（交通信息工程及控制专业论文）基于感应线圈道路交通流检测系统研究与设计.pdf

摘要 智能交通系统( it s ) 利用尖端的电子信息技术，构成人员、车辆和公 路三位一体的新型公路交通系统。它将先进的计算机处理技术、信息技 术、数据通信传输技术、自动控制技术、人工智能及电子技术等有效地 综合运用于交通运输管理体系中，建立一种在大范围内、全方位发挥作用 的准时、准确、高效的交通运输管理体系。智能交通系统是现代科技手 段在交通领域的具体体现，是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。 着重研究了智能交通系统中最基本、也是最重要的交通流检测系统， 设计了基于感应线圈的道路交通流检测系统，采用了目前最先进的3 2 位 a r m 处理器核l p c 213 8 ，与c p l d 搭建控制平台，利用实验室仿真与现场 实验相结合，克服了传统的处理能力不足，检测精度不够以及抗干扰能 力弱等设计缺陷，分别设计了基于双线圈和基于单线圈的交通流检测系 统，并对车辆通过线圈时所产生的频率变化进行数据采集，通过输出曲 线不同的特征可进行车型分类。 在理论研究和仿真实验的基础上阐述了线圈检测的理论，并且通过 实际测量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 系列微控制器组成处理单元，相对于传统单片机的 检测和控制，该控制单元具有信息处理能力强，速度快，通信能力好， 存储能力大等特点，为系统快速采集信息量提供了可靠的保障。根据系 统需求设计了基于感应式环型线圈车辆检测系统的硬件结构框架，介绍 了以l p c 2l3 8 为核心的线圈检测系统控制单元的具体硬件实现，并详细阐 述了软件设计流程，简要分析了主要硬件模块功能，说明了在硬件和软 件设计中的抗干扰措施。与采用传统测频技术的检测产品相比，提高了 系统在恶劣工作环境下的稳定性，大大提高了检测精度。最后给出了进 一步研究的展望 通过基于a r m 7 嵌入式微机的环形线圈车辆检测系统的开发，实现实 时采集道路交通流参数和车辆分类信息，不仅增加了系统的检测精度和 抗干扰性，也增强了以往环形线圈车辆检测器的功能，为其在智能交通 系统中提供了一种新的应用。 关键词：智能交通系统；环形线圈；交通流检测；车型识别；嵌入式 a b s 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 s( i t s ) i san e wh i g h w a yt r a f f i c s y s t e m ，w h i c hi st h et r i n i t yo fp e r s o n n e l ，v e h i c l e sa n dr o a d ，u s i n g s o p h i s t i c a t e de l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i t si sak i n do fs y s t e m s c o m b i n e dw i t ht h ea d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ， d a t a 。c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，a u t o c o n t r o la r t ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n d e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ， e t c i th a sb e e na p p l i e di n t r a f f i c t r a n s p o r t a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ，h e l p st oe s t a b l i s haw i d e - e x t e n t ，w h o l e - d i r e c t i o n ， a c c u r a t e ，p u n c t u a l ，e f f i c i e n tt r a f f i c - t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m i t s i sm a t e r i a l r e p r e s e n t a t i o n t h a tm o d e r ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g ym e a n s a p p l i e sf o rt r a f f i cf i e l d ，t h a ta p p l yi t s e l ft oa b a t e sa i r - l o g g e dr o a da n d r e d u c et r a f f i c a c c i d e n t ，i n c r e a s er o a du s e r sc o n v e n i e n c ea n dc o m f o r t ， r e p r e s e n t i n gi n t e n d i n gr o a d w a ya n dt r a f f i cd e v e l o p m e n t a lo r i e n t a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h et r a f f i cf l o wd e t e c t i o ns y s t e mi s e m p h a t i c a l l ys t u d i e s i t i st h em o s tb a s i ca n dt h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft r a f f i cf l o wd e t e c t i o n s y s t e m ar o a dt r a f f i cf l o wd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do ni n d u c t i o nc o i li s d e s i g n e d t h ec o n t r o lp l a t f o r mb a s e do nt h em o s ta d v a n c e d3 2 b i ta r m p r o c e s s o rc o r el p c 2 13 8a sc e n t r a lh a r d w a r ei sc o n s t r u c t e d ，t o g e t h e rw i t h c p l d s u b s e q u e n t l y ，t h et r a f f i cf l o wd e t e c t i o ns y s t e mr e s p e c t i v e l y b a s e d o nd u a l c o i la n ds i n g l ec o i la r ed e s i g n e d b yc o m b i n a t i o no fl a b o r a t o r y s i m u l a t i o na n df i e l de x p e r i m e n t s ，t h ed e s i g nd e f e c ts u c ha st h et r a d i t i o n a l t r e a t m e n t c a p a c i t yd e f i c i e n c y ，l o w m e a s u r e m e n t a c c u r a c y a n dw e a k a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，e t c ，i so v e r c o m e t h ed a t ao ft h ef r e q u e n c yc h a n g e c a u s e db yt h ev e h i c l e st h r o u g ht h ec o i lw i l lb ec o l l e c t e d t h e na c c o r d i n g t h eo b v i o u sd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e o u t p u tc u r v e ，t h e v e h i c l e c l a s s i f i c a t i o nc a nb ep u tf o r w a r d o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ls t u d ya n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h et h e o r yo f l o o p c o i ld e t e c ti sd e s c r i b e d a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i st h e o r yi sf u r t h e r v e r i f i e db ya c t u a lm e a s u r e m e n t t h et i m eo ft h ev e h i c l et h r o u g ht h ec o i li s s h o r t ，w h i c hr e q u i r e st h es y s t e mc a nb ea b l et oq u i c k l ya n da c c u r a t e l y m e a s u r et h ev e h i c l ei n f o r m a t i o n s oa r m 7s e r i e sm c ui sa d o p t e di nt h i s s y s t e ma sp r o c e s s i n gu n i t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls c md e t e c t i o na n d c o n t r o l ，t h i sc o n t r o lu n i th a st h ef e a t u r e so fs t r o n gi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g a b i l i t y ，f a s ts p e e d ，g o o dc o m m u n i c a t i o n sa n dh i g hs t o r a g ec a p a c i t y ，e t c i t i l p r o v l d e sr e l i a b l eg u a r a n t e ef o rt h es y s t e m s r a p i da c q u i s i t i o ni n f o r m a t i o n 。 i na c c o r d a n c ew i t h s y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r ef r a m eo f v e n l c l ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e do ni n d u c t i v el o o pi s d e s i g n e d ，a n ds p e c i f i c n a r d w a r el m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n t r o lu n i t o ft h ec o i l d e t e c t i o ns v s t e m w i t ht h el p c 213 8a st h ec o r ei si n t r o d u c e d t h es o f t w a r e d e s i g np r o c e d u r e l se x p o u n d e di nd e t a i l t h em a i nf u n c t i o n s o f h a r d w a r em o d u l e sa r eb r i e f l v a n a l y z e d a n dt h ea n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e si nt h ed e s i g no f b a r d w a r ea n d s o t t w a r ea r e e x p l a i n e d c o m p a r e dw i t ho t h e rd e t e c t i o np r o d u c t s u s i n g t r a m l o n a lf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，t h e s t a b i l i t yo ft h es y s t e m o p e r a t l n gl np o o rw o r k i n ge n v i r o n m e n ti se n h a n c e d ，a n dd e t e c t i o na c c u r a c v l s 1 m p r o v e d s i g n i f i c a n t l y f i n a l l y ，t h ef u r t h e rr e s e a r c hi sf o r e c a s t e d 1h ed e v e l o p m e n to f t h el o o pc o i ld e t e c t i o ns y s t e mb a s e do na r m 7 s e r i e s a n dt h el n f o r m a t i o no b t a i n e d b yf i e l de x p e r i m e n t sp r o v i d e san e wm e a n s a n dn e wi d e a sf o rt h er e s e a r c ho fi 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 mi nt h e t r a f f i cf l o w d e t e c t i o n t h es y s t e mn o t o n l yh a v ei m p r o v e dt h es y s t e m t s d e t e c t i o np r e c i s i o na n da n t ii n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e s ，a n d h a v eo v e f c o m e t h e d l s a d v a n t a g e so ft h ep a s t l o o p c o i ld e t e c t i o ns y s t e m ， b u ta l s oh a v e p r o v l d e dm u c hr e l i a b l eb a s i sf o rt h en e x ts t e pt oa p p l yt h ed e t e c t i o ns y s t e m 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 。n s y s t e m ( i t s ) ；1 。p ；t r a f f i cf l o w d e t e c t i o n ；c l a s s i f i c a t i o no fv e h i c l et y p e s ；e m b o d e ds y s t e m i i i 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： 私寺、义日期：y 矽年占月衫e t 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。同时授权中国科学 技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：身l 孕、丈日期：叫年 莎, 1 1 万e t 导师签名：吖砖 日期：少夕年r 月乃7 日 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 本世纪6 0 年代末期，美国开始了关于智能交通系统( i t s ) n 引技 术的研究，之后，欧洲、日本也相继加入这一行列。经过4 0 年的发展， 美国、欧洲、日本成为世界i t s 研究的三大基地。目前，另外一些国家 和地区的it s 也有相当规模，可以说，全球正形成一个新的it s 产业， 难以计算的大小项目正在开展，发展规模的速度惊人，以“保障安全、 提高效率、改善环境、节约能源 为目标的it s 概念正逐步在全球形成。 随着经济技术的发展，城市化的迅速推进，带来了机动车数量的迅速 增长，造成城市道路交通的需求严重不平衡，因此智能交通成为当前缓解 交通拥挤的重要手段。自适应交通信号控制系统是智能交通控制系统的 核心，能够根据实际车流量的状况，在线实时地自动调整信号控制参数以 适应交通流的变化。 道路交通流信息( 包括交通流量、车速、行程时问、车道占有率以及 车流密度等参数) 是制定道路发展规划，安排道路养护经费规划和养护生 产作业的主要依据，也是向交通城建规划与环保以及公安交通管理部门 提供改善、优化道路交通的实际参考资料和数据。获得交通状况信息在 道路网络中的分布情况，可以确定道路网络密度是否能够满足现在和未 来的交通需求，解决交通设施的供给与需求的矛盾，使道路网络布局合理 化。因此，实时准确地检测道路车辆的交通流信息并预测未来道路交通状 况，进而将预测信息提供给交通控制中心，这样，就能够有效地诱导交通 避免交通阻塞，减少出行时间和交通事故的发生。并且，交通数据检测在 交通控制系统中也是十分重要的，精确和可靠的检测数据是在交通控制 中进行合理的信号配时优化的基础：而实时准确地对交通流预测，即有效 地利用实时的交通数据预测未来的交通状况，是实现有效的交通控制和 交通诱导的关键所在。 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it 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。 随着车辆的增多和交通的飞速发展，在道路交通管理与控制中对交 通信息的需求越来越多。交通信息的采集是通过车辆检测器实现的，车 辆检测器根据采用的不同技术主要分为线圈检测、视频检测、微波检测、 红外线检测、雷达检测、激光检测等。环形线圈车辆检测器相对于其他 检测器具有低成本、高可靠性、高检测精度、全天候工作的优点，是目 前应用最广泛的车辆检测器，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。因此，对基于 环形线圈的交通检测系统进行研究与设计，不仅可用于车流量、车速等参 数检测，还可自动识别车型用于分类计数，有重要的现实意义。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 2 环形线圈车辆检测系统的发展与现状 车辆检测器的运用是随着高速公路的建设而发展起来的。从2 0 世纪 3 0 年代开始在美国、英国生产了气动橡皮管式的车辆感应信号控制器， 用以检测交通流量，调整绿灯时间长短，减少车辆在路口的延误，比定时 控制灵活，以后又发明了雷达、超声波、光电、地磁、微波以及红外等检 测器。车辆检测器是高速公路和城市交通道路监控系统中不可缺少的组 成部分，主要是通过数据采集和设备监视等方式，向监控系统中的信息 处理和信息发布单元提供各种交通参数，作为监控中心分析、判断、发 出信息和提出控制方案的主要依据。因此，车辆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。 对于交通自动控制检测和数据采集起了很大作用当前用得最广的是 环形线圈检测器。环形线圈车辆检测器出现于2 0 世纪6 0 年代，自从出 现了用于监控和观测道路交通的磁感应技术后，感应线圈检测器的发展 非常迅速。这种检测器可以检测车辆经过时引起的磁场变化，这种技术 称为车辆磁场测量( v e hiclem a g n e tici m a gin g ，v m i ) 技术，m i 检测器 与其它检测技术相比更稳定、可靠、易于维护。美国n u - m e t rics 公司的 称为g r o u n d h o g 交通监测系统即采用了v m i 技术，。目前世界上一些著名 的交通控制系统如澳大利亚的s c a t s 控制系统和英国的s c o o t 控制系统 等都采用了环形线圈检测器，。检测交通流参数的检测器除了线圈检测器 以外，还有红外检测器、视频检测器、超声波检测器等。但美国，、英国、 意大利、法国等国的道路大多数都选择了环型线圈检测器，其中如英国 就更多采用环型检测线圈形式和压电电缆，巴黎环城快速公路每5 0 0 m 设 置1 组，高速公路每2 k m 、2o k m 或2 0 k m 以上设置1 组，主要用于检测车 流量、平均速度、占有率、车头时距及轴数、轴重等。 2 线圈检测技术自2 0 世纪9 0 年代初期才从国外引进后，经多年的应 用和不断地改进，其产品性能等己达到了相当完善的程度。例如广东省 境内的京珠高速、广惠高速、惠河高速等大多数路段，还有辽宁高速公 路，浙江金丽温高速公路石城山隧道、牛庭岭隧道、杭州西湖隧道等项 目中均采用了感应线圈车辆检测器，另外上海、天津、沈阳等大城市 都使用基于环形线圈检测器的s c a t s 交通控制系统，。我国近年修建的所 有国道干线上也基本上都安装了环型线圈检测器作为交通信息检测器。 环型线圈检测器检测精度高，性价比高，可全天候工作，只要正确安装 和正常使用道路，其寿命应大于十年。至今仍然是国内外市场上的主流 车检器，足以说明其强大的生命力。国外从上世纪九十年代开始关注基 于车辆电磁感应特征的新型环型线圈检测器的研究开发，2 0 0 0 年美国全 国第十届i t s 年会授予了“增强型环型线圈检测器研究 项目以“i t s 最佳奖 ，国内也有相关研究论文。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，以发现问题，从而达 到报警和人工干预的目的。 随着微电子技术、信息处理技术的发展，特别是近年来智能车路系 统的飞速发展，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1o 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。 线圈检测技术的发展已很成熟，国内外生产厂家也较多，价格相对 合理，被高速公路广泛采用，特别是城市道路公安交警用于抓拍违章车 辆也常用这种方法”。从对交通检测器的介绍中可以看出，交通检测器 的种类很多，并且不同的检测方法各有其不同的优缺点。但是环形线圈 检测器仍然是目前交通控制中应用中最广的交通量检测器，是道路监控 系统中非常重要的一部分。利用线圈感应来检测交通参数是目前世界上 技术较为成熟的检测方法，可以获得当前监控路面的交通量、占有率、 速度、车型等数据，并以其检测功能全面、检测精度高、检测数据准确、 可靠、灵敏度高、受环境气候影响小等优点，在相当长的时间内仍是国 内主流的交通检测产品。随着线圈检测器设计精度和可靠性的提高，它 将在我国智能交通系统中发挥更大的作用。 目前，中国正在大力建设高速公路，环形线圈车辆检测器必将在密 3 集而又方便的高速公路网上发挥其越来越重要的监测作用。 综合国内外有关文献，感应线圈车辆检测技术的发展，主要集中在 以下三个方面： 第一、环形线圈车辆检测技术的发展研究2 1 叫 集中表现在大幅度提高检测器的各项性能，以电磁场变化的原理， 研究开发的车辆检测器，重点是提高此类检测器的可靠性和使用寿命， 通过对检测器探头和信号处理装置的改进来实现：提高检测器的精度和 抗干扰能力。 第二、环形线圈车辆检测器的电磁环境研究引 集中表现在研究环形线圈车辆检测器在电磁环境下的一些抗干扰措 施，进一步优化检测器的环境适应能力，使其工作稳定性更好，精度更 l 商。 第三、环形线圈车辆检测器系统化、智能化的发展研究7 1 r 3 引 表现在以检测器的发展为基础，结合人工智能和先进的计算方法等， 使环形线圈车辆检测器在车辆检测分类、交通事件( 如闯红灯、交通堵 塞、撞车等) 分析判断方面朝着系统化、智能化和光机电一体化的方向 发展。如感应线圈( il d ) 智能交通流量测试仪、高速公路事件自动探测 系统的研究等等。特别是现阶段，在国内加强这一方面的研究、应用和 发展显得尤为重要，同时也将为我国实现交通管理智能化打下坚实的基 础。 1 3 研究内容 本文研究内容是利用环形线圈作为道路交通检测的传感器，利用目 前性价比很高的高速的微处理器，实时采集和分析车辆经过环型线圈时 的电磁感应特征，以人工智能理论的方法改进传统的环形线圈检测器检 测原理，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交通检测系统，实时采集和分析车辆经过环型线圈 时的电磁感应特征，对机动车辆进行实时分类计数，同时检测车流量、 车道占有率、车速等交通流参数，从而拓展现有环形线圈检测器的功能， 提升其性价比，提高设备的使用效率和利用率，使环型线圈能更准确地 检测真实的交通状态，以便实现更有效的交通监控和交通调查。 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，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目前性价比很高的拥有出 4 色多任务能力a r m 7 内核的处理器l p c 2l3 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 4 论文结构 根据研究内容，论文共分五章进行展开： 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特别是环形线圈车辆检测系统的发展现状及 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，综述了目前国内外比较典型的车辆检测器，并作 了系统的阐述，对各种车辆检测传感器的工作原理、特点作了论述，另外 重点介绍了环形线圈检测器的电磁感应工作及其交通流检测理论模型， 同时描述了环形线圈交通流检测系统检测算法，为后续章节的检测器软 硬件设计和系统分析与研究做好基础。 第三章其于感应线圈交通流检测系统的设计，首先根据系统功能需 求，给出了检测系统硬件电路的设计，介绍了软件开发环境，分别搭建 了基于双线圈和单线圈的检测系统控制平台及其抗干扰设计，接着对常 见的系统软件启动结束设计方法进行了介绍，对其存在问题加以提出并 给出了解决方案。 第四章实验及分析，首先对影响检测波形的几个重要因素进行了实 验研究，然后用本文设计的基于双线圈和基于单线圈的车辆检测系统进 行了实验，对实验结果进行了详细分析。 第五章总结与展望，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。 5 第二章感应线圈的交通流检测原理与特性研究 2 1 车辆检测器的选择 目前，用于车辆检测的传感器州叫”种类繁多，按照检测传感器的工 作原理进行分类，可以划分为电接触式、光电式、电磁感应式、超声波 式、红外线式等多种类型。而现代具有代表性的按照检测传感器的工作 方式及工作时的电磁波波长范围，将检测器大致可分为三类，即磁频检 测类、波频检测类、视频检测类。 常用磁频检测类传感器主要包括感应( 环形) 线圈检测器卜，、磁 性检测器、地磁检测器、微型线圈检测器以及磁成像检测器。其中感应 ( 环形) 线圈检测器是目前国内外使用最为广泛的车辆检测装置。除了 磁成像检测器以外的其它磁频检测器都是在检测磁场变化的基础上工作 的。将这些检测器与能够测量磁场变化量的电子装置连接，就可以组成 实用的车辆检测系统。例如，将装在磁性检测器上的带有防护套的小线 圈与电子放大器连接，使用时将具有高磁导率的线圈埋置于路面下，当 车辆靠近或通过线圈时，穿过线圈的磁场发生变化，从而在线圈内产生 感生电压，使放大器发出车辆通过的信息。这样就实现了车道是否有车 辆通过的目的。虽然这种检测系统设计简单，但对车速有下限限制，所 以使用范围并不广泛。 磁成像检测器是以近期研究成功的磁成像技术为基础的。它测量由 于车辆通过而引起的电磁场扰动或变化，通过与已记录的不同结构车辆 的磁纹相比较，就可以测出车辆的构造、车型等重要参数，理论上可以 将卡车与小车分离出来，但由于技术及其相关技术还有待进一步完善， 在实际中使用的情况很少。 波频检测类传感器包括有雷达( 微波) 检测器圳、超声波检测器 川、光电检测器以及红外线检测器。前两种检测器的工作原理相似， 它们由检测部件在收费车道顶蓬向下发射一串波束，车辆通过这些波束 时产生的两个脉冲或产生的频移，即可换算成所需要的交通参数。显然 检测器需要运动的车辆驱动，且车速缓慢或静止时，根据多普勒效应原 理，检测系统会失效。并且，随着被检测车辆的大小、形状和材料的变 化，检测效果可能导致较大偏差。同时，易受天气环境和检测器周围通 过的其他物体影响，产生反射波而造成误检。 光电检测器，是利用光电管或红外线束检测器来接收中断或反射光 6 束，常见的是由位于道路一侧的发光器和位于道路另一侧的光电探测器 组成。当车辆通过时，即中断光束并探测产生输出信号，从而记录下被 检车辆。而红外线检测器是利用检测热辐射红外线原理工作的。这两种 检测器的不足之外是设计受路面结构影响较大，安装成本相对较高控制 系统对软、硬件设计要求高。 视频车辆检测器系统引3 ，是传统的电视监视系统的基础上发展起来 的。一方面先进的视频检测系统是车辆检测技术、摄像机和计算机图像 处理技术三者有机结合构成，以达到大范围检测和识别车辆的目的；另 一方面，如同传统的车辆检测器一样，视频系统向交通控制中心提供图 像和交通码数，同属信息采集部分。因而，目前国内外专家一致将视频 检测器系统归入广义车辆检测器的范畴。 车辆检测和大范围的实时交通数据采集是目前智能车路系统和先进 的交通管理系统中最薄弱的环节之一，将传统的车辆检测器应用于先进 的交通控制，明显感到检测能力和可靠性不足，而这类问题可通过视频 车辆检测系统解决，该系统不仅具有多点布设、无线检测能力，而且还 能够获得车辆密度、排队规模以及常规检测器很难得到的停车次数、车 辆尺寸等重要交通参数。但目前的问题是计算机图像处理的实时性较差， 而且车辆检测精度受到整个系统软、硬件的限制。只有随着图像信号处 理技术的进步和微电子技术的发展，视频车辆检测技术才能得到更广泛 的应用，。 综上所述，各类车辆检测器各有优缺点，结合当前实际应用经验， 磁频车辆检测类传感器被广泛使用。特别是感应环形线圈检测器应用最 为广泛，由于环形线圈设计灵活，且不受路面影响，根据多个环形线圈 检测器的输出信息还可以确定车道占有率、车速和交通量等参数，既可 以检测车辆的存在或出现，又可以检测车辆的运动或通过，属于复合型 检测器。因此本系统采用环形感应线圈作为前端数据采集的传感器。 2 2 感应线圈检测器的电磁感应工作原理 环形线圈检测器由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。环型线圈检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，他的传感 器是一个埋在路面下，通有一定工作电流的环形线圈( 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) 。在环型线圈检测器电路中， 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，当车辆通过环形地埋线圈 7 或停在环形地埋线圈上时，车辆自身铁质切割磁通线，将导致环形线圈回 路电感量的变化，而线圈电感量的变化又引起车辆检测器的l c 振荡电路 的振荡频率和相位相应也发生变化。因此，检测器通过检测该电感变化量 就可以检测出车辆的存在。因为电感量的变化表现为频率的变化和相位 的变化，所以，检测这个电感变化量一般来说有两种方式：一种是利用相 位锁存器和鉴相器，对相位的变化进行检测，另种方式则是利用由环形 地埋线圈构成回路的耦合电路对其振荡频率进行检测3 川“。 第一种方法是采用锁相环技术和双振荡器方案，即采用两个振荡器 结构，主振荡器作为基准振荡器，通过锁相环技术提供稳定的基准电压， 从而使振荡器反应车辆通过的信息。环形线圈通过馈线与检测器的变压 器相连，在电路工作时，环形线圈周围就有主振频率电流通过，并在环的 周围建立交变电磁场。在电路中还有一个由晶振产生的频率稳定的参考 信号，把主振荡器的信号和参考信号一同送入鉴相器中，当主振信号与参 考信号的频率不同时，鉴相器就会输出控制电压。因此，可以调整主振荡 器的工作频率，使之逐步与参考信号的频率相一致，最后完全锁定在参考 频率上。当有车辆通过环形线圈时，由于环的电感量的变化，使主振荡器 的工作频率就有了变化的趋势，但在锁相环的作用下，主振频率仍然保持 了与参考信号频率一致。此时，鉴相器的输出电压发生了变化，并且使从 振频率也发生了变化。用单片机连续采集从振频率的信号，并计算他的工 作频率，当从振频率的值大于一定的门槛值时，就可以判断出有车辆经过 环形线圈。 第二种方法是对整个回路的振荡频率进行检测。 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耦 合电路，当电流通过环形线圈时，在其周围形成一个电磁场。在正常情况 下，在机动车辆没处在环形地埋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保持不变，当机动车 辆经过环形地埋线圈所在位置时，在金属车体中感应出涡流电流，涡流电 流又产生与环路相耦但方向相反的电磁场，即互感。由此导致涡合电路振 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，只 要检测到此变化的信号，就可检测出是否有车辆通过。但是机动车自身铁 质是不均匀的，所以当他经过环形地埋线圈时单片机在单位时间段测得 的脉冲个数又是变化的。 8 i _i 电流源l， 出 调 一l 一i 相位比较器卜 放 谐 i 电 1 大 器 l 压 l ：形线圈一相位钌踺器i l 图2 1环形线圈检测器原理 环形线圈长为2 m ，宽度视车道宽度而定，通常是覆盖一个车道的 5 0 - - - 6 0 ，不应小于o 5 m 。由电磁场理论知道，任何载流导线都将在其 周围产生磁场，对于长度为l 、匝数为n 的螺线管型线圈，线圈内磁场强 度均匀。其自感量为： l _ 丝丝型：垒( 2 1 ) 1 式中：以是介质的相对磁导率，空气的以为1 ：, u o 2 4 1 0 7 h m ：a 为 线圈的环绕面积。由于环形线圈不能完全等同于螺线管，考虑引入磁场 的不均匀修正因子f1 ，于是环形线圈的自感量l 可表示为： k 嘎, u u o n a ( 2 2 ) l 由式( 2 2 ) 可知，环形线圈的自感的大小取决于线圈的周长、环绕 面积、匝数及周围的介质情况。当有车辆通过环形线圈时，车体上的铁 金属底板产生自成闭合回路的感应电涡流，此涡流又产生与原有磁场相 反的新磁场，导致线圈总电感量变小，使调谐频率偏离原有数值。该频 率偏离信号经波形整形为矩形波后作为计数脉冲，在固定的时间窗口采 样计数脉冲便可间接得到探测振荡器的频率的变化。如果将无车辆通过 时的空载频率用- ，o 表示( 频率本底) ，将有车辆通过时的实载频率用，j 表 示，差值为鲈= 正一五，对应的脉冲计数差值为a 。由于道路( 路面变形等) 、 气环境的变化和线圈老化以及变形等干扰因素的影响均会使空载频率f o 发生漂移，故每10 m in 需对动作漂移补偿，重新标定一次f o 。 9 2 3 感应线圈的交通流检测模型 2 3 1 感应线圈交通流检测理论模型 从检测器的基本原理出发，由公式： 厂= 瓦1 丽 ( 2 3 ) 可知，影响线圈检测器振荡回路频率的因数只有l 、c ，而在c 不 变的情况下，影响环形线圈与馈线的总电感量的两个因素主要是车底盘 和车速，这里假设车底盘均匀，且车匀速行驶，则车辆通过时引起的检 测器振荡回路频率随时间变化应如图2 2 所示。 一t i! 事锅缀 车铺 弋 k1 图2 2 车辆通过时频率随时间变化关系图 车辆相当于一个具有电感l ，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，耳和是环形线圈的电阻和电感， 设环形线圈的电压为，且= 瓦s i n c o t ，和为回路电流。其等效电 路图为： 可列出下列方程： e 曩s i n c o t 图2 3 感应线圈等效电路图 1 0 砟+ l e 鲁+ m 警= 瓦s i n 缈r l a - 以- 万+ 凡一m 鲁= o 解方程可得： 2 碡孺万f 翮 z = r p + j 莲笔 毛粤 + 彩 岛一丽( r o m ) 2 l a 公式2 7 的虚部为等效电抗，其等效电感为： = t 一丽( t o m ) 2 r a ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( t o m ) 2 心 在式中可知0 与车辆材料的导磁率有关系，+ ( 国l ) 2 与涡流效应有 关系。 在实验中，我们确定检测器的谐振频率在5 5 k 至6 5 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 理的阈值。 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 8 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20 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： 厶= l 一币( t o m 而) 2 r a ( 2 9 ) 由此得到线圈电感的变化值： a l = 厶一厶= 丽( c o m ) 2 r a ( 2 1 。) 因为当车体覆盖线圈上磁感应大的区域时，会使环的电感量增大， 实质上是使环形线圈和车之间的互感系数膨增大了。因为在这种情况下， 环的总磁通量有较大的部分与车体耦合，从上式中可以看出址与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 = i o s i n ( 2 11 ) 在埋线圈时，线圈的边长为固定值，一般采用2 m x2 m 的正方形状， 假设其长度2 口( 即口为单位长度) ，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： 曰：盈塑：( 2 12 ) 万 ( 口：