一种基于自然车流的高速公路车辆行为采集装置及方法与流程

本发明涉及交通信息采集领域，尤其是涉及一种基于自然车流的高速公路车辆行为采集装置及方法。

背景技术：

自然驾驶研究是指在自然状态下(即无干扰、无实验人员出现、日常驾驶状态下)利用高精度数据采集系统观测、记录驾驶员真实驾驶过程的研究。因为自然驾驶能够最真实采集到驾驶员的驾驶行为以及车辆行为，自然驾驶方法在交通安全、汽车等领域应用很多。传统的自然驾驶试验，需要在试验车中安装大量的传感器等装置，安装工作复杂，这决定了只能采用少数量的试验车进行自然驾驶。通过这些丰富的传感器，能够采集每一个驾驶员和每一辆试验车非常全面的行为，但是由于参与的驾驶员和车很有限，采集的这些数据，其实只是路上行驶车辆总集合中的一个抽样数据集，是否具有代表性，值得商榷。

自然驾驶研究最理想的情况是，社会上的每一辆车都是试验车，并且试验设备不对司机的驾驶产生干扰，在这种情况下，能采集到最真实全面的数据，这就是基于自然车流进行数据采集的基本思想。通过前面的分析知道，影响自然驾驶参与度的一个很大因素是数据采集装置过于复杂，为了尽可能达到自然驾驶的理想状态，即基于自然车流，首先需要做到试验设备的便携化，减少安装复杂度、甚至不需安装；其次，要解决试验设备在社会车辆的发放与回收。在如今这个信息化、大数据的时代，交通领域急需一种基于自然车流的数据采集方法和装置，本专利正是在这样的背景下，针对高速公路领域，提出一种基于自然车流的车辆行为数据采集装置和方法，获取全面真实而客观的车辆行为数据。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于自然车流的高速公路车辆行为采集装置及方法，可以将社会车辆无形中改造成试验车辆，获取全面真实而客观的、自然车流的车辆行为数据，解决了传统自然驾驶参与度小，数据代表性不够的难题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于自然车流的高速公路车辆行为采集装置，该采集装置包括壳体以及设于壳体内的主控模块，所述壳体上设有用于放置高速公路收费站计费卡的卡槽，所述主控模块包括：控制单元以及分别连接控制单元的车辆行为数据采集单元、第一无线通信单元和供电单元，车辆行为数据采集单元采集车辆行为数据，包括车辆的实时位置、速度和三轴加速度，控制单元将车辆的实时位置、速度、三轴加速度连同对应采集时间一起存储，控制单元通过第一无线通信单元向外传输数据或接收远程控制命令，供电单元为其他单元提供工作电源。

所述卡槽的开口处设有半圆形缺口。

所述无线通信单元还无线连接有智能移动终端，所述智能移动终端包括第二无线通信模块以及分别连接第二无线通信模块的数据实时显示模块和历史数据管理模块，第二无线通信模块与第一无线通信单元无线连接，数据实时显示模块用于读取车辆在运行过程中的实时位置、速度、三轴加速度和对应的时间，并通过折线图将三轴加速度显示出来，通过地图将实时位置显示出来，历史数据管理模块用于读取存储在控制单元内的历史数据记录并显示，以及对控制单元内的具体数据记录进行导出和删除的操作。

所述壳体上设有开关键和充电接口，所述供电单元通过开关键连接控制单元，所述充电接口通过充电电路连接供电单元。

所述控制单元包括单片机和存储器，所述车辆行为数据采集单元包括GPS定位器和三轴加速度传感器，所述单片机分别连接存储器、GPS定位器、三轴加速度传感器、第一无线通信单元和供电单元。

所述单片机的型号为STM32F103RCT6，所述GPS定位器的型号为UBLOX-6M，所述三轴加速度传感器的型号为MPU-6050。

所述壳体的形状为长方体，壳体的横截面与计费卡的大小相匹配。

所述第一无线通信单元采用蓝牙芯片。

所述蓝牙芯片的型号为HC-05。

一种利用如上述采集装置实现基于自然车流的高速公路车辆行为采集方法，包括以下步骤：

在指定高速公路入口收费站，将计费卡插入采集装置的卡槽，开启采集装置，将计费卡和采集装置一起发放给车辆；

采集装置以可变频率实时采集车辆在行驶过程中车辆行为数据；

在指定高速公路出口收费站，计费卡和采集装置一同回收，将计费卡从卡槽取出且关闭采集装置，计费卡和采集装置均循环再利用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采集装置设计了可存放高速公路计费卡的卡槽，并结合我国高速公路体制现状，将采集装置与高速公路收费站计费卡的发放与回收实现装置的发放与回收相结合，通过这样的方法可以实现基于自然车流进行高速公路车辆行为数据的采集，将社会车辆无形中改造成试验车辆，获取全面真实而客观的车辆行为数据，解决了传统自然驾驶参与度小，数据代表性不够的难题。

2、本发明基于现有的智能硬件和传感器技术，设计了一种便携的、用于采集车辆行为数据的采集装置，充分考虑了现有技术以及反映车辆行为的关键指标，将传感器集成，做到了尽可能简化装置，便携、不需安装；尽可能采集丰富的车辆行为数据；尽可能降低成本，以大面积使用，让更多的驾驶员和车辆参与。基于上述特点，本发明采集装置可广泛用于不同的研究领域的基础数据采集工作。

3、本发明充分考虑到了我国高速公路体制现状，在有上述便携式数据采集装置作为硬件支撑的基础上，提出一种采集方法，该方法利用高速公路收费站网络实现数据采集装置发放与回收，解决了限制传统自然驾驶参与度不够的两个主要问题：装置复杂和装置的发放回收困难。

4、本发明基于stm32开发了便携式车辆行为数据采集装置，该装置可以以任意姿态放置在车上，装置运行后，可以以可变的频率采集车辆的GPS地理位置，并记录该位置时车辆的三轴加速度以及该位置的时间，并将数据逐条写到装置的可拓展大容量存储卡当中，方便后期的数据管理。

5、本发明还配套设计了智能移动终端，可以实现与采集装置的快速连接并管理采集装置上存储的数据，操作更加便捷，功能更加强大。

6、本发明针对采集装置结构设计了壳体，该壳体体积小，内部结构紧凑，壳体呈长方体，不影响信号传输且不易损坏，壳体能够对放置在壳体内的主控电路提供安全保护作用，壳体上设置开关键可以控制装置的开关机，设置标准充电接口可以给装置充电，设置计费卡的卡槽可以配合高速公路收费站计费卡的发放与回收实现装置的发放与回收，实现基于自然车流进行高速公路车辆行为的采集。

7、本发明采集装置采集上述数据的频率是动态可调的，增加了采集装置的运用范围和获取数据的有效性。

附图说明

图1为本发明方法的原理图；

图2为本发明装置结构示意图；

图3为本发明装置的控制单元电路图；

图4为本发明装置的GPS定位器电路图；

图5为本发明装置的三轴加速度传感器电路图；

图6为本发明装置的蓝牙芯片电路图；

图7为本发明装置的壳体结构示意图。

图中：1、单片机，2、存储器，3、GPS定位器，4、三轴加速度传感器，5、供电单元，6、蓝牙芯片，7、第二无线通信模块，8、数据实时显示模块，9、历史数据管理模块，10、壳体，11、卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，一种基于自然车流的高速公路车辆行为采集装置，该采集装置包括壳体10以及设于壳体10内的主控模块，壳体10上设有用于放置高速公路收费站计费卡的卡槽11，主控模块包括：控制单元以及分别连接控制单元的车辆行为数据采集单元、第一无线通信单元和供电单元5，车辆行为数据采集单元采集车辆行为数据，包括车辆的实时位置、速度和三轴加速度，控制单元将车辆的实时位置、速度、三轴加速度连同对应采集时间一起存储，控制单元通过第一无线通信单元向外传输数据或接收远程控制命令，供电单元5为其他单元提供工作电源。

控制单元包括单片机1和存储器2，车辆行为数据采集单元包括GPS定位器3和三轴加速度传感器4，单片机1分别连接存储器2、GPS定位器3、三轴加速度传感器4、第一无线通信单元和供电单元5。单片机1对数据进行处理，形成所需的存储对象，并存储在存储器2当中，同时产生相应的控制指令信号，GPS定位器3可以获取车辆的速度、地理位置和时间信息，三轴加速度传感器4可以获取车辆在运行过程中三个方向的加速度数据。采集装置开机运行后，开始采集车辆的GPS位置、对应该位置的速度、三轴加速度和时间信息，为了增加装置的运用范围和获取数据的有效性，装置采集上述数据的频率是动态可调的；采集装置在开机时新建一个数据文本，将本次生命周期获取的数据存到该新建的文本当中，并且数据存在装置的可拓展大容量存储器2中。

单片机1的型号为STM32F103RCT6，GPS定位器3的型号为UBLOX-6M，三轴加速度传感器4的型号为MPU-6050。第一无线通信单元采用蓝牙芯片6，蓝牙芯片6的型号为HC-05，实现与手持移动终端等之间数据的快速传输。供电单元5使用锂电池或直流电源。控制单元、GPS定位器3、三轴加速度传感器4和蓝牙芯片6的具体连接电路如图3-6所示，从而实现采集装置低功耗、稳定的运行。

如图7所示，壳体10采用塑料材料制成，不影响信号传输且不易损坏，壳体10的形状为长方体，对主控电路提供一个安全保护，壳体10的横截面与计费卡的大小相匹配。壳体10由上下两部分构成，通过卡扣结合成一个整体，通过倒角设计与圆滑处理增加壳体10的美感。卡槽11沿壳体10的横截面设置在壳体10的上部，卡槽11的开口开设在壳体10的侧面，卡槽11根据高速公路计费卡的标准尺寸设计，刚好可以存放一张计费卡，卡槽11的开口处设有半圆形缺口，方便计费卡的插入和取出。壳体10的侧面上还预留有开关键和充电接口，供电单元5通过开关键连接控制单元，充电接口通过充电电路连接供电单元5，通过操作壳体10上的开关键进而操作单片机1供电电路的开关，实现采集装置的开机与关机，充电接口为标准的MicroUSB接口，可以通过数据线给装置充电。

塑料壳体10可以喷涂不同颜色的漆对不同的装置加以区分，壳体10这样处理后，在装置发放时可以根据不同的车型发放不同颜色的装置，从而实现不同车型的分类数据的获取。

无线通信单元还无线连接有智能移动终端，智能移动终端包括第二无线通信模块7以及分别连接第二无线通信模块7的数据实时显示模块8和历史数据管理模块9，第二无线通信模块7与第一无线通信单元无线连接，数据实时显示模块8用于读取车辆在运行过程中的实时位置、速度、三轴加速度和对应的时间，并通过折线图将三轴加速度显示出来，通过地图将实时位置显示出来，历史数据管理模块9用于读取存储在控制单元内的历史数据记录并显示，以及对控制单元内的具体数据记录进行导出和删除的操作。

本实施例中在智能移动终端上开发了基于安卓系统的APP，该APP蓝牙串口协议与采集装置的蓝牙芯片6进行通信，实现信息交换，实现方便在APP上实时查看当前数据、导出数据到移动终端以及删除历史数据的目的。使用时，用户打开APP，进行蓝牙连接初始化，获取通过蓝牙传输的数据信息，进行数据信息解析后显示相关信息，最终达到实现信息交换。在APP的“当前状态”界面中，通过三轴加速度折线图显示当前装置测得的三轴加速度数据，通过地图显示当前装置的实时位置，并显示当前记录的时间；在APP的“历史数据”界面中，APP读取装置可拓展式存储卡上存放的历史数据，以列表的形式分条列出，单击某历史数据可以查看该记录，长按该历史数据可以导出、存储该记录到移动终端或者删除该记录。

如图1所示，一种利用如上述采集装置实现基于自然车流的高速公路车辆行为采集方法，借助高速公路收费站计费卡的发放与回收实现装置的发放和回收来实现，包括以下步骤：

1)指定相应高度公路入口/出口收费站。

2)在指定高速公路入口收费站，将计费卡插入采集装置的卡槽11，开启采集装置，将计费卡和采集装置一起发放给车辆，发放时根据预定的装置颜色与车型匹配规则，根据停车领卡的不同车型发放不同颜色的装置。

3)采集装置以可变频率实时采集车辆在行驶过程中车辆行为数据；

采集装置工作电压为5V，采集装置中GPS定位器3、三轴加速度传感器4采集车辆在运行过程中实时的经纬度、速度、三轴加速度和时间数据，采集的周期初始值为2s，可根据实际需要进行调试、修改采样周期。采集装置每次开机新建一条记录，存储从该时间到关机整个过程中采集到的车辆行为数据。

4)在指定高速公路出口收费站，回收计费卡的同时也就完成了采集装置的回收，将计费卡从卡槽11取出且关闭采集装置，计费卡和采集装置均循环再利用。

5)通过蓝牙与智能移动终端连接，可以实时查看装置采集的数据，查看采集装置存储的历史记录，以及导出或删除历史记录。

实际应用过程中，首先根据项目需要，加工足量的采集装置。如果有必要，可以将外壳颜色处理成不同的颜色，并指定车型与颜色对应关系，比如红色对应大型客车、白色对应小客车、黑色对应或者等。根据高速公路收费站的分布情况，确定欲进行数据采集的高速公路路段和采集装置发放入口收费站(可有多个)以及采集装置回收出口收费站(可有多个)。在指定的收费站入口，由于采集装置GPS进行数据采集之前需要预热2～3分钟，可提前将采集装置开机；将收费站计费卡插入采集装置计费卡卡槽11；停车领卡时，将采集装置与计费卡一同发放给社会车辆，如果需要区分车型，应该根据约定的车型与颜色对应关系，将不同颜色的采集装置发放给对应车型的社会车辆，并给社会车辆车主做必要的解释和提醒。在指定的收费站出口，回收计费卡时，将采集装置一并回收，并关闭采集装置电源开关，完成本次采集装置的发放与回收。如果有必要，可以将已回收的采集装置运回指定起点收费站，进行下一轮数据采集，如此提高采集装置的使用率。