本發(fā)明涉及車輛監(jiān)控系統(tǒng)，尤其涉及一種高速運動車輛的自動監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自改革開放以來，我國高速公路建設(shè)得到了飛躍式發(fā)展。截止2015年底，我國高速公路總里程數(shù)已達到12萬公里，它對我國經(jīng)濟的發(fā)展起著越來越重要的作用。但是，高速公路或普通公路上，高速行駛車輛的監(jiān)測系統(tǒng)卻極其饋乏。多數(shù)的高速公路上，僅僅是安裝了“雷達測速儀”用于反饋和監(jiān)測高速行駛車輛的速度，而對車輛的其他信息如車輛的幾何特征等卻無法獲知。

目前，用于提取車輛幾何特征參數(shù)的方法主要有兩類：一是基于視頻技術(shù)提取車輛的幾何參數(shù)；二是利用激光傳感器的測距技術(shù)獲取車輛的長、寬、高等參數(shù)。前者的視覺效果和技術(shù)效果的確很好，但外部環(huán)境的要求也比較苛刻，比如雨霧天氣，視頻技術(shù)就幾乎無法發(fā)揮遠距離作用，視頻技術(shù)還需要存儲量很大的硬件設(shè)施和功能強大的處理器；而后者對硬件設(shè)施的要求不高，幾乎不受天氣條件的影響，但僅能得到長、寬、高三個參數(shù)中的兩個。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明對于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高速運動車輛的自動監(jiān)測系統(tǒng)。

本發(fā)明的高速運動車輛的自動監(jiān)測系統(tǒng)，利用激光傳感器和雷達測速儀同步采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理器，再通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和設(shè)計算法利用數(shù)據(jù)處理器描繪出車輛的外形特征、確定其所在車道位置并進行車輛的速度反饋與數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述的在激光傳感器安裝于待測道路的路邊，用來掃描車輛上各個點的位置，其安裝高度為h(h≥0)，激光傳感器的掃描角度為，在每條車道上分別安裝雷達測速儀，各個雷達測速儀與激光傳感器掃描面和路面的相交線相垂直，且各雷達測速儀的安裝高度相同、各雷達測速儀到激光傳感器掃描面與路面的相交線的距離相等。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述的構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方法為：

a、坐標建立：以激光傳感器的激光頭與高速公路路面的垂線所在直線為z軸、與z軸垂直相交且與高速公路的橫截面平行的坐標軸為x軸，設(shè)置激光傳感器的掃描角度為，步進角度為，則可計算出激光傳感器轉(zhuǎn)動一周所獲取到的測量數(shù)據(jù)的個數(shù)，其中，步進角度是指激光頭在兩個相鄰掃描點之間所旋轉(zhuǎn)過的角度；調(diào)整的值為整數(shù)，激光傳感器的轉(zhuǎn)動頻率為設(shè)定值f；

b、高度和寬度的確定：在參數(shù)已設(shè)定的條件下，激光頭每旋轉(zhuǎn)一周、即掃描一次，所采集到的數(shù)據(jù)個數(shù)是相同的；假設(shè)激光頭掃描次，每次掃描采集到數(shù)據(jù)的個數(shù)為，總計共有個數(shù)據(jù)，記為，假設(shè)激光頭掃描第次、第的測量的點為運動車輛上的點d，設(shè)為激光頭第次取值時，激光頭與路面之間的垂線與激光頭到d點之間的直線之間的夾角，由此可以計算出d點在面內(nèi)的坐標為，其橫坐標xij的最大值與最小值的差即為該運動車輛的寬度，其縱坐標的最大值即是該運動車輛的高度；

c、長度的確定：假設(shè)車輛在通過掃描區(qū)域的過程中，被激光掃描器掃描了k次，并獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時通過雷達測速儀測得車輛的運行速度設(shè)為vm，由此可計算出激光頭掃描一次車輛行駛的距離l0，以及每次掃描過程中，采集兩個數(shù)據(jù)之間的間隔時間內(nèi)，車輛所行駛的距離l1，再根據(jù)利用b步驟中坐標的計算方法，找到第一個和最后一個hij大于0的點，即可計算出車輛的長度。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述的設(shè)計的算法步驟如下：

a、讀入一段時間內(nèi)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集；

b、刪除基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集中無效數(shù)據(jù)，得到有效數(shù)據(jù)；

c、修正有效數(shù)據(jù)中的誤差，得到一次修正數(shù)據(jù)；

d、修正一次修正數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，得到二次修正數(shù)據(jù)；

e、依據(jù)二次修正數(shù)據(jù)，按時間順序，根據(jù)構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型計算出車輛的幾何特征、并對通過的車輛進行計數(shù)；

f、對e步驟的得到的車輛幾何特征和通過的車輛數(shù)量進行累計存儲。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述的b步驟中所述的無效數(shù)據(jù)為激光傳感器在距離最遠車道的最遠邊沿之外采集到的數(shù)據(jù)、以及受車輛形狀、顏色或材質(zhì)影響而采集到的數(shù)據(jù)。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述的獲得c步驟中的一次修正數(shù)據(jù)的計算方法如下：

a、理想數(shù)據(jù)的獲得：計算公路上沒有運動車輛時，激光傳感器掃描一周所采集到的理想數(shù)據(jù)；

b、誤差平均值的獲得：當(dāng)公路上沒有運動車輛時，從激光傳感器實際所采集的數(shù)據(jù)集中選擇一組數(shù)據(jù)，然后利用a步驟采集的理想數(shù)據(jù)，計算誤差平均值；

c、一次修改數(shù)據(jù)的獲得：實際數(shù)據(jù)與誤差平均值的和即為一次修正數(shù)據(jù)。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述的d步驟中二次修正數(shù)據(jù)的獲得方法是以鄰近為原則，用正常數(shù)據(jù)的橫、縱坐標分別對異常點的橫、縱坐標進行插值代替異常數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的高速運動車輛的自動監(jiān)測系統(tǒng)，利用激光傳感器和雷達測速儀同步獲得的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)計算法還原車輛的外型，同時反饋運動車輛所在的車道和速度信息，利用配套的硬件設(shè)施，能夠真實地還原公路上的路況，同時可監(jiān)視車輛的運行情況，并可以提取運動中的每一輛車的幾何特征和相應(yīng)的速度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明硬件需求與安裝示意圖；

圖2為本發(fā)明激光傳感器取值示意圖。

具體實施方式

實施例1

本發(fā)明的高速運動車輛的自動監(jiān)測系統(tǒng)，是利用激光傳感器和雷達測速儀同步采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理器，再通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和設(shè)計算法利用數(shù)據(jù)處理器描繪出車輛的外形特征、確定其所在車道位置并進行車輛的速度反饋與數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

實施例2

本發(fā)明的高速運動車輛的自動監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示，在激光傳感器安裝于待測道路的路邊，用來掃描車輛上各個點的位置，其安裝高度為h(h≥0)，其探頭面向路面、探頭的安裝位置與道路的橫截面相平行，激光傳感器的掃描角度為，在每條車道上分別安裝雷達測速儀，各個雷達測速儀與激光傳感器掃描面和路面的相交線相垂直，且各雷達測速儀的安裝高度相同、各雷達測速儀到激光傳感器掃描面與路面的相交線的距離相等，雷達測速儀的照射方向需面向激光傳感器，且各雷達測速儀的安裝角度相同。

實施例3

本發(fā)明的高速運動車輛的自動監(jiān)測系統(tǒng)的硬件配置：

如圖1所示，龍門igh與龍門jfe相互平行、與車道隔離線垂直且分別位于高速公路的兩側(cè)，門柱oa位于道路的一側(cè)且位于兩平面igh與jfe的中分面上，i、o、j三點分別安裝在與距離自己最近車道的最近邊沿并保持一定距離的位置，e、f、g、h四點分別安裝一個雷達測儀，雷達測速儀安裝于車輛行駛的車頭的上前方，調(diào)整雷達測速儀f的上下左右角度，使之最有效的路面測速區(qū)域為fs，同樣地調(diào)整其他三個雷達測速儀，使得三個雷達測速儀的最有效測速區(qū)域分別為gs、hs、es四個橢圓形區(qū)域gs、hs、es、fs的前后左右相互平行且與門柱oa垂直，門柱的a點安裝激光傳感器，它的工作示意圖如圖2所示，角形域bac為激光傳感器的掃描區(qū)域，其中e、f、g、h四點的雷達測儀到四個橢圓形區(qū)域es、fs、gs、hs的距離為雷達測速儀的最佳測速距離。

當(dāng)然，除上述的主要硬件設(shè)施外，還需要數(shù)據(jù)傳輸與接收、數(shù)據(jù)處理器和信息存儲與反饋等相關(guān)硬件設(shè)施，四臺雷達測速儀e、f、g、h的作用是采集對應(yīng)車道上運動車輛的速度；激光傳感器的作用是按時間順序采集激光頭與掃描點之間的距離；利用數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)施將采集到的兩項數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的存儲器內(nèi)；數(shù)據(jù)處理器從存儲器內(nèi)按時間順序?qū)霐?shù)據(jù)并按核心算法進行數(shù)據(jù)處理，進而得到主要的結(jié)果，然后將主要結(jié)果進行存儲和反饋給執(zhí)行監(jiān)控的人員。

本發(fā)明的高速運動車輛的自動監(jiān)測系統(tǒng)是利用雷達測速儀和激光傳感器同步采集到的兩項數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)型和設(shè)計算法來描繪通過中位面abc車輛的外形特征、確定其所在車道位置并且進行車輛的速度反饋與數(shù)量統(tǒng)計，其具體操作方法如下：

1、數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建：

如圖2所示，設(shè)激光傳感器的激光頭a與高速公路路面的垂線所在直線為z軸，垂直距離為h；與z軸垂直相交且與高速公路的橫截面平行的坐標軸為x軸；設(shè)置激光傳感器的掃描角度為，當(dāng)激光傳感器從α轉(zhuǎn)到β時，其掃描的地面寬度需將公路的橫截面覆蓋在其內(nèi)部，步進角度為，則激光傳感器轉(zhuǎn)動一周可以獲取到的測量數(shù)據(jù)個數(shù)為：

（1）

其中，所謂的步進角度是指激光頭在兩個相鄰掃描點之間所旋轉(zhuǎn)過的角度；的值為整數(shù)。另外，設(shè)置激光傳感器的轉(zhuǎn)動頻率為fhz。

在參數(shù)已設(shè)定的條件下，激光頭每旋轉(zhuǎn)一周（亦稱為“掃描一次”）所采集到的數(shù)據(jù)個數(shù)是相同的，我們假設(shè)激光頭旋轉(zhuǎn)了m周(即掃描m次)，每次掃描采集到數(shù)據(jù)的個數(shù)為n，總計共有m×n個數(shù)據(jù)，記為。我們考慮第次掃描時的數(shù)據(jù)采集情形，如圖2所示，設(shè)激光傳感器的激光頭所在的位置為a點，其旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方向，從而其沿著bc方向取值，設(shè)它第j（j=1,2,…，n）次的測量數(shù)據(jù)為dij；此時的掃描位置為運動車輛m的d點，設(shè)d點在xoz面內(nèi)的坐標為，其中也是m（即某一高速運動中車輛）在d點的高度；設(shè)為激光頭第次取值時，ad與ao之間的夾角，經(jīng)過計算可得：

（2）

通過上面的分析，我們很容易得到車輛m的d點坐標公式：

（3）

在公式(3)中，若，則表明此時激光傳感器的掃描點為公路的路面上；若則表明此時的掃描點在運動的車輛m上；在的條件下，我們還可以根據(jù)值所屬的實數(shù)區(qū)間判斷車輛m所在的車道或者判斷車輛m是否騎線行駛。

下面我們討論如何利用激光傳感器采集到的距離數(shù)據(jù)和雷達測速儀對應(yīng)采集到的車輛m的速度數(shù)據(jù)vmkm/h來計算高速運動車輛m的長度、寬度與高度問題。

我們假設(shè)只有一輛高速運動車輛m在通過如圖1所示的掃描區(qū)域bac的過程中，激光傳感器恰好掃描了k次，采集到的所有數(shù)據(jù)為

（4）

為了計算車輛m的長度，我們需要計算一次掃描的時間內(nèi)以及同次掃描內(nèi)，激光頭采集相鄰兩個數(shù)據(jù)的時間內(nèi)，車輛m分別行駛的距離（單位：mm）,它們分別為：

（5）

首先，利用公式（3）尋找數(shù)據(jù)（4）中相對應(yīng)的第一個和最后一個大于0的hij，他們的下標分別記為is、js、ie、je，從而車輛m的長度為：

（6）

其次，我們可以根據(jù)對應(yīng)的取值情形來計算出車輛m的寬度，易知其寬度為：

（7）

車輛m的高度公式如下：

（8）

2、運動車輛的自動監(jiān)測算法設(shè)計：

高速行駛車輛自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的最終目的是利用激光傳感器和雷達測速儀獲得的數(shù)據(jù)來還原車輛的外觀形狀，進一步地獲得其幾何特征數(shù)據(jù)，同時統(tǒng)計過往車輛的數(shù)量，其具體算法設(shè)計步驟如下：

a、讀入一段時間內(nèi)發(fā)生的數(shù)據(jù)；

b、刪除數(shù)據(jù)集中無效數(shù)據(jù)，記為；

c、調(diào)用誤差修正算法模塊來修正數(shù)據(jù)中的誤差，修正誤差之后的數(shù)據(jù)集記為；

d、調(diào)用異常數(shù)據(jù)修正算法模塊修正數(shù)據(jù)集中存在的異常數(shù)據(jù)；

e、按時間順序，根據(jù)公式（3）～（8）描繪通過車輛的外形及提取其幾何特征、并對通過的車輛進行記數(shù)；

f、對上一步的結(jié)果進行信息反饋或累積存儲；

g、是否繼續(xù)，若否，則停止；若是，則然后讀入下一段信息，執(zhí)行第（2）步；

其中a步驟所指的一段時間是指每次讀取數(shù)據(jù)的時間間隔，這取決于數(shù)據(jù)處理器的性能，性能好的時間間隔可以長一些，否則會短一些。

3、根據(jù)激光傳感器和雷達測速儀同時采集的數(shù)據(jù)，得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4、誤差數(shù)據(jù)與異常數(shù)據(jù)的修正方法如下：

（1）無效數(shù)據(jù)刪除

當(dāng)激光傳感器在距離最遠車道的最遠邊沿之外采集數(shù)據(jù)時，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可得：存在正整數(shù)，當(dāng)時，有，此時的數(shù)據(jù)是無效的，我們在處理數(shù)據(jù)之前有必要舍棄這部分的數(shù)據(jù)；

舍棄無效數(shù)據(jù)之后，激光傳感器所采集到的數(shù)據(jù)還存在兩方面的問題：一方面是數(shù)據(jù)誤差，另一方面是數(shù)據(jù)異常。

（2）數(shù)據(jù)誤差的修正

雷達測速儀已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于實踐，所以可以認為校正后的雷達所采集到的數(shù)據(jù)誤差是可以忽略不計的，但是激傳感器的誤差還是不能忽略的，故需要對其進行修正，本文設(shè)計的修正數(shù)據(jù)誤差的方法如下：

a、計算公路上沒有運動車輛時，激光傳感器掃描一周所采集到的理想數(shù)據(jù)，公式如下：

（9）

b、當(dāng)公路上沒有運動車輛時，從激光傳感器實際所采集的數(shù)據(jù)中選擇一組數(shù)據(jù)，然后計算誤差的平均值，公式如下：

c、對激光傳感器實際所采集到的數(shù)據(jù)進行誤差修正，公式如下：

其中即為誤差修正后的數(shù)據(jù)。

（3）異常數(shù)據(jù)的修正

激光傳感器采集到的數(shù)據(jù)受車輛顏色、車窗以及車輛形狀的影響，通常會產(chǎn)生一些異常數(shù)據(jù)，所以在應(yīng)用數(shù)據(jù)之前需對原始數(shù)據(jù)的異常性進行識別并作出相應(yīng)的修正，僅僅從激光傳感器采集到的數(shù)據(jù)本身很難判斷出其異常性，但是可以根據(jù)圖1中門柱oa的高度、o點與最近邊沿的距離以及公式（9）可知：激光傳感器采集到的數(shù)據(jù)值必定小于門柱oa的高度。

由此，可以得出：若，則必為異常數(shù)據(jù)。

為了更真實地恢復(fù)車輛的幾何特征，我們需要對異常數(shù)據(jù)進行修正。本文修正異常數(shù)據(jù)的基本方法是：以鄰近為原則，用正常數(shù)據(jù)的橫、縱坐標分別對異常點的橫、縱坐標進行插值代替異常數(shù)據(jù)。設(shè)激光傳感器采集到的數(shù)據(jù)集為，本文設(shè)計的異常數(shù)據(jù)修正算法如下：

a、在矩陣中，若，則對其賦值為0；

b、尋找中無全零行和無全零列的所有子矩陣（每一子矩陣代表一輛運動車輛），記為，依據(jù)公式（3）分別計算每個子矩陣的；

c、按照的順序，對于第k個子矩陣，按下面的方式，分別將中與異常數(shù)據(jù)相對應(yīng)的進行插值替代；

按照先行后列的順序，尋找第一個（但）的數(shù)據(jù)，用的值代替的值；用中第q列的所有非零元素值的平均值代替，而后，如此往復(fù)進行，直至中所有的與異常數(shù)值相對應(yīng)的被修正；

d、判斷k是否等于r，若等于，則停止；若不等于，則將k的值增加1，轉(zhuǎn)而執(zhí)行c步驟。