（交通运输规划与管理专业论文）感应式车辆检测技术及交通模糊控制研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 目前，交通拥挤问题是世界各国的普遍性问题，它直接影响经济的发展和人 们的生活。智能交通系统( i t s ) 是在不重修道路的情况下解决这一日益严重的问 题的有效途径。在i t s 中，交通数据采集设备占据重要位置，只有在掌握大量的 交通数据的前提下，才可能实现智能交通。车辆检测器就担负着交通数据采集的 任务，因而具有重要的研究意义。环形线圈车辆检测器具有性能稳定，性价比高， 适应性强等优点，市场应用最为广泛。 本文设计了一种基于d s p 的环形线圈车辆检测器，并以此车检器采集的数据 为基础，设计了基于车辆排队长度的单交叉口模糊控制器。具体来说，本论文主 要开展了如下方面的研究： ( 1 ) 对交通进行有效的控制必须以采集到正确、实时交通流量信息为基础，为 了准确检测车流量，完成了基于d s p 的环形线圈车辆检测器的软硬件设计。 ( 2 ) 在本设计中充分考虑到目前环形线圈车辆检测器的一些问题，如误检率较 高、灵敏度变化范围较小、不能存储历史交通数据等，运用软硬件手段加以解决， 得到了比较好的效果。 ( 3 ) 对该检测器进行了验证实验，证明了其正确性和有效性，并对实验结果进 行分析；运用阈值滤波方法进行了车辆分类研究，将通过的车辆分成大型、中型 和小型及非机动车辆，在对历史交通数据作分析时有一定的现实意义。 ( 4 ) 运用采集到的交通流量数据，完成基于车辆排队长度的单交叉口模糊控制 器的设计，进行了m a t l a b 仿真，并跟定时控制的结果进行了对比。 关键词：环形线圈，车辆检测器，单交叉口，模糊控制 阿北业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h et r a f f i c j a mh a sb e e naw i d e l yc o n f r o n t e dp r o b l e m ，w h i c hi n f l u e n c e s t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dp u b l i cl i f e w i mn om o d i f i c a t i o nt ot h er o a d s i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m ( i t s ) h a sb e e na ne f f e c t i v es o l u t i o nt o t h ep r o b l e m t h e e q u i p m e n tt a k i n gg r e a tr e s p o n s i b l i t y f o r a c q u i r i n gt r a f f i cd a t a ，i sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n ti ni t s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fv e h i c l ed e t e c t o rp l a y sa ne s s e n t i a lr o l ei n s u p p l y i n gs a m p l i n gd a t af o ri t s t h el o o pv e h i c l ed e t e c t o rh a st h ea d v a n t a g e so f s t a b i l i t y , h i g hp e r f o r m a n c e p r i c er a t i o ，a n dg o o da d a p t a t i o n ，w h i c hh a sb e e nw i d e l y u s e di nt h em a r k e t t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h el o o pv e h i c l ed e t e c t o rb a s e do nd s pa r e i m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hi so nb a s i so f t h ec o m p l e t i o no f t h ef u z z y c o n t r o l l e ra t i s o l a t e di n t e r s e c t i o nu t i l i z i n gt h ed a t aa c q u i r e db yt h ed e t e c t o r m a t l a bs i m u l a t i o ni s c a r r i e do nt ot e s tt h ef u z z yc o n t r o l l e r , t h em a i nr e s e a r c hi nt h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： ( 11t h er e a lt i m ea n dp r e c i s ei n f o r m a t i o nd a t ai st h ef o u n d a t i o no ft h ee f f e c t i v e c o n t r o lo ft r a f i l e t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h el o o pv e h i c l ed e t e c t o rb a s e d o nd s pi s a c c o m p l i s h e dt od e t e c tt h et r a f f i cf l o wa c c u r a t e l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t s d e m o n s t r a t et h ev a l i d i t yo f t h em e t h o d ( 2 ) c o n s i d e r i n gs o m ep r o b l e m so c c u r r e di nc u r r e n tl o o pd e t e c t o r , s u c ha sh i g h m i s t a k er a t e ，s m a l lr a n g eo fs e n s i t i v i t ya n dn od a t as t o r a g ed e v i c e ，h a r d w a r ea n d s o f t w a r em e a s u r e sa r et a k e nt od e a lw i t ht h e s ep r o b l e m ( 3 ) w i t ht h ea n a l y s i so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ev e h i c l e sa r ec l a s s i f i e dt ot h el a r g e ， m e d i u m ，a n ds m a l lt y p e s ，u s i n gt h em e t h o do f t h r e s h o l df i l t e r i n g ，w h i c hi sb e n e f i c i a lf o r t h ea n a l y s i so f h i s t o r yt r a f f i cd a t a ( 4 ) u t i l i z i n gt h ea c q u i r e dd a t a ，c o m p l e t et h ed e s i g no ft h ef u z z yc o n t r o l l e ra t i s o l a t e di n t e r s e c t i o nb a s e do nv e h i c l eq u e u e a n dc o m p a r et h er e s u l t sf r o mt h em a t l a b s i m u l a t i o nw i t ht h et i m i n gc o n t r o lr e s u l t s 。 k e y w o r d s i n d u c t i v el o o p ，v e h i c l ed e t e c t o r , i s o l a t e di n t e r s e c t i o n , f u z z yc o n t r o l l l 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学伉论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可【三l 采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位沦文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位敝储虢丕世堡塾撸删撇：蛔冬 弓月2 0 曰 抄7 年：h o l o 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论 文，是本人在导师的指导f 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已 经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公 开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已中请学位或其它用途使用过 的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相荧的法律责任。 学位论文作者签名蔓皇堡独 d 。7 年；月加日 曲北i 业大学硕士半付论文第一章绪论 1 1 选题意义和背景 第一章绪论 随着城市汽车拥有量的快速增长，城市交通拥堵问题已经成为制约城市发展 的瓶颈。智能交通系统( i t s ) 提出的交通控制与管理系统是在不重修道路的情况 下缓解这一问题的有效手段1 1 j 【2 j 。 从二十世纪九十年代起，智能交通系统( i t s ) 这一术语得到全世界的广泛承 认【2 。l 。i t s 是一个跨学科，信息化，系统化的综合研究体系，其主要内容是：将 先进的人工智能技术、自动控制技术、计算机技术、信息与通信技术及电子传感 器技术等有效的集成，并应用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、 全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。1 9 9 5 年3 月美 国运输部正式出版了国家智能交通系统项目规划，明确规定了智能交通系统的 7 大领域和2 9 个用户服务功能。其7 大领域包括：交通控制与管理系统，出行需 求管理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理 系统、先进的车辆控制和安全系统。其中，交通控制系统是i t s 研究的一个重要 方面。由于交通系统具有较强的非线性、模糊型和不确定性，是一个典型的分布 式系统，而且具有多种信息来源，多传感器的特点，用传统的理论和方法很难对 其进行有效的控制。把先进的智能控制技术、信息融合技术、智能信息处理技术 与交通工程结合起来，是一个崭新的研究方向，它能够推动和促进学科之间的褶 互交叉，理论成果与实际应用相互结合，具有重要的学术和应用价值。 一个完整的交通控制系统需要有一个准确、可靠的信息采集和监控系统，它 将束自底层的实时数掘收集起来，准确、迅速地通过高速信息传输网送交后台进 行分析和处理，新的控制决策再重新下载到各控制器中进行交通参数的优化。交 通流信息的采集是智能交通系统中的一个重要构成要素，实时的或者历史统计的 交通流数据信息是进一步研究的基础。交通流信息包括交通事件( 交通事故、闯 红灯等) 和交通流量、车道占有率、车速、行程时间等交通参数和道路拥挤程度 等信息 川l 。用于自动采集交通流数据的车辆检测器是随着高速公路的建设而迅速 发展起柬的，国外如美国、日本、英国等国家起步较早，我国大规模使用车辆检 测器是近十多年的事情。传统的车辆检测器是通过在高速公路沿途埋设的大量检 测器及交通要道处安设的电视录像机等，将数据和画面传送到控制中心来检测、 判断交通偶发事件，从而达到报警和人工干预的目的。现在，随着大范围车辆识 曲北f 业犬学硕士学位论文第一章绪论 别检测器的应用，加上光纤通信系统、基于微处理器的信号控制设备、强有力的 计算机系统以及工程模块的人工智能化等，交通监控系统正朝着大范围、全方位、 智能化和实时控制的方向发展。 目前使用的采集技术有环形线圈检测器、超声波检测器、磁性检测器、红外 线检测器、微波检测器、视频图像处理技术等【2 卅【6 j 。各式车辆检测器之中，以环 形线圈使用最广，历史最久，也被认为是价格低廉、准确度高，且使用积累了较 多的经验，广泛应用于城市交通面控系统、高速公路监控系统，可用来检测交通 流量、占有率、速度等参数，是一种最常用的交通检测装置。超声波检测器也在 一些国家有十余年的使用历史；其余如微波检测器、红外线检测器及视频图像处 理技术等属于较新产品，实际工程经验并不多。虽然环形线圈检测器有其安装不 便的缺隧，但是，由于它具有检测参数精确度高、适应性强、可靠性高、漏检率 低、使用寿命长、性能价格比合适等诸多优点，这种检测器仍然是目前用于高速 公路控制系统最广泛、效果也较好的一种车辆交通信息检测设备。本文设计了一 种基于d s p 的环形线圈车辆检测器，并以此作为单交叉口车辆排队长度信息的采 集设备。 交通信号控制系统最早采用的是定时控制，这种控制方法简单，对车辆进行 了定的约束，使得事故率降低，达到了一定的控制效果。然而，随着近十年特 别是近三、四年城市车辆的不断增加，交通拥挤不堪，交通事故频发，交通信号 的定时控制方法越来越不能适应交通的发展，急需一种新的方法来提高控制效果， 减少捌堵和事故。模糊控制不需要精确的数学模型，对于交通系统这种很难建立 起精确数学模型的系统来说非常适合。所以本设计就选用模糊控制方法对交叉口 的信号进行配时。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 车辆检测技术的发展现状 自二十世纪三十年代美国研制出“声控”式感应式交通信号控制机以来，车 辆检测技术得到了迅速发展，特别是近二十年来出现了大量的新型车辆检测器。 这是因为一方面以计算机为核心的交通控制系统对车辆检测的要求越来越高，另 一方面信息技术的长足发展也为车辆检测的进步创造了条件。 现有的车辆检测器按其安装方式可归纳为两大类 2 - 4 6 q o ： 第一类是路面铺设式( p a v e - - b a s ev e h i c l ed e t e c t i o n , p b v d ) 。将车辆检测器铺 设于路面或埋置于路面下方以收集交通资料，类型有：压电式( p i e z o e l e c t r i c ) 、环 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 形线圈式( l o o pd e t e c t o r ) 、地磁式( m a g n e t o m e t e r ) 及磁力式( m a g n e t i c ) 等。 第二类是非接触式( n o n - - i n t r u s i v e ) ：将车辆检测器架设于道路上方或路边来 搜集交通资料，类型有：声纳式( a c o u s t i ce f f e c t ) 、超声波式( u l t r a s o n i c ) 、微波 式( m i c r o w a v e ) 、图像式( d e oi m a g ep r o c e s s i n g ) 及红外线式( i n f r a r e d ) 等。 车辆检测器的种类很多，主要有：环形线圈检测器，超声波检测器，磁感应式 检测器，光辐射式检测器，雷达检测器，视频检测器等。 1 环形检测线圈 环形线圈检测器出现于2 0 世纪6 0 年代，它是先导交通控制中使用最为广泛的 交通检测器1 2 - 4 1 1 1 d 4 】。该检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，它的传感 器是一个埋设在路面下，通有一定交变电流的环形线圈。当车辆通过线圈或停在 线圈上时，车辆引起线圈回路电感量的变化，检测器检测出该变化就可以检测出 车辆的存在。 在我国上海和广州，环形线圈检测器的使用较为广泛。它具有检测参数精确 度高、适应性强、可靠性高、漏检率低、使用寿命长、性能价格比合适等诸多优 点，这种检测器仍然是目前用于高速公路控制系统最广泛、效果也较好的一种车 辆交通信息检测设备。这种检测器的主要缺点是其埋设在路面下，安装时要首先 挖开路面，给交通带来不便。 2 磁感应式检测器 a 有源磁感应式检测器 有源磁感应式检测器又称为电磁检测器，检测电路中的振荡器向探头提供激 磁信号，当有车辆从探头上方经过时，车身的金属体改变了原来的磁场环境，使 线圈磁场发生畸变，这样激磁信号的幅度发生变化，相移检测器可以检测到这种 变化，将有关信号经直流放地后输出到控制端进行处理【2 1 1 4 1 1 2 - 1 5 】。 这种电磁检测器灵敏度较高，车辆检测率可达9 5 ，安装比较容易。在我国 上海，北京和沈阳等城市普遍采用了这种检测器。这种检测器的缺点是其工作稳 定性较差。 b 无源磁感应式检测器 无源磁感应式检测器又称为地磁检测器，其探头上是用一个带铁芯的线圈制 成的棒形传感器，被埋设在车道下面，利用车辆通过时对地磁场的扰动实现检测。 当车辆经过时，地磁场发生变化，磁力线偏转，车辆周围的磁通密度减小，而穿 过车体的磁通密度增加 2 - 4 1 1 1 3 1 5 1 。该检测器对大于8 k m h 的运动车辆有检测功能， 因此，这是一种车辆通过型检测器，在使用时应考虑车速问题。一般来讲，其安 装位置不能在停车线附近，而是要远离停车线，至少要在1 5 m 以上，其安放位置 还必须适当，否则难以准确检测。这种检测器出现于2 0 世纪3 0 年代，但是在今 天其应用价值依然很大，特别是在许多地方可以用其取代损坏的环形线圈。 3 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 3 超声波检测器 超声波检测器是通过接收由超声波发生器产生并经过车辆反射的超声波来检 测车辆的。超声波检测器采用悬挂式安装，超声波检测器的探头每隔一定时间间 隔( 一般2 0 2 5 次s ) 就会发射一束频率为2 0 5 0 k h z 的超声波。超声波的发射 和接收都要用换能器，换能器多半是由压电陶瓷元件制成1 2 - 4 1 1 2 - 1 4 。接收换能器利 用其压电效应，而发射换触器则利用其逆压电效应，一般发射和接收换能器使用 完全相同的材料制成，且可以互换使用。超声波检测器通常检测范围是：车速0 1 5 0 k m h ，检测区域是正对探头下方，直径为1 6 m 的路面范围。 超声波检测器最大的优点是采用悬挂式安装，无需破坏路面，而且不受道路 条件限制，在道路施工期间照样可以使用。其不足之处是当风速过大时，无法正 常检测，另外，探头下方通过行人或物( 如自行车群等) 时也会产生发射波，造 成误检。从目前发展来看，超声波检测器仍具有较大的发展潜力和使用价值。超 声波检测器在日本使用最为广泛，因为1 3 本政府不希望交通信息检测器破坏路面。 因此，该检测器在诸如东京这样的大城市是主要的交通控制系统的检测设备。 4 光电检测器 光电检测器主要利用光电原理进行工作，其重要部件是光电元件，此元件不 需外部激励就能由光产生电压，主要包括：光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管 和光敏晶闸管等。当有光( 包括可见光和红外光) 照射在这些器件上时，这些器 件就会产生微小的电压。利用此种特性可以制成各种判断物体是否经过某一区域 的位置检测器 1 2 - 1 4 1 6 - 1 7 1 。在光电检测器中，使用较为广泛的是红外检测器。这类 检测器是将发光部分和接收部分( 光敏器件) 合在一起，发光部分发出红外光， 当有车辆经过检测区域时，会有部分红外光在车辆表面发生反射，且被接收部分 接收到，经过信号处理后，就可以检测到车辆的存在和一系列参数。 5 雷达检测器 雷达监测器是基于多普勒效应原理进行工作的，其原理是：当发射换能器向 地面发射微波时，如果车辆在微波发射线的覆盖区域内通过，会使部分微波发生 反射，且被接收换能器接收到。根据多普勒效应，接收到的微波频率将比原发射 频率略高或略低，即产生频差( 频率偏差) 。利用检测电路，将频差转变为脉冲信 号，即可检测到车辆的存在和通过，同时也可以测定出车速i z “。 雷达检测器要求车辆速度至少在5 k m h 以上，只有这样才能可靠的检测到车 辆的存在。目前，美国和德国都在进一步开发研究适应城市交通控制要求的雷达 检测器，美国研制开发了一种使用2 4 g h z 频率信号的微波雷达检测器，其造价为 1 0 0 0 美元 4 0 0 0 美元。 6 视频检测器 视频车辆检测器由闭路电视摄影机、终端控制器和图像处理器等设备组成。 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 技术原理为以图像处理器分析由闭路电视摄影机所拍摄的数字化图像，用算法对 图像初步处理，去掉多余信息。接着对图像进行分区，并按一定算法对各分区的 图像进行处理，提取特征信息。然后根据特征信息进行车辆计数、分类。根据相 邻图片计算车速，最后在拍摄区域内跟踪所辨识出的车辆 2 , 4 1 。 视频检测器功能强大图像直观，易于增添检测项目，多道检测、安装及维修 不会阻碍交通。但易受环境干扰，受恶劣气候影响( 雨、雾、雪) ，夜间要求为路面 提供足够的亮度，检测精度一般，价格高。 以上介绍的传感器各有其优点，其中环形线圈检测器虽需破路安装，但它计 数精度高，可远距离探测，易于实现集中控制和遥远控制，造价比微波，视频检 测器都低，它在车流检测中的应用具有广泛的前景。 1 2 2 城市交通控制技术发展现状 早在1 8 5 0 年，世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的 序幕，1 8 6 8 年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色 的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交 通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。直到1 9 1 8 年，纽约的街口才安装了一种手 动操纵的三色信号灯，这种信号灯才是真正意义上的信号灯，因为它已经成为交 叉路口车辆行驶的工具【2 j 。 但是，随着社会，经济的不断发展，车辆保有量以惊人的速度增长，人们发 现传统的交通信号灯已不能满足愈来愈复杂的交通控制任务的要求，由此，引起 了交通控制的迅速发展。为了解决信号交通控制问题，交通工程师们开始借助于 其它工程领域的技术。在1 9 2 6 年，英国人制作了结构简单的交通信号机，这种信 号机是用小电动机带动齿轮机械转动，单段定周期地交换红、绿灯开关。它可以 不用入来控制，但由于它不能根据实际交通情况作出相应的改变，因此它并不如 人工控制有效，但它奠定了城市交通自动控制的基础。由于城市规模及城市经济 发展的需求，城市车辆保有量增长迅速，从而导致城市交通情况日趋复杂。英国 根据这一情况，研制出了按早、中、晚不同时段信号周期不同的多段定周期式的 交通信号机。到2 0 世纪5 0 年代，北美，西欧和日本等道路交通发达的国家，经 过将这类信号机引进和消化改进以后，基本上实现了本国大城市交通信号的自动 控制。1 9 3 0 年，美国研制出了世界上第一台感应式信号机，这种信号机可以根据 交通情况的变化，自行调整信号时间。1 9 5 9 年，加拿大多伦多市对于如何利用计 算机控制交通信号灯进行了研究，并于1 9 6 4 年建成了世界上第一个具有计算机控 制的城市交通控制系统。它是城市交通控制系统发展的里程碑。该控制系统采用 的控制方法与以往的不同，它是通过计算机网络对城市部分区域或所有区域实行 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 协调控制。从这以后，世界各国都相继将计算机技术应用到交通控制中以便有效 的解决日益紧张的城市交通问题。在2 0 世纪8 0 年代初期，世界上已有2 5 0 个城 市建立了区域性的交通控制系统【3 1 。几十年来，城市交通控制的规模不断扩大，已 逐渐从单个信号交叉口的点控和单条干道的线控，发展到整个交通网络的面控。 当前世界各国广泛使用的比较成熟的城市交通信号控制系统主要有：澳大利亚的 s c a t s 系统【1 9 ( 2 0 世纪7 0 年末期) 、美国的o p a c 系统( 1 9 7 9 ) 、英国的s c o o t 系 统【冽( 1 9 8 0 ) 等。近年来，国内许多学者及研究机构也在交通建模与控制方面做了大 量研究，并将研究成果应用于交通控制系统，建立了一些比较优秀的交通控制系 统，其中具有代表性的是公安部交通管理研究所、电子部第二十八研究所和同济 大学在2 0 世纪9 0 年代初联合推出的我国第一个具有自主知识产权的城市交通控 制系统h t - u t c 。交通控制经近百年的发展，经历了从无感应控制到有感应控制， 手动控制到自动控制再到智能控制，单点控制( 点控) 到干线控制( 线控) 再到 区域控制( 面控) 的过程闭。 1 3 研究中存在的问题 近年来，在环形线圈车辆检测器和交通控制方面国内外很多学者做了很多工 作，然而还存在以下问题： ( 1 ) 误检率需要进一步降低。现在的环形线圈车辆检测器的误检率也不算高， 但是由于误差成天的堆积，会越来越大，最终导致严重错误的产生。所以进一步 提高检测精度，降低误检率是十分必要和迫切的。 ( 2 ) 灵敏度变更范围不大。灵敏度是检测器的一个重要指标( 如第三章所示) 。 各地路况车况不一致需要灵活变更灵敏度以适应不同的路段。而现在的车辆检测 器灵敏度即便是可以设置，变化范围也不是很大，难以适应乡村路、城市路和高 速路等不同路段，提高灵敏度的变更范围意义重大。 ( 3 ) 没有车辆分类功能。目前的环形线圈车辆检测器都有计数功能，即记录一 定时间内车辆的通过的个数，但有时还想对某一路段通过车辆大小类型做一个统 计，所以车辆分类就成了一个必须的要求了。 ( 4 ) 没有存储海量检测数据功能。目前的检测器都能把检测数据实时传到上位 的交通信号机，但不能将数据记录，这样，便不能对该路段交通流量状况进行日 后的分析已实现更为优化的控制。 ( 5 ) 破坏路面。由于要埋设到地下，环形线圈的安装势必要破坏路面。这是此 车辆检测器的一个问题，不仅安装时麻烦，维修维护也不方便。 ( 6 ) 振荡的基准频率漂移。由于时间的推移和温度的变化，检测器的基准频率 会发生一定的变化，这对检测精度会有一定的影响。 6 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 7 ) 单交叉1 ：3 的定时控制对路1 2 的控制效果不是很理想，车辆延误时间长，需 要更好的控制方法来对交叉口进行更优化的信号配时。 1 4 论文的主要工作和章节安排 本文针对目前环形线圈车辆检测器存在的一些问题，设计了基于d s p 的环形 线圈车辆检测器，并进行了实验和结果分析，利用实验结果对单交叉口进行了模 糊控制仿真。具体来说，本论文主要开展如下方面的研究： ( 1 ) 对交通进行有效的控制必须采集到实时交通流量信息，为了检测车流量， 完成了基于d s p 的环形线圈车辆检测器软硬件设计，并通过实验验证其正确性和 有效性。 ( 2 ) 在本设计中充分考虑到目前环形线圈车辆检测器的一些问题，如误检率较 高、灵敏度变化范围较小、不能存储交通数据等，运用软硬件手段加以解决，得 到了比较好的效果。 ( 3 ) 对该检测器进行了实验，并对实验结果进行了分析；运用闽值滤波方法进 行了车辆分类研究，将通过的车辆分成大型、中型和小型及非机动车辆，在对历 史交通数据作分析时有一定的现实意义。 ( 4 ) 运用采集到的交通流量数据，完成基于模糊控制原理的单交叉口交通控制 器设计，并进行了仿真实现。 论文共分六章，组织结构上也基本按照上述研究内容安排。 第一章绪论，首先阐述了本课题的研究背景和研究意义，然后分析了当今国 内外车辆检测方法和交通控制方法发展现状及存在问题。最后对本文的主要工作 和论文章节加以安排。 第二章基础知识，系统地介绍了趋肤效应，感应式车辆检测原理，模糊控制 原理，交通流的基本参数及交通控制的基本知识，为后续章节的检测器软硬件设 计和模糊控制器设计做好基础。 第三章环形线圈车辆检测器的硬件设计，首先分析了检测系统的整体方案结 构，然后对系统中检测卡模块化，再对各模块的硬件功能加以设计实现，接着对 灵敏度问题加以提出和解决，最后为了提高系统的抗干扰性，对检测卡做了行干 扰设计。 第四章检测卡软件设计与实验分析，首先对检测器的软件进行设计，然后用 本文设计的环形线圈车辆检测器进行了实验，对实验结果进行了详细分析，并给 出了以此实验结果为基础的车辆分类方法。 第五章单交叉口的模糊控制方法研究，以前面两章设计的车辆检测卡采集的 数据为基础，对单交叉口进行模糊控制器的设计，并对进行仿真实验。 7 西# t i 业大学硕士学位论文第一章绪论 第六章总结与展望，对论文工作进行了系统总结和概括，并对进一步的研究 工作进行了展望。 1 5 本章小结 本章阐述了本课题的研究背景和研究意义，介绍了车辆检测方法和交通控制 方法的概况及国内外发展现状，分析了车辆检测的常用方法和研究现状，最后介 绍了本论文的主要研究内容和结构安排。 西：l t i 业大学硕士学位论文第二章基础知识 第二章基础知识 本章是整个论文研究的理论基础，论文涉及到的主要内容有：感应式技术、 交通流参数、模糊控制原理、计算机技术等。为了后续研究工作的开展，本章中 将系统地对论文中需要的基础知识进行介绍。 2 1 趋肤效应 在直流电路里，均匀导线横截面上的电流密度是均匀的。但在交流电路里， 随着频率的增加，在导线截面上的电流分布越来越向导线表面集中。这种现象叫 趋肤效应【2 1 】。 定量地描述趋肤效应的大小，通常引进趋肤深度的概念。令d 代表从导体表面 算起的深度，计算表明，电流密度_ ，随深度d 的增加按指数规律衰减： ：i i ( 2 1 ) 式中，j o 表示导体表面的电流密度；矾表示电流密度，f , ；戚少n j o 的珈时的深度， 叫趋肤深度；理论计算表明，趋肤深度由下式决定； 或。嚣 ( 2 - 2 ) 式中，表示频率，有厂= 石；仃表示电导率；表示磁导率a 从上面可以看出，交流电的频率越高，感生的电动势就越大；导体的电导率 越大，产生的涡流也越大。这都会使趋肤深度变小，即趋肤效应变得明显。 2 2 感应式车辆检测原理 环形线圈车辆传感器是与环形线圈车辆检测器配套的传感器，一般是由几匝 金属导线绕制成的空心线圈，埋设于车道的路面下，通过馈线与检测仪相联，检 测系统的组成如图2 1 所示。 检测仪用高频信号驱动环形线圈，当车辆通过环形线圈时，引起环的电感量 变化，并进而引起环的阻抗变化，从而导致信号幅度、相位、频率等变化。用检 测电路检测某一个量的变化，就可以达到检测车辆的目的 2 2 - 3 0 】。关于环形线圈传 感器检测车辆的机理分析如下。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章基础知识 馈线 图2 - 1 环形线圈车辆检测器检测示意图 埋设在路面下的感应线圈与检测器卡内的电容共同构成三c 振荡器，根据电磁 感应原理，当环形线圈中有高频电流通过时，在环的周围就产生了交变的电磁场， 这时，若有车辆从环形线圈上通过，由于车体一般是由铁磁材料构成的，这就改 变了线圈周围空间的导磁率，有使线圈的电感量增加的作用。另一方面，交变的 电磁场使车体内产生了感应电流，这种电流又叫做涡流也会产生自己的磁场，根 据楞次定律，感应电流产生的磁场，总是反抗引起感应电流的磁场的变化即车体 中涡流的磁场对环形线圈的磁场有去磁作用，这又有使线圈的电感量减小的作用。 因此，在车辆通过环形线圈时，对环形线圈的影响既有增大又有减小作用，车辆 经过时线圈的电感量变化根据涡流检测有关理论，由于趋肤效应的存在，涡流在 金属体中的贯穿深度与激励线圈的工作频率有关。因此，涡流的大小和它对环形 线圈的影响也将随着频率的变化而变化 3 1 - 3 3 】。长安大学李诚通过实验测得当工作 频率较低时( 厂 2 0 0 0 0 。 若检测卡可测量的线圈振荡频率范围为2 0 k h z 2 0 0 k n z ，则振荡周期为 5 s 5 0 j ，为了处理方便，同时减小每路线圈的扫描时间，实际仅对周期信号 高电平进行计数，则周期高电平持续时间的下限为2 5 j ，由使用4 0 m h z 频率 的d s p 以工作频率脉冲作为参考脉冲进行计数，则对2 5 口s 的计数值为1 0 0 ，若 首先对振荡周期信号2 5 6 分频，则计数值将提高为2 5 6 0 0 ，数值大于2 0 0 0 0 ，满足 分辨率的要求。这也是另一个为什么第二节中要用c p l d 分频的重要原因。 3 3 3 灵敏度的设定 实际应用中，各种车辆的底盘轻重，距离地面位置的高低都会影响到检测的 电平存在时间。而存在时间是参与车长、车速计算的主要参数，因此当车高速通 过时检测卡测得的车长、车速可能会不准确，合适的灵敏度设置可以对这种现象 进行一定的补偿。系统共设o 0 1 ，0 0 2 ，0 0 4 ，o 0 8 ，0 1 6 ，0 3 2 ，0 6 4 ， 1 2 8 八级灵敏度，由一个6 位拨码开关进行设置，拨码开关直接与d s p 的通用 i 0 管脚相连接，另一端与g n d 连接。把通用i o 设置成为输入功能，当此位i ，o 为低电平时，说明拨码导通。每4 位对应一路检测线圈，则可对2 路车流检测进 行灵敏度设定。拨码开关前三位与灵敏度设置的对应关系如表3 1 所示。 3 4 硬件抗干扰设计 经分析可知，影响本系统的干扰主要有：温度对其感应线圈电感量的影响， 温度的影响使得电感量的变化与温度变化成线性关系形成干扰；由于线圈埋在地 西北工业大学硕士学位论文第三章环形线圈车辆检测卡的硬件设计 下，从现场到检测器入口，有几百米的距离，在信号的传输途中不可避免地要混 入各种干扰信号；电磁干扰造成的测量频率的变化，如电火花，闪电，电机启动 汽车放电都有可能通过感应线圈和引线串入测量回路，特别是电机启动造成的测 量频率变化常会使系统处于无法工作的状态。这些干扰是随机的，必然会串入微 处理器，造成随机误差。因此，在设计和制造时，必须考虑以上干扰源对系统的 影响，采取有效措施，抑制或消除干扰信号所造成的影响。 表3 - 1 拨码值和灵敏度对照表 拨码值灵敏度s拨码值灵敏度s 1 1 l o 0 1 1 1 0 o 0 2 1 0 10 0 4 1 0 00 0 8 0 1 1o 1 6 0 1 0o 3 2 0 0 l0 6 4 0 0 01 2 8 硬件抗干扰技术是应用系统最基本和最主要的抗干扰手段，一般从防和抗两 方面入手来抑制干扰。总的原则是：削弱干扰源，切断干扰传播途径，降低系统 对干扰信号的敏感性。由于干扰源受外界条件制约难以削弱，因此，常用的方法 是切断传播途径，降低系统对干扰信号的敏感性。以下是本系统所采用的几项措 施。从技术来说，主要是如何运用接地、隔离、滤波、屏蔽和去耦等技术。 1 降低外时钟频率 外时钟是高频的噪声源，除能引起对本应用系统的干扰之外，还可能产生对 外界的干扰，使电磁兼容检测不能达标。所以本系统使用了1 0 m h z 的晶振，再用 p l l 电路倍频到4 0 m h z 给d s p 使用。 2 看门狗技术与低电压复位 看门狗技术是用来监测系统的运行状况，它是应用程序中的一段定时中断服 务程序，当这段程序不工作时判断为系统故障，从而产生系统复位。低电压复位 技术是监测d s p 电源电压，当电压低于某一值时产生复位信号。这部分在第二节 已经有详细的叙述这里不再赘述。 3 去耦电容 集成电路的电源、地之间应配置一些去耦电容，它可以滤掉来自电源的高频 噪声。作为储能元件，它吸收或提供该集成电路内部三极管导通、截止引起的电 流变化，从而降低系统噪声。要选高频特性好的钽电容、独石电容或瓷片电容作 去耦电容。而由于电解电容的缠绕式结构，其分布电感较大，对滤除高频干扰信 号几乎不起作用。每块印制电路板电源引入的地方要安放一只大容量的储能电容。 使用时要与去耦电容成对使用。钽电容则比电解电容效果更好，本设计中就使用 西北工业大学硕士学位论文第三章环形线圈车辆检测卡的硬什设计 了胆电容对电源信号进行滤波，得到较为干净的电源信号。 4 屏蔽技术 所谓屏蔽就是对两个空间区域之间加以金属隔离，是抑制电磁场耦合最有效 的方法。将微机控制系统屏蔽在金属外壳内，能够阻止电磁干扰通过场的方式耦 合进入控制系统。远距离通讯所采用的双绞线也是电磁屏蔽的一种形式，它的屏 蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高。设计中就采用了以上两种屏蔽方式， 即金属壳和通讯双绞线。 5 接地技术 接地技术也是设计中所采用的抗干扰措施之一。为d s p 系统提供良好的地线， 对提高系统的抗干扰能力极为有益。上面提到的一系列抗干扰元件，意在将雷击、 浪涌式干扰以及快脉冲群干扰去除，而去除的方法都是将干扰引入大地，如果系 统不接地，或虽有地线但接地电阻过大，则这些元件都不能发挥作用。微机应用 系统的接地方式有浮地、单点接地和多点接地，地线结构有系统地，机壳地、数 字地和模拟地。良好而正确的接地常常可以消除或至少可以降低各种形式的干扰。 我们遵循以下接地原则：单点接地；数字地和模拟地分别与电源端地线相连； 数字地和模拟地用磁珠隔离；电源线、地线应尽量加粗。“单地原则”是指如果一 个控制系统有两点或两点以上的接地，则由于两点之间的地电位差会引起干扰， 故此，无论单级电路还是多级电路或系统，均采用“一点接地”。 6 印制电路板的抗干扰设计 印刷电路板是电磁干扰的重要传播途径。因此，应采用合理布线来抑制电磁 干扰的传播( 即e m c 环境的p c b 设计原则) 。设计时应注意以下几点： ( 1 ) 导线宽度不要突变，不要9 0 。拐弯； ( 2 ) 电源线要远离数据线，地址线； ( 3 ) 数字信号线和模拟信号线尽量不要交替排列，应相距远一些，以消除相 互间的耦合干扰； “) 地线和电源线应尽量加宽，以消除其耦合； ( 5 ) 芯片间的信号传递尽可能短，以减少分布参数对传递特性的影响； ( 6 ) 芯片旁边应放几个o 1 , u f 的电容进行滤波。 3 5 硬件调试遇到的问题及解决 硬件调试是整个系统调试的基础，这个阶段的主要任务首先是查看裸板有无 物理连接错误，然后就是从电源开始的逐个模块的测试，测试的主要目的是检验 设计时是否有原理性错误。 当印制板送回来后，首先用万用表的通断档对照着p c b 图检查电路是否有制 西北工业大学硕士学位论文第三章环形线圈车辆检测卡的硬件设计 板错误，检查完没有此错误后，把电源模块和d s p 最小系统焊好。在d s p 的硬件 调试中，上电后能否进入c c s 编译环境是一个关键。这时进入编译环境没有问题， 加载程序到d s p 外部仿真程序存储空间r a mc y 7 c 1 0 2 1 c v 中也没有问题。再焊 上其他芯片，都没有问题。一直到c f 卡焊上之后，也可以进入c c s ，但是程序却 不能正常加载了。 通常情况下。不能正常加载程序的原因有两种；一种是程序的存储空间配置 文件l f 2 4 0 7 c m d 有错误，和实际的硬件不相符；另一种是存储器c y 7 c 1 0 2 1 c v 出现故障。但是由于没有焊c f 卡时是可以加载程序的，所以排除这两个错误。经 过仔细排查后发现，是c f 卡的片选和d s p 数据空间扩展的r a m 产生译码冲突。 因为c f 卡的片选有两个，即c e i 和c e 2 ，当时设计时为了减少译码工作量，把c e l 长接地，通过对c e 2 的操作来对c f 卡实现读写。现在看来c f 卡必须是有c e l 和c e 2 两个引脚一起来选定的。解决的方法是把c e l 脚和c e 2 脚连接在一起，让 c p l d 产生信号一起来片选c f 卡。 3 6 本章小结 本章首先从系统要实现的目的出发，明