本發(fā)明屬于路面檢測(cè)技術(shù)中的坑洼檢測(cè)方法，具體涉及基于加速度傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)的路面坑洼檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)坑洼檢測(cè)技術(shù)（路面檢測(cè)技術(shù)）一般是將高清攝像頭采集到的圖像進(jìn)行分析，并判斷路面上是否有坑挖。目前，使用圖像處理的方式來(lái)檢測(cè)坑洼由于使用的攝像頭價(jià)格較高，而基于此的路面坑洼檢測(cè)系統(tǒng)的成本較高難以規(guī)?；a(chǎn)。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，最近的坑洼檢測(cè)系統(tǒng)基于廉價(jià)的加速度傳感器收集數(shù)據(jù)，并以閾值的方式檢測(cè)坑洼。其基本方法是收集汽車行駛在道路上的垂直方向加速度數(shù)據(jù)并在低速和高速兩種情況與閾值進(jìn)行比較從而判斷出是否汽車是否遇到了坑洼。由于車輛本身參數(shù)不同，在檢測(cè)坑洼時(shí)用一個(gè)固定的閾值進(jìn)行判斷，其準(zhǔn)確性較低。

除了直接使用傳感器的方式來(lái)檢測(cè)坑洼，有的坑洼檢測(cè)系統(tǒng)還利用了社交軟件來(lái)報(bào)告坑洼。automaticroadanomalydetectionusingsmartmobiledevice[c]，taiy,chanc,hsujy.，conferenceontechnologiesandapplicationsofartificialintelligence,hsinchu,taiwan.2010.（基于智能手機(jī)的自動(dòng)路面坑洼檢測(cè)，taiy,chanc,hsujy，人工智能的技術(shù)前景與應(yīng)用會(huì)議，臺(tái)灣，2010）中記載了一種使用戶在社交軟件中反饋的坑洼信息以及gps定位信息的坑洼檢測(cè)系統(tǒng)。這種檢測(cè)方法依賴于用戶的交互，需要用戶在發(fā)現(xiàn)坑洼后及時(shí)在社交軟件上反映坑洼信息，這種的坑洼檢測(cè)方法的檢測(cè)延遲完全依賴于用戶參與的積極性，有較大的不確定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題就是提供一種基于加速度傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)的路面坑洼檢測(cè)方法，它在現(xiàn)有基于加速度傳感器的路面檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，能提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，且不受人主觀因素的影響，能提高檢測(cè)的可靠性。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，它包括以下步驟：

步驟1、控制器模塊采集加速度傳感器收集到的加速度數(shù)據(jù)和gps模塊收集到的定位信息數(shù)據(jù)；

步驟2、使用嵌入式開(kāi)發(fā)板將采集到的加速度傳感器數(shù)據(jù)和gps定位信息數(shù)據(jù)傳送給樹(shù)莓派；

步驟3、使用樹(shù)莓派將收集到的道路信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中并在有網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器；

步驟4、服務(wù)器接收道路信息數(shù)據(jù)并計(jì)算坑洼檢測(cè)閾值，使用閾值檢測(cè)坑洼之后，將坑洼信息數(shù)據(jù)到傳送到地圖顯示模塊；

步驟5、地圖顯示模塊在地圖上標(biāo)注坑洼。

在步驟3中，樹(shù)莓派不直接與傳感器相連而是通過(guò)中間的嵌入式開(kāi)發(fā)板進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā)，這種設(shè)計(jì)模式可以降低整體系統(tǒng)的耦合性并且彌補(bǔ)了樹(shù)莓派針腳不足的缺陷。

在步驟4中，服務(wù)器首先從收集到的道路信息數(shù)據(jù)集中分離出一部分作為訓(xùn)練集，之后服務(wù)器運(yùn)行k-means機(jī)器學(xué)習(xí)方法，將收集到的道路信息數(shù)據(jù)分為兩類，并計(jì)算出其中坑洼數(shù)據(jù)類加速度特征的平均值，并將此作為坑洼檢測(cè)閾值；利用該閾值，本發(fā)明從測(cè)試集中檢測(cè)出坑洼數(shù)據(jù)并輸出到坑洼信息文件中。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：

與固定的坑洼檢測(cè)閾值相比，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法得到的檢測(cè)閾值更貼合實(shí)際路面情況，并隨著數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)有更高的準(zhǔn)確性，因此使用此閾值能提高檢測(cè)準(zhǔn)確率；同時(shí)與使用社交軟件的坑洼檢測(cè)方法相比，避免了人的主觀因素影響，提高檢測(cè)的可靠性。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的附圖說(shuō)明如下：

圖1為發(fā)明應(yīng)用環(huán)境的層級(jí)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為采集加速度傳感器數(shù)據(jù)和gps模塊數(shù)據(jù)的流程圖；

圖3為坑洼檢測(cè)的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

本發(fā)明應(yīng)用環(huán)境的層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示，第一層是感知層，它由加速度傳感器模塊、gps模塊和控制器模塊組成，加速度傳感器模塊用于汽車行駛時(shí)的加速度數(shù)據(jù)的采集；gps模塊用于汽車行駛時(shí)的位置信息的采集；控制器模塊由arduino嵌入式開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)，用于與加速度傳感器模塊和gps模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并將所獲得的加速度數(shù)據(jù)和位置信息數(shù)據(jù)打包后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；

感知層之后是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用樹(shù)莓派；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于接收感知層中的控制器模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板中的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中；如果控制器模塊檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)連接正常后，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將道路信息數(shù)據(jù)（道路信息數(shù)據(jù)為加速度數(shù)據(jù)和位置信息數(shù)據(jù)）傳輸?shù)娇油輽z測(cè)模塊中，并清空嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)；

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊之后是坑洼檢測(cè)模塊，坑洼檢測(cè)模塊用于接收控制器模塊傳輸?shù)牡缆沸畔?shù)據(jù)；在完成坑洼檢測(cè)后，坑洼檢測(cè)模塊將輸出坑洼位置信息數(shù)據(jù)到地圖繪制模塊中；

坑洼檢測(cè)模塊之后是地圖繪制模塊，地圖繪制模塊讀取坑洼的位置信息數(shù)據(jù)，讀取后使用高德地圖api在地圖上標(biāo)注坑洼。

感知層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)置于車載裝置中，坑洼檢測(cè)模塊和地圖繪制模塊置于服務(wù)器中。

本發(fā)明包括以下步驟：

步驟1、控制器模塊采集加速度傳感器收集到的加速度數(shù)據(jù)和gps模塊收集到的定位信息數(shù)據(jù)；

如圖2所示，在arduino嵌入式開(kāi)發(fā)板中，采集數(shù)據(jù)的具體流程如下：

在步驟s101，流程開(kāi)始；

在步驟s102，完成初始化工作準(zhǔn)備接受傳感器數(shù)據(jù)；

arduino嵌入式開(kāi)發(fā)板上的微控制器與加速度傳感器通過(guò)spi協(xié)議交互數(shù)據(jù)，微控制器與gps模塊通過(guò)i2c協(xié)議交互；在初始化階段，微控制器需要初始化一個(gè)spi交互實(shí)例和i2c交互實(shí)例。本實(shí)施例使用adxl345作為加速度傳感器模塊，在接收數(shù)據(jù)前需要初始化加速度傳感器的配置，包括加速度傳感器的測(cè)量范圍和工作模式。本實(shí)施例使用adxl345的+/-4g測(cè)量范圍和測(cè)量模式；

在步驟s103，微控制器從i2c交互實(shí)例中獲取gps模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；

gps的采樣頻率較加速度傳感器更慢，因此微控制器在采集數(shù)據(jù)時(shí)以gps模塊采樣為基準(zhǔn)，微控制器將讀取到gps模塊采集到的汽車行駛時(shí)的經(jīng)緯度、北京時(shí)間以及當(dāng)前速度；

在步驟s104，判斷從gps模塊中讀取到的第一個(gè)字符是否為‘$’，如果不是，則執(zhí)行步驟s103，如果是，則執(zhí)行步驟s105；

gps以幀格式傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀將以‘$’為開(kāi)始。如果第一個(gè)字符不是‘$’表示微控制器讀取到的不是幀的開(kāi)始或是數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，程序?qū)⑻讲襟Es103繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)；如果gps傳輸數(shù)據(jù)正常，則執(zhí)行步驟s105；

在步驟s105，讀取加速度傳感器數(shù)據(jù)；

微控制器將讀取汽車行駛時(shí)的z軸加速度，x軸加速度以及y軸加速度。其中，x軸表示垂直于汽車行徑方向并平行于路面方向，y軸代表汽車行進(jìn)方向，z軸表示垂直于路面方向；

在步驟s106，微控制器打包數(shù)據(jù)；

將以逗號(hào)隔開(kāi)經(jīng)度、緯度、速度、z軸加速度、x軸加速度、y軸加速度存入道路信息字符串中，并以換行符作為結(jié)尾；

在步驟s107，微控制器使用i2c交互實(shí)例將道路信息字符串（包括汽車加速度數(shù)據(jù)、汽車當(dāng)前速度、當(dāng)前北京時(shí)間、汽車位置信息）傳輸至樹(shù)莓派；

在步驟s108，判斷供電是否正常，如果供電正常，則執(zhí)行步驟s103，繼續(xù)收集道路數(shù)據(jù)；如果供電不正常，則執(zhí)行步驟s109；

微控制器在通電后開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，在斷電停止；

在步驟s109，流程結(jié)束。

步驟2、使用arduino嵌入式開(kāi)發(fā)板將采集到的加速度傳感器數(shù)據(jù)和gps的定位信息數(shù)據(jù)使用usb線傳送給樹(shù)莓派；

該步驟由上述步驟s107完成。

步驟3、樹(shù)莓派將收集到的道路信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到樹(shù)莓派中的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在有網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)將存儲(chǔ)的汽車加速度數(shù)據(jù)、汽車速度數(shù)據(jù)以及汽車位置信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器；

服務(wù)器為個(gè)人電腦，設(shè)在在道路檢測(cè)中心。

步驟4、服務(wù)器接收道路信息數(shù)據(jù)（汽車加速度數(shù)據(jù)、汽車當(dāng)前速度數(shù)據(jù)以及汽車位置信息數(shù)據(jù)）并計(jì)算坑洼檢測(cè)閾值，使用閾值檢測(cè)坑洼之后，將坑洼信息數(shù)據(jù)（坑洼所在的位置信息數(shù)據(jù)）傳送到地圖顯示模塊；

如圖3所示，在坑洼檢測(cè)模塊中，坑洼檢測(cè)的流程如下：

在步驟s201，流程開(kāi)始：

在步驟s202，使用socket鏈接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀取存儲(chǔ)在樹(shù)莓派中的道路信息數(shù)據(jù)；

在步驟s203，生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)；

從讀取到的道路信息數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選取四分之一作為坑洼分類器的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；

在步驟s204，坑洼分類訓(xùn)練，使用k-means機(jī)器學(xué)習(xí)方法，用步驟s203生成的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練；

本實(shí)施例以道路信息中的z軸加速度（垂直方向）與y軸加速度（汽車行駛方向）為特征進(jìn)行聚類分析，并將所有數(shù)據(jù)分為兩類。由于汽車在高速和低速情況下的加速度變化情況相異，因此在分類時(shí)，本實(shí)施例基于高速與低速（速度閾值25km/h）狀態(tài)分類道路信息數(shù)據(jù)。

在步驟s205，坑洼閾值計(jì)算；

分類后，計(jì)算高速和低速兩類數(shù)據(jù)的z軸加速度與y軸加速度的平方差均值，并比較取其較大值作為坑洼檢測(cè)閾值；

汽車在遇到坑洼時(shí)將會(huì)產(chǎn)生垂直方向上的正加速度以及行駛方向的負(fù)加速度；高速和低速兩種情況分別計(jì)算，獲得兩個(gè)坑洼檢測(cè)閾值；

在步驟s206，塊讀取道路信息數(shù)據(jù)（汽車加速度數(shù)據(jù)、汽車當(dāng)前速度數(shù)據(jù)以及汽車位置信息數(shù)據(jù)）測(cè)試集（道路信息數(shù)據(jù)的剩余四分之三）中的一條進(jìn)行坑洼檢測(cè)；

在步驟s207，判斷讀取到的數(shù)據(jù)中y軸加速度與z軸加速度的平方差是否大于閾值，若是，則執(zhí)行步驟s208，若不是，則執(zhí)行步驟s209；

在步驟s208，寫入坑洼數(shù)據(jù)（坑洼所在的位置信息數(shù)據(jù)）的位置信息到文件中，并以換行符做結(jié)尾；

位置信息是指gps模塊采集的經(jīng)緯度；

在步驟s209，判斷是否已經(jīng)讀完所有道路信息數(shù)據(jù)測(cè)試集，若不是，則執(zhí)行步驟s206；若是，則執(zhí)行步驟s210；

在步驟s210，流程結(jié)束。

步驟5、地圖顯示模塊在地圖上標(biāo)注坑洼；

地圖顯示模塊采用高德地圖api，它會(huì)將接收到的坐標(biāo)在地圖中用藍(lán)色橢圓符號(hào)標(biāo)記出來(lái)。