（交通信息工程及控制专业论文）基于线圈感应信号匹配的车辆测速技术研究与实现.pdf

摘要 近年来，由车辆超速导致的交通事故时有发生，不仅造成了巨大的经济损失，而 且危害着人们的生命安全。精确检测车辆的速度是治理车辆超速违规行为的一个重要手 段。环形线圈检测器是目前应用最普遍的车辆测速方式之一，而现有的线圈检测器主要 是用于交通信息采集和交通状态分类，在用于车辆测速时存在着测速精度不高的缺陷， 不能很好地满足超速执法的需要。 在综合分析了目前国内外典型的环形线圈检测器的基础上，论文提出了一种基于线 圈信号匹配的车辆测速系统，并给出了系统具体设计和实现方案。该系统将采集到的频 率变化数据进行相关匹配，寻找出其峰值对应的时间即“渡越时间”，从而实现对车辆 速度的检测。该系统可以弥补现有线圈检测器在测速技术上的不足，能有效地提高车辆 速度检测的准确性。 论文介绍了系统的结构及设计原理，并详细讨论了该系统的实现方法、实现过程和 相关的关键技术。 论文首先设计了基于工控机的数据采集试验系统，完成了数据采集软件的设计和相 关的测试工作，并对采集模块中的信号整形电路进行了改进。系统中的数据采集模块由 c p l d 实现。 在此基础上，给出了基于d s p 的车辆测速系统的总体设计方案，初步完成了该方 案的原理图设计，并在软件环境上模拟了信号相关匹配的车辆测速实现过程。 系统的模拟仿真和实验表明，设计完成的硬件系统和相应的软件控制系统能够较好 地解决环形线圈检测器在车辆测速中存在的问题，能够满足超速执法中测速的要求。 关键词：交通参数检测；车辆测速；环形线圈检测器；数据采集与处理；信号匹配 a b s t r a c t t r a f f i ca c c i d e n t si n c r e a s er a p i d l yb e c a u s eo fv e h i c l e se x c e e dt h es p e e dl i m i t ，w h i c hn o t o n l yc a u s eh u g ee c o n o m yl o s s e s ，b u ta l s om a k em a n yp e o p l el o s el i f e t h e r e f o r eh o wt o d e t e c tv e h i c l e sv e l o c i t yp r e c i s e l yb e c o m e sa ni m p o r t a n tp r o b l e mf o rc o n t r o l l i n gt r a f f i c v i o l a t i o n l o o pd e t e c t o ri so n eo ft h em o s tc o m m o nt o o l sf o rt r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n a n dt r a f f i cs i t u a t i o nc l a s s i f i c a t i o n h o w e v e ri th a sl o w p r e c i s i o ni nd e t e c t i n gv e l o c i t ya n dc a n t s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft r a f f i cm a n a g e m e n tt oc o n t r o ls p e e d e x c e e d i n g a f t e ra n a l y z i n gt h et y p i c a ll o o pd e t e c t o r si nd o m e s t i ca n df o r e i g nr a n g e ，t h i sp a p e r d e v i s e sav e h i c l e sv e l o c i t yd e t e c t i o ns y s t e mb ym a t c h i n gl o o p - c o i ls i g n a la n di l l u m i n a t e st h e s c h e m ei nd e t a i l m a t c h i n gt h ef r e q u e n c yd a t ab yc o r r e l a t i o n ，t h e ns e a r c h i n gt h e ”t r a n s i tt i m e ” p a r a l l e l e db yp e a kd a t aa n df i g u r i n go u tv e h i c l e s v e l o c i t yi st h em a i np r i n c i p l eo ft h i ss y s t e m t h es y s t e mc a nc o m p e n s a t et h ed e f i c i e n c yo fp r e s e n tl o o pd e t e c t o r sa n dh a sh i g hp r e c i s i o ni n d e t e c t i n gv e l o c i t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es y s t e ms t r u c t u r ea n dd e s i g n i n gp r i n c i p l e ，e x p a t i a t e st h e d e s i g n i n gm e t h o d s ，d e s i g n i n gp r o c e s sa n dr e l a t e dk e yt e c h n i q u e so ft h i ss y s t e m t h i sp a p e rd e v i s e sad a t ac o l l e c t i n ga n dt e s t i n gs y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a lc o m p u t e r , a c h i e v e ss o f t w a r ed e s i g n i n ga n dt e s t i n g ，a n di m p r o v e st h es i g n a lc o n v e r t i n gc i r c u i to fd a t a c o l l e c t i n gm o d u l ew h i c hi sc o n t r o l l e db yc p l d o nt h et o po ft h e s ew o r k ，aw h o l ed e s i g n i n gs c h e m eu s i n gd s pf o rd e t e c t i n gv e h i c l e s v e l o c i t yi sg i v e n p r e l i m i n a r yd e s i g no ft h ep r i n c i p l ed i a g r a mh a sb e e na c h i e v e d ，a n dt h i s p a p e rs i m u l a t e st h ep r o c e s so fv e l o c i t yd e t e c t i o ni nt h es o f t w a r ee n v i r o n m e n ta tl a s t t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dr e l a t i v e s o f t w a r es y s t e mc a ns o l v et h ev e l o c i t yd e t e c t i o np r o b l e mo fl o o pd e t e c t o re f f e c t i v e l y , a n dc a n s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fv e l o c i t yd e t e c t i o ni nt r a f f i cm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：t r a f f i cp a r a m e t e rd e t e c t i o n ；v e h i c l es p e e dd e t e c t i o n ；l o o pd e t e c t o r ；d a t a c o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g ；s i g n a lm a t c h i n g i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：互水彼 ) t og 年月土e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：互对弋被 导师签名：弘级 m 年乡月e t 2 ，伽3 年月2 - e t 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 交通事故、交通拥挤、能源浪费和环境污染是全世界交通运输领域共同面临的难题， 近年来，由于道路上机动车辆日益增多，引发的交通安全问题日益突出。在资金和土地 等资源的限制下，不能再单纯依靠修路来解决新型的交通问题，应借助现代的“智能”科 技手段，来实现道路交通合理、有效的控制与管理，实施智能化、快速化和信息化的交 通畅通工程。目前在大城市的交通运输中和主要交通干线上，交通安全和交通控制与管 理已成为一项十分重要的课题。在道路交通的安全检测与控制中，对车辆速度的检测是 一项关键内容，因而受到极大重视。 1 1 研究背景和目的 在道路交通中，车辆速度的快慢能够直接影响到该路段面上的车辆运行安全。交通 事故统计表明，在发生车祸的直接或间接原因中，有8 0 - - 9 0 与驾驶员有关【l 】。据相 关资料统计，2 0 0 6 年因机动车驾驶人交通违法导致交通事故造成7 6 3 5 0 人死亡，其中因 超速行驶导致11 8 0 4 人死亡；因酒后驾驶导致3 7 2 6 人死亡；因疲劳驾驶导致1 9 0 9 人死 亡。另据公安部交通管理局关于2 0 0 7 年上半年全国道路交通事故情况的通报的数据显 示，2 0 0 7 年上半年因超速行驶导致4 9 0 4 人死亡，占总死亡人数的1 3 3 。可见车辆超速 仍然是导致事故死亡人数较多的违规行为，因此，如何有效地治理车辆超速的交通违规 行为成为交通运输安全中的一个重要研究问题，也是防治交通事故的一个有效途径，这 就对车辆速度的检测提出了更高的要求。 车辆速度信息的采集是靠各种检测设备来完成的，在相当长的一段时间内，我国用 于高速公路和城市道路的车辆检测器几乎全部是从国外进口的，很少有适合我国国情和 我国交通状况的技术。国内的产品大多是交通部门根据自身的需要，自己研发或联合科 研院所和公司企业为自己量身定制的，这些系统大多是由不同的人员在不同的时期设计 开发的，它们在长期的应用中受到了严格的检验，具有较高的可靠性和稳定性。 随着交通量的增加，这些检测器已无法满足交通量检测的需要，而且它们都存在着 功能单一、结构分散、受环境影响大等诸多缺点，不能提供一个较为完善的交通信息采 集与处理的功能，不具备现代交通发展所要求的高性能、高精度的特点。国产车辆检测 器大多存在着诸多问题，如误检率高、灵敏度低、长时间工作稳定性差等，如何解决这 些问题成了国内众多生产厂家的当务之创2 1 。城市交通的拥挤与安全问题的困扰也迫切 第一章绪论 需要一套完整、精确的车辆速度检测设备；同时，为了减少因车辆超速而造成的经济损 失和保护人类的生命安全，开发这样的设备也势在必行。因此，研究开发适合我国交通 现状和具有稳定性好、测速精度高等特点的检测设备变得尤为重要。 1 2 车辆测速技术的研究现状 为了确保车辆运行安全，车辆速度是对车辆进行准确控制所不可缺少的一个重要参 数。一方面，控制系统根据当前时刻车辆的速度和位置，确定下一步应该采取的动作； 另一方面，由于车辆运行最终要落实到速度和行驶距离上，因此也利用这些参数检验系 统控制的结果是否满足要求。随着高科技的发展，测速系统也不断发展完善，城市交通 的快速发展越来越需要有更高速度范围和测量精度的检测器【3 巧】。 1 2 1 车辆检测技术的发展 车辆检测器是在高速公路面临着严重交通安全问题的形势下出现并发展起来的。最 早接触和使用的检测技术是雷达检测器【6 】。从最初的交通信号控制发展到现在的智能交 通控制，车辆检测技术主要经历了两个发展阶到7 】： 第一阶段是以人工方式为主进行交通检测，主要是通过电话将检测数据告诉管理中 心。这种方式由于人手的限制，对一些观测点只能进行临时观测，观测的数据随意性大、 实时性差、工作量大。随着电视技术的发展，后来对重要路口采用摄像机拍摄，通过人 工方式对图像进行分析，得到有用的数据。这一阶段的特点是成本高，实时性、连续性 差，但人工方式在车型辨识、车牌识别以及事故检测等方面比传感器的检测系统精度高。 第二阶段是采用传感器的交通监测系统对交通信息进行采集，通过采集系统对采集 的数据分析得到有用的信息，通过网络方式将数据传送到交通管理的中心计算机进行处 理。这一阶段所采用的传感器车辆检测技术主要有环形线圈传感器、超声波传感器、压 电和电阻传感器、微波传感器、视频图像处理传感器、红外传感器以及磁场检测器等。 其中环形线圈检测器在美国应用广泛，而超声波检测器在日本也得到了大量的应用。 目前在交通量检测中应用较多的是环形线圈检测器、超声波检测器和视频检测器， 并已逐渐成为交通信息采集的主要技术手段，在交通信息控制系统和交通诱导系统中得 到了广泛的应用【6 1 。 1 2 2 车辆测速技术的现状 测速的方式多种多样，随着机械技术的发展，早期的测速技术主要有机械式速度表、 2 长安人学硕上学位论文 测速发电机型速度表、霍尔数字式转速表以及磁感应式车速里程表等速度表形式【3 l 。它 们结构简单，但由于线路条件、走行部分、制动和起动等因素的影响也不可避免地带来 一些缺点，直接影响到了测量精度。 交通量检测器的出现，使车辆的测速方式发生了变化【8 。13 1 ，并且其技术越来越先进， 其测速方式主要有以下几种 3 , 8 1 ： 脉冲式转速传感器型测速系统 该系统是一种与车辆车轮同步旋转的脉冲发生器，产生与车轮转速成正比的脉冲 数，根据适当比例的单位时间内的脉冲数的计数和显示，即可表示车辆运行的速度。就 脉冲发生器而言，有许多类型，主要有光电式和磁电式两种。 其中光电式脉冲发生器，在转换速度较高的情况下，由于车辆运行中的振动引起的 光脉冲干扰等问题不好解决，现在采用的不多：磁电式脉冲发生器的输出信号易于数字 化处理，满足车辆运行控制系统智能化、小型化的发展趋势，另外由于采用微处理器等 先进技术，在测量精度和可靠性方面有较大提高。 光电管法测速 如图1 1 所示，将光源放在路侧的a 、b 两点，光电管放在路的另- g 0 ，分别接收 由a 、b 两点来的光束。当车辆通过时就会遮挡光束，使接通的继电器移动光笔，在滚 动纸上记下符号。 i 光电管十 口la 2a 3 a 4 口h b 线 一屯 c 线 图1 1 光电霄法测地点车运 如果从a 、b 两点记入的符号能平行于同一滚动纸上，如上图所示，则通过a 点的 第一辆车在a 线上记下口。，第二辆车口：，直至第刀辆车记下口。通过b 点也同样记下 b l ，6 ：，b 。如果已知从口。向b 线的投影口：到6 。的长度，就可以知道从a 到b 所需的 时间f ，记录在c 线上。a 、b 的距离为已知，则即可求出车速。但是，当a 、b 间距离比 较长、自动记录同一辆车时，应为口，6 3 口。么，这时如果有超车现象时，就容易在整理记 录时记为a 3 b 。a 。b 3 ，因此在整理与观测时应注意超车情况。 1 第一章绪论 摄影测量法测速 在道路上借助摄像机或照相机来拍摄照片，并从照片上精确地分析时间与距离的关 系，从而可得出地点车速，一般有照相法和航空摄影法两种方式 i , 1 4 】： 照相法：用电影摄像机连续拍摄或用普通照相机按一定的时间间隔对同一地点拍摄 照片，查点车辆通过地面已知距离的两点胶片格数或照片张数，可以得到行驶的时间， 从而可以计算出车速。该方法简单，可同时测量一个车队的车速，并能消除观测时的误 差。但其安装复杂，同时资料的分析整理费时费工，花钱多，通常只限于科学研究。 航空摄影法：利用1 50 0 0 左右的比例尺，飞行高约10 0 0 m 。航行时速2 0 0 - - 一3 0 0 k m h ， 以便于计算速度的时间间隔( 如5 s 或1 0 s ) 重复5 0 进行拍摄，然后将照片放大到1 10 0 0 比例尺。 如图1 2 所示，设最初在照片l 上a 、b 位置的两辆汽车，在，s 后拍摄的照片2 上移 到4 、b 。，汽车在照片上移动的距离似为d ( e m ) ，照片上的车头间隔为s ：( c m ) ，照片的 比例尺为1 m ，则车速y 和车头时距墨及车头 间隔分别为： 雠l 图1 2 航空照片测速法示意图 y - d 半历志( 单位：k m h ) ( 1 1 ) f1 0 0 0 0 0 、 s 2 芳f ( 单位：s ) ( 1 2 = s 。c 聊而1 ( 单位：m ) ( 1 3 ) 激光测速 激光测速是采用激光测距的原理，相对于雷达测速有效距离远，测速精度高，对测 量偏差角度要求高，导致测速成功率低、难度大。鉴于激光测速的原理，激光测速只能 在静止状态下应用。在静止状态下使用时，司机很容易发现有检测，因此达不到预期目 的，并且激光测速仪价格昂贵。 地感线圈测速 地感线圈测速技术利用电磁感应原理，多用在固定地点的车辆监控系统中，如电子 警察的超速闯红灯违章监控。地感线圈施工量大、周期长、维护困难、更替麻烦，而且 4 长安人学硕士学位论文 地感线圈受路面车辆压后线圈容易损坏。 最近开发一种环形线圈增强技术，使其输出增强若干个数量级，检测精度也大幅度 提高。畅通时，车辆计数误差降低到o 0 1 ；拥挤时，计数误差约为0 2 。若行车方向 与车道斜向时，车长和车速的测定精度也较改进前有明显提高。采用增强型线圈，其模 拟输出信号可以更清晰、形象地显示出车辆的运行状态，有利于识别不同的运行情况【1 3 】。 雷达测速 指由雷达枪向车辆发射微波，根据其反射波的多普勒效应来测定该点的瞬时车速， 即根据运行对象的速度与发射到对象的雷达束往返之间频率上的变化成正比的定律，雷 达测速仪将这种变化转化为车速直接读数。该方法操作简单，设备安装和移动方便，而 且不易被驾驶员发觉，适用于车速高、交通量密度不大的情况，特别适合于治理超速行 车。但其价格昂贵，当道路上交通量大时，由于雷达测速仪的效应有一定的适用范围， 同向车辆过密或对向有车通过均会相互干扰，低速车辆容易产生误差，故不适用于车流 密度大、速度低的路段。另外在多车道上要鉴别所有车辆的速度也是很困难的。 视频测速 视频测速技术是利用车辆图像中车辆的二维位置以及预先测定的一些参数计算出 车辆的实际三维位置，若在一个固定时间间隔内拍摄两幅图像，则可以根两幅图像计算 出车辆的实际三维位置得到车辆在此固定时间间隔内的位移，从而确定车辆速度。视频 测速系统成本低，抗电子干扰，可用于移动和固定，但是它的测速精度低，且需预先进 行测速系统中参数测量，并且国内技术不太成熟。 卫星定位 g p s ( 全球定位系统) 是7 0 年代美国在子午仪系统上发展起来的全球性卫星导航 系统。它能在全球范围内，在任意时刻、任意气象条件下提供连续不断的高精度的三维 位置、速度和时间信息。它可实现三维定位( 经度、纬度和高度) ，并能测出速度。卫 星定位方式具有用户设备简单、精度高和连续实时等优点，有广阔的应用前景。目前许 ； 多国家，包括我国在内，都己经进行了利用g p s 的测速定位试验。 这种测速方式存在两个主要问题是【3 1 ：一是其核心技术由美国垄断，美国只提供精 度不高的民用定位；二是在地形复杂地段，例如在山区和隧道内，由于无线电波传播特 性的影响会产生信号盲区。面对g p s 的垄断和民用性差的缺陷，1 9 9 9 年，欧盟高举“民 用”大旗，开始研发自己的卫星定位系统“伽利略系统”，其最大的优点是在“民用 方面，其定位精度达到6 5 c m 左右，比g p s 的精度提高了1 0 倍以上。 气 第一章绪论 1 3 环形线圈检测器测速技术的现状 衡量一种测速方式的优劣要从测量精度、系统可靠性、小型化和成本价格等诸多方 面综合考虑。由于车辆性能的提高和能控检测、安全防护的需要，车辆速度测量系统的 功能和使用范围越来越广。所以，高性能的测速系统是车辆安全的重要保证，是在当今 条件下需要研究解决的一个重要课题1 3 j 。 1 3 1 线圈检测器测速的技术优势 现行出现和应用的车辆检测器很多，其基本功能主要有二【1 0 】：一是检测车辆的存在 或出现，二是检测车辆的运动或通过。目前，在道路交通中使用技术成熟、使用量大， 且发挥重要作用的车辆检测器主要有三大类【4 ，1 3 ，1 5 2 2 】： 以磁场变化为原理研究和开发的检测器，其研究重点在提高检测器的可靠性和 使用寿命上。这类检测器主要有感应( 环形) 线圈检测器、磁性检测器、地磁检测器、 微型线圈检测器、磁成像检测器和摩擦电检测器。 以对车辆发射波而产生感应为原理研究和开发的检测器，其研究重点在提高检 测器的精度和抗干扰性能上。这类检测器主要有雷达( 微波) 检测器、超声波检测器、 光电检测器和红外线检测器。 以摄像机和计算机为基础的图像识别为原理研究和开发的检测器( 视频车辆检 测器) ，其研究重点是提高图像识别的速度( 实时性) 和精度( 准确性) ，同时降低成本。 视频车辆检测器是一种在传统电视监视系统基础上逐步发展起来的一种新型车辆检测 器【2 3 1 ，目前技术成熟。表2 1 给出了几种主要交通检测器的定性比较。 表2 1几种主要交通检测器的定性比较 比较内容环形线圈超声波光波( 红外)微波视频 检测车道数目 1ll8 8 或更多 检测项常规车速，车存在 常规+ 车长+ 车形 多。多 检测精度较高低 由 高中 抗干扰能力较强弱不强较强强 安装位置及方便需切割路面 方便方便 方便方便 维修影响交通方便方便方便方便 具备智能 不 不不是是 价格偏高低低中高 注：常规：交通量、车速、占有率和车长； 多：常规+ 排队长，横向运动( 转向) 等。 6 长安大学硕士学位论文 从上述比较中可以发现，在现有的车辆检测器中，超声波检测器性能会随环境温度 和气流影响而降低；视频检测器受客观环境影响大；磁性检测器很难分辨纵向过于靠近 的车辆：红外线检测器需要依靠提高功率和降低可靠性来实现高灵敏度；雷达( 微波) 检测器虽然可以适应全天候工作，但其价格昂贵，且不适于车流密度大、速度低的路段。 环形线圈检测器作为目前世界上用量最大的一种检测设备，它具有灵敏度高、数据 检测准确，对周围环境条件的要求也不苛刻等优点。而且其技术成熟，性能优越，并且 某些性能是其它检测器所不能比拟的，其优越性主要表现在【4 , 7 , 1 3 1 ： 适应性强：可改变线圈形状，以适应不同的检测需要。 检测精度高：当车辆边缘在线圈外通过时，检出率约为9 0 。 抗干扰性好：对气象和交通环境的变化表现出较强的抗干扰能力，自动调谐改 善工作稳定性，能适应全天候工作。 故障率较低：其可靠性不低于大多数其它类型的车辆检测器。 性价比高：其技术成熟，开发成本低，性能稳定。 由于环形线圈车辆检测器具有上述优点而被大量使用，并且一直是首选的车流量检 测手段，具有较强的发展潜力【3 训。根据目前的应用情况，我们选用环形感应线圈检测 器作为车辆测速系统的数据采集技术，不仅具有技术成熟、设计灵活、开发成本低以及 开发容易等优点，而且对于治理车辆超速、解决交通拥挤和交通安全等问题都具有十分 重要的意义和应用价值。 1 3 2 线圈检测器测速技术的主要问题 环形线圈车辆检测器虽然具有简单、隐蔽等特点，但也存在着维修不方便、使用寿 命短，并且只能进行单车道测量，多车道情况下需要多个传感器等技术缺点，一直面临 着其它方法的挑战。主要原因是环形线圈车辆检测器自身的功能单一，始终局限于“有 车或者“无车 的检测，而且一直没有获得重大改进，有时会发生“有车判无车 ， “无车判有车的错误。另外，车检数据相对而言还不够直观，有时车辆检测器发出警 告时消息已滞后，或者监控人员担心是数据错误而犹豫往现场设备发出进一步指示，实 际上需要一些可视的监测手段来辅助。 感应线圈由于自身测量原理所限制，当车流拥堵或车间距小于一定距离的时候，其 检测精度大幅度降低，甚至无法检测。国内某些人员曾采用独立单片机测速的方法，使 系统直接接受线圈检测器的输出信号，试图来提高检测精度，但其应用效果还是不理想。 7 第# 绪论 在车辆速度的检测上，由于传统线圈检测器大多存在着上述的技术缺陷，致使其测 速精度不高，一直以来很少有较大的突破。因此利用环形线圈检测器进行车辆测速，要 达到提高测速精度的目的，需要解决以下几个方面的主要问题： 一是如何减小二值化处理结果的波动。由于环形 线圈的工作频率不仅与检测器的灵敏度设置、线圈匝 数和线圈埋设深度等因素有关，还与道路上通过的车 辆类型和种类有关。经过处理后的二值化结果往往会 有较大波动( 如图13 ) ，这样可能会丢失有用的原始 数据信息，给车辆测速的数据处理带来了困难，崮而 很难精确检测出车辆的速度，因此必须使二值化处理 的结果波动降到最小。 二是如何消除车辆“误触发”。传统线圈检测 器都是以独立的单个线圈为研究对象的，当有车辆经 过不同线圈边缘时会发生“误触发”( 如图l4 ) 这 时检测器无法判断该触发是否是由通过同一车道上 的同一辆车所引起的，这也给车辆测速的实现带来了 l ：厂 j 广 图1 3 二值化处理。波动”示意图 圈1 4 “误触发”示意图 困难，也会导致速度检测的不准确性，因此要想方设法消除这种“误触发”的干扰。 三是如何解决环形线圈检测器锁死的问题。由于各种各样的原因( 比如干扰) 会使 车辆检测出错甚至锁死，为了避免检测器艮期被干扰锁死，国外检测器生产厂家曾采用 过“定时复位”的方法。这样的效果会导致从锁死开始直到“复位”的一段时间内的流 量数据被丢失另外如果确实有车辆停滞在环形线圈上，那么因为被卣日“复值”而失 去了车辆停滞的信息。因而很难做到准确地统计车流量，更难精确地对车辆速度进行检 测。 1 4 本文研究的主要内容 论文中提出的基于线圈感应信号匹配的车辆测速系统可以将多路线圈检测的功能 有机地结合起来，能够集数据聚集与处理于体。出于同车辆经过同一车道上两个性 能相同的线圈时引起的频率变化波形是相似的，利用波形相关性，u 丁以从根本卜解决 “误触发”所造成的判断不准和对信息处理不精确等难题，可以准确地计算出目标车辆 经过线圈的时间，从而达到了对车辆速度精确榆测的目的。论文的研究内容主要包括以 8 长安大学硕士学位论文 下几个方面： l 、车辆测速技术的选择与系统的总体方案的设计。 在目前的交通检测应用中，车辆测速技术的方式很多，而性能又各不相同。结合实 际的应用情况，并从技术优势和实际意义等方面考虑，选定环形线圈检测器作为车辆测 速的检测技术并提出了系统的总体设计方案。 2 车辆测速的实现原理及其关键技术。 车辆测速是一项综合性的技术，在分析环形线圈检测器原理的基础上，介绍了基于 线圈信号匹配的车辆测速原理，并详细地讨论了振荡频率采样技术的原理、数字信号处 理技术的选择和车辆测速算法的实现原理等关键技术，为后续研究工作的进行打下了坚 实的基础。 3 、前端数据采集电路的设计。 数据采集是车辆测速实现的一个前提，传统线圈检测器的设计过于复杂，不利于更 改。为了便于测试和精简设计，结合实际检测功能的需要，并从开发周期和开发成本等 方面考虑，系统采用复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 来完成和实现前端数据采集电路的设计。 4 、基于工控机的车辆测速试验系统的设计。 为了保证系统设计的可靠性，在前期的试验中，设计一种基于工控机的数据采集试 验系统，实现在p c 机上对数据进行采集，并结合实际的实验要求设计相应的数据采集 软件。其目的是通过实验模拟或现场测试的结果来验证系统的设计，以便进一步地改进 和完善。 5 、基于d s p 的车辆测速系统的设计。 由于多路线圈采集的数据量大，计算处理复杂，单片机已无法完成大量的运算。从 小型化、智能化和实用性等方面考虑，系统采用数字信号处理器( d 垮t a ls i g n a lp r o c e s s o r ， d s p ) 来完成最终的设计，不仅使数据处理具有实时性和高效性，保证了系统的检测性 能，而且使系统具有小型化的特点，携带方便。 环形线圈检测器以其技术成熟、成本低和适应性强等优势而一直成为交通控制中的 应用最广泛的检测设备。通过本论文的研究，可进一步完善线圈检测器的功能，较好地 解决车辆测速中存在的问题，使其在理论上或实际应用中有一定的指导意义和实用价 值。 9 第二章环形线圈车辆测速技术与原理 第二章环形线圈车辆测速技术与原理 环形线圈检测器是2 0 世纪6 0 年代开发出来的检测器，这种设备自应用于交通信号 控制系统以来，在世界范围内大多数城市的交通信号控制或信息采集系统中都采用这种 检测技术，目前美国洛杉矶市的9 0 以上的交通流量检测设备使用的是环形线圈检测 器，英国伦敦的交通信号控制系统也完全采用的是环形线圈感应式检测器设备。在我国， 由于引进及发展渠道的差异，目前也以环形线圈感应式检测器设备为主要检测手段。 2 1 环形线圈检测器及其技术 环形线圈检测器是一种基于电磁感应原理的车辆检测器，其中，环形线圈是一个电 感元件，其结构组成主要有 5 , 6 , 1 3 】： 线圈的电感( l ) 环形线圈电感的检测域可按照设计人员的要求任意设计。将线圈的尺寸、圈数及馈 线的长度合在一起计算其电感值，电感值的大小应在检测器要求范围之内。如n e m a 标 准规定，环形线圈的电感值在5 0 - - 7 0l ah 之间可以使检测器稳定运行。 线圈的电容( c ) 在线圈与线槽之间寄生着电容。电容的大小与线槽密封材料的介电系统成比例。大 面积环形线圈上线圈饶的圈数太多，会增加环的电容，降低线圈的谐振频率。 线圈的品质因数( q ) 品质因数用来衡量一个谐振电路的好坏。q 值越高，谐振电路的质量越好。对环形 线圈检测器而言，品质因数应大于5 。如果路面和路基潮湿，则使线圈的品质因数下降， 检测器单元的灵敏度减小，线圈的电容也使q 值下降。 环形线圈检测器的主要设置参数及定义为： 通道频率：是指检测处理单元中，为消除通道之间的串音干扰而设置的通道扫 描频率。 ，； 灵敏度：是指引起一个检测处理单元产生一个有车辆的信号蔬菜的最小感应值。 通常用响应时的感应系数与初始感应系数的百分比来表示，范围在0 0 2 1 3 0 9 6 之间。 存在时间：是指从车辆检测设备第一次对一辆正进入检测区域的车辆给出一个 输出，到该车辆检测设备终止这一输出之间的时间，即当车辆不再占有检测区域时的某 时间( 可选择，通常设为l o m s ) 内，该车辆检测设备将立刻恢复到它原定功能准备状态。 1 0 长安大学硕士学位论文 输出信号通常有多种输出选项：存在电平、进入脉冲、离开脉冲，以及可选的故障 输出都可以按需求选配。随着微处理技术的发展，环形线圈感应式检测器设备的检测处 理单元在自动协调、灵敏度和存在时间、响应时间选择、通道扫描周期和故障检测等方 面有了可靠的保证。 由于模糊数学技术对模拟信号处理的智能化应用，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【6 】。 2 2 环形线圈检测器的结构组成及检测原理 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【4 】。环形线圈感应器形成一个调解电路，线圈成为其中的一个 元件。当一个金属物体通过磁场时，旋流将会在导体中被感应到。由于环形线圈的电感 与磁流是成比例的，这就导致了环形线圈的电感系数的减少，检测出这个电感的变化量 就可以检测出车辆的通过或存在状况。 2 2 1 环形线圈检测器的结构组成 环形线圈检测器主要由环形线圈、调谐回路和检测电路等几部分功能组成【1 6 2 4 1 ，另 外还有输出放大器和微处理器参与处理。通常是由几匝金属线绕制成的环形线圈作为传 感器，用作调谐回路中的一个电感原件，与车辆检测器的振荡回路一起形成l c 谐振， 下图是环形线圈检测器的构成原理图。 频率 模拟 数字 图2 1 环形线圈检测器构成原理图 对车辆检测起直接作用的是环形线圈回路中的总电感，主要包括环形线圈的自感和 线圈与车辆之间的互感。由电磁场理论可知，任何载流导线都将在其周围产生磁场。对 于程度为，、匝数为的螺线管型线圈，其内磁场强度均匀，其自感量为【1 6 】： 三= 芈 ( 2 1 ) 第二章环形线圈车辆测速技术与原理 式中：以是介质的相对磁导率，在空气中肛= 1 ，, u o = 4 x1 0 7 h m 一，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，可考虑引入磁场的不均匀修正因子f ，则 环形线圈的自感量k 可以近似表示为【1 6 1 ： 岛：e 幽掣 ( 2 2 ) 由此式可知【1 6 】：环形线圈自感的大小取决于线圈的周长、环绕面积、匝数及周围介 质情况。当车辆进入环形线圈时，改变了线圈周围的介质情况，铁磁车体使导磁率增加， 从而自感量增加。但另一方面，环形线圈被加上了交变电流，在其周围产生了交变电场， 当铁磁性的车体进入环形线圈时，车体内就会产生涡流。此涡流会损耗环形线圈产生的 电磁能，即此涡流产生的磁场与原磁场的方向相反，对环形线圈的磁场具有去磁作用， 因此，会使环形线圈的电感量减少。环形线圈的频率通常被设在2 0 k h z - - - , 1 8 0 k h z 的范围 内，此时涡流的去磁作用占主导地位，当车辆进入环形线圈的范围时，其电感量将减小。 环形线圈作为一个感性元件，通过一个变压器接到被恒流源支持的调谐回路上，构 成- - l c 谐振电路，选择合适的电容c ，使调谐回路有一个固有的振荡频率，也叫谐振 频率【16 1 ，其计算公式为： 1 厂2 东赢 ( 2 3 ) 可知，当车辆进入环形线圈的区域时，其总的电感量上将减小，谐振回路的频率将 增加。由检测电路检测出这个频率的变化就可以判断是否有车辆经过。 检测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆的存在，在微处理的参与下，输出 电路先将脉冲信号进行放大，然后以频率、模拟量或数字输t 丑t 4 , 1 6 l 。频率输出可以用来 测速、车辆存在、占有率，模拟量输出可以用来判别车辆类型，数字输出可以用于计数。 微处理器可以根据不同的基准信号按需求，提供给不同的系统。 2 2 2 环形线圈检测器的检测原理及检测过程 下图是环形线圈检测器检测车辆的过程示意图，从图中可以看出，当车辆前沿驶入 线圈一边时，检测器被触发产生信号输出，而当车辆后沿驶离线圈另一边时，信号低于 阀值，输出电平为0 。车辆实际对环形线圈作用的长度称为车辆的有效长度，这个有 效长度约等于车辆的长度与线圈的长度之和。 1 2 长安大学硕十学位论文 a f 信 号 强 度 方 波 时间t 计时 图2 2 环形线圈检测器检测车辆过程 为了检测不同的交通参数和适应不同的检测或控制要求，可设置检测器工作在方波 或脉冲两种方式【16 1 。在方波的工作方式下，只要有车辆进入环形线圈，检测器就产生并 保持信号输出( 当车辆离开环形线圈后，仍可设置信号持续一段时间) 。上图的输出就 是这种方式，该方式可用于车辆占有率的检测。在脉冲的工作方式下，每当车辆通过环 形线圈检测器就产生一个短脉冲1 0 0 1 5 0 s ，该方式可用于双线圈的测速系统。 2 3 环形线圈检测器的车辆速度检测原理 车辆速度是交通流中的一个重要参数【1 7 】，对交通运行车辆进行速度跟踪、检测，可 以有效地规范驾驶员的行车行为，保障交通的运行安全，给出行者提供一个和谐的交通 环境。车辆速度的精确检测对于交通的控制与管理有着重要的作用与意义，车辆速度信 息的采集是靠各种车辆检测器或专门的测速仪来完成的。 利用环形线圈来对车辆进行测速是目前比较成熟的一种检测技术，测速有单点测速 和两点测速两种方法，对应于环形线圈检测器称为单线圈测速和双线圈测速。 2 3 1 单线圈测速 单线圈测速的方法只使用一个环形线圈，当车辆通过环形线圈时，电路检测到一个 与车辆相对应的方波，对方波计数以统计车辆数，同时计测波形宽度。车速高，波宽窄； 车速低，波宽宽，波宽表示了车辆完全通过环形线圈所需时间。以车辆平均有效长度除 1 3 第二章环形线圈车辆测速技术与原理 以该波宽就得到该车的点速度，对测量周期内所有通过线圈的车辆的车速求平均值就得 到时间平均速度。 设m ( k ) s b 第k 周期内第1 车道检测器的方波计数值，f 订( k ) 为第j 辆车通过其车辆 有效长度三疗( k ) 所需时间即检测器所测波宽( 参看图2 2 ) ，则第k 周期内第1 车道的平 均车速度为： 郴，= 志篙榴 仁4 ， 实践中常需根据实测结果将三肖( k ) 近似地取为一个常数才能从上式计算出。例如对 小客车为主的车流可取为乙。准确的平均车辆有效长度需用双线圈才能测出。 单线圈测速精度较低，因为脉冲宽度不但与车速有关也与车的长度有关，对于车辆 长度差别较大的车流，取相同的车辆有效长度显然会造成较大误差。 2 3 2 双线圈测速 用双线圈测速的方法测速需将两个线圈埋设在同一车道上。检测器能完成车辆计数 及每辆车速度的测量，而不需使用平均车辆有效长度的估计值，测速精度得以提高。其 测速原理如下图2 3 所示： s b 环 图2 3 环形线圈双点测速法 当车辆通过沿车道排列、间距为s 的两个性能相同的环形线圈时，检测器记录下车 辆进入a 环的时刻0 及车辆进入b 环的时刻，则该车辆的速度为： 1 4 长安大学硕上学位论文 y ：上 ( 2 5 ) t