（电力电子与电力传动专业论文）环形线圈车检器防误检技术研究.pdf

关键词：车辆检测，环形线圈，误检，改进阈值法 t h er e s e a r c ho fe 啪rd e t e c t i o np r e v e m i i l g1 e c h n o l o g y f o ri n d u c t i v el o o pv e h i c l ed e t e c t o r m a j o r ： n a m e ： h u a l l gy o n g q i a l l g s u p e r v i s o r ：j i a n gn i a n d o n g z h a n gh = u i a b s t r a c t i i lo r d e rt 0p r e v e n t 咖rd e t e c t i o np r o b l e mo fi 疵i u i c t i v el o o pv e m c l ed e t e c t o r ， e s p e c i a l l y 也em u l t i p l ed e t e c t i o np r o b l e mo fo n el 缸g e l ：l i c l e ，t t l i sp 印e rc a r r i e d0 u 毫 s o n l ee x p e 血n e n t si i ls e a i c ho fi t sc a u s e s ，锄dt 量圮np r 0 p o s e sa ni i l t e g 眦e ds o l u t i o n w h i c hi sb a s e do nan e wd i e t e c t i o na 1 9 0 r i t h i na 1 1 do n es p e c i a l l yd e s i 阻1 e dl l i 强d 、眦 p l a 仃o n l l b ym eh e l po fo u rl a t 0 r a t o 珂sr e s o u r c e s ，o i 伦s u i to fd i a 醇o s t i ct o o lh 嬲b e e na b l e t ob ee s 钮b l i s h e d t b i sp a p e rh 嬲u t i l i z e dt 1 1 i ss u i to ft o o lt oc o l l e c t 砒l da n a l y z ea 印哈a t d e a lo fe x p 洳e n t md a 饥a i l dt h e nc l 船s i f i e dm o 锄rd e t e c t i o l l sa n ds 咖a r i z e d m e i rp 硒a r ) ，c a 嘴e s b a s e do nt h e 锄【a l y s i so fb e f o r e m 训o n e de 珥吼- i m e n 魄i ti sl e 锄e dt l l a tn l e s i n g l e 廿l r e s h o l da l g o r i t h i na d o p 惦db yc u r r e n td e t e c t o r sc o u l e i i l tm e e tt h ed 钮瑚m d so f c o 如【p l i c a t e dd e t e c t i o ne i l v i r 0 珈m e m s ot l l i sp a p e rb 血g sf o w y a r ds u c hi n l p r o v e m e n t s ： 硒f 0 rt h ed e t e c t i o no fv e l l i c l e s 蕊v a l ，i ts t i l lu s e ss i i l g l e 也r c s h o l da l g o r i 吐l m ；勰f 0 r t h ed e t e c t i o no fv e l l i c l e sd e p 砒t u 他，i tu s e sf l a te 幽a t i o na l l g o r i m m w h e nav e l l i c l e d 印a r t s 舶m 也el o o pa r e a st a i l ，m e1 0 0 p 丘e q u e l l c yw o u l dc h a i l g e 舶mb l 胍p y t on a t t l l i sp h e n o m e n o ni st h em a i l l l yp r i 】i p l eo ft i l ei n l p r o v e d 甜9 0 r i 廿l m ni ss i m p l e ，e a s y t i ob en 糊p l 锄t e da n de n 0 rd e t e c t i o np r e v e n t i n g i no r d c rt 0s o l v et l l a tp r o b l e mi n 托a lv e m c l ed e t e c t i o n 州r 0 衄e n t ，ai 删 i n d u c t i v el o o pv e b i c l ed e t e c t o rh a sb e e nd e s i 擘皿e d c o m p a r e dt 0c l 硼e 】吐d e t e c t o r s ，i t n o to i l l yi m e g r a t e st h ei l n p r o v em 】陀s h o l da l g o r i t h m ，b u ta j s op r 0 v i d e sar s - 2 3 2t e s t p o r t i tc o l l l dc o 删c 如、) i ，i t hd i a g n o s t i c a 硼鹏0 np ct l l r o u g l lt l l i sp o r t ，w k c h w o u l db e n e f i t t e s t i n gw o r k 珈l u c h f 证a l l y ，t l l i sp 印e rh 嬲i m p l e m e m e dt w og r o u p s 麟p 渤e n t s o n ew 弱 a c c o m p l i s h e di ne x p e r i m e n ：t a le r i v i r o n m e n t ，趾dm eo t h e ri nr e a lv e k c l ed e t e c t i o n e n 们r o n m e ml o c a t e do n0 n e 丘e e 、v a yt h ef o m e ro n et e s t e dt h ee r r o rd e t c c t i o n p r e v e n t i n gp e 响燃o f 此嘲p r o v e da l g o 耐m ，锄d 锄蛔di t sd e t e c t i o nd e l a y m w k c hi su s e m lf o rm ec o o p e r a ：t i o n 锄o n gi n 小l c t i v el o o p s ，d e t e c t o r s 锄dc 锄e r 嬲i i l d e t e c t i o ns y s t e m t h el a t t e ro n et e s t e dm en e wd e t e c t o r sp e d o m a r l c e ，i n c l u d i n g d e t e c t i o na c c u r a t e n e s s 肌dd e t e c t i o nd e l a yb o t l le x p e n m e n t sc o i l | ! i n n e dt l l a tt l l e i l l l l ) r o v e da l g o 血i l i i lc o u l dp r e v e me r r o rd e t e n t i o n se 位c t i v e l y k e y w o r d s ： v e l l i c l ed e t e c t i o n ；i n ( 1 u c t i v el 0 0 p ；e 仃o r d e t e c t i o n ； h n p r 0 v e dt l l r e s h o l d 舢9 0 r i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 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 写过的作品成果。对本文的研究作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 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：黄客强 日期：z 口g 年6 月2 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构 送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以 采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：袭襁 日期：加绰6 月2 日 导师签名 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师 指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技 术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何 形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其 它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：货束强 日期：z 矽孑莎2 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 车辆检测技术简介 在智能交通系统中，交通信息采集是极为重要的一个组成环节。它为交通预 测、交通指挥与信息服务等提供基础的信息源，是对交通系统的有效监控的前提 条件。 交通信息依其功能可分有三类：交通流、环境干扰与设备状态。其中属于交 通流一类的参数有：车速、道路占有率、车型、交通量、车头时距、车长比、排 队长度等。所谓车辆检测即是对这一类交通流参数的检测。 实时准确地检测道路的交通流信息，在此基础上预测未来道路状况，并由交 通监控中心实施适当的交通控制与诱导。这样就能有效地避免交通阻塞、减少出 行时间与交通事故。 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，再加上成本较为低廉， 是目前应用最广泛的车辆检测器【m 。 1 1 2 环形线圈车辆检测器 ( 1 ) 基本原理 它由三部分组成：作为传感器的环形线圈、传输馈线与检测处理单元。由几 匝的金属导线绕制而成的环形线圈被埋设在路面下，通过馈线与路边装置的检测 处理单元相连接【5 】。 环形线圈、馈线与检测单元的部分电路组成了一个振荡电路。环形线圈是振 荡电路中的主要电感元件，而电容取决于检测单元中的电容器。该振荡电路上电 工作时，在环形线圈周围就形成了一个交变的电磁场。当车辆通过或停在线圈区 域路面时，一方面线圈周围空间的导磁率会因为车体铁磁材料的存在而增加，从 而使得线圈电感量增加，另一方面，车体本身也产生了涡流效应，起到减小线圈 电感量的作用【6 1 。总的来说，线圈的电感量是变化的。通过检测这种电感量变化， 就可以检测出车辆的通过或存在。 嵋。口 车检器输出 小车经过线圈 图卜1 车检器的检测示意图一小车通过时 对应于每一通道环形线圈，检测处理单元通常会有一路相应电脉冲输出。如 图卜l 所示，车检器的正常检测情况是当有一辆车经过线圈区域时，就会触发一 个电脉冲。对于车速检测的应用场合，该脉冲的上升沿通常指示车辆正进入线圈 区域，而其下降沿指示车辆正在离开线圈区域。 ( 2 ) 发展历史 环形线圈车辆检测技术在2 0 世纪6 0 年初即已被投入使用。最初这类检测器是 基于固态模拟电子元器件的，如晶体管、二极管等分立元件，其主要功能是检测 线圈区域上是否有车存在。随着电子技术的发展，在7 0 年代中期出现了基于门、 触发器等分立数字元件的车检器，其性能与第一代的相比有较大的提升。之后几 年，大规模集成电路技术的应用，使得车检器的结构变得更小、更可纠7 】嗍。 8 0 年代之后，伴随着微处理器技术的飞速发展，环形线圈车检器也开始使用 工业标准处理器芯片。通常在它们的外壳面板前面会设有若干个开关，用来调节 频率、灵敏度等参数。由于面板空间原因，有些车检器甚至将一些开关设计在它 的内部。如果要添加附加功能到这类车检器上，只能从硬件上修改。 从9 0 年代中期开始，在国外有些公司开始推出一种基于软件可编程的车检 器。这种车检器带有l c d 面板，具备更多的功能选项，能更好地满足特殊要求。 然而相应地，这类检测的价格也比较昂贵，实际应用不多。 在我国，该检测技术自2 0 世纪9 0 年代初期从国外引进后，经多年的应用和不 断地改进，其产品性能已达到了相当完善的程度。 ( 3 ) 应用领域 车流量检测 环形线圈车检器用于车流量检测，具有检测精度高、配制灵活等优点，其基 2 本原理如图1 2 所示。 l 车道i 匕= = = l 线圈l i _ _ _ _ _ 一， 车道2 仁= = = l 线圈2 j 车流量检测器 图l - 2 双车道的车流量检测 使用时可根据单方向车道数量，灵活配制线圈个数。车流量检测器通过检测 每个线圈在一定时间内的车辆通过量，即可得到该路段的车流状况。通过对一段 时间的统计，还可得到该路段在一天中的流量状况，以及更长时段的车流状况。 车流量检测器可以通过适当的通信网络上报数据【9 】【1 0 1 。 车速检测 采用环形线圈车检器作为车速检测的基本原理如图1 3 所示。 线圈l线圈： 车道l 广= 1 s ， ， 车道2 匕 车速检测器 图1 3 双线圈车速检测 速度的计算公式为v = s t ，其中s 为两个线圈之间的距离，t 为车辆通 过两个线圈的时间差。由于两个线圈之间的距离s 在埋设线圈时已经确定，所以 通过测量车辆离开两个线圈的时间差t ，即可测得车速。例如：埋设时，s = 1 m ， 当车辆离开线圈1 和离开线圈2 的时间差t = 3 0 塔时，即可测得车速为 v = i 0 0 3 = 3 3 3 3 m s = 1 2 0 k m h 【1 1 1 。 交通信号控制智能化 环形线圈车检器应用于交通信号控制系统中，可以大幅提高交通信号控制的 智能化。控制系统通过获取环形线圈上的车流量信息，及时调整道口的车辆放行 3 时间，即可实现交通信号控制的智能化，这对缓解大中城市的交通压力将起到非 常关键的作用。 传统感应控制从实施方式来看可以分为两种：一种是半感应控制，即在交叉 口处将环形线圈安装在次干路上。根据次干路的交通需求进行信号控制，适用于 主干路的交通量明显大于次干路，且次干路交通量波动较大的情况。半感应控制 在工作时，主干路维持绿灯状态，次干路是红灯状态。次干路要获得绿灯信号必 须具备两个条件：环形线圈检测器检测到车辆到达；主干路最小绿时已经结束。 另一种是全感应控制，即在交叉口的所有进口道上均安装检测器。根据所有进口 道的交通需求进行信号控制。全感应控制换相的条件为：检测器没检测到车辆到 达或者累计达到该相的最大绿时【1 2 】。 违章拍照 环形线圈应用于拍照系统，再和其他系统相结合，可实现对各种违章车辆进 行实时拍照。 与交通信号控制系统相结合，可以对冲红灯的车辆进行拍照。基本原理如下： 拍照系统首先从交通信号控制系统获得交通灯状态，如果是绿灯则等待，如果是 红灯，则检测环形线圈的信息，若此时有车辆离开环形线圈就启动拍照。 与车速检测系统相结合，可对超速车辆进行抓拍。车速检测系统在测到有车 辆以超过限速通过环形线圈时，提供抓拍信号给拍照系统，即可实现对超速违章 车辆进行拍照，非常适用于高速公路的超速拍照。 与逆行检测系统相结合，可对逆行车辆进行拍照。逆行检测系统通过对两个 线圈次序的检测，可进行逆行判断，同样可以联合拍照系统对逆行的违章车辆进 行拍具l 【1 3 1 。 ( 4 ) 国内应用现状 就车辆检测而言，环形线圈检测是一种应用时间最久且极富生命力的技术。 在大多环境状况下，基于检测的准确性与可靠性的考虑，环形线圈检测器依然是 车辆检测与监控应用的首选产品。 在我国，环形车辆检测技术的研发和应用起步较晚，目前活跃在市场上的检 测产品有不少是国外品牌，比如西门子、p e e k ，s b h 、n o b t e c h 的环形线圈 检测器。它们大多以代理的形式进入国内市场。国内也有为数不多的厂商生产此 4 类检测器，如北京世纪荣升科技、上海恩维、天津杰泰克、浙江中控、石家庄优 创、上海电器科学研究院等。国外品牌产品技术更为成熟，但价格比较昂贵，缺 少针对国内交通环境的完善的应用方案以及优质的售后服务。因而，虽然国内厂 商起步晚，却有不少优势，其产品的应用也越来越多【1 4 1 。 1 1 3 存在问题 虽然环形线圈车辆检测技术应用历史悠久，其发展已相当成熟，但是在应用 过程中还存在一些问题【1 1 。比如： ( 1 ) 线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，从而使交通暂时受到阻碍； ( 2 ) 埋置线圈切割路面面积比较大，其切缝软化了路面，被雨水浸泡后易造 成整个路面的下陷； ( 3 ) 感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响而损坏，使用寿 命短等； ( 4 ) 由于感应线圈自身的测量原理限制，当车流拥堵、车间距小于3m 时，其 检测精度大幅度降低，甚至无法检测； ( 5 ) 环形线圈车辆检测技术的检测效果好，但有时仍出现误检情况。尤其在 大车经过线圈区域时可能会多次误触发，即车检器连续输出多个电脉冲。 上述前四个问题是该项检测技术固有的，难以从根本上得到解决。本文关注 的是第五个问题，即环形线圈车检器的误检问题。因为车检器的检测效果直接影 响到车流量、车速等交通流参数的计算，同时还影响到相应违章拍照的效果，所 以必须尽量减少误检现象的发生。 以下介绍本文中环形线圈车检器的应用背景，以及其误检问题的影响。 本文在一个高速公路的车辆速度监测系统中应用到环形线圈车检器。该类监 测系统通常由环形线圈车检器、抓拍模块、控制模块以及通信模块四部分组成。 它利用环形线圈来检测车辆速度，当检测到有超速车辆经过并且开始离开线圈区 域时，系统即时启动摄像机抓拍该车的车尾图像，并识别该车的车牌号码，再将 结果送到监控中心。 在实际应用中，监测系统对某些大车的检测结果比较异常。一方面测量到的 车速数据可能在正常速度范围之外，过大或过小。另一方面，系统有时会抓拍到 一辆大车的车身图像，而不是车尾图像。有时会对同一辆大车重复抓拍多一次， 5 头一次抓拍到车身，而后一次抓拍到的有可能是车身，也可能是车尾。显然监控 中心在处理这样的数据时，无法判定该车是否超速，也就没办法做出恰当的超速 处理。 经实验发现，这种错误是由于环形线圈车检器对同一辆车的多次误触发造成 的。在这类情形下，当有一辆车经过时，车检器会在短时间内连续输出多个脉冲。 此时监控系统以为有多辆车连续经过，于是开始计算车辆速度，以及启动摄像头 多次抓拍。由于摄像头的拍摄需要一定时间，因而只能抓拍到一两张图像。与此 同时，计算得到的车速数据也比较异常。 基于上述应用背景，本文将研究环形线圈车检器的误检现象，并重点分析与 解决该类车检器的多次误触发问题。 1 1 4 研究现状 经过多方查找和阅读文献发现，环形线圈车检器一般采用单一阈值的检测算 法。也就是把线圈频率变化量与设定阈值相比，如果超过则认为有车。 现有环形线圈车检器有一些防误检的方法。常见的有以下两种： 实时跟踪环形线圈的基准频率【1 5 1 。车检器在启动时会初始化一个基频变 量，用来存入线圈基准频率值。由于受到路面环境、天气状况、线圈老 化等因素的影响，线圈基准频率会缓慢地变化。如果车检器不更新该基 频变量，会导致严重的误检问题。 提供不同灵敏度级别给用户设置。通常高灵敏度可检测小的移动金属物 体，如自行车、手推车等，而低灵敏度可减少噪声干扰，以及避免对小 的移动金属物体的检测。另外不同应用环境下，对同一类型车辆的检测 也可能需要不同的灵敏度【1 6 1 。 经现场实验发现，这两项技术并不能有效减少上述车辆速度监控系统中的误 检现象。此外，目前还没有文献深入分析这一问题，以及提出相应的解决方法。 1 2 研究意义 环形线圈车辆检测技术凭借着其结构简单、高稳定性与准确性，以及成本优 势，成为现今智能交通领域中应用最广泛的一种检测技术。然而与其它检测技术 一样，它也存在错误检测的问题。而本文着重研究的是，在车辆速度监控系统中 环形线圈车检器对同一辆大车的多次误触发问题。该问题严重影响监控人员的正 6 常判别处理，有迫切得到解决的需要。 本文在以下三方面体现其价值： 对误检现象进行归类分析，发现导致各类误检的原因； 对现有车检器的单一阈值检测算法进行改进，有效地解决多次误触发的 问题； 完成了一款防误检的形线圈车检器的原型设计，在掌握环形线圈车检器 的研制技术基础上有所创新。 1 3 研究内容 分析并解决环形线圈车辆检测器的误检问题，尤其是对同一辆大车的多次触 发问题，是本文研究的核心内容。 为了方便测量与调试，本文设计了一个p c 端的实时显示软件。它与实验室原 有的频率采集工具一块配合工作，能实时而直观地察看车检器的工作状况，从而 有利于实验数据的采集与问题分析。本文通过现场实验深入分析车检器的误检现 象，发现了导致上述误检现象的主要原因。实验结果表明，现有车检器由于固有 算法的制约，无法从根本上减少上述误检现象的发生。 作者针对环形线圈车辆检测技术的特点，在现有车检器原有单一阈值检测算 法基础之上，提出了一种改进阈值检测算法。此外为了实际工程应用的目的，本 文作者将新算法移植固化到一个车检硬件平台，完成一款新环形线圈车检器的原 型设计。最后作者还做了两组实验，进一步验证了改进算法与新车检器的性能。 1 4 论文组织结构 本文共分为6 章，其主要内容如下： 第1 章：绪论部分。简要地介绍环形线圈车辆检测技术的原理、发展历史、 应用情况和存在问题，以及误检问题的研究现状。在此基础上，提出本文的研究 内容及其意义所在。 第2 章：环形线圈车辆检测器的误检问题分析。从环形线圈车辆检测器的工 作原理入手，分析误检问题产生的可能原因。针对该问题分析的需求，进行相应 现场实验。然后从实验结果的分析中得到导致问题发生的具体原因。 第3 章：改进阈值检测算法介绍。在检测算法层面上，提出一种针对误检现 7 象的解决方案。介绍该算法的设计思想，并引用一个实例来说明。 第4 章：环形线圈车辆检测器的设计。介绍自行研制的车检器，主要从硬件 平台和软件设计两方面展开。 第5 章：实验验证。包括两组实验，前一组用来验证新算法的可行性，从其 防误检与检测延迟性能两方面来验证。后一组则是对新车检器的功能性验证。 8 第2 章环形线圈车检器的误检问题分析 2 1 车检器工作原理 2 1 1 车检器结构 环形线圈车检器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器。它通常由三部分组 成：环形线圈、传输馈线与检测处理单元，如图2 1 所示。 图2 1 环形线圈车检器结构图 环形线圈由截面积等于或大于1 5 平方毫米的绝缘的多芯铜导线绕制而成， 其形状和尺寸可以进行灵活调整。线圈的长度取决于车道的宽度。线圈距车道的 边沿至少保持3 0 0 咖距离【1 7 1 。 当线圈与检测器之间相距较近时，馈线与线圈线可用同一根无接头线。当距 离较远，馈线需要单独使用线缆时，可以使用屏蔽电缆。长的馈线可能会降低检 测器的灵敏度，因此应尽可能减小馈线长度。 检测处理单元有盒式和卡式两种，主要由振荡回路模块、检测模块、微处理 器、输出接口等组成【瑚。它的检测输出主要有两种形式，包括l 即可见输出与 电脉冲输出。在通常情况下，如果检测到有一辆车经过，它会输出一个电脉冲信 号。脉冲信号的前沿指示车辆的到达时刻，相应地，它的后沿指示车辆的离开时 刻。 2 1 2 检测原理 环形线圈、馈线与检测单元的部分电路组成了一个l c 振荡电路。在振荡电路 起振之后，环形线圈周围产生交变的电磁场，当车辆从环形线圈上方经过时，由 于车体一般由金属材料构成的，一方面，金属车体的介入使线圈周围空间的导磁 率发生变化，使线圈的电感量增加；另一方面，交变的电磁场使车体内产生涡流 9 效应，使线圈的电感量减少。当车辆检测器的激励频率为1 0 4 0 0 k h z 时，涡流效 应在车辆线圈检测中起主导因素。因此车辆经过最终将导致电感量减少【1 9 1 。 检测器通过检测该电感量就可以检测出车辆的存在，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相位比较器，对相位的变化进行检 测跚；另一种方式则是利用由环形线圈构成回路的振荡回路对其振荡频率进行 检测【2 1 1 。目前实际应用得较多的是第二种方式的车检器，本文也主要研究此类 车检器产生的误检问题。 环形线圈车检器的谐振回路一般采用l c 振荡电路阎。l c 谐振回路分为并 联谐振和串联谐振两类，两种回路的谐振频率与电感都有下式所示关系： 11 蛾2 了蠹或者石2 荔专翥 ( 2 。) 不同类型的车以及车的不同部位经过线圈时，线圈电感量的变化情况是不同 的，于是振荡电路的频率变化值也有所不同。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 2 所示团】： j l 。坛 国口线嗡， v t 2 t l 图2 2 车辆通过线圈感应频率变化图 图2 - 2 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。 车辆相当于一个具有电感和电阻r 。的短路环，此短路环通过互感磁链m 1 0 影响谐振回路的磁通量，0 和足p 是环型线圈的电阻和电感，设环型线圈的电压 为蚴，且蚴= 已s i n 硝，和为回路电流。 环形线圈与车辆的等效电路如图2 3 所示： e s i n 图2 - 3 环形线圈与车辆的等效电路图 由图2 3 得到下列方程： i p 廓+ 鲁一m 警= 已咖研 幺鲁+ 心一m 鲁= o 联立上面方程组，解得 扣碡焉君嘶 由此可得线圈的等效阻抗为 z 专= 哗+ 嚣恐+ m 。一嚣器， 公式2 4 的虚部为等效感抗，其等效电感为 = 上，一糌 r j ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 川 ( 2 - 5 ) 公式2 - 5 中，与车辆的磁导率有关，糌与涡流效应有关。 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 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 2 所示。 2 1 3 参数设置 环形线圈车检器的频率与灵敏度两类参数对检测效果的影响非常大，因而车 检器一般都会有相应的开关以供调节这些参数。 当两个线圈安装十分接近时，其中一个的磁场将会与另一个重叠，并对另一 个的磁场造成干扰。这种现象称之为串扰，它将会使检测器检测错误和死锁。可 以通过设置为不同的频率而消除。为确保相邻线圈之间没有串扰。可以通过把两 个车检器的线圈安装在不同的位置( 两个平行边沿的位置相距大约2 米) ，同时设 置为不同的频率来实现。作为一般的规律，检测器与一个具有最大电感的线圈相 连应该设置为最低频率。线圈电感是随着线圈的尺寸、线圈的圈数和馈线长度的 增加而增加的。 灵敏度开关允许车检器根据车辆检测的不同需要来选择使用。影响灵敏度的 因素有：线圈的长度、线圈的圈数、馈线的长度和线圈下面的金属增强物( 如： 建筑钢筋等) 等因素。同样的，灵敏度选择也要考虑不同自然环境条件的影响。 在选择高灵敏度时，可以检测到小的移动金属物体，如自行车、手推车等。而在 选择低灵敏度时，可以避免对上述小物体的检测，并消除可能的噪声影响。 灵敏度设置不当，容易导致产生更多的误检现象。由于缺少配套的测试工具， 技术人员在现场安装调试检测器时，只能通过观察道路上的通车情况与检测器 l e d 显示状态的对比，再凭借以往经验来估计如何设置这些参数，因而对检测器 的调试存在一定困难。 2 2 各类误检现象 相对于其它种类的车辆检测技术，环形线圈车检器的检测效果是较好的。然 而实际的车辆速度监控系统应用中，有时也会出现错误检测的情况。现在总结一 下常见的误检现象，主要有以下四种： 情形一：检测不到车辆。 情形二：检测到不需检测的移动金属物体，如自行车、手推车等。 情形三：无车经过时，却输出检测到有车的信息。 情形四：对同一辆车的多次误触发。这一现象在大车经过时出现得较多。 造成以上误检现象的原因可能有多方面的幽，比如线圈间的串扰、馈线过长、 接触不良、线圈附近存在含铁量高的金属( 如下水道井盖等) 、某些车辆车体的 特殊性( 如大车的底盘高、车体铁质材料分布不均等) 、车检器参数设置不当等 等。 要减少误检现象的发生，有必要在车检器安装时遵循一定的程序，包括线圈 材料的选择、线圈结构，以及选择合适的路面环境。如果按照正确步骤完成了车 检器的安装，而且系统也能对大部分的车辆进行检测。那么上述误检问题只能通 过调节灵敏度来解决。 事实上，车检器的灵敏度参数设置不当，是前三种误检问题的主要原因。如 果将车检器的灵敏度设置得过低，可能导致检测不到车辆。反之，如果把灵敏度 设置得过高，又容易检测到像自行车等的小物体，或纯粹由于车检器的振荡回路 中出现的噪声影响引起误检。通过适当调节车检器的灵敏度参数，能有效地减少 前三种误检现象。但是，市场上的车检器大多缺少配套的测试工具，难以精确而 直观地对灵敏度参数进行设置。 至于最后一种误检情形即对同一辆车的多次误触发，经由实验发现，无论灵 敏度如何设置，这类误检问题依然存在。本文的主旨即是对此类误检问题进行深 入分析，发现其原因，并尝试提出一种有效的解决方法。 2 3 研究方法 2 3 1 研究工具 环形线圈车检器是通过对振荡回路的频率变化的检测，间接地获得是否有车 辆通过的信息。为了研究车检器误检的原因，需要实时地观察在误检过程中环形 线圈的频率变化情况，以及对应的车检器检测输出。同时还需要将车检器的状态 信息保存起来，供后续分析之用。这就要求有一套相应的研究工具。 不过环形线圈车检器厂商出于技术保密方面的考虑，通常不会向用户提供这 类工具。虽然在市面上也能购买到一些频率计，但是它们一般只能测试单个时间 点的频率数据，不能以曲线形式来反映线圈频率在一定时间内的连续变化情况， 而且它们也不能将线圈频率与车检器的检测输出同步显示以便比较。此外，这类 频率计大多不提供数据保存功能。所以没有现成工具能满足本文的研究需要。 为此，本文作者利用实验室已有资源，整合了一套环形线圈车检器诊断工具。 它由两部分组成：环形线圈频率采集模块与p c 端的实时显示软件。前者主要用于 采集环形线圈的频率数据和车检器的检测输出，后者通过r s 2 3 2 串口总线与该采 集模块通讯，并实时显示车检器的检测状态信息。 该采集模块由上届的一位师兄设计，本文作者对其中软件作了修改升级，以 便能满足它与p c 端软件实时通讯的需要，而p c 端软件则由本文作者完成。这套工 具不但满足了本论文的研究需求，还能帮助技术人员直观有效地设置车检器的灵 敏度参数以减少误检。 环形线圈频率采集模块 图2 4 环形线圈频率采集模块 如图2 4 所示，采集模块以大约1 m s 的采样速率实时采集车检器的状态信息， 包括线圈频率与车检器的检测输出。每完成一次数据采集后，该模块通过r s 一2 3 2 串口将按一定格式打包的采样数据发送给p c 端，采用波特率为1 1 5 2 0 0 b p s 。 采集模块的有效频率测量范围是1 0 k h z 1 姗z ，其分辨率随着频率测量范围而 变化。环形线圈车检器的线圈频率范围一般在2 0 l ( h z 1 0 0 l ( h z 之间，在线圈区域经 1 4 过的车辆引起的最大线圈频率变化量在0 5 i ( h z 2 l ( h z 之间。采集工具的分辨率在 2 0 l ( h z 1 0 0 l ( h z 之内时，约为5 h z ，即能检测到5 h z 的频率变化量。可见，该采集模 块在频率测量范围与分辨率两方面均符合车检器测试要求。 p c 端实时显示软件 图2 5p c 端实时显示软件 如图2 5 所示，该软件一方面能与上述采集模块通讯，动态获取车检器的状 态信息并在相应窗口实时显示出来，同时还将数据保存以文件形式保存在p c 上。 另一方面能把保存的文件数据重新显示在相应窗口，方便实验调试。它支持人工 对车检器的工作状态数据进行分类保存，有利于对检测效果的归类分析。 p c 端软件内部还集成了一个实时检测算法。该算法主要用来解决车检器的误 检问题，至于算法详情，请见下面的改进阈值检测算法一章。将它集成在该软件 中，主要是出于借助本软件平台来调试这个检测算法的目的。其次集成该算法后， 还能帮助计算通行的车辆数目，以及将检测到的与车辆通行时相应的一段线圈频 率曲线标志出来。 软件界面有三个窗口：上面窗口动态显示环形线圈的频率变化情况，其中两 条垂直的虚线分别指示刚刚通过的车辆到达与离去的时刻；中间窗口动态显示车 检器的检测输出信息，其中一个脉冲就指示着车检器检测到了一辆车；下面窗口 用曲线形式表示车辆引起的线圈频率变化情况。 2 3 2 研究对象 本章尝试通过现场测试车检器参数设置对检测结果的影响，以及了解各类车 辆误检的具体情况，进而研究车检器对同一辆车多次误触发的主要原因。 本章研究对象是广东某市高速公路上投入应用的一个车辆速度监控系统。该 监控系统由环形线圈车检器、工控机、c c d 彩色摄像头与c d m a 无线传输模块四部 分组成。系统通过环形线圈车检器对驶过线圈区域的车辆进行速度监控。如果检 测到车辆超速时，系统会马上启动摄像头对车辆进行抓拍。经过一定的数字处理 后，系统将车辆信息通过c d m a 网络传送给监控中心。 系统采用的是盒式的双通道车检器。该款车检器的灵敏度与频率均可调，分 别有高、中高、中低与低四个级别可选。同时它还具有两路绿色的检测指示灯， 当它亮的时候表示检测到车辆。 2 3 3 研究内容 本章研究内容包括以下两方面： ( 1 ) 检查车检器参数设置对检测结果的影响 改变车检器的频率设置，记录相应的线圈频率变化，以及观察其对检测 效果影响。 改变车检器的灵敏度设置，观察其对检测效果的影响。 ( 2 ) 记录各类车辆通行时的检测情况，尤其观察误检时的现象 参照广东省高速公路收费车型分类，将车辆分为小型、中型、大型与特大型 四类，分别记录其检测情况。 2 4 结果分析 2 4 1 参数设置对检测结果的影响 ( 1 ) 改变车检器的基准频率设置 线圈基准频率变化范围在4 0 i ( h z 到6 0 i ( h z 之间，其中中低与低两级的线 圈基频相差很小，如图2 6 所示。 1 6 图2 6 在不同设置下的线圈基准频率 在同等条件下，只改变线圈基准频率不会对车检器的检测结果造成明显 影响。 ( 2 ) 改变车检器的灵敏度设置 灵敏度设为中低或低级别时，车检器检测基本正常。 如图2 7 所示，该图上部分窗口的曲线指示线圈频率变化情况，而下部 分窗口的曲线则指示车检器的脉冲输出情况。出于显示直观的需要，本图采 用m a l a b 软件绘制而成，并没有采用p c 端实时显示软件的界面，下同。 线圈频率曲线图左边有一小噪声扰动，在这里车检器把它忽略掉。相反 地，曲线图中部有一明显波峰状的变化，它由驶经线圈区域的一辆车引起的， 车检器正确检测到了，同步输出一个高电平的脉冲信号。 一5 7 5 芏 斟5 7 爨 匾5 6 5 螂 鎏： 二二二二 i 二二二二 藿。e 吾亏i i i i 嘉亏云吾焉i 掣 图2 7 低灵敏度时的检测效果图 1 7 灵敏度设为中高或高级别时，车检器误检情况比较严重。 如图2 8 ，车检器对一些弱小的噪声扰动也当作是通过车辆引起的，输出 了多个高电平的脉冲。无疑这给监控系统带了不小的障碍。 一5 7 5 望 龉5 7 聪 匝5 6 5 暑j c i 羹：e 三三王互j 三至三三三 蘸 2 0 04 0 0 6 0 08 0 0 1 0 0 0 1 2 0 01 4 0 0 时间( m s ) 图2 8 中高灵敏度时的检测效果图 2 4 2 各种类型车辆的检测情况 在这里先介绍一些名词，以便说明车检器对各类车型的检测过程【2 5 1 。 波峰个数主要指在与车辆通过线圈区域过程相对应的一段线圈频率曲线波形 中波峰的数量，用语言可以描述为“单峰 、“双峰 、“三峰”等。 波峰高度指最高的波峰与线圈基准频率的差值。是车辆的固有特征，它仅与车 辆的含铁量及其铁质分布有关，而与速度等其它因素没有联系。 正波峰指频率值大于基频的波峰，( 简称波峰) ；负波峰指频率值小于基频的波 峰。 ( 1 ) 小型车 小型车经过环形线圈上方时，车辆检测器的工作状态均为正常，没有误检。 如图2 9 所示，有一辆小车经过，车检器正确识别这种情形，输出一个高电 平的脉冲信号。统计表明，小型车的波峰个数一般有1 或2 个，其中以1 个居多， 少量2 个。小型车的波峰高度在1 k i z 1 9 k h z 之间。在车辆到达或离去的时刻， 频率曲线有时会出现负波峰。 翁5 8 j - 蒋5 7 5 聪5 7 爨5 6 5 耋三e 三三三豆三三三 蓥。e 亏i 焉i 吾号i 手亏手磊副 时间( m s ) 图2 9 小型车的检测效果图 ( 2 ) 中型车 中型车经过环形线圈上方时，车辆检测器的工作状态也均为正常，没有出现 误检现象。中型车的波峰个数一般为2 3 个。其波形高度特征分布在4 0 0 h z 到 1 2 l 【h z 之间。同样在车辆到达或离去的时刻，频率曲线有时会出现负波峰。中 型车的检测情形如图2 1 0 所示。 望 僻 爨 匿 缀 | | 三e 三三三豆三三苫 藿。e 丢f 吾i 亍忝i 嘉i 亍i f 矧 图2 一l o 中型车的检测效果图 ( 3 ) 大型车 大型车主要分为大客车与大货车两类。其中大客车不会引起误检现象，而大 货车通行有时会引起误检。 大客车 如图2 1 1 所示，环形线圈车检器对大客车的检测通常无误检。统计表明， 大客车的波峰个数一般5 0 个。其波峰高度在1 l ( h z 2 k h z 之间。线圈频率曲 线有时会出现负波峰。 1 9 望 糌 骚 匦 暑j i i 羹三e 三三三三王j 三三i 蓬2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0 1 8 0 0 时间( m s ) 图2 1 l 大客车的检测效果图 大货车 大货车经过时，线圈频率曲线的特性是这样的：波峰个数为3 1 2 个。其 波峰高度在7 0 0 h z 1 5 k h z 之间。在与车辆到达或离去的时刻，线圈频率曲线 可能会出现负波峰，而且在中间过程中还可能会出现若干个负波峰。 对于大货车的检测，车检器有时会误检。其误检现象可分为以下两类： 第一类误检情形如图2 1 2 所示，在车辆通过线圈区域时，其间有一个波 谷的频率值相当接近基频。车检器认为有两辆车经过，连续输出两个高电平的 脉冲信号。 n 工 瓣 聚 匾 鲻 萋三匕= = 工卫旦= = = 二= 一 篷 2 0 0 4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 01 8 0 0 2 0 0 0 时间( m s ) 图2 1 2 大货车的误检情形一 第二类如图2 1 3 所示，在车辆到达时的前沿与或离开时的后沿，均出现了 一个负波峰，在其间还出现两个负波峰。车检器发生误检，连续输出三个高电 平的脉冲信号，指示有三辆车通过。 窜5 8 上 i5 7 5 爨5 7 蠹5 6 5 x1 矿 - 一一 m ： 一 v l uv 一 5 0 d1 0 0 01 5 0 0z o u dz 5 0 0 时间( m s ) 田 广_ t 1 _ 广1 t 霎j 已二j 二二j 旦堕主= = 工二二d 蕾5 0 01 0 1 5 0 02 0 0 02 5 0 0 时间( m s ) 图2 1 3 大货车的误检情形二 ( 4 ) 特大型车 当有特大型货柜车或油罐车行驶过监控区域时，大多情况下环形线圈车检器 会出现误检现象。此时线圈频率曲线的波峰个数为4 1 2 个。其波峰高度在5 0 0 h z 到1 z 之间。在车辆经过时，经常出现若干个负波峰。 如图2 1 4 所示，车辆到达时的前沿出现了一个负波峰，在其后还出现三个 负波峰。车检器没能正确识别这种情形，连续发出六个高电