（交通信息工程及控制专业论文）道路交通检测系统的设计与研究.pdf

摘要 智能交通系统( i t s ) 利用尖端的电子信息技术，构成人员、公路和车辆三位 一体的新型公路交通系统，以缓和道路堵塞和减少交通事故、提高道路使用者的 方便、舒适为目的，代表着未来道路交通发展的方向。 本文着重研究了智能交通系统中的道路交通检测系统，设计了基于环形线圈 的车辆检测器。采用双环形线圈检测技术，准确测量车辆经过线圈的时间进而准 确计算车速，对车辆通过线圈时检测电路所产生的振荡频率进行数据采集和特征 分析，完成车型分类，可实现对道路通行车辆的分类统计，为环形线圈车辆检测 器在交通信息采集和检测方面的应用和研究提供了一种新思路和新手段。 本文阐述了环形线圈检测的理论模型，并且通过实际应用进一步验证了此理 论的可行性。车辆通过环形线圈的时间是非常短暂的，这就要求系统能够快速而 准确地测量出过往车辆的信息，为此，本系统选用a r m 7 微控制器和c p l d 芯片 e p m 3 2 5 6 组成处理单元，处理器强大的处理能力以及存储能力为系统快速采集信 息量提供了可靠的保障。采用了等精度测频方法的交通检测器设计方案，与采用 传统测频技术的检测器相比，提高了系统恶劣工作环境下的稳定性，提高了检测 精度。最后给出了该检测器详细的软硬件设计方案。 基于a r m 7 微控制器和等精度测频方法开发的环形线圈检测器，提高了系统 的检测精度和抗干扰性，为进一步应用于实际打下了良好的基础。 关键词：智能交通系统；交通检测器；车型识别：环形线圈 a bs t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) m a k e su s eo fa d v a n c e de l e c t r o na n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i ti sc o m p o s e do fn e w - s t y l et r i u n eh i g h w a yw a f f l es y s t e mo f p e r s o n n e l ，h i g h w a ya n dv e h i c l e i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma i m sa ta b a t i n g t r a f f i cc o n g e s t i o n ，r e d u c i n gt r a f f i ca c c i d e n t ，a n di n c r e a s i n gr o a du s e r sc o n v e n i e n c e a n dc o m f o r t i tr e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n t a lo r i e n t a t i o no fr o a d w a ya n dw a f f l e t h i st h e s i ss t u d i e s e m p h a t i c a l l y o nt h et r a f f i cd e t e c t o ro f i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m w ed e s i g n e dt h el o o pi n d u c t i o nd e t e c t o rw h i c ho v e r c o m e s h o r t c o m i n go ft h es i n g l el o o pd e t e c t i o no fs p e e dm e a s u r e m e n tb yu s i n gd o u b l el o o p d e t e c t i o nt e c h n o l o g y w h e nv e h i c l eg o e st h r o u g ht h el o o p ，t h ew a f f l ed e t e c t o r sg a t h e r t h ed a t ao fo s c i l l a t i o nf r e q u e n c ya n dc o m p l e t ec l a s s i f i c a t i o no fv e h i c l et y p e sb y a n a l y z et h ed i f f e r e n c eo ff r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s t h ec l a s s i f i c a t i o ns t a t i s t i c so f r o a d v e h i c l ec a nb eo b t a i n e di nt i m e t h ed e s i g no ft r a f f i cd e t e c t o rp r o v i d e san e w t h i n k i n g a n dm e t h o df o ri n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h i st h e s i sd e s c r i b e st h e o r ym o d e lo fl o o pd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dp r o o ft h e t h e o r y sc o n e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yb ya p p l i c a t i o n i ts p e n d sam i n o rt i m ef o rv e h i c l e s g oa c r o s ss i n g l el o o p ，w h i l et h es y s t e ms h o u l dr e s p o n s ef a s ta n da c c u r a t e l y t h i s s y s t e mm a k e su s eo fa r m 7m i c r o p r o c e s s o ra n de p m 3 2 5 6t h a th a v eh i g h p o w e r e d p r o c e s sa b i l i t y a n dl a r g es t o r a g es p a c e t h ei d e ao fe q u a lp r e c i s i o nf r e q u e n c y m e a s u r i n gi su s e di nv e h i c l ed e t e c t o r c o m p a r e dw i t hf r e q u e n c ym e a s u r em e t h o dt h a t i sa d o p t e db yt r a d i t i o n a ld e t e c t i n gp r o d u c t s ，t h es y s t e m ss t a b i l i t yu n d e r p o o rw o r k i n g c o n d i t i o n sa n dt h ed e t e c t i o na c c u r a c yi sg r e a t l yi m p r o v i n g t h ed e s i g no fh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h i sd e t e c t o ri sg i v e n w ed e s i g n e dt h el o o pi n d u c t i o nd e t e c t o rw h i c hi sb a s e do na r m 7a n de q u a l p r e c i s i o nf r e q u e n c ym e a s u r i n gm e t h o d ，n o to n l yi m p r o v et h ed e t e c t i o na c c u r a c y , b u t a l s op r o v i d e sar e l i a b l ef o u n d a t i o nf o ra p p l y i n gt on e x tp r a c t i c e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ；t r a f f i cd e t e c t o r ； v e h i c l et y p er e c o g n i t i o n ；l o o p 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 在芬 日期：沙5 年岁月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： - i - 、y 倍7 - 1 芾 隰棚年多叫日 日期：懈，月吖日 1 1智能交通系统 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 1智能交通系统产生背景 为解决交通拥挤阻塞、交通事故频发、交通污染严重、能源短缺等世界性问 题，上世纪8 0 年代末9 0 年代初出现了智能运输系统1 t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ) ，许多发达国家和发展中国家相继提出各自的发展战略，并试图通过发 展智能运输系统带动本国基于车辆、通讯、电子、计算机以及网络等高新技术的 大发展。智能运输系统通过对有关交通信息的实时采集、传输和处理，把握当前 交通运行状况和预测未来的交通状况，借助多种手段和设备，对各种交通情况进 行处理，通过有力的信息通讯手段，使用户迅速获知交通信息，从而有效地提高 了交通效率和安全，并使交通设施得到充分利用，实现交通运输的集约式发展n 1 。 1 1 2 智能交通系统的目标和功能 智能交通系统是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子控制技术及计 算机管理技术与先进的行政管理手段相结合，使其有效的综合运用于交通运输的 服务、控制和管理。智能交通系统的目标和功能包括以下五个方面乜1 ： 1 ) 提高道路交通的安全性：由于i t s 提供的准确交通信息，驾驶员可以避 开拥挤，预知险情，大幅度的减少意外事故的发生。 2 ) 增强道路交通的机动性：i t s 能使交通管理系统实时适应当前的路网使 用情况，分析之后以最优的方式对车流集中地区进行分流和疏导，防止堵塞情况 的发生，改善地面情况的机动性、便利性和舒适性。 3 ) 提高道路交通的利用率：i t s 的交通信息给予了出行者选择路线的自由， 用最便捷的路线到达目的地，充分利用当前闲置的道路，避开了不必要的拥挤， 减少了交通延误、阻塞和事故，从而大幅度地提高路网的通行能力。 4 ) 提高汽车运输的生产率：i t s 有效地促使道路畅通，合理地调度运输车 辆、提高了行驶效率、减少了交通事故，这大大提高了汽车运输地生产效率和经 济效益，并对社会经济发展的各方面都将产生积极的作用和影响。 5 ) 降低道路交通的污染：当前，汽车的行驶不可避免的给环境造成污染。 i t s 通过及时提供交通信息，使路网畅通无阻，减少了汽车的滞留时间。从而降 低了排放量，减少了能源消耗，把其污染降到最低。 ， 1 1 3 智能交通系统的定义和组成 美国交通工程师协会( 1 9 9 1 ) 在其出版的交通工程手册中将i t s 定义为： 把先进的检测、通信和计算机技术综合应用于汽车和道路而形成的道路交通运输 系统口1 。道路、汽车与信息的关系可划分为三个层次，第一个层次即道路和汽车 本身就是信息的载体，在道路上行驶的车辆中，绝大多数都携带着信息；第二个 层次包括道路的和为驾驶员提供的信息。驾驶员需要有关交通状况的信息以使得 其更安全、更有效地驾驶：而交通管理者则需要监视路段上的交通情况而有效地 管理，维持良好的交通秩序；第三个层次则是汽车与道路之间，汽车与控制中心 之间的信息传递。尽管各个国家的i t s 系统名目繁多、各具特色，但从大的方面 看来，一个完整的i t s 系统包含五大部分n 1 ： 1 ) 先进的汽车控制系统( a d v a n c e dv e h i c l e c o n t r o ls y s t e m ，简称a v c s ) ： 该系统利用先进的传感、通讯和自动控制等电子技术，实现车辆的智能化。 通过其自身的智能化和下述的交通管理智能化相结合，可以使得驾驶员在公路上 高效、自由的行驶，同时提供避撞和安保措施，提高了行车的安全性，减少了道 路阻塞，进一步提高了道路的通行能力和运输效益。 2 ) 先进的交通管理系统( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称a t m s ) ： c 该系统包括了城市道路信号控制，高速公路交通监控，交通事故处理等公路 交通管理的各种功能。系统依靠自身的智能化，控制管理公路达到最优状态。并 且系统能够对路网中交通流的实时监控、实时处理数据，同时对道路中的突发实 践及时的进行处理，发出控制命令加以解决，尽可能的减少交通阻塞，以最快的 速度疏导交通。 先进的交通管理系统( a t m s ) 又包含了：输入、处理和输出三大模块，三大 模块还可以进一步地细分，其中输入模块又可以分为：交通信息检测系统t i d s ( t r a f f i ci n f o r m a t i o nd e t e c t i o ns y s t e m ) ，完成道路交通的各种信息进行采集；环 境信息检测系统e i d s ( e n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nd e t e c t i o ns y s t e m ) ，完成对交通 网络环境参数的检测。 3 ) 先进的驾驶员信息系统( a d v a n c e dd r i v e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称a d i s ) ： 该系统通过与a t m s 的联合，就可以向驾驶员提供出行信息( 道路条件、交 通状况、服务设施位置和导游信息等) ，辅以路侧通讯和各种诱导、可变标志等， 让驾驶员自主选择出行的方式、时间和路线，从而改善交通需求管理。同时，驾 驶员还可利用车载定位导航系统( g p s ) ，在车载计算机上给出出发点和目的地， 计算机便可以根据实时交通信息自动选择最佳行驶路线，避开车流高峰和堵塞。 4 ) 先进的公共运输系统( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称a p t s ) ； 该系统用以提高公共交通的可靠性、安全性和生产效率，使公共交通对潜在 的用户更具有吸引力。系统包括交通标志优先权( 多乘员车辆专用车道的设置) ， 2 车辆定位和跟踪系统，语音和数据传输系统。该系统将公共交通管理部门和驾驶 员直接联系起来，进行实时调度和行驶路线的调整，帮助运输部门增加客运率， 降低运营成本，提高运输效益。 5 ) 商用车辆运营管理系统( c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o nm a n a g e m e n t ) ： 该系统是运输企业应用i t s 技术来谋求最大效益的一种调度系统。企业利用 系统提供的信息，对企业运营做出最优化的安排，提高企业的劳动生产率。通过 这个系统，可以使营运车辆的运行管理更加合理化，车辆的安全性和生产效率得 到提高，使公路系统的所有用户都获益于一个更为安全可靠的公路环境。 1 2 交通检测系统发展现状 在i t s 所涵盖的五个模块中，本文所阐述的研究课题一道路交通检测系统就 是隶属于a t m s 范畴。 。 道路交通检测系统主要是由前端的交通检测器和后端的用于数据处理分析 的计算机组成。作为道路交通检测系统的重要组成部分，交通检测器在智能交通 系统中占有重要的地位，它通过数据采集和设备监控等方式，在道路上实时的采 集交通量、车辆速度、车流密度和时空占有率等交通参数，然后为计算机的信息 处理和分析提供各种交通参数，为路网的监控中心分析、判断、发出信息和提出 控制方案的主要依据。因此，交通检测器及其检测技术水平的高低直接影响到公 路交通监控系统的整体运行管理水平。 1 2 1 交通检测器的功能 近几年来，随着传感器技术微电子技术和信息处理技术等的发展，交通检测 器也有较大发展，出现的种类很多，工作原理各异，但可概括为两大基本功能： 一为检测车辆的存在或出现，二为检测车辆的运动或通过，任一检测器至少应具 有上述两个基本功能之一。对于存在型检测器，只要在其检测区内出现被检测物， 就能产生输出信号，但是其检测范围有一定的上限：通过型检测器是根据车辆的 到达或运动产生持续时间很短的输出信号来检测。某些检测器只能检测静态或动 态中的一种，而有些检测器则既能检测车辆的存在，又能检测车辆的通过啼1 。 1 2 2 常见交通检测器的原理及其优缺点 交通检测器的种类很多，其工作原理主要有三种n 1 ： ( 1 ) 检测能使某种开关的触点闭合的机械力： ( 2 ) 检测因汽车的运动或存在而引起的能量变化： ( 3 ) 检测摄像机影像范围内的图像变化。 交通检测器的类型主要有机械压电检测器、波频检测器、磁频检测器、视频 3 检测器等，基于工作原理( 1 ) 的常见检测器是橡皮管压力检测器，由于寿命短现 已较少使用。基于工作原理( 2 ) 的检测器比较常用，由于检测能量变化的电子装 置有很多优点，至今仍在发展完善中。随着计算机及信息技术的迅速发展，交通 检测器技术发生了巨大变革，其测量精度可靠性和灵敏度大幅度提高，功能大大 加强。 1 2 2 1 波频检测器 波频检测器是以微波、超声波和红外线等对车辆发射电磁波而产生感应的检 测器。 ( 1 )超声波检测器 超声波检测器是一种在高速公路上应用较多的检测器，它是利用反射回波 原理制成的。超声波检测器由探头和控制机构成，其探头具有发射和接受双重功 能，被设置于道路的正上方或斜上方。超声波检测器的工作原理是：由超声波发 生器( 探头) 发射一束超声波，再接收从车辆或地面的反射波，根据反射波返回 时间的差别，来判断有无车辆通过。由于探头与地面的距离是一定的，所以探头 发出超声波并接收反射波的时间也是固定的。当有车辆通过时，由于车辆本身的 高度，使探头接收到反射波的时间缩短，就表明有车辆通过或存在。 超声波检测器既可以检测车辆的存在和通过，也可以检测车高，检测出车 的数量和车的时间占有率。超声波检测器的横向检测范围大约为3 一- 9 m ，可以覆盖 1 3 条车道，能检测出高度在0 7 5 - - 1 6 m 的车辆。 由于超声波检测器采用悬挂式安装，这与路面埋设式检测器( 如环形线圈) 相比有许多优点。首先是不需破坏路面，也不受路面变形的影响：其次是使用寿 命长，可移动、架设方便。不足之处是其检测范围呈锥形，受车型、车高变化的 影响，检测精度较差，特别是车流严重拥挤的情况下。另外检测精度易受环境的 影响，尤其是大风、暴雨等的影响，探头下方通过的人或物也会产生反射波，造 成误检。 ( 2 )红外检测器 红外检测器是具有良好应用前景的悬挂式或路侧式交通检测器。该检测器一 般采用反射式检测技术。反射式检测器探头由一个红外发光管和一个红外接收管 组成，其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐 射，当有车辆通过时，红外线脉冲从车体反射回来，被探头的接收管接收，经 红外解调器解调，再通过选通、放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信 号。这种检测器具有快速准确、轮廓清晰的检测能力哺l 。其缺点是工作现场的 灰尘、冰雾会影响系统的正常工作畸1 。 1 2 2 2 视频检测器 基于视频图像处理的交通检测技术是近年来逐步发展起来的一种新型的交 通检测方法，它具有无线、可一次检测多参数和检测较大范围的特点，使用灵活， 预计将有很好的应用前景。 4 视频交通检测系统通常由电子摄像机、图像处理机和显示器等部分组成。摄 像机对道路的一定区域范围摄像，图像经传输线路送入图像处理机，处理机对 图像信号进行模数转换、格式转换等，再由微处理器处理图像背景，实时识别车 辆的存在，判别车型，由此进一步推导其它交通控制参数。图像处理机还可以根 据需要给监控系统的主控机、报警器等设备提供信号，控制中心可根据这些信号 确定控制方式，向执行机构发出控制命令。 在图像处理系统中，背景处理是一个复杂而棘手的问题，图像处理程序必 须考虑到对多种干扰因素补偿，如不同路面对光的反射、阴影等。 由于图像处理方法是在摄像机摄取的图像的基础上实现识别和检测的。因此 不仅具有多点布设、无线检测的能力，而且还能获得车流密度、排队规模以及常 规检测器很难测到的停车次数和车辆尺寸等重要交通参数。另外检测系统装卸方 便、不须破坏路面，不影响交通，在很多场合可以代替现有的环形线圈检测器。 视频交通检测系统在现代交通控制系统中占有很重要的地位，是未来智能 运输系统发展的基础。但目前的问题是图像处理的实时性较差，而且车辆的检测 精度受整个系统软、硬件的限制。尽管如此，随着图像信号处理技术的进步和微 电子技术的发展，视频交通检测技术又将得到不断地提高和更加广泛地应用。 1 2 2 3 电子标签 电子标签是一种可实现自动车辆识别的技术。所谓自动车辆识别是当车辆通 过某一特殊区域时，不需驾驶员或外界进行任何操作，就能够准确快速地判别车 辆身份的一种技术。识别出车辆身份，不仅可判别车辆的存在或通过，更重要的 是准确地得到了车辆的牌照、几何尺寸、车型等信息，与其他判别这些信息的交 通检测器相比，精度和可靠性等指标都大大提高。因此，该技术可很好地解决高 速公路上交通量的精确分类统计、车辆自动跟踪等问题，在动态交通控制、车辆 导航等方面都有着潜在的应用。 这种系统主要由三部分组成，包括一块可活动安装在汽车挡风玻璃上、只有 信用卡般大小的电子标签，一个设在路旁或道路上方的收发控制器，一台负责处 理数据的计算机。所谓电子标签实际上是一个无线发射或发射接受装置，可发射 代表该车身份的编码形式的无线信号，如车牌照编码、车型编码等。当车辆通过 信号通信区域时，电子标签被激发而发射信号，经天线接收和路旁的收发控制器 解调，信号编码被传送到计算机，计算机识别出该编码对应的车型、车牌照等资 料，从而完成车辆的识别和检测哺1 。 这种系统一般采用微波为载波信号，车载电子标签与路旁设备之间无线地进 行数据交换，因而车辆可以正常速度行驶，有些系统甚至可以允许车辆超高速行 驶，而不影响数据的传送。但是电子标签系统成本昂贵，社会制约因素很多，推广 难度大，就目前来说这种系统并不适合我国国情阳1 。 1 2 2 4 磁频检测器 ( 1 )地磁检测器 5 地磁检测器是把一个具有高导磁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去推动继电 器，发出一个车辆通过的信息。这种检测器只能检测以相当车速通过的车辆，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。缺点是对慢速车辆不能检测，有时会出现误检， 且材料容易老化，灵敏度会逐年衰减。 ( 2 ) 环形线圈检测器 环形线圈检测器是目前国内外使用最广泛的交通检测器，它由3 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) 及馈线。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，如图1 1 所示。此电路中的电感主要决定于环形 线圈，环形线圈是此电路的电感元件：电容则决定于检测单元中的电容器。当电 流通过环形线圈时，在其周围形成一个电磁场，当车辆行至线圈上方时，在金 属车体中感应出涡流电流，涡流电流又产生与环路相藕但方向相反电磁场，即 互感，使环形线圈电感量随之降低，因而引起电路谐振频率的上升。只要检测到 此频率随时间变化的信号，就可检测出是否有车辆通过。 环形线圈 图1 1 环形线圈检测器组成图 环形线圈的尺寸随需要而定，常用的是2 m x2 m 的线圈约三匝( 圈) ，每车道埋 设一个，计数精度可达到2 ，排队长度测量可精确到4 - 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，间距约 6 m 。双线圈测量方式的精确度较好，速度测量值可精确到4 - - , 6 ，但检测器投 资及施工费用较高，计算量亦较大。 环形线圈检测器可测参数较多，其感应灵敏度可调，使用的适应性较大， 安装不太复杂，所以在国内外得到广泛的应用。缺点是线圈跟随路面变形( 沉降、 6 裂缝、搓移等) ，因此其使用效果及寿命受路面质量的影响甚大，路面质量较差 时，一般寿命仅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 有较大的影响，可使检测器材谐振回路失谐而不能判断车辆存在产生的频率变 化睁1 1 1 。 随着电力电子技术、控制理论及计算机技术的飞速发展，基于环形线圈的交 通检测器也在不断改进。美国的一家公司研制出一种免维修环形线圈系统，这种 检测器借助于聚丙烯护套核对线圈内部实行橡胶一沥青充压处理，克服了以往环 形线圈所存在的安装要求高、线圈易损坏等大多数问题，使线圈寿命保持在1 0 年，这是感应线圈检测器在质上的一个飞跃。目前环形线圈检测器仍以高准确率， 低成本，和高可靠性而被大量便用。 1 3 课题设计的背景和意义 交通管理系统( a t m s ) 是衡量一个i t s 智能化程度高低的重要标志，对其的 改进和优化往往能够带来整个交通系统的运行效率的提升，因此不可避免地成为 i t s 重点研究和发展的对象。基于此，本次研究的课题内容即是环形线圈检测器 在交通管理系统( a t m s ) 中的应用。 环形线圈检测器是一种常见的交通参数检测器，目前使用的此类检测器基本 上都不能进行车型分类统计，不能满足交通调查和管理更深层次的需要。本文设 计研制了一种基于环形线圈的道路交通检测系统，不仅可于用车流量计数、车速 等参数检测，还可自动识别车型用于分类计数n 射。目前能实现这些功能的交通检 测器主要有视频检测器，而它受恶劣天气、低照度等影响，不能真正地全天候工 作。本文设计的系统恰可弥补此类不足。 1 4 本文研究内容及论文结构 本文研究内容是利用环形线圈做为道路交通检测的传感器，设计一种用于车 流量计数、车速等参数检测和按车型作为车辆分类计数的环形线圈道路交通检测 系统。它采用双线圈检测技术，与单线圈检测器相比在车速的测量上精度更高。 由于不同的车型通过线圈时产生的振荡频率变化也不相同n 3 1 ，所以我们通过对振 荡频率采样计数，分析各种车型的频率变化特征，在上位机中完成车型识别工作。 在硬件设计上我们选用c p l d 进行频率采样，考虑到本系统对主控制芯片的要求 较高所以选用了拥有出色多任务能力a r m 7 内核的处理器l p c 2 1 3 8 作为系统的主 控制芯片，最后根据系统功能需求，完成各个部分的软硬件设计1 。 全文论文结构安排如下： 第一章简要介绍了广泛应用于智能交通系统中的几种常见的交通信息检测 7 技术，即磁频检测技术、波频检测技术和视频检测技术，然后对这三类技术做了 性能比较，考虑实际需求和实验条件后最终选择环形线圈检测技术并予以实现。 第二章分析了环形线圈交通检测系统的原理和结构，详细介绍了交通参数的 算法。环形线圈检测系统主要由环形线圈交通检测器和上位机组成，本文主要工 作是环形线圈交通检测器的设计。 第三章简单介绍了环形线圈交通检测系统的上位机对车型识别的算法。 第四章和第五章详细介绍了本环形线圈交通检测系统的硬件设计与实现和 软件程序设计。 最后概括和总结了本论文的研究工作，并对下一步的工作进行了展望。 8 第二章环形线圈检测技术的理论基础 2 1环形线圈检测器的工作原理 环形线圈检测器是在同一车道的道路路基段埋设一组( 2 个) 感应线圈埋在 道路上。检测器则是由检测单元同环形线圈组成一个调谐电路，此电路的电感主 要决定于环形线圈，与检测器的振荡回路一起形成l c 谐振回路，当谐振回路中 有电流通过环形线圈时，在其周围形成一个电磁场，当车辆行至线圈上方时，也 就是线圈的中间或周围有铁制品存在时，由于互感作用，车体底板产生自成回路 的感应电涡流，根据楞次定律，涡流的磁场又要阻碍引起涡流的磁场的变化，即 涡流的磁场对环形线圈的磁场有去磁作用。这就使环形线圈的电感量变小，另外， 车辆在环形线圈的附近出现还增加了线圈周围的磁导率，这就使线圈的电感量有 增加的趋势。但这种作用较涡流的作用要小得多，合成的作用仍然是环形线圈的 电感量变小。电感量的变化反映在电路振荡频率上，只要检测到此频率随时间的 变化，就可以检测到车辆的通过状态，同时状态信号和频率信号传给环形线圈检 测器，由其进行采集和计算四1 朝。 2 1 1 车辆与线圈电磁感应理论模型 环形线圈( l d ) 传感器的主要部件也是埋在路面下环形绝缘线圈，但是不同类 型的车辆经过线圈时，其频率变化是不同的，就是同一辆车的不同部分经过线圈， 其频率的变化值也是不同的，其原理所图2 6 示： 图2 1 线圈检测原理图 当车辆经过l d 上方时，涡流效应会使l d 的电感量发生变化，即车辆接近 l d 时，电感量减小，在整个车辆通过的过程中，车辆本身铁质分布的不均匀， 使得频率也是不断变化的，当整个车辆处于线圈上的时候，频率会达到一个相对 9 稳定的状态，此时电路再次变成谐振回路，当车辆开始走出线圈时，电感恢复到 没有车辆时的数值。环形线圈与车辆的等效电路如下图所示晗1 ： 车辆相当于一个具有电感，和电阻心的短路环，此短路环通过互感磁通 链m 影响谐振回路的磁通量，哗和0 是环形线圈的电阻和电感，设环形线圈的 电压为u 。，且= e s i n a ，t ，i l , 和为回路电流。其等效电路图2 2 为： 可列出下列方程： 解方程可得： m 且_ s i n c o t 图2 2 感应线圈等效电路图 已 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 以此知道环形线圈的等效阻抗为： z = r p + 篇刳+ 加卜糕纠 亿3 ， 公式( 2 3 ) 的虚部为等效电抗，其等效电感为： l = 。一瓣( ( o m ) 2 r a ( 2 4 ) 在式中可知。与车辆材料紫导磁率有关系，器与涡流效应有关系。 1 0 坳i 一 0 = ) ， “ 堕出 生出埘 m i 州 生出 p 雀一j 山矿堕出 + k 砟 p ， 、 即簧鬈宅”国。是箍 在实验中，我们确定检测器的谐振频率在5 0 k 至6 0 k 范围，有车通过环形线 圈时，涡流效应占主导地位。 车辆在经过环形线圈时，线圈的磁通量改变的大小主要是由车体铁质和地面 的距离决定的，虽然车速对磁通量的变化有一定的影响，但是在实际场合中，机 动车的车速差距不是很大。大型车车体底盘较高，因此在实际测量中对磁通量的 影响相对较小，相应的频率的改变量较小，而小型车车体铁质重心较低，经过线 圈时，对磁通量的影响较大，使得频率的改变较多，中型车在频率的改变上介于 大型车和小型车之间。为了能够很好的知道频率的改变量，可以通过实际的不同 类型的车辆驶过线圈来测量。当然，同类型的车辆通过线圈时频率的变化可能是 不一样的，不同类型的车辆通过时测得的频率改变量也可能是相同的，为此，采 用取典型值的办法，即经过多种同类型的车辆的测试，最终找到频率变化的规律， 再与不同类型的车辆通过线圈时的频率值相比较，找到合理的车型特征幢1 。 在车辆通过线圈的过程中，由于线圈的电感量的变化所引起的振荡频率的变 化非常快，即这个瞬态过程非常短。如果忽略瞬态过程，可以认为线圈的变化是 从一个稳定状态变化到另一个稳定状态的过程，如果能够检测不同稳态之间电感 量的微小变化时，那么就会检测到频率的改变值，因此整个的变化过程就可以捕 捉到了，不同的车辆通过检测线圈时电感量的变化量不同，相应的频率也会不同。 通过检测频率的变化量，就可以检测不同车辆的类型。 由公式( 2 4 ) 可知，在没有车辆通过线圈时，即在线圈内没有电流变化时， 环形线圈的等效电感为：厶= l 。 当车辆通过线圈时，通过线圈的磁通量增大，从而使地埋线圈中的电流发生 变化，通过耦合变压器，在另一个线圈中产生感应电动势，表现为线圈之间的互 感，此时的环形线圈的等效电感为： 如= 乙一丽( c o m ) 2 r 由此得到线圈电感的变4 i 呈： 缸斗乞= 筹粤 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 因为当车体覆盖线圈上磁感应大的区域时，会使环形线圈的电感量增大，实 质上是使环形线圈和车之间的互感系数m 增大了。因为在这种情况下，环形线 圈的总磁通量有较大的部分与车体耦合，从上式中可以看出缸与m 2 成正比。 互感系数的大小取决于车辆和线圈的几何形状、大小、匝数、相对位置和周围介 质的性质，在线圈埋入地下以后，线圈的几何形状、大小、匝数和周围介质都是 定量了，那么互感系数的大小就由车辆和线圈的相对位置决定的。 当车体覆盖线圈上方时，线圈中的电流为： ，= i os i n o t 在埋线圈时，线圈的边长为固定值，般采用2 m x 2 m 的正方形状，假设其长度 2 口( 即a 为单位长度) ，由此可知周长是一个固定值，其值为8 口，车辆距线圈的 距离为d 那么此时车体所受到的磁感应强度为砼2 1 ： b ：一2 z o 塑一t ( 2 7 ) 万( 口2 + d 2 ) i 一 通过车体的磁通量为口3 1 ： ：b s ：监乌 ( 2 8 ) 一 万( 口2 + d 2 ) i 则车体与环形线圈的互感系数可以求出乜钔： m ：孚：警二o ( 2 9 ) j 万( n 2 + d 2 ) ； 从公式( 2 9 ) 可知，互感系数只与车体和线圈的距离决定的，将公式( 2 9 ) 代入公式( 2 6 ) ，可知线圈电感的变化量取决于车体和线圈的距离。不同类型的 车辆底盘距地面的距离不同，对于线圈电感的改变量也不同。当车辆底盘与线圈 的距离产生微小变化时，互感系数就会产生不同的值，此时就可以测出线圈电感 不同的改变量，由此可知线圈的频率的不同变化值，进而可以检测到不同类型车 辆的存在。 2 1 2 环形线圈车辆检测器检测原理 环形线圈检测器的检测部分主要是谐振回路，设计的环形线圈检测器的数据 采集电路为l c 串并联谐振，产生的波形为正弦波。 如图2 3 所示是一个l c 并联回路，其中尺表示电感和回路其他损耗总的 等效电阻，是输入电流，工是流经l ，c ，r 的回路电流，分析此谐振回路的谐振 频率n 7 1 。 1 2 图2 3l c 并联谐振回路图 从图中可知回路的复数导纳是 y = ，国c + 二一 。 r + ，功l ( 2 1 0 ) 换算成标准形式，即 一南十一南 亿 当并联回路导纳的虚部系数等于零时，电流与电压同相发生并联谐振。令并 联谐振的角频率为，则由公式( 2 1 1 ) 可得 即 c 2 研m o l ( 2 1 2 ) 将上式两边同乘以l ，再把等式右边的分子和分母同除以( l ) 2 ，则可得 订2 宿 1 + f - 二二- i 2 1 瓜 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 因为足表示电感和回路其他损耗总的等效电阻，其值是非常小，也就是 1 3 r 了 d 3 3 i 玎 肩，一7 # v c cc 1 +) j 妒 ，u、一c 1 96 _ 碡 c 2 + v 3 8 = = o 1 口 o v 3ll j o帅 c 2 7 it v 2 ll l t 1 0 u rt l d 4 1 1 一i l i o i i i i l i 等 r l d _r 1 0 u r 1 2jl i l - i 6 v l o 加m 棚啪 船n髓甜 1 2 0 u t砬0 u t 9 l l 圈 图4 7r s 2 3 2 通信电路图 4 2 2 6 电源模块 由p l u g l 接口输入5 v 直流电源，二极管i n l 用于限制瞬态电流，通过c 1 、 c 2 滤波，然后通过稳压芯片将电源稳压至3 3 v 。电路如图4 8 所示。 图4 8 系统电源电路 该稳压芯片输出电流可达8 0 0 m a ，输出电压的精度在1 以内，还具有电流 限制和热保护功能，可广泛应用在手持式仪表、数字家电和工业控制等领域。使 用时，其输出端通常需要一个至少1 0 9 f 的钽电容来改善瞬态响应和稳定性b 。 4 2 2 7 总硬件电路 实验电路板实物图如图4 9 所示。 4 3 硬件抗干扰设计 图4 9 实验电路板 考虑实验环境比较恶劣，各方面的干扰因素比较多，所以在硬件和软件设计 中加入抗干扰措施是非常必要和必需的。 在电子电路设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性 的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。我们在硬件设计中主要 注意了以下的几个方面。 在布线时： 1 )避免9 0 度折线，减少高频噪声发射。 2 )电源线和地线要尽量粗，这样做不仅可以减小压降，更重要的是可以降 低耦合噪声。 3 )晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地 并固定，此措施可解决许多疑难问题。 4 )用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接 于电源地。 在电路设计时： 1 )电路板上每一个数字元件在地与电源之间都加入一个1 0 4 电容，这样减 小数字元件对电源的影响。如图4 1 0 所示。 ，自量皇。，= 垒= 皇：；量= 复= 垒：一垒二皇_ 皇譬曼幺量z 曼 1 1 i 2 _ i _ 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 虱, t t t t t t t t t t t t t , t t 图4 1 0 电源防干扰电路 2 )为防止i o 口的串扰，我们使用了光电隔离芯片将i o 口隔离。如图 3 7 4 4 所示。 3 )对单片机使用电源监控电路，采用了电源监控芯片，这样可大幅度提高 整个电路的抗干扰性能。如图4 1 1 所示。 4 4 本章小结 图4 1 1 复位电路 本章首先根据系统的工作原理，分析了环形线圈道路交通检测系统的设计需 求，包括接口和功能需求。再根据系统需求设计了检测系统的硬件结构框架，并 详细阐述了以l p c 2 1 3 8 单片机为控制核心的线圈检测器的硬件结构设计，并分 析了各个硬件模块功能。 第五章环形线圈道路交通检测系统软件设计 本章将环形线圈检测程序的需求分析、总体结构设计。分别对c p l d 和a r m 程序的具体实现方法进行详细的分析与说明，并且简要介绍了开发环境和程序语 言，最终达到实现环形线圈交通检测的目的。 5 1需求分析 需求分析是结构设计阶段的一个重要部分。在这一阶段，需要对程序的功能 和性能作规定性说明。还需要对输入输出要求作说明，包括解释各输入输出数据 类型、格式、数值范围、精度等，对程序的数据输出及必要表明的控制输出量进 行解释。作为线圈检测系统的核心，线圈检测模块的主要功能是通过采集振荡电 路频率变化，并实时处理采集的数据，通过一定的检测算法，提取出需要的交通 信息，然后发送给上位机进行下一步的分析处理。根据交通控制的需求，本设计 的线圈交通检测系统主要检测的交通信息如下： ( 1 ) 车辆存在：车道上有无车辆通过。 ( 2 ) 车流总量：在时间间隔内测得的车辆总数。 ( 3 ) 车流密度：每车道单位时间内通过检测点的车辆数。 ( 4 ) 时间占有率：车辆通过检测点的时间的累计值与观测总时间的比值，以 百分数表示。 ( 5 ) 车辆分类：按一定标准定义的各类型车，如卡车、轿车、公交车等。 ( 6 ) 平均车速：按k m h 计量的平均车速。 此外，还可以根据需要，接收其他设备提供的控制信号，并输出相应的控制 信号以提供给交通控制器。检测器还需要对通过的车辆信息进行统计，将各种状 态数据存储于外部存储器f l a s h 中，提供给交通控制部门进行数据分析。作为 实时处理系统，要求交通检测系统在下一辆车通过之前已经处理好上一辆车的数 据信息，为此，对单片机的处理速度和效率也要有严格的要求。 5 2 开发环境介绍 5 2 1c p l d 开发环境叫a ) ( + piu si i c p l d 的开发工具种类繁多，如a c t i v ev h d l 提供了非常友好的图形界面， 也便于进行逻辑仿真，但a c t i v ev h d l 的逻辑综合与布线能力较弱，只能进行 一般的设计。还有许多专门的第三方e d a 工具生产商提供的许多专业的综合工 具，如s