一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS)，特别地 涉及一种基于矩形单线圈实现车速车长测量的方法。
【背景技术】
[0002] 交通信息是城市交通规划和交通控制与管理的重要基础信息，车辆的速度作为交 通信息中一个非常重要的参数，它既能反应当前的路况，发现交通中出现的问题，又能很好 的度量交通系统的效率，具有实时性的特点。在单线圈车辆检测系统中，以车辆的速度作为 交通信息采集系统中的基础参数，可以获得车辆的长度，进而实现以车辆的长度对车辆进 行分类。
[0003] 环形线圈车辆检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，由埋设在路面下的 环形线圈、馈线及信号检测处理单元（包括耦合振荡电路、信号整形电路、检测信号放大电 路、数据处理单元和通信接口等）三部分构成。环形线圈通过馈线连接道路交通信号控制 机中的环形线圈检测器，环形线圈检测器检测出道路的交通信息并送给交通信号控制机的 主机，从而完成交通信息的检测过程。通有交流电流的环形线圈埋在待检区域路面下，当车 辆通过线圈或停在线圈上时，引起回路电感量的变化，信号检测处理单元检测出该变化就 可以检测出车辆的存在。电感量的变化表现为耦合振荡电路频率的变化和相位的变化，所 以检测电感量的变化通常有两种方式：一种方式是利用相位锁存器和鉴相器，对相位的变 化进行检测；另一种方式是对其振荡频率进行检测。本方法采用了后一种检测方式。
[0004] 传统双线圈车辆检测器虽然能够直接获得车速、车长等交通数据，但双线圈车辆 检测器的两个线圈之间会引入串扰，影响测量的准确性，且在施工和维护时会对路面造成 较大的破坏。
[0005] 鉴于单线圈车辆检测器低成本，安装、维护比较方便，有研宄人员通过定义一个平 均有效车长，利用车流量和道路占有率建立相应的数学模型来研宄和估计车辆的速度，以 期用单线圈车辆检测器实现速度测量。但在实际应用中，车型种类较多，各种类型的车辆车 长相差较大，这样就必然造成测量精度差，系统的可移植性差。
【发明内容】
[0006] 为了解决单线圈车辆检测器直接进行车速车长测量的问题，本发明提出了一种利 用车辆通过矩形单线圈时得到的时间-频率曲线上升沿的斜率来测量车辆速度，进而实现 车长测量的方法。实验证明该方法测量精度高，能很好的实现车辆检测器的各项功能。
[0007] 本发明所采用的技术方案是：一种基于矩形单线圈车速车长测量的方法，按照如 下步骤进行：
[0008] 步骤一：将用导线制作的矩形单线圈埋地，矩形单线圈为振荡电路的一个电感器 件，记录标准车辆以速度％通过矩形单线圈过程中振荡电路的频率变化，获得标准车辆的 时间-频率数据，标准车辆行进过程中在矩形单线圈面上的投影覆盖整个矩形单线圈；振 荡电路现有技术中已经多有提及，由于在本发明中的振荡电路的目的是获得在电感器件变 化下的振荡电路频率变化数据，不依赖于某一特殊的振荡电路，而是任意一个振荡电路都 可以使用，并且现有的双线圈测量中的振荡电路可以运用于本发明，所以就不对振荡电路 多家解释。
[0009] 步骤二：对标准车辆的时间-频率数据进行曲线拟合，得到标准车辆的时间-频率 曲线，曲线频率的最大值即为标准车辆时间-频率曲线的平台频率f max(l，在没有车辆通过时 的空载频率为f〇,取标准车辆时间-频率曲线的斜率作为标准斜率
[0010] 步骤三：待测车辆以某一速度Vl通过该矩形单线圈，记录待测车辆行进过程中振 荡电路的频率变化，获得待测车辆的时间-频率数据，对得到的时间-频率数据进行曲线拟 合，得到待测车辆的时间-频率曲线，并记该曲线为待测曲线，曲线频率的最大值即为待测 车辆时间-频率曲线的平台频率f maxl，矩形单线圈在车辆行驶方向上的边长为1。，待测车辆 的时间-频率曲线从最小频率到平台频率再到最小频率的时间，即为待测车辆进入矩形线 圈和离开矩形线圈的间隔T;
[0011]步骤四：定义变换因子t，令t = ；
[0012] 步骤五：对待测曲线进行f-f变换，即将待测曲线在不同时刻的频率值与空载 频率求差，再以差值乘以变换因子t，得到的乘积再加上空载频率fV即为变换后曲 线相应时刻的频率值，即若fi、f2、&为待测曲线依次（按照时间顺序）在不同时刻的 频率值（也可以是以步骤三的待测车辆的时间-频率数据直接参与变换，运算后再拟合 曲线，即为待测车辆变换后的时间-频率曲线），则Af 2=f2-fQ、Af3 = f3_f〇,令Sl=A f1? t、S2= Af2? t、S3= Af3? t，贝1J f\、f2、f3经过变换后的频率值为 // =/。+幻、/』=/〇 +幻、/]=/〇 + ?，/!、j、力为对应变换后曲线对应f\、f2、f3时刻的 频率。待测曲线经过f-f变换后，获得待测车辆变换后的时间-频率曲线，取待测车辆变换 后时间-频率曲线的斜率作为待测车辆的斜率&。待测曲线经过f-f变换后的频率变化量 与标准曲线的频率变化量相同；
[0013] 步骤六：待测车辆的速度vf v。? k/k。，待测车辆的长度lv= v J-1。。
[0014] 上述公式中，斜率&是为计算速度而设定的一个标准斜率，在车辆检测器工作之 前需进行标定；斜率h是待测车辆在待测速度下的斜率； V(l为设定的标准斜率对应的标准 速度，在车辆检测器工作之前需进行标定；Vl为待测速度，对应于斜率k i。
[0015] 作为一种优选方式，所述矩形单线圈是指只有一个矩形线圈。
[0016] 作为一种优选方式：步骤二中标准车辆的时间-频率数据在进行曲线拟合前需进 行滤波处理，以有效去除干扰量的影响，步骤三中待测车辆的时间_频率数据在进行曲线 拟合前需进行滤波处理，以有效去除干扰量的影响。
[0017] 作为一种优选方式，步骤二中取标准车辆时间-频率曲线上升沿42%到75%之 间的算术平均斜率作为标准斜率h，步骤五中取待测车辆变换后的时间-频率曲线上升沿 42%到75%之间的算术平均斜率作为待测车辆的斜率&。
[0018] 本发明的有益结果是：相比于原有的双线圈车辆检测器，本发明仅需要设置一个 线圈即单线圈就可方便的实现车速车长的测量，进而实现车辆检测器的各项功能，降低了 施工成本，减少了因铺设线圈对城市道路系统和城市环境造成的破坏，缩短了建设周期，此 外还在一定程度上解决了两个线圈之间的串扰问题，后期易于维护，具有明显的优势；相比 于原有的通过定义一个平均有效车长从而利用单线圈车辆检测器进行速度测量的方法，本 发明提出的方法测量精度高，算法简单，且不受制于检测道路车辆行驶状况的影响，系统的 可移植性强。
【附图说明】
[0019] 图1是车长计算的原理图；
[0020] 图2是标准曲线，标准车辆以90km/h，底盘距离线圈高度为37cm，通过线圈的时 间-频率曲线；
[0021] 图3是不同地盘高度的车辆以全覆盖或部分覆盖线圈面积的方式通过线圈的时 间-频率曲线；
[0022] 图4是图3经f-f变换后的时间-频率曲线；
[0023] 图5是标准车辆以不同速度全覆盖线圈面积的方式通过线圈的时间-频率曲线；
[0024] 图6是车辆从线圈1/3面积处通过的示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0026] 标准斜率及其对应的标准速度是本发明一种基于矩形单线圈车速车长测量的方 法进行测量之前必须获得的参数，需将其预先测量记录。因此标准斜率和标准速度的标定 至关重要。具体的做法是：
[0027] 选择标准车辆，一般应选用底盘较为平整的小型车作为标准车辆；
[0028] 如图1所示，车辆以覆盖全部线圈面积的方式通过线圈，并能准确测量得到车辆 通过线圈的速度V(l，同时通过车辆检测器记录标准车辆通过线圈时的时间-频率数据，获得 时间频率-曲线，即为标准曲线；
[0029] 取标准曲线上升沿42%到75%之间的平均斜率，从而得到标准斜率&和标准速 度％，标准速度是指预先设定的一个速度，该速度作为标准值与待测车辆的速度进行比较， 可以根据需要设定。
[0030] 本文中标准车辆底盘距离线圈高度为37cm，以90km/h (标准速度V(l)覆盖全部线 圈面积通过时的时间-频率曲线为标准曲线（标准车辆的时间-频率曲线），如图2所示。
[0031] 在实际应用中，线圈所处的环境复杂，耦合振荡电路的振荡频率随温度、湿度等外 界因素会有微小的变化。为了提高测量精度，在程序中设置基准频率自适应刷新算法，实现 程序自稳零功能。此外，在实际测量中，车辆的类型较多，其底盘分布并不均匀，使得车辆 检测器得到的时间-频率曲线并不平滑，因此采用限幅滤波和均值滤波进行当前频率的采 集，并对采集到的时间-频率数据进行曲线拟合，从而得到与标准曲线形态一致的曲线。
[0032] 计算斜率均取时间-频率曲线上升沿42%到75%之间的算术平均斜率，如图2 所示的区间。区间的具体计算包括以下三步：对于标准曲线形态一致的曲线。