（电力电子与电力传动专业论文）环行线圈式车辆检测系统的应用问题研究.pdf

式，其具有c p u 占用率低，使用方便等优点。本文还针对现有系统中摄像机辅助设备闪光灯不能配合其同步闪光的问题，进行了相应分析，并提出了改进方案。关键词：环形线圈，车辆检测器，频率采集，测速i it h er e s e a r c ho fa p p l i c a t i o np r o b l e mf o rv e h i c l el o o pd e t e c t i o ns y s t e mm a j o r ：p o w e re l e c t r o n i cc o n t r o ln a m e ：l i uc o n gs u p e r v i s o r ：j i a n gn i a nd o n gz h a n gh u ia b s t r c tf i r s t l y , t h i st h e s i sd e s c r i b e st h es h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gv e h i c l e s l o o pd e t e c t i o ns y s t e m t h e s es h o r t c o m i n g si n c l u d e ：1 雠m e a s u r e m e n to fv e h i c l e s v e l o c i t yi si n a c c u r a t e ；2 i t sh a r d w a r es t r u c t u r ei st o oc o m p l i c a t e d ；3 t h ec a m e r af l a s hl i g h t i n ge q u i p m e n tf a i l e dt os y n c h r o n i z ew i t ht h ed e t e c t i o n $ 0 2 t i o n i no r d e rt oi d e n t i f yt h er e a lc a u s 鹤o f i n a c c u r a t ev e l o c i t ym e a s u x e m e n t , t h i st h e s i sa d v a n c e sam e t h o dt oa n a l y z et h ee u - v eo f i n d u c t i o nc o i l sf r e q u e n c y , a n df o c u s e s t h ed e s i g no fan e w 。q u e n c ya c q u i s i t i o nt 0 0 1 c o m p a r e dw i t ho t h e re x i s t i n gt o o l s ,i t s e q 啪c ya c q u i s i t i o np a r ti sc o n s t i t u t e db yh a r d w a r ec o m p l e t e l y , a n dh a st h ea d v a n t a g e so f h i g hr e s o l u t i o na n dh i 【g ha c c u r a c y b e s i d e s , a n o t h e ri m p o r t a n ts e o t i o ni st h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a b a s e do l lal a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t a ld a t a , t h i st h e s i sa n a l y z e st h ec h a n g eo fv e h i c l ed e t e c t o r 辩n f ，s 盘c q p e n c yw h i l ev a r i o u st y p e so f v e h i c l e sr u n n i n go v e rt h ei n d u c t i o nc o i la n dc o n c l u d e si t sl a w t h ee x p e r i m e n t a ld a t ai sa l s oq u i t ev a l u a b l ef o ro t h e rr e s e a r c h e r s f i n a l l y , t h i st h e s i sm v 龃c e ss o m ei m p r o v e m e n tf o rt h e 喇s t i n gv e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e m t h ee x i s t i n gs y s t e mu 5 e 3l s ab u st oc o m m m f i c a t e , w h o s ei n t e r f a c ei sii n n 盯- p l u g g o dt y p e i ti si n c o n v e n i e n ta n do c c u p i e sl o t so fc p u “鼍o u r c c t h e r e f o r et h i st h e s i sp u tf o r w a r das o l u t i o nw h i c hc h a n g e st h ei s ab u si n t or s 2 3 2b u st oa v o i ds u c hs h o r t a g e s m o r e o v e r , t h i st h e s i sa l s oa n a l y s e st h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mo f t h ec a m e r af l a s hl i g h t i n ge q u i p m e n ta n da d v a n c e sam e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e m k e y w o r d s ：a n n u l a rl o o p ，v e h i c l ed e t e c t o r , f r e q u e n c ya c q u i s i t o n , s p e e dd e t e c t i o n1 1 概述第1 章绪论智能交通系统( 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 ，i t s ) 源于2 0 世纪6 0 年代，并于1 9 9 0 年由美国智能交通学会正式提出，经过4 0 多年的研究、发展和实践证明，智能交通系统是解决现代交通问题的理想方案。智能交通将信息处理、通信、计算机和电子技术融为一体，为现代交通管理提供了有效的手段经过4 0 多年的发展，美国、欧洲、日本等发达地区已经成为i t s 研究的三大基地。目前，另外一些国家和地区的r r s 研究也有相当大的规模，如韩国、新加坡等。全球正在形成一个新的i t s 产业，发展规模和速度惊人，以“保障安全、提高效益、改善环境、节约能源”为目标的i t s 概念正逐步在全球形成【“。在随后的2 0 年中，汽车车载电子元件发展很快，除了常见的收音机及磁带放音机之类的产品外，那些能感应车辆运行情况并能提供更好的车辆运行与控制的元件也得到了迅速的发展闭随着我国经济高速发展，交通流量的迅速增加，交通堵塞、交通事故频发、环境空气质量恶化等现象经常可见。因此，在中国推行智能交通势在必行。由于智能交通集成各项新技术领域，发展非常迅速，因此在国际上尚没有统一的新技术标准；鉴于此原因，在我国引进、开发智能交通技术的同时，对于系统的兼容性和互联行提出了许多值得研究的课题。根据我国的实际国情，围绕智能交通发展的总体目标、发展阶段，提出相应的战略规划与标准体系，是目前首要研究的课题之一1 3 1 。我国i t s 的发展起步较晚，在公路交通管理系统中，还有很大部分是采用人工管理的方式，这大大降低了管理质量和效率。不过近年来，i t s 在我国有了长足的发展。1 9 9 9 年，由科技部牵头，联合交通部、建设部、公安部等十多个相关部委，组织成立了全国智能交通系统( r r s ) 协调小组，为推动我国交通系统的智能化发展提供了组织机制保障。2 0 0 0 年，数十位专家、学者协作完成了中国i t s 体系框架研究和标准规范的制定。中国i t s 体系框架也成为指导中国i t s发展的纲领性文件本文主要研究智能交通系统中基于环形感应线圈方式进行车辆状态信息检测，提取的技术。在现有环形线圈式车辆检测系统的基础上，针对存在的一些缺陷和不足，进行了理论分析和实测数据的分析，其中包括：( 1 ) 针对现有车辆检测器有时测速不准的情况，确立了研究车检器感应频率变化规律的方法。并且设计了一种新的、高分辨率、高精度的频率采集系统，记录车辆通过整个线圈过程时，车辆检测器感应频率的变化情况；( 2 ) 进行了一些实际测试，通过实测数据分析了车型与车辆检测器感应频率的对应关系和变化规律，与此同时验证了现有车型识别理论的可行性；( 3 ) 记录并保存了大量的感应频率实测数据资料和感应频率曲线图片资料，为他人在相关领域进行后续研究提供了宝贵的材料：( 4 ) 针对现有车辆检测系统中，摄像机抓拍时其辅助照明设备闪光灯同步不准的问题，进行了理论分析，并实现了改进电路的设计( 5 ) 针对现有车辆检测系统中单片机控制部分硬件结构采用i s a 总线进行通信，具有结构复杂，c p u 占用率高的缺点，将系统通信方式改为串行总线通信方式，简化了单片机控制部分的硬件结构，并且提高了c p u 的利用率。本文在大量理论研究、仿真试验的基础上提出了新的频率检测方法和同步闪光控制方法。并通过模拟测试和实际测试验证了新方法的实用性。最后通过对实测数据的分析，研究了车型跟车辆检测器振荡频率的对应关系，验证了现有的车型识别理论，并且进行了技术资料的保存。希望通过此次研究为环形线圈式车辆检测技术的研究作出一点点贡献。本文的具体各章节安排如下，其中第二、三、四章为本论文的重点章节：第一章，绪论。本章介绍了概述；智能交通系统，包括智能交通系统发展的背景和组成；课题设计，包括课题设计的研究背景和意义。第二章，现有车辆检测系统原理介绍。本章主要包括现有车辆检测系统的整体原理介绍；车辆检测器的介绍，包括车辆检测器分类和环形线圈车辆检测器的结构介绍；环形线圈的基本工作原理，包括车辆检测器振荡回路的原理分2析，车辆对线圈的影响分析和双线圈检测方法的分析；环形线圈的应用范围及其意义；目前车辆检测系统存在的问题。第三章，频率采集系统的设计。本章介绍了采用硬件方法进行频率检测的原因；频率采集的各种方法；目前单片机频率采集系统的原理分析；硬件频率采集系统的设计，包括硬件频率采集系统的整体框架以及频率采集系统的硬件设计。第四章，实验数据分析。本章内容主要包括：频率采集系统的可靠性验证试验；介绍了现有车型识别理论中的一些研究方法；实测数据分析，主要通过大量实测数据，分析了车型和车辆检测器感应频率的对应关系，以此验证了现有车型识别理论的可行性，其次总结出大货车容经过线圈上方时，车检器易误触发的规律，并提出了改进办法。第五章，现有车辆检测系统改进本章内容介绍了：闪光灯控制电路的改进，包括现有闪光灯控制电路的介绍，改进闪光灯电路的原理分析；单片机控制部分硬件结构的改进；单片机控制部分的软件改进。第六章，总结与展望。总结，对本课题的研究情况作出了总的分析和结论；o 展望，提出了现有中工作的不足以及今后课题的可持续研究点。1 2 智能交通系统1 2 1 智能交通系统的研究背景随着社会经济的发展，城市化、汽车化速度的加快，交通拥挤、交通事故、环境污染、能源短缺等问题已经成为世界各国面临的共同问题。无论是发达国家，还是发展中国家，都毫无例外地承受着不断加剧的交通问题的困扰。我国是一个发展中国家，智能交通系统的发展起步较晚，相当长一段时期以来，我国公路交通量增长的需求主要是靠增建高速公路来满足。但是，在公路快速发展的同时，我们应该清楚地看到，面对有限的土地、财力等资源以及环境的压力，建设更多的高速公路将受到限制，同时交警人员编制也不能无限增加。因此，单纯依靠增建、扩建高速公路和采用传统的、以人力为主的管理模式解决我3国公路畅顺、安全问题的效果显然是有限的。我们除了增建、扩建一些必要的高速公路之外，更应该面对现实，在现有公路资源和管理资源条件下寻找新的解决方案随着科学技术的发展，特别是电子、信息、通信等高新技术的发展，为我们解决中国公路交通问题提供了新的思路和手段，建立以信息技术为核心的智能交通系统就是解决公路供需矛盾和交通畅顺、安全等问题的新途径 4 1 。1 2 2 智能交通系统的意义和功能智能交通系统( r r s ) ，是综合应用先进的信息、通信、网络、自动控制、交通工程等技术，改善交通运输系统的运行情况、提高运输效率和安全性、减少交通事故、降低环境污染，从而建立一个智能化的、安全、便捷、高效、舒适、环保的综合运输体系。智能交通系统利用先进的科学技术在道路、车辆和驾驶人之间建立起智能的关系。借助系统的智能，车辆可以在道路上安全、自由地行驶，依靠智能化手段将车辆运行状态调整到最佳，保障人，车、路和谐的统一，在提高运输效率的同时，充分保障交通安全、改善环境质量、提高能源利用率1 5 】。1 2 3 智能交通系统的组成智能交通系统集信息、通信、网络、控制等技术于一身，结构组成非常复杂，其主要组成有以下六部分，其核心为交通管理控制系统旧( 1 ) 交通管理控制系统该系统包括城市道路信号控制、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，以及用来研究和评价交通控制系统运行功能与效果的三维交通模拟系统。系统能够对路网中交通流的实时变化做出及时、准确的反应，帮助交通管理部门对车辆进行有效的实时疏导、控制和事故处理，减少交通阻塞和延误，从而最大限度地发挥路网的通行能力，减少环境污染，节约旅行时间和运输费用，提高交通系统的效率和效益。( 2 ) 出行需求管理系统该系统向用户提供有关出行信息，改善交通需求管理，将该系统与出行和交通管理结合起来，驾驶员就可以通过车载或处所计算机和无限通讯获得各种交通4信息( 道路条件、交通状况、服务设施位置和导游信息等) ，合理选择出行方式、时间和路线。驾驶员还可利用车载定位导航仪，在车载计算机上给出出发地和目的地，计算机便可根据实时交通信息自动选择出最佳行驶路线，避开交通拥挤和阻塞，并促进高乘客率车辆的使用，从而提高运输效率。( 3 ) 公共交通运营系统该系统用以提高公共交通的可靠性、安全性及其生产效率，使公共交通对潜在的用户更具有吸引力。系统包括公共交通优先、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同驾驶员直接联结起来，进行实时调度和行驶路线的调整，帮助运输部门增加客运量，降低运营成本，提高运输效益。( 4 ) 电子收费系统该系统通过电子卡和电子标签由计算机自动收费，可使所有地面交通收费包括道路通行费、运输费和停车费等实现自动化，以减少用现金收费所产生的延误，提高道路的通行能力和运行效率，并可为系统管理提供准确的交通数据。电子收费系统采用先进的电子扫描技术和车辆自动识别电子技术，实现收费车道上无人管理、不停车、不用票据的自动收费。( 5 ) 应急管理系统该系统用以提高对突发交通事件的报告和反应能力，以改善应急反应的资源配置。( 6 ) 先进的车辆控制和安全系统该系统应用先进的传感、通讯和自动控制技术，给驾驶员提供各种行驶的避撞和安全保障措施。系统具有对障碍物的自动识别和报警，自动转向、制动、保持安全距离等避撞功能。系统的这些功能在很大程度上改善和代替了驾驶员对行车环境的感应和控制能力，提高车辆安全性，减少交通阻塞，从而也进一步提高了道路的通行能力和运输效益 7 1 。1 3 交通信息采集与处理技术的发展交通信息是城市交通规划和交通管理的重要基础信息，通过全面的、丰富的、实时的交通信息不但可以把握城市道路交通的发展现状，而且可以对未来发展进行预测，为城市交通规划和交通管理部门的正确决策提供科学依据。交通信息服务也是智能交通系统( r r s ) 功能的一个重要方面，未来智能交通系统中先进的交通管理系统( a 1 m s ) 和交通信息系统( a t i s ) 等都离不开交通信息，动态交通诱导功能是智能交通系统的核心之一，这一功能的实现也是以城市交通系统中实时的交通信息为基本前提的。因此，交通信息采集和处理技术无论对城市的交通规划、路网建设、交通管理，还是对未来智能交通系统功能的实现都非常重要，是城市交通发展规划和道路交通科学管理的最重要的基础和前提。交通信息分静态与动态两种。动态交通信息的研究成为研究的最要方向，因此这里我们重要探讨动态交通信息的采集和处理技术。最早接触和使用的检测技术是雷达检测技术，雷达检测技术用于检测车辆速度，检测设备称为雷达测速器。在检测车速的同时，对车辆进行计数达到统计交通流量的目的，也可用于车辆存在的检测等。同时存在的还有主要用于车辆计数、速度检测的压力感应的橡皮气压管测速计和电子停表速度计以及电容速度计等检测技术，但由于使用环境和条件的局限性，没有得到推广。目前，以环状感应为检测对象的超声波脉冲式和光电管式车辆检测技术、以电磁感应为检测对象的环形线圈式和地磁式车辆检测技术以及由多普勒雷达发展起来的微波车辆检测技术这三大技术已逐步成为交通信息采集的主要技术手段，并在交通信号控制系统和交通诱导系统中得到广泛应用。随着电子技术和交通监测技术的发展，车辆检测设备已采用大规模集成电路和微处理机技术以及多功能综合技术。它不但能检测车辆，对车辆进行计数，还能检测车辆的存在、车辆通过时的速度以及道路车辆占有率和车辆排队长度等主要动态交通参数。目前，国内外用于实时交通信息采集和处理的主要技术是电磁感应的环形线圈式车辆检测技术和多普勒感应的微波车辆检测技术。近年来，由于视频处理技术的发展，视频车辆检测技术已经成熟，视频车辆检测技术将是未来实时交通信息采集和处理技术的发展方向。61 4 课题设计1 4 1 课题设计背景目前使用最为广泛的车辆检测系统是基于环形感应线圈方式的。虽然关于线圈式车辆检测器的研究在我国已经有很大发展，但目前国内的车辆检测器的共同缺点是准确性和可靠性不高，而国外同类产品在性能明显高于国内产品的条件下，价格也远远高于国内产品在现有车辆检测系统的使用过程中，有时候出现测速不准的情况。通过研究发现，不同类型的车辆对车辆检测器工作状态的影响是不同的，特别是大型车辆通过线圈上方时，车辆检测系统测速不准的情况特别严重。这使得我们有必要对车壁与线圈感应频率的对应关系进行相应的研究，找出其中的规律。而目前国内外车型识别的研究多数处于理论方面，这方面的实测数据非常少，几乎没有公开的大量实际数据，这对我们进行相关的研究造成了相当大的阻碍。除此，也尚未发现相关文献通过实测数据验证现有车型识别理论的可行性。因此，我们必需一种频率采集工具，来采集车辆经过线圈上方对，线圈感应频率的数据，通过实测数据来分析车型与线圈感应频率曲线的对应关系，并同时验证现有车型识别理论的可行性。市场上现有的频率计一般只具有当场读取频率值的功能，更不能保留大量连续的频率数据。而市场上用于记录数据的频率采集系统一般使用单片机控制方式，在此类控制系统中，一般通过软件的方法控制单片机内部定时器、计数器进行频率计数，最终采集到相应的频率值。此类单片机控制系统普遍具有精度和分辨率不高的缺点，为了更加有效、准确的测试出车检器振荡频率的数据，我们设计一种通过硬件方式进行频率采集的实测工具，采集并分析了各种类型车辆与感应频率的对应关系，并得到了大量宝贵的实测数据。其次，目前市场上现有车辆检测系统一般采用车辆检测器和摄像机组合的方式工作。此系统普遍存在白天使用效果明显优于夜间使用效果的情况。其主要原因是夜间环境光线不足，造成摄像机抓拍效果不佳。因此，在现有系统中我们增加了外部闪光灯以辅助摄像机工作。但是在实际使用过程中，闪光灯经常出现闪光不准的问题7除此以外，现有系统的硬件结构采用i s a 总线方式，具有c p u 占用率高、使用不方便等缺点。基于上述原因，本课题进行了下列研究：( 1 ) 设计了一种高精度、高分辨率的频率采集工具；( 2 ) 记录了不同类型车辆经过线圈上方时，线圈感应频率的实测数据，并分析统计了车型与线圈感应频率的对应关系，与此同时，验证了现有车型识别理论的可行性；( 3 ) 找出了车辆检测系统测速不准的原因，并提出了改进办法；( 4 ) 针对闪光灯未能配合摄象机同步工作的现象，进行了理论分析，并设计了改进电路；( 5 ) 改进了车辆检测系统中单片机控制部分的硬件结构和软件结构，以便使现有车辆检测系统使用更加方便、准确。1 a 2 课题设计意义随着我国经济的高速发展，车辆数量的急剧增加，高速公路的数量也不断增加据统计，驾驶人员违反交通法规是引发交通事故的主要原因。因此，高速公路智能交通系统的主要任务应该围绕如何向驾驶人员发布服务信息；如何对高速公路全程进行监视；如何对车辆状态进行有效监控；对检测到的违法行为及时进行警告和诱导；使得路网上的交通流处于最佳运行状态，达到避免交通拥挤和阻塞，提高高速公路通行能力、安全性和运输效率得目的。交通动态信息的及时，准确、有效的提取是解决上述问题的根本条件嘲。随着智能交通的高速发展，车型识别在自动收费代替人工收费等方面也具有相当的现实意义，这使得我们有必要对车型与感应频率的对应关系进行相关的研究。而车辆检测系统是提取交通信息的基本组成单元。本课题的研究是在现有车辆检测系统的基础上，针对当中测速不准的首要问题，制定了研究车型与车检器感应频率对应关系的方案。根据研究的需要，设计了一种高分辨率、高精度的硬件频率采集工具，通过频率检测的方法获取了大量实测频率数据。通过对这些实测数据的分析，找出了各种类型车辆经过线圈上方时，感应频率的变化规律，同时，验证了现有车型识别理论的可g行性，为车型识别提供了一些事实依据试验发现：大货车经过线圈上方时，车检器容易给出多个脉冲信号本文简单分析了其原因，并对现有车检系统提出了一点软件改进方法，以改善测速的效果。在分析出车型和感应频率的对应关系的同时，保留了大量的实测数据，为他人进行相关研究提供了真实数据资料。除此以外，本课题研究还针对现有车辆检测系统中的其它弊端，进行了理论分析和实际测试，并且提出相应的改进方案，以便使现有车辆检测系统可以更加有效、准确、方便的工作。上述研究对车辆检测系统的有效使用是具有重要的现实意义的，对车型识别理论的可行性也进行了实际的验证。除此，车检器振荡频率的实测数据对于相关领域而言，也是非常宝贵的信息资源。当然，新设计的高精度、高分辨率的频率采集工具在频率采集领域的应用也是具有极大的现实意义的。最终希望通过这些研究对智能交通的发展也能作出一点微薄的贡献。9第2 章现有车辆检测系统原理介绍2 1 现有车检系统整体介绍2 1 1 车辆检测系统整体框架现有车辆检测系统主要由车辆检测器、单片机控制单元、上位机服务器、摄像机和闪光灯等几部分组成。主要功能为：检测车辆存在、检测车辆运行速度、抓拍车辆图片信息。本系统的整体框架如图2 1 所示：线圈图2 - l 系统整体框架本系统的基本工作原理如下：单片机控制单元同时监控两个通道的车辆检测器。当车辆检测器有脉冲信号输出时，单片机控制部分通过i s a 总线将此脉冲信息以及相对应的时间信息传输给上位机服务器。上位机服务器通过分析所接收到的信息，计算出车辆行驶速度，与此同时，发出相应的反馈信号给单片机控制l o系统，单片机控制单元通过对反馈信号的识别，控制闪光灯进行同步闪光，使其配合摄像机抓拍工作在此期间，摄像机自动抓拍车辆图片信息，并传输到上位机服务器进行图片保存。整个系统中，最基本而且最重要的组成单元之一则是目前非常通用的环形线圈车辆检测器【9 l 。车辆检测器输出信号的正确与否，直接影响整个车辆检测系统检测的准确性和可靠性。2 1 2 车辆检测系统中脉冲检测部分软件结构在本车辆检测系统中，当有车辆到达和离开线圈时，车辆检测器会给出相应的脉冲信号。单片机控制部分识别到脉冲信号，并记录脉冲上升沿和下降沿对应的时间值，以便计算出车辆运行速度，其软件结构图如图2 - 2 所示：中断入口定时器定时1 m s累加时间寄存器读脉冲信号否芝有竺吵v f磊霸心是下降沿? 时间寄存器清o读取时间寄存器叟v 虐读取时问寄存器廷皇兰读取时间寄存器i读取时问寄存器返回图2 - 2 脉冲检测软件结构图由脉冲检测部分的软件结构图可以看出，在程序中，当检测到第一个线圈对应的车辆检测器发出的下降沿脉冲时，清零时间寄存器，即表示此时刻为系统的零时刻。每次只要检测到任一车辆检测器发出上升沿或者下降沿脉冲，都记录此时刻的时间值。由车辆检测系统整体结构图2 1 可以看出，在实际的线圈安装过程中，每一车道按照先后次序，依次安装线圈l 、线圈2 、线圈3 、线圈4 。通常情况下，车辆经过同一车道过程中，会依次经过经过线圈l 、线圈2 、线圈3 、线圈4 ，这样每个线圈对应的车辆检测器会依次给出相应脉冲信号，单片机控制部分可以正确记录车辆到达和离开每个线圈的时刻值。但是在实际情况中，某些时候车辆经过线圈的位置不好或者其它原因，车辆检测器可能不会给出脉冲信号，或者给出多个脉冲信号。在上述情况下，按照上面的软件结构，程序会进入非正常状态，那么单片机控制部分将无法正确记录车辆到达和离开每个线圈的准确时间。进而，车辆检测系统将无法计算出车辆行驶的准确速度。更为严重的情况是，单片机控制部分的软件系统可能崩溃。这使我们有必要对环形线圈车辆检测器的工作状态进行相应的研究，找出其工作的规律。2 2 车辆检测器介绍2 2 1 车辆检测器的分类车辆检测器作为智能交通系统的基本组成部分，在智能交通系统中占有非常重要的地位。它通过数据采集和监测设备等方式，实时、有效地提取出车辆数量、车辆速度、车辆型号、道路占有率等交通参数，并传输到监控中心，对各种信息进行相应的管理和处理。目前国内使用的车辆检测器主要分为以下3 种：( 1 ) 交通微波检测器。交通微波检测器是一种工作在微波频段的雷达探测器，它通过向行驶的车辆发射调频微波，波束被行驶的车辆阻挡而发生反射，反射波通过多普勒效应使频率发生偏移，根据这种频率的偏移可检测出有无车辆通过。( 2 ) 视频检测器。以视频图像为分析对象，通过对设定区域的图像进行分析，可以得到交通信息，主要包括：车流量、平均车速、占有率、车型等。( 3 ) 环形线圈感应式检测器。主要通过检测线圈感应频率的变化量来识别车辆的存在。其主要由四部分组成：环形线圈、传输馈线、检测处理单元及背板框架。2 2 2 环形线圈车辆检测器的结构环形线圈感应式检测技术是指由环形线圈作为检测探头的一套能检测到车辆通过或存在于检测区域的技术。环形线圈感应式检测器通常由四个部分组成：环形线圈、传输馈线、检测处理单元及背板框梨。其基本工作原理是：由传输馈线连接的环形线圈与检测处理单元内电容组成初级谐振电路，环形线圈就相当于谐振电路中的电感元件。谐振电流通过环形线圈时，在其附近形成一个电磁场。当主要由铁质材料物质组成的车辆进入这个磁场时，车身金属中感应出涡流电流，涡流电流使磁场的磁力线减少，谐振电路中的环形线圈电感量随之降低，引起电路调谐的频率上升检测处理单元就是通过检测振荡频率的变化或者是相位偏移量，检测出电感量的变化，给出一个检测到车辆的输出信号检测环形线圈电感量的变化一般具有两种方式：一种是利用环形线圈构成回路的耦合电路对其振荡频率进行检测。在这种方式中，线圈感应频率既可以通过频率比较，然后放大输出模拟量，也可以经过单片机处理后，输出数字量，其检测原理如图2 - 3 所示；图2 3 环形线圈频率检测方式结构图从上面介绍的检测方式可以看出，在微处理器的参与下，输出电路将脉冲信号以模拟量或者数字量( 脉冲) 输出。模拟量输出可以用来判别车辆类型，数字量( 脉冲) 输出可以用来计流量或者测速1 3另一种是利用相位锁存器和鉴相器，对相位的变化进行检测，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频率，从而振荡器反应车辆通过时的信息，其检测原理如图2 - 4 所示【1 “。图2 4 环形线圈相位检测方式结构图2 3 环形线圈车辆检测器的工作原理2 3 1 车辆检测器振荡回路原理分析目前比较流行的环形线圈车辆检测系统是在同一车道的道路路基段埋设l组( 2 个以上) 感应线圈，每组感应线圈与一个车辆检测器( 或者多个车辆器)相连。环形线圈检测器的线圈一般由多匝金属线绕制而成，并将其埋设到路面下。整个检测电路由检测单元和环形线圈共同组成，此电路的电感主要取决于环形线圈，并与车辆检测器的振荡回路一起形成l c 振荡回路或者三点式振荡回路。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，车辆行至线圈上方时，由于互感作用，车体板产生自成回路的感应电涡流。根据愣次定律，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，这使得环形线圈的电感量变小。但是，车辆在环形线圈的附近出现却增加了线圈周围的磁导率，这使得线圈的电感量有所增加。但这种作用较涡流的作用要小很多，其二者的合成效果表现为环形线圈的电感量变小。根据l c 振荡电路的振荡原理，电感量的变化使得振荡频率发生变化。因此，通过振荡频率的检测可以间接检测出振荡回路中电感量的变化情况，进而可以检测出车辆的存在【嘲。车辆检测器的谐振回路部分主要采用l c 振荡电路，l c 谐振回路分为并联1 4谐振和串联谐振两种类型，其基本特性如下：如图2 - 5 所示是一个l c 并联回路，其中r 一般情况表示为电感回路的等效损耗电阻，i 。是输入电流，i c 为流经电容c 的电流，i l 为流经电感的电流1 3 1 。图2 - 5l c 并联谐振回路lr从图中可以看出，l c 并联谐振回路的等效阻抗为：z ：壶竺：竺!l + r + j lj m c通常r c o l 所以2 1 式简化为：；= 歪：竺：墨! z 丛一= = 二_ 二一且+ j ( a , r 一磊1 ) r + j ( o j l 一专纬= 主孑或者五= 丽1( 2 1 )( 2 3 )( 2 ) 谐振时，回路的等效阻抗为纯电阻性质，其值最大，即毛：l 二( 2 4 )毛2 丽( 2 4 )从公式2 3 可以看出影响频率，的因数只有l 和c ，而在环形线圈检测器振荡电路中，c 固定不变，那么环形线圈的电感量变化直接决定了振荡回路中频率1 5的变化。除了并联谐振回路以外，串联谐振回路也是环形线圈车辆检测器常采用的方式。其电路原理图如2 - 6 所示【1 4 1 ：图2 6l c 串联谐振回路lr串联谐振回路的的输入阻抗z ( _ ，国) 表示如下：z ( 肋) = r4 - 肋l 一南( 2 5 )由公式2 5 可以看出，当阻抗虚部为0 的时候，z 的模最小，回路发生谐振，l i p a o l - 丢虿= 。为串联谐振回路的谐振条件由此我们可以推出串联谐振回路的角频率和频率分别为：1l2 赤五2 东高( 2 6 )从上面对串并联谐振回路的原理分析可以得出以下结论【1 5 】：( 1 ) 在并联谐振回路中，当外加频率等于其谐振频率时，其电路阻抗呈现纯阻性，且有最大值。( 2 ) 在串联谐振回路中，当外加频率等于其谐振频率时，其电路阻抗呈现纯阻性，且有最小值。从对上面两种谐振回路的分析可以看出：当环形线圈上方没有车辆经过时，l 、c 不变，谐振回路的频率值是没有变化的；当有车辆经过环形线圈上方时，线圈受到铁质影响，改变了线圈的电感量l 的值，从公式2 6 可以看出，电感量的改变直接改变了系统振荡频率，当车离开线圈上方后，电感量恢复初始值，频率也恢复原值。在车辆经过线圈的过程中，只要能有效采集到振荡回路频率的变化特性，那么就可以清楚地反映出电感l 的变化情况，间接地说明车辆地存在2 3 2 车辆对线圈感应频率的影响分析从上述介绍的l c 振荡回路的基本原理可知，车辆通过环形线圈时，系统的电感量减少，使系统的振荡频率上升。但是不同类型的车以及车的不同部位经过线圈时，频率的变化值是不同的。借鉴国内外同类产品的相关数值及其它研究人员的测量参数，可以得到车辆通过线圈上方时，回路振荡频率的变化趋势如图2 7 所示1 1 6 1 ：l 。j 。l；：画近力j ：t 2t l图2 - 7 车辆通过线圈感应频率变化图图2 - 7 中t l 和t 2 分别为车辆到达线圈和离开线圈对应的时刻。当车辆经过线圈上方，涡流效应会使线圈的电感量发生变化，电感量减小，系统振荡频率上升。在整个车辆通过线圈过程中，车辆本身铁质分布得不均匀，使得频率不断变化，但是从总体上分析可以得到，车辆进入线圈过程中，振荡频率呈上升趋势，车辆离开线圈过程中，振荡频率呈下降趋势。车辆相当与一个具有电感l 和电阻r 的短路环，此短路环通过互感磁链m 影响谐振回路的磁通量，l p 和r 是环型线圈的电阻和电感，设环型线圈的电压为u d ，且= 瓦s i n c o t ，和为回路电流。环形线圈与车辆的等效电路如图2 - 8 所示【1 - q ：1 7es i n图2 8 环形线圈与车辆的等效电路图由图2 - 8 得到下列方程：墨+ 鲁一m 警= 瓦s i n 耐l 警+ 见一m 鲁= o联立上面方程组，解得( 2 7 )( 2 8 )扣磅孺高焉亿9 )由此可得线圈的等效阻抗为z = 每= 彤+ 瓦( - ( o m 而) 2 r a + ，研。一瓦( ：t m + ( ) 鸲2 & j l ) 。：，1公式2 1 0 的虚部为等效感抗，其等效电感为三= 工，一 黼( 2 1 0 )( 2 1 1 )公式2 1 l 中，与车辆的磁导率有关，器与涡流效应有关。从上述分析中可以看出，车辆的磁导率和涡流效应共同影响回路的电感量。车辆经过线圈上方时，车辆磁导率使电感量增加，而涡流效应使电感量减少，但是磁导率相对涡流效应而言，影响较小，因此车辆经过线圈上方时，回路总的电感量是减小的。车辆在经过环形线圈时，线圈的磁通量改变的大小主要由铁质和地面的距离决定。不同类型的车辆通过线圈时，对其磁通量的影响是不同的。大型车车体底t 墨盘比较高，通过线圈时，对其磁通量影响较小，相应的振荡频率的改变量也会比较小。而小型车底盘比较低，通过线圈时，对其磁通量的影响比较大，相应的振荡频率的变化量也会比较大。无论是何种类型的车辆通过线圈，其总体频率变化趋势如图2 7 所示。2 3 3 双线圈( 多线圈) 检测方法分析多线圈检测方法的分析过程同双线圈检测方法的分析类似，这里就双线圈方法展开讨论。双线圈检测是在同一车道的路面下前后一定距离铺设两个环形线圈，其示意图如图2 - 9 所示： 一v图2 - 9 环形双线圈检测示意图从图2 - 9 看出，前线圈的长度为s l ，后线圈的长度为s 2 ，两个线圈之间的距离为s 。，车头达到前线圈前沿的时刻为t l ，车头达到后线圈前沿的时刻为t 2 ，车尾离开后线圈后沿的时刻为t 3 。车辆经过每个线圈时，相应振荡回路的频率就会发生变化，车检器根据频率变化给出2 个脉冲信号，单片机控制单元通过识别脉冲前沿信号，记录脉冲上升沿对应的时间值。由公式2 1 2 计算出车辆的行驶速度：矿：孚粤( 2 1 2 )五一五、假设车辆长度为，由公式2 1 3 可以测出车辆长度：1 9墨+ 岛+ + ，= v t r , 一石)则，= 矿( 乃一石) 一墨一s ：一&式2 1 4 给出了车辆长度的计算公式。2 4 环形线圈的应用范围及意义( 2 1 3 )( 2 1 4 )车辆检测器设备的发明和应用，起源于交通控制系统对交通数据的检测要求。通常用于检测交通流量、占有率等交通参数，为交通控制系统提供各种实时交通流信息，其可靠性、准确性和灵敏度直接地影响着交通控制系统运行的准确性、可靠性和有效性。环形线圈感应式检测器设备自应用以来，在世界范围内的城市交通控制系统中，一直是首选的车流量信息检测手段。它具有性能稳定可靠、灵敏度高、数据准确，对周围环境条件要求也不苛刻等优点，而且具有较强的发展空间。目前，环形线圈感应式检测器设备主要应用于交通数据信息采集系统、交通信号控制系统、交通诱导及停车管理系统。由于城市智能化交通运输系统理论的建立，为交通流信息检测技术的应用和发展提供了良好契机。由于模糊数学技术对模拟信号处理的智能化处理，环形线圈感应式检测器可以在建立车辆分类信息数据库的基础上，在隧道自动控制、自动识别收费系统上有更广泛的应用前景0 8 l 。2 5 目前车辆检测系统存在的问题现有车辆检测系统经过调试，已经投入使用，在大多数情况下，系统可以满足车流量检测等基本要求，但是对于测速、测占有率和车型等一些特殊情况，系统本身还存在着一定的缺陷：( 1 ) 车辆检测系统首要问题是测速不准，特别对于大型车辆通过线圈过程中，车辆检测经常出现误检，导致系统无法正常运行；( 2 ) 车辆检测系统中单片机控制部分采用i s a 总线与上位机服务器进行通信，i s a 总线为内插方式，不便于系统灵活使用和维护：同时，在i s a 总线通信方式下，上位机服务器c p u 占用率比较高，不利于系统长期稳定工作；( 3 ) 在夜间摄像机抓拍过程中，车辆检测系统采用了外部闪光灯辅助照明，但是经常出现闪光和抓拍不同步情况，造成抓拍到的图片效果不好，不利于图片处理。针对目前车辆检测系统中出现的上述问题，我们进行了相应的理论分析以及实测数据分析，总结出一些解决方法，使本车辆检测系统可以更加可靠、有效的工作。2 6 本章小节本章首先对现有车辆检测系统的整体构架以及当中的软件控制方法进行了介绍，使得对现有车辆检测系统的工作原理有了基本的认识。其次具体介绍了环形线圈车辆检测器的工作原理，主要包括了l c 振荡回路的原理分析和车辆经过线圈上方时对车检器振荡频率的影响分析。通过上述分析，可以从总体上了解车辆检测器的基本工作原理，也使得在此方面进行相关研究有了相应的理论知识。本章最后提出了现有车辆检测系统在实际使用过程中的一些问题，以便分析、解决这些弊端，使车辆检测系统更加可靠、有效的工作。第3 章频率采集工具的设计3 1 采用硬件频率检测的原因由前面的介绍可以看出，目前的环形线圈车辆检测系统存在着一些不足，其中最大的不足是测速不准。车辆检测系统在检测过程中，有时会出现测速不准的情况，特别是大型车辆经过的时候。理论分析可知，当车辆经过线圈上方时，环形线圈车辆检测器在同一车辆经过同一线圈过程中，应该给出一个完成的下降沿脉冲信号，但是实际上可能给出多个脉冲信号或者没有脉冲信号。根据测速原理，脉冲信号的准确度直接影响车检系统的测速准确度。由公式2 1 l 可以看出当车辆经过线圈上方过程中，电感量的改变由涡流效应起主导作用。而车辆在经过环形线圈时，线圈的磁通量改变的大小主要由铁质和地面的距离决定。那么不同类型的车辆对电感量的影响也是不同的。而大型车辆底盘比较高，对线圈的磁通量影响较小，相应的振荡频率的改变量也会比较小，而且由于大型车辆的车身材料分布不均匀，会引起车辆通过线圈的过程中，频率的变化不稳定，这些情况都有可能造成误检的发生。通过上述分析可以知道，如果要解决误检的问题，首先必须分析清楚车辆经过线圈上方过程时，车辆检测器感应频率的变化规律。通过研究感应频率曲线的变化规律，来分析车型和感应频率的对应关系，找出车辆检测器非正常工作的真实原因，最终解决误检的问题。在目前的频率采集工具中，最为广泛而且简单的采集工具是由单片机加外围电路组成的。具体方法是利用低端单片机内部的定时器和计数器作为定时、计数工具，定时采取脉冲信号，并同时记录脉冲个数，进而计算出线圈振荡频率。但是由于低端单片机的性能限制，其工作周期均在微秒级，这使得频率检测的分辨率、采样密度和精度普遍不高。针对检测车辆通过线圈整个过程需要高分辨率、高密度进行频率采集的要求，设计了一种采用纯硬件方式采集频率的检测工具。此频率采集工具的分辨率比普通单片机频率检测系统的分辨率提高了l o 倍- - 4 0倍，而且具有较高的采样频率，满足采集车辆检测系统振荡频率的基本要求。3 2 频率采集方法的介绍目前，在技术领域中已经采用的频率采集方法种类很多，这里将主要分析其中4 种最基本且最常用的采集方法【1 9 1 。3 2 1fi l l 率检测法此法是指在阀门时间( 固定时间间隔) 内，采集脉冲并记录被采集到的脉冲个数，然后间接计算出脉冲频率。设阀门时问为t , l t i l f - i 时间内采集到的脉冲个数为n ，脉冲频率为，则可以根据公式3 1 计算出脉冲频率：厂= 等( 3 1 )在公式3 1 中，s 为频率被测量，t 为阀门时间，n 为每次阀门时间t 内采集到的脉冲个数。可以看出，的准确度，受采集到的脉冲个数的准确度影响。从图3 1 可以看出，此种采集方法存在一定误差：麟12n脉冲阀r _ 】t由f 频率法的时序图可以看出，阀门时间t 的结束时刻t 和最后一个脉冲的结束时刻t n 并不一定一致。由公式3 1 可以看出，n 为t 时间内的脉冲个数，而脉冲个数为整数值，这样的话，对于结束边沿未对齐的脉冲计数，将会出现脉冲误差，进而影响到测量精度在对精度要求高的情况下，厂法将不能满足测量要求，这便是厂频率法的不足之处。但是厂法的优点在于测量思路非常简单，资源要求较低其计数个数的误差为p = 万1 = 7 1 万，由此可以看出，对于被测脉冲频率，较高的情况下，脉冲结束边沿与阀门时间结束边沿虽未对齐。不会对测量结果造成太大影响；或当阀门时间t 设置比较长时，计数脉冲个数n 将会增加，此时，计数误差c 将变小，那么，计数误差对系统造成的影响也将随之变小。由此可以知道，频率检测法用于频率，高，或者阀门时间t 长的场合。3 2 2t 频率检测法t 频率法称为为周期测量法，是通过测量单个脉冲宽度，即直接测量脉冲周期，间接计算出脉冲频率。具体方法是通过识别被测脉冲的上升沿和下降沿，记录被测脉冲在一个周期中计数脉冲的个数。设被测脉冲的频率为，周期为t ，计数脉冲的周期为t ，计数脉冲的个数为n 则通过公式3 2 可以计算出被测脉冲的周期。r = f ( 3 2 )则厂= ；= 南( 3 3 )由公式3 3 可以看出，在计数脉冲周期t 一定的情况下，被测脉冲的频率，跟计数脉冲的个数有直接关系。那么被测脉冲的误差大小也直接受到计数脉冲个数的影响，其误差可以从图3 2 中看出。被测脉冲计数脉冲图3 - 2t 频率法时序图t _ ：t由t 频率法的时序图可以看出，被测脉冲的结束时刻t 并不一定和计数脉冲的最后一个上升沿时刻t n 对齐，这样，被