車輛幾何參數動態測量裝置的制作方法

專利名稱：車輛幾何參數動態測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于智能交通技術領域，涉及一種實時交通信息采集技術。
背景技術：
車輛幾何參數采集是智能交通系統中解決信息來源、綜合分析處理多渠道 信息、進行系統數據管理和信息服務的關鍵技術內容，在智能交通系統中占據 重要位置，它是進行合理有效地調度交通，減少道路擁塞的重要保證。對解決車 輛收費、道路監控、提高公路利用效率具有重要意義。
傳統的車輛幾何參數測量裝置主要利用超聲波、激光、紅外、攝像等檢測 手段，但是信號采集往往由單一的傳感器來完成，即使采用多個(種)傳感器也 僅是從多個側面孤立地反映目標信息。實際上，在大多數情況下，需要多個傳 感器多角度地同時采集運動車輛的信息。但是多傳感器也帶來了信息冗余甚至 矛盾，所以必須通過對各種傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將其采集 的信息依據某種優化準則組合產生對車輛信息一致性的解釋和描述。
我國現有車輛幾何參數測量裝置存在的問題主要表現在功能單一、缺乏交 互能力、實時性不夠、價格較高等方面。因此，需要有一個準確、可靠的信息 采集系統，能將來自底層的實時數據收集起來，準確、迅速地通過高速信息傳 輸網送交臺后進行分析和處理。目前國內在車輛信息采集及多傳感器數據融合 方面的研究尚處于初步的理論研究和技術引進階段，對于交通信息采集的研究 較少，交通信息采集和處理相關軟硬件的開發還比較薄弱。國內市場上，幾乎 沒有一種產品能夠對車輛的外型、速度進行綜合的、準確檢測。因此動態的測 量車輛的外型、速度成了一個急需解決的問題。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的缺陷，提供一種車輛幾何參數動態測 量裝置，采用多個超聲波傳感器采集車輛信息，并將車輛信息采集和多傳感器 融合算法結合起來，由單片機控制收發同體的超聲波傳感器進行超聲波的發射、 接收作為傳感器采集模塊，再由多個不同頻率的超聲波采集模塊組成傳感器陣 列從不同角度獲取道路截面運動車輛的數據信息，各個超聲波采集模塊組成傳 感器陣列對行駛車輛幾何參數動態掃描，將采集到的數據信息傳送給數字信號
處理器DSP數據融合模塊，數字信號處理器DSP融合模塊采取數據融合算法實 現多傳感器的數據融合，得到車輛的多個剖面數據組，進而得到運動車輛的車 長、車寬、車高、速度等信息；同時，數字信號處理器DSP數據融合模塊將處 理后的數據結果通過以太網傳送給上位機，上位機對數據進行分析處理顯示， 為高速公路聯網，區域交通的規劃、疏導、路費清分和交通決策等提供直接有 效的技術保障和原始數據支撐。
本發明解決其技術問題采用的技術解決方案是車輛幾何參數動態測量裝 置，包括數字信號處理器DSP數據融合模塊以及與所述數字信號處理器DSP數 據融合模塊相連的相控陣超聲波傳感器陣列和PC機；超聲波傳感器陣列由多個 超聲波傳感器采集模塊組成，超聲波傳感器采集模塊固定在道路上的橋梁或龍 門架的上方和兩側，設置在上方的超聲波傳感器采集模塊采用兩種角度設置 一種是傳感器探頭正對下方的路面， 一種是傳感器探頭對著車輛駛來的方向， 與水平方向成^角度，固定在兩側的傳感器采集模塊的傳感器探頭相對設置；數 字信號處理器DSP數據融合模塊固定在橋梁或龍門架上，通過通信總線與各超 聲波傳感器采集模塊相連接，數字信號處理器DSP數據融合模塊還通過以太網 與PC機相連接。上述超聲波傳感器采集模塊包括單片機控制器，以及與單片機控制器相連 接的超聲波發射電路、回波信號檢測電路和通信電路。
上述數字信號處理器DSP數據融合模塊包括DSP最小系統、存儲器擴展、
串行口擴展、網卡電路及其驅動程序四部分。
上述超聲波發射電路采用方波調制的脈沖發射電路，同時外接發射驅動電
路來提高其輸出電流的驅動能力，保證脈沖信號達到一定的功率，單片機產生5 個脈沖為一組的脈沖群，加到壓電晶片上使晶片發出超聲波。其頻率與傳感器 的固有頻率相同。回波信號檢測電路中，前置放大采用場效應晶體管射極跟隨 器，場效應管的柵-源之間的電阻可達107-1012歐姆，具有很高的輸入阻抗，可 與接收晶體匹配，進行電流放大，并且場效應管噪聲系數低。隨后再進行兩級 電壓放大，兩級次級放大采用分壓式共射放大電路，共放大約30dB。然后由電 感電容串聯諧振電路進行帶通濾波。帶通濾波器的中心頻率就是超聲波傳感器 的固有頻率，濾除雜波使送往后級放大驅動比較器的波形更單純。通過比較器 將信號轉成高低脈沖信號到達單片機。
本發明的有益效果是采用超聲波檢測車輛信息，與其他檢測方法相比，
具有以下優點1)超聲波對色彩和光照度不敏感，適合識別透明及滿反射性差 的物體；2)超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可適用于黑暗、有灰塵或者煙 霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環境中；3)超聲波傳感器結構簡單、體積小、費 用低、技術難度小、信息處理簡單可靠、易于小型化和集成化；采用多個傳感 器采集模塊組成傳感器采集震裂，多角度地采集運動車輛的信息；另外本裝置 采用單片機與數字信號處理器DSP數據融合模塊相結合，利用了二者的長處， 進行優勢互補，用單片機來控制傳感器采集模塊，用數字信號處理器DSP數據 融合模塊來進行算法融合，具有更好的魯棒性，能夠增加裝置的可信度，改善裝置的檢測能力，提高裝置的可靠性和裝置決策的正確性。


圖1為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的總體結構框圖2為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的現場分布圖3為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的傳感器陣列采集車輛信息示意
圖4為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的超聲傳感器采集模塊結構圖； 圖5為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的超聲波發射電路圖； 圖6為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的超聲波回波檢測電路圖； 圖7為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的超聲波傳感器采集模塊主程序 流程圖8為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的DSP融合模塊結構框圖9為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的DSP系統電源電路；
圖10為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的DSP融合模塊程序流程圖11為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的DSP與異步通信芯片接口電路
圖12為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的DSP與以太網控制器接口電路
下面結合附圖對本發明進行說明
具體實施例方式
如圖1和圖2所示，本發明裝置由數字信號處理器DSP數據融合模塊以及 與所述數字信號處理器DSP數據融合模塊相連的相控陣超聲波傳感器陣列和 PC機組成。相控陣超聲波傳感器陣列由多個超聲波傳感器采集模塊組成，超聲波傳感器采集模塊固定在道路上方的橋梁或龍門架的上方和兩側，實現從不同
角度獲取道路截面上運動車輛的數據信息；其中固定在橋梁或龍門架上方的超
聲波傳感器采集模塊采用兩種角度設置， 一種是傳感器探頭正對下方的路面， 用于檢測車輛的高度， 一種是傳感器探頭正對著車輛駛來的前下方路面，與水
平方向成^角度，用于檢測車輛的速度，根據車輛速度計算車輛長度；固定在兩 側的傳感器模塊相對設置用來檢測車輛的寬度。數字信號處理器DSP數據融合 模塊固定在橋梁或者龍門架上，各個超聲波傳感器采集模塊將采集到的數據通 過485總線上傳給數字信號處理器DSP數據融合模塊，數字信號處理器DSP數 據融合模塊采用D-S證據理論融合算法對多個傳感器信息進行數據融合，并將 融合結果通過以太網上傳給PC機，PC機放在道路收費站或者交通管理人員的 辦公室里，并將結果顯示出來。
超聲波傳感器陣列檢測車長、車寬、車高、車速的原理如圖3所示 (1)車高數據的測量
安裝在道路上方正對下方路面的超聲波采集模塊用來檢測車高。傳感器發 出超聲波經由地面返回，假設地面距采集模塊的高度為固定值^，則收到回波所 需時間^為
v是超聲波在空氣中傳播的速度。
當有車經過龍門架下方時，若車的高度為h，則收到從車頂部返回的回波所 需時間^'為
V = 2(//-/OA (2)
很明顯K、K，當時間差"K—K'超過一個閾值后，可認為車道有車通過， 車的高度可通過時間差反映出來。(2) 車寬數據的測量 龍門架兩側的超聲波傳感器采集模塊用來檢測車寬。安裝時左右兩側的超
聲波傳感器采集模塊兩兩正對，在同一水平面上的兩個采集模塊構成一對。假 設龍門架的寬度為『，車的寬度為w，那么當無車經過的時候龍門架兩側的傳感 器發出超聲波，超聲波到達各自兩側龍門架柱后返回超聲回波，收到回波所需 時間為^ <formula>formula see original document page 8</formula>
當有車經過龍門架下方時，龍門架左側傳感器收到回波時間^為 匸2『'/v (4)
『'為車輛與龍門架左側的距離。龍門架右側傳感器收到回波時間^為 ^=2『> (5)
^為車輛與龍門架右側的距離。根據『'+『〃『-w，當『-(^+。超過一定 的闞值時，就認為有車經過，并計算出車輛的寬度。
(3) 車速數據的測量 安裝在龍門架上方與水平面成^角度的傳感器利用超聲波的多普勒效應來
檢測車速。當波源與被測目標之間存在相對運動時，被測目標所接收到的回波 頻率不等于波源振動頻率，這種現象就是多普勒效應。
如果超聲波傳感器發出的超聲波頻率為7 ，超聲波在空氣中的傳播速度為
v，波長為^ = ^。當被測目標以速度V水平運動，運動方向與超聲波的傳播速 度相反時，被測目標在超聲波傳播方向上的運動速度為-"i"。那么被測目標
不是停止在原地等待一個個超聲波來"沖擊"，而是迎上去拾取更多的波，那么
被測目標所接收到的超聲波頻率為
<formula>formula see original document page 8</formula>發出的超聲波頻率已知，用單片機測量回波的頻率，根據式(6)就可得到 車輛的速度。
(4)車長數據的測量。
利用龍門架正上方的傳感器來測量。在知道車速的情況下，在多周期掃描
中，記錄返回回波的次數，根據掃描間隔時間20ms可以計算車長。
如圖4所示，超聲波傳感器采集模塊由單片機控制器以及與之相連的超聲 波發射電路、回波信號檢測電路、485通信電路組成。單片機控制器采用AT89S52， 通過編程使單片機I/O 口連續輸出5-8個與超聲波傳感器固有頻率相同的方波 激勵信號，此信號經過超聲波發射電路進行電壓、電流的放大，再送至超聲波 傳感器；由被測物反射回來的超聲回波信號經過回波信號檢測電路前置放大、 兩級次級放大、濾波器處理、和整形比較等處理后，將整形后的信號送至單片 機控制器，由單片機控制器記錄收到回波的時刻和頻率，并根據公式計算出車 輛的運動特征信息。
超聲波發射電路如圖5所示，單片機控制P3.3 口輸出方波脈沖，當P3.3 口輸出高電平時，信號經過Q1反相，Ql的集電極為低電平。那么變壓器線圈的 原邊線圈上存在12V電壓，變壓器線圈原邊副邊線圈匝數相同，那么副邊線圈 也有12V電壓；當P3. 3 口輸出低電平時，Ql不導通，Ql的集電極為12V,那么 變壓器線圈的原邊上沒有壓降，副邊線圈的電壓為O。所以當單片機P3.3口輸 出5伏的高低脈沖電平時，傳感器兩端有12V的高低脈沖電平，通過共射電路 與變壓器組成的發射電路提高了超聲波傳感器的驅動電壓和驅動電流，增大了 發射功率和超聲波的有效傳播距離。
回波信號檢測電路如圖6所示，回波信號檢測電路的任務是將這一微小交 變電壓信號充分放大，驅動后面的比較器輸出電位跳變，產生單片機能夠識別的電平信號。
超聲波傳感器采集模塊的軟件編程由主程序、定時器l中斷程序、定時器o 中斷程序、外部中斷程序構成。主程序的工作是系統的資源初始化、數據的計 算、保存、傳送。定時器O用于發送超聲波脈沖激勵信號以及測頻率；定時器l 用于計時測量超聲波發出到接收到回波的時間。超聲波回波信號經過放大、濾 波、整形后接入單片機的外部中斷端，當程序出現外部中斷時，即檢測到回波。 主程序的流程圖如圖7所示。
數字信號處理器DSP數據融合模塊的硬件主要分為四個部分:DSP最小系統、 存儲器擴展、串行口擴展、網卡電路及其驅動程序的編寫。數字信號處理器DSP
數據融合模塊的結構圖如圖8所示。數字信號處理器DSP數據融合模塊以DSP 為核心，外圍包括JTAG、晶振、復位電路、電源管理電路、SDRAM、 FLASH以及 指示燈、撥碼開關等。
圖9為數字信號處理器DSP數據融合模塊的電源電路，由于數字信號處理 器DSP數據融合模塊在系統中要承擔大量的實時數據計算、在其CPU內部，部 件的頻率開關轉換會使系統功耗大大增加，所以，降低數字信號處理器DSP數 據融合模塊內部CPU供電電壓無疑是降低系統功耗最有效的方法之一。DSP采用 3.3V和1.6V電源供電，其中1/0供電電壓為3.3V，芯片內核電壓為1.6V。因 此，傳統的線性穩壓器(如78XX系列)已經不能滿足要求，面對這些要求，本 裝置中采用了雙路低壓差電源調整器。
數字信號處理器DSP數據融合模塊主程序的設計思路是首先調用初始化 程序文件，初始化程序包括時鐘初始化、存儲器初始化、外設接口初始化；然 后定時詢問超聲傳感器采集陣列的各個采集模塊是否檢測到有車輛經過，如果 沒有，則一直查詢，如果有依次接收各個傳感器采集模塊的數據；接收后采用融合算法對數據進行融合，將融合結果上傳。主程序的程序流程圖如圖IO所示。 為本發明車輛幾何參數動態測量裝置的
數字信號處理器DSP數據融合模塊與超聲波傳感器采集陣列的通訊采用485 通信。本裝置通過擴展異步通信芯片來實現數字信號處理器DSP數據融合模塊 的串口擴展，再利用TTL-485轉換芯片實現數字信號處理器DSP數據融合模塊 與個各個超聲波采集模塊進行485通信。圖11為數字信號處理器DSP數據融合 模塊與異步通信芯片接口電路圖。
由于數字信號處理器DSP數據融合模塊與上位機的距離較遠，采用以太網 通信。本裝置選擇以太網控制器來完成并行數據與網卡數據的轉換。圖12為數字 信號處理器DSP數據融合模塊與以太網控制器接口電路圖。
本發明能夠對動態的車輛外形、速度進行綜合的、準確的檢測。 當然，本發明的保護范圍并不局限于上述實施例，只要是本領域的普通技 術人員，根據本發明所作出的未經創造性地改進，就應在本發明保護范圍之內。
權利要求
1、車輛幾何參數動態測量裝置，其特征在于包括數字信號處理器DSP數據融合模塊以及與所述數字信號處理器DSP數據融合模塊相連的相控陣超聲波傳感器陣列和PC機；超聲波傳感器陣列由多個超聲波傳感器采集模塊組成，超聲波傳感器采集模塊固定在道路上的橋梁或龍門架的上方和兩側，設置在上方的超聲波傳感器采集模塊采用兩種角度設置一種是傳感器探頭正對下方的路面，一種是傳感器探頭對著車輛駛來的方向，與水平方向成θ角度，固定在兩側的傳感器采集模塊的傳感器探頭相對設置；數字信號處理器DSP數據融合模塊固定在橋梁或龍門架上，通過通信總線與各超聲波傳感器采集模塊相連接，數字信號處理器DSP數據融合模塊通過以太網與PC機相連接。
2、 根據權利要求1所述的車輛幾何參數動態測量裝置，其特征在于所述超聲波 傳感器采集模塊包括單片機控制器，以及與單片機控制器相連接的超聲波發射 電路、回波信號檢測電路和通信電路。
3、 根據權利要求1或2所述的車輛幾何參數動態測量裝置，其特征在于所述數 字信號處理器DSP數據融合模塊包括DSP最小系統、存儲器擴展、串行口擴展、 網卡電路及其驅動程序四部分。
全文摘要
本發明公開提供一種車輛幾何參數動態測量裝置，屬于智能交通技術領域，采用多個超聲波傳感器采集車輛信息，并將采集到的數據信息傳送給數字信號處理器DSP數據融合模塊，采取信息融合算法實現多傳感器的數據融合，得到車輛的多個剖面數據組，從而得到運動車輛的車長、車寬、車高、速度等信息；同時，將處理后的數據結果通過以太網傳送給上位機，上位機對數據進行分析處理顯示，為高速公路聯網，區域交通的規劃、疏導、路費清分和交通決策等提供直接有效的技術保障和原始數據支撐。
文檔編號G01B17/00GK101419065SQ20081014034
公開日2009年4月29日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者呂文紅, 孫紅雨, 倩 曹, 婷 王, 王正杰, 王艷霞, 郝建軍, 郭銀景, 陳賢卿, 煥 黃 申請人:山東科技大學