一種基于改進的圖像傳感器測量瞬時車速的方法

馮明

雅安職業技術學院,四川雅安625000

一種基于改進的圖像傳感器測量瞬時車速的方法

馮明

雅安職業技術學院,四川雅安625000

為了設計一種利用圖像傳感器測定動態汽車瞬時速度的改進方法，以C8051F010信號處理芯片為核心處理器，以光學模塊和測距儀組合作為采樣測速裝置，可以為動態汽車衡測瞬時速度提供了一種有效可靠的補償方法。本裝置具有實時性強、成本低、測速快、測速環境要求低等優點，能夠滿足瞬時測速的實時性、準確性等要求。

圖像傳感器;C8051F010;瞬時測速

當前，公路上的計量設備絕大多數為動態汽車衡，根據實際調研，現有的動態汽車衡稱重的計量設備測量誤差為-5%～5%[1,2]，但實際使用中均超過這個誤差范圍，原因是稱重計量備在生產時是在勻速的情況下設計的，而實際上測量時是非勻速的。影響動態稱重結果準確度的因素很多，諸如：車輛速度、車輛長度、車輛加速度和車秤臺重量等[3,4]，致使對測量結果有誤差，導致公路計量稱重系統結果精度不夠準確和對公眾的說服力不強。因此，有必要提高動態稱重準確度。

本文提出一種基于圖像傳感器改進的測瞬時車速的方法，在動態汽車衡的前端和末端安裝2個傳感器,圖像采集裝置來采集圖像信號，并基于C805F010單片機為核心芯片實現處理計算車輛的瞬時速度的方法，測出瞬時速度和加速度對動態稱重數據進行補償[5]。

1　系統實現原理

基本原理是：測量是在公路同側與動態汽車衡同向行駛的車輛，在其系統裝置前端和末端一定距離L安裝2個完全相同測速裝置，該裝置中包括：光學系統模塊、信號處理模塊和單片機模塊。當系統檢測有被測車輛通過時，紅外測距儀將記錄被測車輛與該裝置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車輛通過傳感器時的圖像信號，并經過信號處理[8]模塊對其進行濾波、放大、AD轉換后發送至核心芯片C805F010中計算出其相位差，即瞬時時間間隔ΔT，由于2個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，原因是被測車輛存在移動性，根據速度計算公式V=S/t可知，將采集圖像數據實時地進行數據分區間計算，計算出被測車輛的平均瞬時速度，其計算公式(1)為：

測量車輛瞬時速度裝置原理如圖1所示。

圖1　測量車輛瞬時速度裝置原理Fig.1 The principle of measuring instantaneous speed of vehicle device

2　相關算法實現

2.1基本公式

由于信號采集時會產生2組信號序列相似的周期函數X(t),Y(t)，往往這2組信號周期函數是同一個信號源產生的，但是由于信號的接受點位置不同，并且在信號序列周期存在n·T個時間整數周期,因此，可以根據這2個信號序列周期之間的相關性來計算出被測車輛通過的時間間隔Δt，計算時間相關函數定義為公式[9](2)。

其中，通常計算時t=0開始，系統裝置的關鍵是計算n值，理論上來講，X(t),Y(t)是同一個周期序列相關函數，當2組信號波形最相似時，其相關性就越大，本系統裝置中從2路傳感器采集的信號波形只差一個時間間隔，如果2組信號波形數據對應點均相同時，其相關性達到最大值。即是2列周期函數的移位相位個數，先將單片機中的信號做離散處理，離散數據運算公式(3)為：

其中，公式3中的R(t1)表示為X(t)和Y(t)是相關函數。公式表明在t1時刻向序列Y移動t1個時間間隔乘積之和。但是，由于獲取序列函數的時間間隔較短，獲取移位數n值有限，ΔT計算時有誤差，故將公式(3)改進為，增加系統的采樣數N，找出2個序列函數之間的最大移位數n，即可得到被測車輛通過的時間間隔ΔT，其離散的相關函數公式(4)為：

其中，t是采樣時間最短間隔，N為采樣組數，且N≥0，n≥0,T≥0。

2.2算法實現

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

1:input：N,L,t,α;//N為采樣次數，L為前端和末端裝置距離值，t某一時刻值，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　實驗結果及分析

3.1實驗結果

當被測車輛通過該裝置時，傳感器采集圖像信號波形僅僅差一個ΔT時間段，故將此信號作相關計算，計算出信號波形的ΔT，采集其通過的時間間隔，實驗測試時圖2、圖3信號波形是前端裝置所采集信號數據示意圖和末端裝置所采集被測車輛信號數據，圖4是C8051F010處理芯片相關運算后信號波形示意圖。圖5是測量瞬時速度的效果圖。

圖2　前端所采集的信號數據Fig.2 Signal data selected at the front of system

圖3　末端所采集的信號數據Fig.3 Signal data selected at the end of system

圖4　C8051F010處理芯片相關運算的信號波形Fig.4 Signal wave of C8051F010 processing chip in relation with calculation

針對于圖2、圖3、圖4顯示裝置測量結果示意圖，實驗結果分析如下：當2路傳感器獲取被測車輛同一位置采集的信號相位差n，將相位差n值乘A/D轉換器采樣周期，即是：ΔT=n*Δt,此時，若將采樣周期分為若干個實時采樣周期，即可計算被測車輛的平均瞬時速度的計算公式1所示。

表1　被測車輛的瞬時速度和加速度值Table 1 The measured instantaneous velocity and acceleration values of vehicle

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

在某一個被測車輛上安裝有實時監控攝像頭，監測其經過系統裝置時的實時速度，在一段時間內并與本文系統裝置所測量出的瞬時速度和加速度進行比對如表所示。

表2　真實數據與測量數據比對表Table 2 The comparison between the real data and the measured data

其中，v表示系統裝置所測出的被測車輛的瞬時速度，v’表示被測車輛實時監測到的速度。

4　結論與展望

文章提出一種基于圖像傳感器的改進的測瞬時車速方法。通過實驗分析可知，利用改進的計算公式對被測車輛測量瞬時速度時很容易計算出2組傳感器獲取信號的相位差。文獻[10]中提出一種基于模糊圖像測量被測車輛的瞬時速度的方法，該方法只記錄了單幅模糊信號圖像，對于計算其相位差有較大誤差，致使測量被測車輛的瞬時速度不夠精確。本文系統裝置除了具有系統結構簡單、原理易懂、測量方便和高精度的優點之外，該裝置還存在若干不足之處，例如：對相位差的計算公式計算繁瑣，圖像傳感器獲取圖像信號時計算運行時單片機占用內存過多等等；對單片機C8051F010處理芯片缺乏進一步的研究。

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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、虛擬仿真研究.Email:scyafm@126.com