一種基于改進(jìn)的圖像傳感器測(cè)量瞬時(shí)車速的方法

馮明

雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川雅安625000

一種基于改進(jìn)的圖像傳感器測(cè)量瞬時(shí)車速的方法

馮明

雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川雅安625000

為了設(shè)計(jì)一種利用圖像傳感器測(cè)定動(dòng)態(tài)汽車瞬時(shí)速度的改進(jìn)方法，以C8051F010信號(hào)處理芯片為核心處理器，以光學(xué)模塊和測(cè)距儀組合作為采樣測(cè)速裝置，可以為動(dòng)態(tài)汽車衡測(cè)瞬時(shí)速度提供了一種有效可靠的補(bǔ)償方法。本裝置具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低、測(cè)速快、測(cè)速環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足瞬時(shí)測(cè)速的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等要求。

圖像傳感器;C8051F010;瞬時(shí)測(cè)速

當(dāng)前，公路上的計(jì)量設(shè)備絕大多數(shù)為動(dòng)態(tài)汽車衡，根據(jù)實(shí)際調(diào)研，現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)汽車衡稱重的計(jì)量設(shè)備測(cè)量誤差為-5%～5%[1,2]，但實(shí)際使用中均超過這個(gè)誤差范圍，原因是稱重計(jì)量備在生產(chǎn)時(shí)是在勻速的情況下設(shè)計(jì)的，而實(shí)際上測(cè)量時(shí)是非勻速的。影響動(dòng)態(tài)稱重結(jié)果準(zhǔn)確度的因素很多，諸如：車輛速度、車輛長(zhǎng)度、車輛加速度和車秤臺(tái)重量等[3,4]，致使對(duì)測(cè)量結(jié)果有誤差，導(dǎo)致公路計(jì)量稱重系統(tǒng)結(jié)果精度不夠準(zhǔn)確和對(duì)公眾的說服力不強(qiáng)。因此，有必要提高動(dòng)態(tài)稱重準(zhǔn)確度。

本文提出一種基于圖像傳感器改進(jìn)的測(cè)瞬時(shí)車速的方法，在動(dòng)態(tài)汽車衡的前端和末端安裝2個(gè)傳感器,圖像采集裝置來采集圖像信號(hào)，并基于C805F010單片機(jī)為核心芯片實(shí)現(xiàn)處理計(jì)算車輛的瞬時(shí)速度的方法，測(cè)出瞬時(shí)速度和加速度對(duì)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償[5]。

1　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

基本原理是：測(cè)量是在公路同側(cè)與動(dòng)態(tài)汽車衡同向行駛的車輛，在其系統(tǒng)裝置前端和末端一定距離L安裝2個(gè)完全相同測(cè)速裝置，該裝置中包括：光學(xué)系統(tǒng)模塊、信號(hào)處理模塊和單片機(jī)模塊。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)有被測(cè)車輛通過時(shí)，紅外測(cè)距儀將記錄被測(cè)車輛與該裝置45度夾角之間的距離值L1和L2、高清攝像頭和圖像傳感器[6,7]以相同的頻率拍攝并采集被測(cè)車輛通過傳感器時(shí)的圖像信號(hào)，并經(jīng)過信號(hào)處理[8]模塊對(duì)其進(jìn)行濾波、放大、AD轉(zhuǎn)換后發(fā)送至核心芯片C805F010中計(jì)算出其相位差，即瞬時(shí)時(shí)間間隔ΔT，由于2個(gè)裝置之間的距離固定L，再加上45度夾角之間的距離值L1和L2，且L1和L2有可能不等，原因是被測(cè)車輛存在移動(dòng)性，根據(jù)速度計(jì)算公式V=S/t可知，將采集圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)分區(qū)間計(jì)算，計(jì)算出被測(cè)車輛的平均瞬時(shí)速度，其計(jì)算公式(1)為：

測(cè)量車輛瞬時(shí)速度裝置原理如圖1所示。

圖1　測(cè)量車輛瞬時(shí)速度裝置原理Fig.1 The principle of measuring instantaneous speed of vehicle device

2　相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)

2.1基本公式

由于信號(hào)采集時(shí)會(huì)產(chǎn)生2組信號(hào)序列相似的周期函數(shù)X(t),Y(t)，往往這2組信號(hào)周期函數(shù)是同一個(gè)信號(hào)源產(chǎn)生的，但是由于信號(hào)的接受點(diǎn)位置不同，并且在信號(hào)序列周期存在n·T個(gè)時(shí)間整數(shù)周期,因此，可以根據(jù)這2個(gè)信號(hào)序列周期之間的相關(guān)性來計(jì)算出被測(cè)車輛通過的時(shí)間間隔Δt，計(jì)算時(shí)間相關(guān)函數(shù)定義為公式[9](2)。

其中，通常計(jì)算時(shí)t=0開始，系統(tǒng)裝置的關(guān)鍵是計(jì)算n值，理論上來講，X(t),Y(t)是同一個(gè)周期序列相關(guān)函數(shù)，當(dāng)2組信號(hào)波形最相似時(shí)，其相關(guān)性就越大，本系統(tǒng)裝置中從2路傳感器采集的信號(hào)波形只差一個(gè)時(shí)間間隔，如果2組信號(hào)波形數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)均相同時(shí)，其相關(guān)性達(dá)到最大值。即是2列周期函數(shù)的移位相位個(gè)數(shù)，先將單片機(jī)中的信號(hào)做離散處理，離散數(shù)據(jù)運(yùn)算公式(3)為：

其中，公式3中的R(t1)表示為X(t)和Y(t)是相關(guān)函數(shù)。公式表明在t1時(shí)刻向序列Y移動(dòng)t1個(gè)時(shí)間間隔乘積之和。但是，由于獲取序列函數(shù)的時(shí)間間隔較短，獲取移位數(shù)n值有限，ΔT計(jì)算時(shí)有誤差，故將公式(3)改進(jìn)為，增加系統(tǒng)的采樣數(shù)N，找出2個(gè)序列函數(shù)之間的最大移位數(shù)n，即可得到被測(cè)車輛通過的時(shí)間間隔ΔT，其離散的相關(guān)函數(shù)公式(4)為：

其中，t是采樣時(shí)間最短間隔，N為采樣組數(shù)，且N≥0，n≥0,T≥0。

2.2算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面講述，利用紅外測(cè)距儀測(cè)出系統(tǒng)裝置到被測(cè)車輛之間的距離（其距離是以45度為夾角的斜邊長(zhǎng)度值）和時(shí)間間隔ΔT，即可獲得瞬時(shí)速度。其算法1具體描述為：

1:input：N,L,t,α;//N為采樣次數(shù)，L為前端和末端裝置距離值，t某一時(shí)刻值，α為夾角值

2:output：v,a//平均速度和加速度值

3:initialize N←20,L←10,t←2 ms,

α←45°,d1←0,d2←0;

4:read d1,d2from infra-red distancer F1and F2;

6:int n←R'(t)(公式4)

7:ΔT←n·Δt;

10:return v and a;

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)被測(cè)車輛通過該裝置時(shí)，傳感器采集圖像信號(hào)波形僅僅差一個(gè)ΔT時(shí)間段，故將此信號(hào)作相關(guān)計(jì)算，計(jì)算出信號(hào)波形的ΔT，采集其通過的時(shí)間間隔，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)圖2、圖3信號(hào)波形是前端裝置所采集信號(hào)數(shù)據(jù)示意圖和末端裝置所采集被測(cè)車輛信號(hào)數(shù)據(jù)，圖4是C8051F010處理芯片相關(guān)運(yùn)算后信號(hào)波形示意圖。圖5是測(cè)量瞬時(shí)速度的效果圖。

圖2　前端所采集的信號(hào)數(shù)據(jù)Fig.2 Signal data selected at the front of system

圖3　末端所采集的信號(hào)數(shù)據(jù)Fig.3 Signal data selected at the end of system

圖4　C8051F010處理芯片相關(guān)運(yùn)算的信號(hào)波形Fig.4 Signal wave of C8051F010 processing chip in relation with calculation

針對(duì)于圖2、圖3、圖4顯示裝置測(cè)量結(jié)果示意圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：當(dāng)2路傳感器獲取被測(cè)車輛同一位置采集的信號(hào)相位差n，將相位差n值乘A/D轉(zhuǎn)換器采樣周期，即是：ΔT=n*Δt,此時(shí)，若將采樣周期分為若干個(gè)實(shí)時(shí)采樣周期，即可計(jì)算被測(cè)車輛的平均瞬時(shí)速度的計(jì)算公式1所示。

表1　被測(cè)車輛的瞬時(shí)速度和加速度值Table 1 The measured instantaneous velocity and acceleration values of vehicle

其中，ω表示相位差，Δt表示時(shí)間間隔，v表示平均瞬時(shí)速度，a表示加速度,其單位分別為：ms，ms，m/s,m/s2。

在某一個(gè)被測(cè)車輛上安裝有實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)z像頭，監(jiān)測(cè)其經(jīng)過系統(tǒng)裝置時(shí)的實(shí)時(shí)速度，在一段時(shí)間內(nèi)并與本文系統(tǒng)裝置所測(cè)量出的瞬時(shí)速度和加速度進(jìn)行比對(duì)如表所示。

表2　真實(shí)數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)表Table 2 The comparison between the real data and the measured data

其中，v表示系統(tǒng)裝置所測(cè)出的被測(cè)車輛的瞬時(shí)速度，v’表示被測(cè)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的速度。

4　結(jié)論與展望

文章提出一種基于圖像傳感器的改進(jìn)的測(cè)瞬時(shí)車速方法。通過實(shí)驗(yàn)分析可知，利用改進(jìn)的計(jì)算公式對(duì)被測(cè)車輛測(cè)量瞬時(shí)速度時(shí)很容易計(jì)算出2組傳感器獲取信號(hào)的相位差。文獻(xiàn)[10]中提出一種基于模糊圖像測(cè)量被測(cè)車輛的瞬時(shí)速度的方法，該方法只記錄了單幅模糊信號(hào)圖像，對(duì)于計(jì)算其相位差有較大誤差，致使測(cè)量被測(cè)車輛的瞬時(shí)速度不夠精確。本文系統(tǒng)裝置除了具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理易懂、測(cè)量方便和高精度的優(yōu)點(diǎn)之外，該裝置還存在若干不足之處，例如：對(duì)相位差的計(jì)算公式計(jì)算繁瑣，圖像傳感器獲取圖像信號(hào)時(shí)計(jì)算運(yùn)行時(shí)單片機(jī)占用內(nèi)存過多等等；對(duì)單片機(jī)C8051F010處理芯片缺乏進(jìn)一步的研究。

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A Method of Measuring Vehicle Instantaneous Speed Based on Improving Image Sensor

FENG Ming
Yaan Vocational College,Yaan 625000,China

To design an improving method of measuring vehicle instantaneous speed based on image sensor,this paper took signal processing chip C8051F010 as a core processor and used the combination of the optical module and measuring speed device to measure speed.It can provide an effective and reliable compensation method for measuring the instantaneous speed of dynamic truck scale.The device has the advantages of real-time,low cost,fast speed,speed low environmental requirements to meet the instantaneous speed of the benefits of real-time,accuracy and other requirements.

Image sensor;C8051F010;measuring instantaneous speed

TH824

A

1000-2324(2015)02-0243-04

2013-06-04

2013-06-27

馮明(1956-),男,四川雅安人,本科,副教授,主要從事多媒體技術(shù)、虛擬仿真研究.Email:scyafm@126.com