车外数据采集的重要性及实践案例

车外数据的采集主要包括对车辆的位置，行车状态，道路状态，前方、两侧及侧后方车辆状态等数据的采集（见图3-6）。

图3-6 车外数据的采集

位置服务是车联网服务内容的重要组成部分，位置几乎贯穿于车联网服务的每个场景。通过车载终端上的卫星定位模块，可以采集车辆的位置信息及状态，如经纬度信息、方向、速度等，这些数据可作为车辆远程防盗、一键通导航、路边紧急救援、获取天气信息与路况信息等的判断依据。位置也是车队管理的主要参数，如车辆调度、车辆监控、车辆跟踪、超速报警及电子围栏等功能，都离不开位置数据。同时，实时路况也是通过对海量的车辆实时位置信息进行加工而形成的服务内容。

1.测速技术

1）雷达测速

交通事故中有一部分是机动车超速引起的。公安交管部门为了有效控制机动车超速行驶，降低交通事故的发生率，投入大量资金来安装雷达测速系统。

雷达测速系统分为移动式和固定式两种，一般由测速、拍摄和图像数据处理三部分组成。测速部分基本上是采用多普勒雷达（即基于多普勒效应制成的雷达）进行测速的，拍摄部分采用高速相机并配以光补偿装置，图像数据处理由相应配套软件完成。其工作原理如下。

雷达发射一个固定频率的脉冲波，遇到运动目标时，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可依据特定的关系，计算出运动目标对雷达的径向相对运动速度，即

式中：fd——测量到的运动目标引起的多普勒频率，Hz；

　　　c——电磁波在空气中的传播速度，约为3×105 km/s；

　　　k——单位换算系数，k＝103/3.6；

　　　f0——雷达的发射频率，MHz；

　　　v——目标运动速度，km/h；

　　　θ——雷达波束与车辆行驶方向的夹角。

雷达在测到目标车辆速度的同时触发相机拍照，经过图像数据处理，把相应的信息如超速路段、限定速度值、目标车速和超速百分比等合成到拍得的图片中，作为超速处罚的依据。雷达测超速车辆原理如图3-7所示，测速现场效果如图3-8所示。

2）激光测速

激光测速应用于交通管理方面，用于各种汽车速度的测量，以判断其是否超速。激光测速的主要方法有脉冲法和相位法，多采用脉冲法。

图3-7 雷达测超速车辆原理图

图3-8 雷达测速现场效果图

脉冲激光测速系统的工作原理是建立在激光测距的基础之上的，通过对被测物体进行两次或多次有特定时间间隔的激光测距，取得在该时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的平均移动速度（见图3-9）。

图3-9 激光测速的工作原理

脉冲法的激光测速系统比相位法的简单，更易于操作。但是，无论是脉冲法，还是相位法，激光测速系统对于测量角度的要求都非常高，激光测速系统应该正对运动物体的运动方向，测量偏差角度应该小于10°。这样才能保证测量的准确性。激光测速仪现场效果如图3-10所示。

图3-10 激光测速仪现场效果图

激光测速系统由光学系统、硬件电路和软件处理三部分组成。其中，光学系统部分由光学准直部分和分光系统组成；硬件电路部分由发射模块（包括脉冲驱动电路）、接收模块（包括信号放大整形滤波电路、计数电路等）和计算机接口电路组成；软件处理部分由CPLD（complex programming logic device，复杂可编程逻辑器件）脉冲驱动、计数程序和单片机串口程序，以及与上位机进行通信处理的部分组成。

3）雷达测速与激光测速对比

在车辆超速违章事件中，最直接的挑战就是如何确认违规车辆。例如，在多车道公路上当两部以上车辆并行时，雷达测得超速现象却无法明确认定哪一辆车违规。原因在于雷达测速不同于激光测速，雷达测速的原理是应用多普勒效应，即移动物体对所接收的电磁波有频移的效应。雷达测速仪是根据接收到的反射波频移量计算得出被测物体的运动速度的。雷达测速的主要特点是雷达波束较激光光束（射线）的照射面大，因此雷达测速易于捕捉目标，但是测速的准确率不高，如果碰到几条车道上同时有几辆车平行驶来，雷达很难测到哪一辆是超速车辆。

雷达波发射锥角度为10°～20°，而激光波发射锥角度（激光发射部分发散角）只有不到0.1°，因此激光测速可以明确认定受测目标，激光狭窄光束使得两车被同时侦测到的概率等于零。雷达测速与激光测速的最远测速距离均在1 000 m左右，可以随设备发射功率增大而增长。但测距远对测速来说并不具实际效益，因为测到的车辆距离越远，抓拍超速车辆图片的代价就越大，主要涉及照相取证设备，对摄像机镜头和闪光灯设备要求太高。雷达测速仪需经常用固定频率的音叉校正，而激光测速仪则无此要求。

雷达测速与激光测速另一重要差别在于测速的时间，雷达测速需要2～3 s，而激光测速只需要约0.3 s。

当然，激光测速仪也有缺点，即无法于移动状态下使用，如装于警车上或由坐在行进车辆上乘员持用时，均无法正常工作。相较于激光测速，雷达测速的缺点是反应慢和波束宽，但也有着操作简便、安装方便、取证图片清晰（特别是晚上，成熟的闪光灯技术加近距离抓拍，夜间抓拍的图片质量也很好）、监控范围广和功能强大等优点。

2.地感地磁检测

1）地感线圈检测

环形线圈检测器是目前国内外使用最广泛的车辆检测器，它由三部分组成：埋设在路面下的环形线圈传感器、信号检测处理单元（包括检测信号放大单元、数据处理单元和通信接口）和馈线。环形线圈检测器原理图如图3-11所示。

图3-11 环形线圈检测器原理图(www.xing528.com)

该检测器的工作原理是检测单元同环形线圈与馈线线路组成一个调谐电路。当环形线圈有电流通过时，其周围形成一个电磁场。正常情况下，在机动车辆未经过环形线圈所在位置的时候，耦合电路振荡频率保持恒定，单片机在单位时间段测得的脉冲个数基本不变。当机动车辆经过环形线圈所在位置时，在金属车体中感应出涡流电流，涡流电流又产生与环路电磁场相耦合但方向相反的电磁场，即互感，导致耦合电路振荡频率的变化，使得单片机在单位时间段测得的脉冲个数也相应变化。因此，只要检测到此变化的信号，就可检测出是否有车辆通过。

从环形线圈的工作原理可知，车辆无论是通过检测器还是停在检测器上，都能使检测器工作，所以这种检测器既可以检测交通量，又可以检测占有率、大致的车速等多种交通参数。环形线圈的尺寸随需要而定，常用的是2 m×2 m的线圈约三匝（圈），每车道埋设一个，计数精度可达到±2%，排队长度测量精度可达到±4%～±6%。测出流量和占有率之后，借助于预定的平均有效长度即可估计出密度与平均速度。有些情况下，为了较准确地直接测量速度，采用每车道连续埋设两个环形线圈的方案（即双线圈测量），间距约为6 m。双线圈测量方式的精确度较好，速度测量精度可达到±4%～±6%，但检测器投资及施工费用较高，计算量也较大。

环形线圈检测器可测参数较多，其感应灵敏度可调，使用的适应性较强，安装不太复杂，所以在国内外得到广泛的应用。其缺点是线圈会跟随路面发生变形（沉降、裂缝、搓移等），因此其使用效果及寿命受路面质量的影响很大，路面质量较差时，一般寿命仅为2年。另外，环境的变化和环形线圈的正常老化对检测器的工作性能有较大的影响，可使检测器谐振回路因失谐而不能判断车辆产生的频率变化。因此，人工调谐的环形线圈检测器要定期进行手工调整，以便保持仪器的精度。自调谐检测器可自动进行调整，精度较高，现在已被普遍采用。

2）地磁检测

地磁检测器是把一个高磁导率铁芯和线圈装在一个保护套内，里面填满非导电的防水材料，形成一根磁棒。在路上垂直于交通流的方向开一个0.2～0.6 m的孔，把磁棒埋在路面下。当车辆驶过这个线圈时，通过线圈的磁通量发生变化，在线圈中产生一个电动势；这个电动势经过放大器放大后推动继电器，发出一个车辆通过的信息。

这种检测器只能检测以定车速通过的车辆，所以是通过型检测器，不适用于需要检测车辆存在的地方。这种检测器具有安装容易、不易损坏、价格便宜等优点；缺点是不能对慢速车辆进行检测，有时会误检，且材料容易老化，灵敏度会逐年衰减。图3-12所示为地磁检测示意图。

图3-12 地磁检测示意图

3.测距技术

1）激光测距

若想实现对前方车距的实时监测，则可在车的前部安装高灵敏度的前视雷达。前视雷达将行驶于车前方的车辆或障碍物的距离等信息，送入汽车电子控制器，该控制器对这些信息进行处理后，给出相应的指令信息和控制动作。常用的前视雷达有毫米波雷达和激光雷达。

激光雷达的基本原理与毫米波雷达的工作原理相似，也是测量发射信号与从物体表面反射回波信号的时间差，所不同的是毫米波雷达发射电磁波，而激光雷达发射光波。激光雷达按其技术途径可分为脉冲式激光雷达和相位式激光雷达。脉冲式激光雷达即激光雷达向目标发射激光脉冲信号，信号碰到目标后就被反射回来，因此只要准确记录激光的往返时间，用光速乘以往返时间的50%，就得到目标与激光雷达之间的距离。相位式激光雷达采用连续调制的激光光束照射被测目标，通过测量光束往返中产生的相位变化，换算出被测量目标与激光雷达之间的距离。激光光束的调制方式有两种：一是调频方式（调频连续波，frequency modulated continuous wave，FMCW），二是调幅方式（调幅连续波，amplitude modulated continuous wave，AMCW）。

相位式汽车激光雷达产品一般以AMCW方式工作。与毫米波雷达相比，激光雷达具有体积小、波束窄、无电磁干扰、距离和位置探测准确度高等特点。尽管激光雷达在雨天、有灰尘和烟雾的环境下，性能会有所下降，但是近几年发展起来的1.54 μm近红外激光雷达具有入眼安全和较高的大气透过率的特点，使激光雷达的性价比又有了进一步的提高，因而激光雷达作为汽车前视雷达有望得到广泛的应用。

激光测距仪采用半导体激光器，体积小、重量轻、耗电少，输出脉冲峰值功率仅为几十瓦，激光发射频率高，可用于地面固定目标和运动目标的测量。它在500 m远处的光束直径可达15 m，从而满足高速公路单向路面宽度的要求。相对激光雷达来说，它具有结构简单、成本低的优点，使实际大量装车使用成为可能。激光测距仪原理如图3-13所示。测距时，MCU发出指令到发射控制电路，从而驱动激光二极管发光，激光发射光学系统连续发出激光光波脉冲，同时计时器开始计时；接着整个系统进入等待激光反射回波状态，激光接收光学系统接收到回波后，雪崩光电二极管产生电压信号，该信号再经过接收放大器放大后进入MCU从而产生中断，使计时器停止计时。激光发射光学系统对准目标发射激光脉冲，然后激光接收光学系统接收从目标反射回来的回波脉冲，通过测定脉冲在待测距离上往返时间t，可得待测距离S为

式中：c——光速。

图3-13 激光测距仪原理图

由于时间t十分短暂，因此必须用能产生标准固定频率的时标振荡器和电子计数器来记录。如果时标振荡器振荡频率为f，在激光脉冲往返的时间t内时标脉冲个数为n，则待测距离S为

式中：c和f为已知量，只要测出脉冲个数n，就可方便地求出待测距离S。

2）超声波测距

广义的超声波是指频率在20 k Hz以上的一种机械波。超声波具有束射特性、吸收特性、能量传递特性和声压特性，可以用于前后车距的测量。这里只介绍与测距相关的束射特性和吸收特性。图3-14所示为超声波测距示意图。

束射特性：由于超声波的波长短，超声波射线和光线一样能够反射、折射和聚焦，而且遵守几何光学定律。也就是说，超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，两种物质的密度差别越大，则折射角也越大。

吸收特性：超声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐渐减弱。这是因为物质吸收了它的能量。对于同一种物质，超声波的频率越高，吸收越强。对于频率一定的超声波，其在气体中传播时被吸收的能量最大，在液体中传播时被吸收的能量较小，在固体中传播时被吸收的能量最小。由此可知，吸收特性限制了超声波的传送距离。

图3-14 超声波测距示意图

超声波测距是一种非接触式的检测方式。测距时，超声波发射器不断发射超声波，遇到障碍物后反射回来，超声波接收器接收到回波信号后，能将其转变为电信号，测出从发射超声波至接收到回波的时间差，即可求出距离S，为

式中：S——所测距离，m；

　　　v——超声波波速，m/s；

　　　t——发射超声波起至接收到回波的时间差，s。

由于声速受温度影响较大，应给予补偿。补偿硬件部分由温度传感器和A/D转换器组成，温度传感器输出与温度成正比的电压，经A/D转换器转换成数字量送入MCU，由软件作补偿处理。波速的温度近似补偿公式为

式中：T——环境温度，℃；

　　　y——超声波补偿后的在空气中的传播速度，m/s。

随着科技的不断发展，主动安全技术在规避危险方面的成效越来越明显，已经被消费者所认可，而辅助驾驶与无人驾驶技术又是汽车行业发展的方向之一。因此，要做到主动安全、开展无人驾驶，就需要采集大量的数据。通过雷达、摄像头、加速度传感器、卫星定位模块等对车辆运行前方及车辆两侧后方的道路情况进行采集，可实现车队跟驰、并线提醒、路面异常提醒及防碰撞报警等主动安全提醒。对各种传感器数据及整车数据的采集，有助于实现辅助驾驶与无人驾驶技术。而不停车收费系统也离不开对车辆数据的采集，路边收费装置只有通过采集车辆的信息，才能确定车辆通行的费率、车辆是否冲卡等，才能实现不停车自动收费。

总之，数据采集对于车联网而言非常关键，而数据采集也是车联网的一大难题，出于安全考虑，汽车厂商的整车数据并不完全对外开放。因此，要做好车联网，应该先解决采集哪些数据、用哪种技术采集、采集这些数据是否会使车辆出现安全隐患等问题。只有解决了这些问题，才能为实现车联网打好基础。