基于K-means聚类算法的宽高检测仪表的研究与设计

发布时间：2016-08-31 07:05

第一章  绪论 

1.1 课题研究背景 
道路交通网的建设对一个国家的经济发展至关重要，公路运输作为我国内陆地区的主要运输方式，极大地促进了区域经济的发展，这其中高速公路的加速建设起到了非常重要的作用。根据交通运输部最新数据显示，截止到 2014 年底，全国公路总公里数达到 446.39 万公里，，其中高速公路公里数达到 11.19 万公里。在上世纪 80 年代末，我国才开始高速公路的发展建设，相比西方发达国家晚了近 30 年。经过近 10 年的起步阶段后，从 1998 年开始进入快速发展阶段[1]。目前，我国高速公路里程已跃居世界第一位，这不仅促进了我国公路快速客货运输业的发展，也对国民经济的增长起到了巨大的推动作用。 高速公路飞速建设发展的同时，也带来了一系列相关问题，如高速公路上的车辆超限超载问题。在经济利益的驱使下，运输业主不顾危险，进行超限超载运输，给个人和社会带来巨大安全隐患。车辆超限超载造成的危害有[2]： （1）超限超载车辆对公路基础设施造成严重损坏。由于超限超载车辆的载荷超过了道路或桥梁的设计载荷，导致路面损坏、桥梁断裂，大大缩短了道路和桥梁的使用年限，严重威胁到人身生命财产安全。（2）超限超载车辆因载重增大而导致车辆惯性变大，刹车距离变长，危险性增大。如果车辆严重超载，会因车辆轮胎负荷过重、变形过大而引发爆胎，从而导致车辆突然偏驶、车辆侧翻等事故。（3）驾驶超限超载车辆的司机往往会存在精神压力，当遇到紧急情况出现时，容易出现操作失误，从而影响行车安全，甚至酿成惨烈的交通事故。（4）由于超限超载车辆无法以正常速度行驶，占用车道的时间变长，影响其他车辆通行，容易造成交通堵塞。 
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1.2  车辆宽高检测系统的研究现状 
进入 21 世纪以来，随着电子技术、计算机技术、传感器技术和通信技术的快速发展，各种实用的电子产品相继投入市场，相关电子产品和技术的合理配合使用广泛应用于自动测量控制系统中。目前，宽高测量应用的主要技术有：图像处理技术、雷达测量技术、红外线测量技术和激光测量技术。 运用图像处理技术测量车辆宽高，其原理是：使用线阵 CCD 摄像机捕捉到车辆的图像，将图像由光信号转换为电信号后发送给上位机[5]，上位机将车辆从图像中分离出来，然后再提取出已分离出来的车辆的高度和宽度。这种方法图像处理过程比较复杂，摄像机的安装位置必须精确，受环境影响较大，在大雾及亮度较差的环境下，对测量结果有很大的影响。 运用雷达技术测量车辆的宽高，将一个高度测量雷达安装在车道龙门架横杆上，将两个宽度测量雷达分别安装在车道龙门架左右立杆上。其基本测量原理为：当车辆通过测量区域时，高度测量雷达测量出其与车辆的距离，此距离与高度测量雷达和路面距离差值的绝对值即为车辆的高度；两宽度测量雷达分别测量出其与车辆对应侧的距离，此两距离之和与两宽度测量雷达距离差值的绝对值即为车辆的宽度。虽然此方法测距原理简单，但是雷达方向性差，发散角大，相邻车道车辆和路边物体容易对测量结果产生影响。 运用红外线技术测量车辆宽高，使用红外线传感器制作成一对光幕，一个发射器和一个接收器，在车道左右方向和上下方向分别安装一对光幕，发射器和接收器应正对安装放置，否则会影响测量精度。其工作原理是：发射器发射红外线，接收器接收红外线，从而在两者之间形成一道光幕[6]。当有车辆通过时，会对光幕形成遮挡，从而导致部分接收器接收不到红外线，红外线传感器将光信号转换成电信号送给处理器进行处理，得出车辆的宽度和高度。但是此方法适合测量形状规则的车辆，对于形状不规则的车辆则测量精度较低。 以上三种技术应用在车辆宽高检测领域中缺点明显，不能精确地测量出车辆的尺寸，之后，人们利用激光测量技术测量车辆宽高，测量精度有了很大提高，激光测量技术也逐渐成为测量领域的主流技术之一。 
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第二章   新型激光传感器车辆宽高检测系统概述 

2.1 新型激光传感器车辆宽高检测系统简介
新型激光传感器车辆宽高检测系统[10]是一种可自动测量货车的宽度和高度的系统，此系统主要应用在高速公路超限超载检测站，与不停车超载检测系统配合使用，实现对载货车辆的超限超载检测。该系统以激光传感器作为前端车辆宽高数据采集工具，以宽高检测仪表作为后端数据处理工具，超限超载系统上位机作为数据显示工具，三者之间数据通讯采用 TCP/IP 协议，软件体系结构采用 C/S 体系结构。新型激光传感器车辆宽高检测系统分为：新型单激光传感器车辆宽高检测系统和新型双激光传感器车辆宽高检测系统。 激光传感器是在二维极坐标内使用激光束扫描物体的边缘，一旦有激光束射到一个物体，它的距离和方向就能被确定。激光传感器车辆宽高检测系统中使用的激光传感器的最大扫描范围为 270°，角度旋转步长为 0.25/0.5°，转动频率为 25/50Hz，扫描范围可达 20 米，外壳的防护等级为 IP67。 
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2.2 新型激光传感器车辆宽高检测系统工作流程

新型激光传感器车辆宽高检测系统一般与不停车超载检测系统配合使用，两系统共用一台上位机，即超限超载检测系统上位机。 新型激光传感器车辆宽高检测系统的工作过程为：宽高检测仪表向激光传感器发送连续测量指令，传感器接收到连续测量指令后会处于连续扫描状态，并将扫描数据实时发送给仪表，仪表根据接收到的传感器的扫描数据来判断是否有车辆经过，当有车辆经过时，仪表会将处理后的车辆宽高数据发送给超限超载检测系统上位机，上位机最后判断车辆的宽度或高度是否超过了国家规定范围，如果其中一项超过了国家规定范围，则会触发声光警器，超限超载检测人员会对车辆进行拦截并做出相应处罚。新型激光传感器车辆宽高检测系统的工作过程用流程图表示如图 2-1 所示。在新型单激光传感器车辆宽高检测系统中，激光传感器应安装在车道中心位置正上方龙门架上[11]，此位置不一定是龙门架的中心位置，并且传感器的 90 度扫描线应与路面保持垂直，如图 2-3 所示。 

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第三章  K-means 聚类算法理论 ...... 15 
3.1 数据挖掘概述 ...... 15 
3.1.1  数据挖掘 ....... 16 
3.1.2  数据挖掘过程及任务 ..... 16 
3.2 聚类分析 .......... 18
3.3  数据预处理 ........ 22
3.4 K-means 聚类算法 ........... 23 
3.5  本章小结 .......... 26 
第四章  宽高检测仪表的硬件设计 ........... 27 
4.1  设计方案及结构 .... 27 
4.2  电路模块的设计 .... 28
4.3  本章小结 .......... 32
第五章  宽高检测仪表的软件设计 ........... 33 
5.1 嵌入式 Win CE 系统简介 ..... 33 
5.1.1 Win CE 操作系统 ........ 33 
5.1.2 Win CE 操作系统应用软件开发环境 ........ 33 
5.1.3Win CE 系统在宽高检测仪表中的应用优势 ........... 33 
5.2 仪表主要功能模块编程实现 .......... 34 
5.2.1  仪表应用程序初始化 .... 34 
5.2.2  配置文件参数的读写 .... 37 
5.2.3  新型单激光传感器车辆宽高检测系统测量线程 ...... 39 
5.2.4  新型双激光传感器车辆宽高检测系统测量线程 ...... 41 
5.3 仪表参数配置工具 .......... 43 
5.4  动态链接库的设计 .......... 49 
5.5 本章小结 .......... 50 

第五章 宽高检测仪表的软件设计

5.1 嵌入式 Win CE 系统简介 
随着世界科技的进步，计算机技术、微电子技术和网络技术也快速发展，嵌入式系统在工业、农业、服务业等诸多领域得到广泛的应用[36]。目前在嵌入式领域广泛使用的操作系统有：嵌入式实时操作系统 μC/OS-II、嵌入式 Linux、Win CE、Vx Works 等[37]，以及应用在智能手机和平板电脑的 Android、i OS 等。其中，Win CE 系统采用模块化设计，开发人员只需根据系统的需要选择合适模块，从而达到减小系统体积的目的。Win CE系统已经被很多公司开发和使用，迅速成为主流的嵌入式操作系统之一[38]。Win CE 是美国微软公司开发的一种嵌入式操作系统，它是一款开放的、模块化、易裁剪、可定制、可升级、移植方便、实时抢占式多任务的 32 bit 嵌入式操作系统[39]。它支持 X86、ARM、MIPS、Surper H 等多种硬件平台，具有很好的实时性和稳定性[40]。 Win CE 操作系统经过定制后，才可以运行在嵌入式硬件平台上[41]。Win CE 系统的定制开发环境为 Platform Builder，技术人员可根据设计需要定制专属 Win CE 系统。 Win CE 应用程序开发工具有 Embedded Visual C++和 Microsoft Visual Studio 等。本宽高检测仪表的应用程序开发是在 Microsoft Visual Studio 2008 环境下使用 MFC 进行模块化编程，编写程序时使用工控主板提供的 SDK(Software  Development  Kit，软件开发包)实现对外部输入信号的采集。在应用程序中通过建立线程将仪表的每个工作流程分离开，防止各工作流程相互影响，使仪表能够正常运作。 
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总结 

现如今，随着国家加大对道路和人民生命财产安全的保护力度，对车辆的检测也不仅局限在重量方面，将车辆的宽度和高度检测也纳入对车辆的超限超载检测中，有效的避免了超宽超高车辆带来的安全隐患，促进了社会和谐稳定的发展。 车辆宽高检测系统虽然在国内起步比较晚，但发展速度很快，已成为车辆超限超载检测不可缺少的一部分。现如今，激光传感器车辆宽高检测系统已基本取代人工测量和其他自动测量系统，成为各超限超载检测站的标准配置。本文中提出的宽高检测仪表作为激光传感器车辆宽高检测系统的核心部分，不仅提高了激光传感器车辆宽高检测系统的测量精度，而且可以有效消除司机的顾虑，在对车辆进行宽高检测时起到了非常重要的作用。本文所做的主要工作包括以下 4 个方面： 
1．对宽高检测系统的研究现状和当前激光传感器车辆宽高检测系统存在的问题做了简要介绍，对新型单激光传感器车辆宽高检测系统和新型双激光传感器车辆宽高检测系统的结构、传感器安装位置和车辆宽高计算方法做了详细说明。 
2．学习了数据挖掘技术和聚类分析中的 K-means 聚类算法，包括数据挖掘过程及任务、聚类分析和 K-means 聚类算法的原理、流程、优点、Matlab 实现等。 
3．针对现有激光传感器车辆宽高检测系统存在的测量精度低、成本高和系统内聚性不强等问题，提出了宽高检测仪表的硬件设计方案，并对各硬件模块进行了选型和设计。 
4．根据对宽高检测仪表的功能要求，将嵌入式 Win CE 系统应用到车辆宽高检测领域，降低了仪表应用软件的开发门槛，增强了程序的可移植性，减少了应用程序的开发成本。对仪表主控程序中主要功能模块的编程实现、仪表参数配置工具的使用和主要参数的作用做了详细说明。为方便仪表与不同厂家超限超载系统上位机融合使用设计了动态链接库。  
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参考文献(略)

本文编号：106492