图如下图4所示。

中心处理器由ATF89C51单片机组成，发射电路由三极管、电感线圈等组成，接收电路由高精度运算放大器、带通滤波器、比较器等组成，超声传感器由压电型晶体组成。

超声波测高单元2利用飞行时间法测量车辆的高度曲线。超声波从传感器发出，经空气传播到车子的顶部，并经车子的顶部反射后又传到传感器。车辆的高度h为：

$h=H-\frac{C*T}{2}---\left(3\right)$

其中C为空气中的声速，T为传感器自发射脉冲到接收脉冲的时间，C为声波在空气中的传播速度。对同一辆车会进行多次测量，从而得到多个高度值h₁...h_n，它们构成了车高曲线。

数据处理单元3以ARM2410为处理器，其通过双端口RAM读取毫米波测速单元和超声波测高单元得到的车速、车高、车时等数据，根据预设的车型模糊函数k，计算得到车辆的准确车型，并根据预先设置的报警门限，设置报警信号的状态。

数据处理单元3通过预设的车型模糊函数k，它是车高曲线h₁...h_n、车身长s、车速v的函数，即：

k＝f(h₁...h_n，s，v)    (4)

计算k并与检测器内的预设参数进行比较，得到准确的车型。车型数据通过双端口RAM发送到存储单元。

设置车型模糊函数δ，它是车高曲线h₁...h_n、车身长s、车速v、多普勒持续时间t₁的函数，即：

δ＝f(h₁...h_n，s，v，t₁)    (5)

计算δ并与检测器内的预设参数进行比较，判断否有车辆，并进行计数。计算信息驱动输出计数脉冲。

数据存储单元3即常规的双端口RAM和EPROM，用于存储实时车辆数据和历史数据。

通信单元5由串口通信芯片MAX232和网络芯片组成。

Claims (3)

1.一种具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器，其特征在于：由毫米波测速单元[1]、超声波测高单元[2]、数据处理单元[3]、存储单元[4]和通信单元[5]组成，该毫米波测速单元[1]、超声波测高单元[2]分别与数据处理单元[3]和存储单元[4]连接，该数据处理单元[3]、存储单元[4]和通信单元[5]依次连接；所述的毫米波测速单元[1]测量得到车辆的速度v和多普勒信号的持续时间t₁；超声波测高单元[2]得到车辆的高度曲线h₁...h_n；数据处理单元[3]根据车辆速度v、多普勒信号的持续时间t₁、车辆的高度曲线h₁...h_n和预设参数得到车辆的车速、车流量、车高、车长和车型和交通流量信息；存储单元[4]存储处理程序、预设参数、交通流量、车辆参数信息，并具有能保存一定时间段内所有交通信息的数据库；通讯单元[5]提供串口通讯、网络通讯、超限报警信号和分类计数信号，根据外部需求，提供实时车辆数据的传输和历史数据的查询。

2.根据权利要求1所述的具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器，其特征在于：毫米波测速单元[1]中，输入的信号经过运算放大器进行放大后通过自动增益控制器进行自动增益控制，以保证AD变换前的信号幅度基本恒定，接着通过低通滤波器进行AD变换前的抗混叠滤波，之后进行模数变换，变换后的数据通过CPLD串并转换，经中断送入DSP进行FFT变换和恒虚警处理，最后经双端口RAM接口将车速v和车长送至存储单元[4]。

3.根据权利要求1所述的具有车型识别功能的毫米波和超声波双频交通参数检测器，其特征在于：超声波测高单元中，超声传感器分别通过超声发射电路和超声波接收电路与中心控制处理器连接，并通过双端口RAM接口将车高送至存储单元[4]，该中心控制处理器用于产生振荡信号、各种控制信号、以及数学运算，超声波发射电路受中心处理器的控制，并将其信号放大，以产生几百伏的高压以驱动压电传感器，通过压电传感器将电能转换成机械能，在空气中传播出去，超声波接收电路将超声传感器所接收到的微弱信号进行放大、滤波处理，传送到中心控制处理器产生中断信号，该中心控制处理器在接收到中断信号后就进行运算，计算出距离地面的高度数据。

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