基于超聲波錄波信息的車輛軌跡跟蹤方法與系統與流程

本發明涉及一種基于超聲波錄波信息的車輛軌跡跟蹤方法與系統。
背景技術：
：隨著經濟發展及人們生活水平的提高，車輛越來越多，停車場的建設規模也日益擴大，停車場內部格局縱橫交錯，出入口眾多，“尋車難”的情況變得越來突出。目前針對車輛軌跡跟蹤的問題，很多學者提出了多種解決方案，如基于rfid方式的反向尋車系統，設計時需要在行車道兩旁、停車位等處安置rfid讀卡器，用戶需要隨身攜帶射頻卡尋車，增加了設計成本與難度；又例如基于視頻圖像處理技術和車牌識別技術的反向尋車系統，該技術與人工尋車和刷卡尋車相比雖然有了非常大的改善，但系統相對造價較高，不易普及和推廣。綜上，由于考慮因素眾多、條件各異，車輛軌跡跟蹤問題一直未能得到完善解決。技術實現要素：本發明為了解決上述問題，提出了一種基于超聲波錄波信息的車輛軌跡跟蹤方法與系統，本發明通過超聲波錄波信息建立相應車型特征向量，可以使得停車管理系統僅通過超聲波探測器即可判斷車輛停車位置，從而實現車輛軌跡的跟蹤，具有配置簡單、安裝方便、價格低廉、標定識別靈活、識別準確性高和抗干擾能力強等優點。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種基于超聲波錄波信息的車輛軌跡跟蹤方法，包括以下步驟：識別車輛牌號，作為行車唯一標識同時為車輛分配行車路徑，開始路徑追蹤；每個路口各個方向處均布設超聲波探測器，依次記錄車輛行駛到某個路口的超聲波探測信號，記錄采集到探測信息的探測器id、車輛特征值和通過時間，根據車輛行駛方向，結合下一路口可能探測到信號的探測器，以最先接收到的信息作為判斷行駛方向的依據，作為初步判斷結果；結合初步判斷結果，計算所述某個路口第一個探測器探測車輛特征值與路口其他探測器探測的車輛特征值的歐式距離，得到歐式距離最小對應的探測器，進而確定車輛行駛方向，對應兩個探測器的信號構成了該路口車輛通過信息；比對該路口車輛實際行車方向與分配行車路徑是否一致，若不一致則重新規劃路徑并在下一路口重新進行判斷和存儲，直到車輛到達指定停車位位置，依次存儲每個路口的軌跡信息，形成該車輛行駛軌跡數據。當車輛經過路口時，先采用基于時序的判別方法初步識別該車輛，再采用錄波數據確認車輛身份。進一步的，對同一車輛在不同探測器位置的錄波曲線進行二者的歸一化處理。更進一步的，在進行歸一化時，以采樣點數量少的曲線作為目標，其他曲線通過采樣點信號抽取得到與目標曲線相同寬度的數據來實現。更進一步的，數據歸一化處理采用歸一化后的n個采樣點作為特征向量，記下各點高度值，用歐式距離度量計算函數擬合的偏差，在對目標車輛進行識別時，以歐氏距離作為相似度標準，預先設定一個閾值以確定錄波信息之間的相似度，如果偏差小于閾值，則探測到的車輛為目標車輛，反之則不是。在對目標車輛進行識別時，計算目標車輛和超聲波錄波信息的特征量的歐氏距離作為相似度標準，預先設定一個最大閾值以確定錄波信息之間的相似度，如果歐氏距離小于最大閾值，則錄波信息探測到的車輛為目標車輛，反之則不是。在入口處或單獨經過路口時，將超聲波探測器探測到的車輛的車身特征值與車輛車牌號對應，從而當有多輛車經過同一路口時，超聲波探測器通過探測到車輛的錄波信息即可識別車輛。一種基于超聲波錄波信息的車輛軌跡跟蹤系統，包括停車場出入口車牌識別系統、車位與道路口超聲波探測器和停車管理服務器，其中：所述停車場出入口車牌識別系統，被配置為檢測出入車輛的車牌號，并將獲取的車牌號、出入時間發送至停車管理服務器；所述道路口超聲波探測器，設置于停車場的各路口的各個方向處，檢測并記錄經過每個路口車輛的通過時刻，被配置為探測到車輛經過的超聲波探測信號，并進行錄波，得到車輛識別特征值；所述車位超聲波探測器，被配置為檢測停車位占用狀態；所述停車管理服務器，被配置為接收車牌識別信息與車位和道路超聲波探測信息，追蹤車輛的實時行車路徑，確定車輛的停靠位置。進一步的，所述道路口超聲波探測器，有兩種工作模式，休眠模式和錄波模式，休眠模式工作頻率較低，錄波模式工作頻率高，當探測器探測到有車輛經過時，立即觸發錄波模式；超聲波探測器采用基于事件的通信機制，當探測到有車輛經過后，觸發通信，并將對應的超聲波探測器編號、錄波信息、錄波時間發送至服務端記錄。進一步的，所述道路口超聲波探測器安裝在距地一定高度上，以固定頻率向垂直于路面方向發射超聲波并接受反射波，經過計算后可得到探測器與地面之間的距離。更進一步的，當沒有車輛駛過時，超聲波探測器距離高度為h，當汽車駛過時，探測器以相同的頻率向下發射超聲波，遇到車輛頂部時反射并被接收，超聲波探測器將輸出此時刻至所測車輛頂部的距離dz，將超聲波安裝高度減去所測距離，就得到此時刻車輛頂部的高度h，當一輛汽車從駛入測量區域到完全駛出，對應的超聲波探測器將輸出一個完整的數據序列，其中每一個高度值即為車輛頂部某一點與探測器之間距離，進而獲得車輛頂部的高度值序列。更進一步的，所述道路口超聲波探測器通過采集車輛頂部高度數據序列來代替車輛頂部輪廓曲線，對車輛進行車型識別和判斷。與現有技術相比，本發明的有益效果為：1、本發明采用基于超聲波錄波信息的車輛軌跡跟蹤方法，當有多輛車經過同一路口時，超聲波探測器通過探測到車輛的錄波信息即可識別車輛，不會因超車或不確定車輛等情況的出現，影響實際行車路徑追蹤的準確性。2、本發明具有配置簡單、安裝方便、價格低廉、標定識別靈活、識別準確性高和抗干擾能力強等優點，解決了地下車庫尋車成本高、布設難度大、準確性低等問題。附圖說明構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。圖1為本發明的整體架構圖；圖2(a)-圖2(c)為本發明的車輛曲線歸一化處理過程示意圖；圖2(a)為車速為v1的車輛原始曲線；圖2(b)車速為v2的車輛原始曲線；圖2(c)車速為v2的歸一化后的曲線；圖3為本發明的停車庫超聲波探測器分布平面圖；圖4為本發明的行車軌跡跟蹤流程圖：具體實施方式：下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬
技術領域：
的普通技術人員通常理解的相同含義。需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。在本發明中，術語如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“豎直”、“水平”、“側”、“底”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，只是為了便于敘述本發明各部件或元件結構關系而確定的關系詞，并非特指本發明中任一部件或元件，不能理解為對本發明的限制。本發明中，術語如“固接”、“相連”、“連接”等應做廣義理解，表示可以是固定連接，也可以是一體地連接或可拆卸連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領域的相關科研或技術人員，可以根據具體情況確定上述術語在本發明中的具體含義，不能理解為對本發明的限制。如圖1所示，一種基于超聲波錄波信息的車輛軌跡跟蹤方法與系統，包括以下部分：停車場出入口車牌識別系統、車位與道路口超聲波探測器和停車管理服務器。車輛出入口車牌識別系統識別出入車輛的車牌號碼，并將獲取的車牌號碼、出入時間發送至停車管理服務器。道路口超聲波探測器探測到車輛經過時，觸發超聲波探測器進行錄波，并記錄下錄波信息中的車輛特征值及錄波的時間，車位超聲波探測器檢測停車位占用狀態，車位與道路口超聲波探測器通過網絡與停車管理服務器通信。停車管理服務器上部署有關系數據庫和車輛軌跡跟蹤模塊，關系數據庫用于保存每輛車的車牌、用戶名稱、入庫時間、軌跡、停車位和/或出庫時間信息；車輛軌跡跟蹤模塊采用基于超聲波時間錄波序列停車場車輛軌跡跟蹤算法，對車輛進行實時軌跡數據的上傳和采集。停車場內設置有燈光引導系統，所述燈光引導系統包括設置于各個路口、各道路以及停車位上的多個照明燈；所述停車管理服務器接收車輛信息后，為車輛預分配車位和行車路線，下發命令到相應的超聲波探測器燈光控制器，提供相應的燈光導引服務。其中，道路口超聲波探測器有兩種工作模式，休眠模式和錄波模式，休眠模式工作頻率較低，錄波模式工作頻率高，當探測器探測到有車輛經過時，立即觸發錄波模式；超聲波探測器采用基于事件的通信機制，當探測到有車輛經過后，觸發通信，并將對應的超聲波探測器編號、錄波信息、錄波時間發送至服務端記錄。超聲波探測器一般安裝在距地一定高度的上，以固定頻率向垂直于路面方向發射超聲波并接受反射波，經過計算后以固定頻率輸出與地面之間的距離。當沒有車輛駛過時，輸出探測器安裝高度h，當汽車駛過時，探測器以相同的頻率向下發射超聲波，遇到車輛頂部反射并被接收，探測器輸出此時刻至所測車頂部的距離dz。將安裝高度減去所測距離，就得到某一時刻車輛頂部的高度h，h＝h-dz。當一輛汽車從駛入測量區域到完全駛出，對應探測器輸出一個數據序列，其中每一個高度數據為車輛頂部某一點與探測器之間距離，對應也可獲得車輛頂部高度值序列。同時，因為探測器以固定頻率發射超聲波，測得的距離序列的數量可以轉換為車輛駛過探測器的時間tp，tp＝n/f，n為采集數據的個數，f為傳感器的測量頻率。為了能盡量準確的識別車型，首先應該盡量準確的獲得車輛的二維輪廓信息，因此測量頻率應該盡量高，以盡可能多的采集到車輛的高度數據。在超聲波探測器采樣頻率一定的情況下，車輛速度越快，長度越短，車輛的采集數據越少。不同類型的車輛，由于其車長和通過時的車速不同，所采集到的數據個數也不同，通過采集車輛頂部高度數據序列來代替車輛頂部輪廓曲線，進一步對車輛進行車型識別并確認。因此當車輛經過路口時，先采用基于時序的判別方法初步識別該車輛(判斷路口進入方向道路的首輛車為通過路口車輛)，再采用錄波數據確認車輛身份。同一車輛在不同探測器位置的錄波曲線會隨著速度不同而有所不同，主要表現在采集點數多少的變化將造成曲線被拉伸或壓縮，信號尺度歸一化是進行兩個曲線比較的基礎。因此，為了便于兩條曲線相似度比較，首先要進行二者的歸一化處理。在進行歸一化時，可以以采樣點數量少的曲線作為目標，另一條曲線通過采樣點信號抽取得到與目標曲線相同寬度的數據來實現。數據的歸一化處理采用akima插值法進行曲線段估計。對于采樣點x0＜x1＜...＜xn-1，其對應的車輛高度為y0,y1,...,yn-1，令yi＝f(xi)。在子區間[xk,xk+1](k＝0,1,...,n-2)上,若則區間可以唯一確定一個三次多項式:s(x)＝s0+s1(x-xk)+s2(x-xk)2+s3(x-xk)3其中，x∈[xk,xk+1]，s0、s1、s2、s3為系數。此時可用三次多項式確定該區間上的插值點t對應的函數值。根據akima幾何條件，有:其中，當uk+1＝uk且uk-1＝uk-2時，gk+1＝0.5(uk-1+uk)；當uk+2＝uk+1且uk＝uk-1時，在端點處，有：最后得到x∈[xk,xk+1]的函數近似為:在某個交叉路口兩個方向的超聲波探測器采集某車輛的信號曲線，v1＞v2，分別檢測到該車的采樣點為n和m，其中n＜m，則將曲線歸一化到采樣點數為n的標準下的狀態。原始曲線、壓縮曲線依次顯示在圖2(a)-圖2(c)中。采用歸一化后的n個采樣點作為特征向量：記下各點高度值為yi＝(y1,y2,...,yi)，用歐式距離度量計算函數擬合的偏差：在對目標車輛進行識別時，以歐氏距離作為相似度標準，預先設定一個閾值t以確定錄波信息之間的相似度，如果δ＜t則探測到的車輛為目標車輛，反之則不是。對于停車場超聲波探測器的部署方式，停車場的實體包括有道路、路口、停車位等，其中，每個交叉路口四個方向需分別部署一個超聲波探測器，每個車位部署有一個超聲波探測器，每個超聲波探測器有唯一的id標識。數據庫用于保存每輛車的車牌、用戶名稱、入庫時間、軌跡、停車位、出庫時間等信息。當車輛依次通過多個路口最終停在相應車位時，系統按時間順序逐個記錄了該車輛在各超聲波探測器的通過時刻和最終停車位，該位置時間序列即表示為該車輛行駛軌跡。上述系統對應的是一種基于超聲波錄波信息的車輛軌跡跟蹤方法，結合圖3中超聲波探測器分布平面圖和圖4行車路徑跟蹤流程圖，具體實施步驟如下：步驟一：入口處，通過車牌識別裝置識別車輛牌號，作為行車唯一標識同時為車輛分配行車路徑，開始路徑追蹤；步驟二：車輛行駛到第一個路口，例如圖2中f101路口，通過路口后，系統會接收到兩個道路超聲波探測器的信號，第一個是探測器f101a的id、車輛錄波信息的特征值、通過時間，根據車輛行駛方向，第二個路過的探測器可能是f101b，f101c，f101d，以系統最先接收到的信息作為判斷行駛方向的依據。該兩個探測器信號構成了該路口車輛通過信息。步驟三：系統依據超聲波探測時序先后初步判斷行車輛的行駛方向后，計算該路口第一個探測器探測車輛特征值與路口其他探測器探測的車輛特征值的歐式距離，得到歐式距離最小對應的探測器，進而確定車輛行駛方向。對應兩個探測器的信號便構成了該路口車輛通過信息。步驟四：比對該路口車輛實際行車方向與分配行車路徑是否一致，若不一致則重新規劃路徑并在下一路口按照步驟二進行判斷和存儲；步驟五：判斷是否接受到停車位探測器信息，若不是則在下一路口按照步驟二進行判斷和存儲，直到接收到停車位探測器信息，存儲后形成該車輛行駛軌跡數據。后續車輛路徑跟蹤步驟同上。步驟二中基于超聲波探測器探測車輛所得到的錄波信息的方式利用了超聲波測距的基本原理，超聲波發生器在某一時刻發出超聲波信號，遇到被測物體后反射回來，被超聲波接收器接收到。設d為被測物反射面到超聲波傳感器之間的距離；s為超聲波往返通過的路程；v為超聲波在介質中的傳播速度；t為超聲波從發射到接收所用的時間。只要計算出超聲波信號從發射到接收到回波信號的時間，知道在介質中的傳播速度，就可以計算出超聲波傳感器距被測物體的距離：d＝s/2＝(vt)/2。當安裝有超聲波探測器的車道上無車輛通過時，探測器探測到的是探測器與地面之間的距離，當車道上有車通過時，探測到的是探測器與車頂之間的距離，車輛頂部高低起伏，探測器探測到的距離長短也隨之變化，從而車輛通過時可以得到超聲波受擾動后的波形。步驟二中，當車輛在入口處，或單獨經過路口時，將超聲波探測器探測到的車身特征值與該車輛車牌號對應，從而當有多輛車經過同一路口時，超聲波探測器通過探測到車輛的錄波信息即可識別車輛，不會因超車或不確定車輛等情況的出現，影響實際行車路徑追蹤的準確性。步驟三依據超聲波探測時序先后初步判斷行駛車輛，如圖2所示，每個路口部署有四個超聲波探測器a/b/c/d。當車輛通過某路口處超聲波探測器時，系統接收探測器a的探測數據，相應探測器將超聲波探測器id、車輛經過的時間發送到停車管理服務器。同時可能接收到探測器器b、c、d的數據，以系統最先接收到的信息作為判斷行駛方向的依據。車輛軌跡數據格式如下表：車牌號車輛錄波信息第一路口信息第二路口信息…停車位信息當車輛依次通過多個路口最終停在相應車位時，系統按時間順序逐個記錄了該車輛在各超聲波探測器的通過時刻和最終停車位，同時通過車輛的錄波信息將對應時刻位置存入相應存儲區域，即可表示為該車輛行駛軌跡。車位預分配方法是依據入場車牌的信息和停車庫車位占用情況給出車位預分配并實現行車燈光引導控制：若有固定車位車輛則直接分配相應車位；若無固定車位則需根據剩余車位動態分配。行車路徑規劃的分配算法對剩余車位依據dijkstra算法或蟻群算法進行路徑規劃。行車路徑規劃的分配也可以是隨機分配，甚至可以對剩余車位距離進行比較選擇最近路徑等。以上所述僅為本申請的優選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。當前第1頁12