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ITS主要技术 学习重点 传感技术 通信技术要求 基本概念 基本原理 典型方法 在ITS中的应用 ITS主要技术 信息采集技术 传感技术 本部分学习重点 环形线圈检测器 雷达检测器 超声波检测器 红外检测器等工作原理和适用性 学习目的 1 了解传感器的一般组成2 了解ITS中常用的传感器类别3 了解在ITS中常用的传感技术及其检测 控制原理 1 传感器的含义 指能将各种非电量转化成电信号的部件 广义的传感器 指能感知某一物理量 或化学量 生物量 的信息 并能将它转化为有用的信息的装置 狭义的传感器 在大多数情况下 传感器是指狭义的传感器 2 传感器的组成 传感器一般是利用物理 化学和生物等学科的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制出来的 因此 传感器的组成将随不同的情况而有较大差异 但是 总的来说 传感器是由敏感元件 传感元件和其他辅助部件组成 如下图 3 传感器分类 按输入物理量 按工作原理 按能量的关系 按输出的信号性质 4 ITS中常用的传感器 1 磁性传感器磁性传感器主要根据磁性物理量的变化情况 通过对磁性标记的反应 来测量有关的物理量 如通过埋设在路表的磁钉与镶嵌在汽车底盘的磁性传感器相互作用力大小的测量可以检测出车辆对于车道中心的偏移 2 图像传感器图像传感器主要是指有关的图像处理设备 用以辨别道路的标线 检测前后的车辆和检测道路上的障碍物等 如CCD摄像机就是一种图像传感器 它将拍摄到的图像传输到图像处理中心 经过处理后 可得到车辆偏离程度和与前面车辆的距离等数据 3 雷达雷达是根据多普勒效应原理工作的 如安装在车上或道路上的雷达检测器发射一微波束 当遇到车辆或其他障碍时 波束反射回天线 利用车辆进入检测区和离开检测区时所产生的两个脉冲 即可换算成所需的交通参数 如车速 交通量等 4 超声波传感器超声波传感器的工作原理是这样的 首先由传感器发射一束能量到检测区 然后接受反射回来的能量束 通过有关的换能装置 将能量束转换成所需的数据 依据此数据判别被检测物是否存在或与传感器的相对位置等 5 红外传感器红外传感器使用发射 接收器 发射光束并接收反射光束 通过反射频率的变化进行对所需数据的检测 5 传感器在ITS中主要应用 1 车辆检测车辆检测传感器用来检测车辆的存在或通过 常用车辆检测器简介 环形线圈检测器是磁性检测器的一种变形应用 将一个或一组感应线圈埋在路面层内 线圈内的电流产生磁场 当有车辆通过时 车辆的金属部件干扰磁场 由检测器的电子装置进行检测 通过多组环形线圈检测器的输出信号 就可以确定车道的占有率 车速 交通量 根据传感器原理的不同可以分为以下两种 谐振电路感应线圈相移式感应线圈检测器 雷达检测器 雷达检测器是根据多普勒效应原理来工作的 将激光束以不同的形式照到流体或固体上 由于流体或固体的运动产生多普勒效应 用光电检测器测出多普勒频移 即可测出流体或固体的速度 当用雷达测车辆的速度时 发射激光并且遇到车辆后反射回来 发射波和反射波的频率差和车辆行驶的速度成正比 从而测得车辆的速度 雷达发射电磁波和反射波的频率分别为f和f 车辆的速度为v 电磁波传播速度为c 电磁波和车辆运行方向之间的交角为 则频率差为 测到这个频差后 从仪表上直接读到速度的值 分类 连续波雷达检测器原理是利用悬挂在车道上方一定距离的检测器 向下方车道发射已知频率的无线电波并且接受反射波 通过反射波和接受频率差异来检测通过的车辆 导向型雷达检测器原理是把无线电波以一定的频率输送到埋置在车道下的传送线中 当上面有汽车通行时 检测器测出变化并且计数 超声波检测器 原理 首先由传感器发射一束能量到检测区 然后接受反射回来的能量束 通过有关的换能装置 将能量转换成所需要的数据 依据此数据判别被检测物是否存在或与传感器的位置 有脉冲型 谐振型和连续波型超声检测器 脉冲式检测器 谐振波型检测器 连续波型超声检测器 悬挂在车道的上方 向车道下方发射超声波能的脉冲 并且接受回波 当有车辆从下方通过时 从车顶反射回波而不是从路面反射回波 在车道两边分别安装相向对立的发射器和接受器 从发射器发射谐振型超声波 此超声波横越车道被车道对面的接受器接受 当车辆通过时就截断了波束 从而检测出车辆 检测器发射一个连续的超声波能的波束射向驶近的车辆 由于多普勒效应引起来车反射能频率的变化 于是就能检测车辆的存在 微波检测器的功能和作用 可精确检测各车道的交通流量 道路占用率 平均速度和车流量以及排队状况等信息 检测器的输出信号与一般常见的检测器兼容 可通过数据接口与控制系统相连或直接代替传统的多个感应线圈检测器 监测器工作在微波波段 不中断交通安装 维护 不受天气影响 微波检测器的特点 多道性真实再现侧向安装全天候低价格准确性使用方便 交通微波检测器的应用领域 高速公路路段多车道监测与管理高速公路匝道或T型路口信号管理远程交通量管理侧向安装应用于多车道十字路口违章自动监测系统 红外检测器 红外光的最大特点是具有光热效应 能辐射热量 它是光谱中最大光热效应区 红外光和所有的电磁波一样 具有反射 折射 散射 干涉和吸收等特性 红外光的热效应对不同的物体是各不相同的 热能强度也不一样 红外传感器是将红外辐射量变化转换成电量变化的装置 一般由光学系统 敏感元件 前置放大器和信号调节器组成 红外传感器是根据热电效应和光子效应制成的 在交通检测技术方面 一般分为主动式和被动式 主动式和光电检测器的原理相似 不过它使用半导体红外线发生器作为传感器 被动式其原理是利用无车辆的路面的红外线能辐射强度与路上有汽车通过时的红外线辐射强度的变化 由红外线接受器检测出来 光电检测器 物质在光的作用下释放电子的现象称为光电效应 被释放的电子称为光电子 光电子在外电场中运动所形成的电流称为光电流 光电传感器是一种将光量的变化转换为电量的变化的传感器 它的物理基础就是光电效应 应用在交通检测中的光电传感器可以分下面两种 光束切断型原理是发出一道光束穿过车行道射到光敏管 光电管 上 当有汽车通过时就切断光束 光敏管测出后即激发计数器计数 光束反射型原理是一道光束从路面反射到光敏管上 当有汽车通过时 使光束从汽车上反射 这种特别的反光射在光敏管上被测出后 就激发计数器计数 视频图像检测器 视频图像检测器利用电视图像摄像机提供图像信息对交通状况进行确认 右图是视频图像摄像机和视频图像检测器示意图 些常用的车辆检测器的特点归纳如下表 2 车辆识别和分类 感应线圈车辆检测器和视频车辆检测系统等用于车辆检测的传感器也可以应用于车辆的识别和分类 另外 用于车辆识别的传感器还有光学式传感器和平面音感微波式传感器等 3 车辆控制 车辆运行控制包括变速器 制动器 发动机 驱动力矩 转向控制等用途的传感器 用以控制车辆的运行 驾驶操纵控制包括转向 加速 制动等传感器 用以检测操纵状态和完成驾驶员的操纵意志 车辆运动控制包括车速 加速度 角速度 减速度等传感器 用以检测各种车辆的控制输入 也是辅助驾驶系统和各种信息提供辅助系统的重要组成部分 异常状态检测包括单侧车轮制动状态 燃油残留量 轮胎气压等的传感器 4 环境信息检测 这类传感器主要利用超声波 电波 光波等原理制成 用来检测车辆周围的车辆 行人 障碍物 路面形状和路面湿润状况等各种情况 其中 检测车辆周围环境和障碍物的激光传感器和磁性传感器是比较重要的两种传感器 是进行图像处理的基础 5 危险驾驶警告 判断驾驶员是否瞌睡时 通常利用传感器检测驾驶员的眼球运动 体温 脑电波 皮肤电位 心跳等来确定 判断驾驶员是否饮酒 通常利用传感器检测车内酒精含量是否超标来确定 ITS主要技术 通信技术 学习重点 1 了解通信系统的构成2 了解数据通信和电信通信的概念和特点3 了解固定通信和移动通信的概念和方式4 了解重点通信技术5 了解通信技术在智能交通中的应用 学习目的 1 通信系统的构成2 数字通信的概念和特点3 移动通信的概念和方式4 公共移动通信网和GSM网络的基本概念5 主要的专用短程通信技术 2 1 1通信系统的构成 电通信系统是由完成通信任务的各种技术设备和传输媒质构成的总体 电通信系统的一般模型如图所示 信源 信道 信宿 2 1 2设备分类 2 2 1现代通信的主要业务 电信通信 邮政通信 主要开办电话 电报及数据通信 主要有函件 包件 储汇和发行业务 现代通信业务 2 2 3数据通信 它是把计算机与它控制和管理的对象 即终端设备 通过通信线路连接起来 对计算机输入和输出的数据信息进行传输和交换 以实现远程终端设备与计算机或计算机与计算机之间的通信 使数据信息的传输与处理构成一个整体 目的是实现计算机资源与软件的共享 以及进行远程数据信息处理 2 2 4电信通信 按传送信号的形式分 模拟通信 数字通信 信源发出的是模拟信号 经过发送设备变换成适合在媒质中传输的电信号 变换后的电信号仍然是随时间连续变化的 信源发出的是模拟信号 把它经过模拟 数字交换数字化处理后 以数字信号的形式来传送 在该系统中可以使用数字和模拟两种传输方式 数字通信系统的模型 数字通信与模拟通信相比具有以下优点 抗噪声性能好 信道中传递的信息有话音 图像 文字 符号等 数字信号易于加密 便于实现保密通信 数字电路易于集成化 2 2 5有线信道与无线信道 有线信道 无线信道 沿导体传播 沿自由空间传播 有线信道 传输媒质包括架空明线 对称 平衡 电缆 同轴电缆 光缆 波导管等 以适应各种不同的通信方式及不同容量的需要 无线信道 中长波段 工作颜率为30kHz 3000kHz 短波波段 工作频率范围为3MHz 30MHz 超短波波段 工作频率范围为30MHz 300MHz 微波波段 工作频率范围为300MHz 1000GHz 2 2 6固定通信 1 光纤通信2 卫星通信3 微波通信 光纤通信技术 以光波为载频 以光纤为传输媒介的新型通信方式 采用的载波位于电磁波普的近红外区 频率高 通信容量很大 基本构成 工作原理 电信号处理 光发射机 将电信号转换成光信号 发送端电端机 耦合到光纤 光接收机 将光信号恢复到原来的电信号 接收端电端机 光纤通信系统的三种不同结构 点对点式 简单 距离从几公里到上万公里 长距离时需要对光纤损耗补偿 需采用中继器接力方式 光纤分配网 传输信号并将信号分配给多个用户 传输距离一般不长 50km 如市内电话网络 光纤局域网 利用光纤将相对位置较近 10m 的许多用户连接起来 每个用户都能随机的向另一用户发送数据信息 如校园网 光纤通信系统的优点及应用 通信容量大 传输损耗低 通信距离长 不受电磁干扰 通信质量高 尺寸小 轻 便于施工运输 原料主要为sio2 蕴藏丰富 光纤通信系统的应用 公用电信中 长途干线网 局间中继网中 特殊场合中的专用通信网中 计算机局域网中 有线电视干线网 电力油田等部门 卫星通信技术 利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波 在两个或国歌地球站之间进行通信 是宇宙通信形式之一 构成 空间分系统 通信卫星通信地球站遥测跟踪及指令分系统 跟踪测量监控管理分系统 通信性能的检测和控制 卫星通信系统的特点以及应用 通信距离远 费用与距离无关 覆盖面积大 便于实现多趾连接 通信频带宽 传输容量大 业务类型多 机动灵活 稳定可靠 需要高可靠 长寿命的通信卫星 静止卫星的发射与控制技术比较复杂 有较大的信号传输延迟和回声干扰 有星蚀和日凌中断现象 微波通信 微波是指频率为0 3 300GHz的电磁波 利用特有的设备 并使用这个频段的频率构成的通信方式叫做微波通信 微波通信是长途 大容量通信的无线传输手段 就微波通信的性能而论 数字微波通信的特点可概括为微波 多路 接力六个字 微波 指通信频率是微波频段 又包括分米波 厘米波和毫米波 多路 指微波通信不但总的频段宽 传输容量大 而且其通信设备的通频带也可以做得很宽 接力 因微波频段的电磁波在视距范围内是沿直线传播的 通信距离一般为40 50km 考虑到地球表面的弯曲 在进行长距离通信时 就必须采用接力的传播方式 2 2 7移动通信 移动通信系统的频段使用 较早的移动通信主要使用甚高频VHF 150MHz 和特高频UHF 450MHz 频段 但我国在VHF频段已有12个电视节目频道 在UHF也有36个频道 所以移动通信只能占用它们的间隙来通信 我国邮电部1984年批准了900MHz蜂窝状移动电话系统 采用了TACS标准 移动通信的体制 小容量的大区制 在一个服务区域内只有一个基地站 并由它负责移动通信的联络和控制 大容量的小区制 把整个服务区域划分为若干个小区 每个小区分别设置一个基地站 负责本区移动通信的联络和控制 移动通信系统的组成 特点及应用 接收信号受地形 地物的影响较大 移动台的变化 要求接收设备具有很大的动态范围 用户数与可利用波道数矛盾严重 专用短程通信技术 车载单元 OBU 车载机和电子标签组成路旁单元 RSU 车道单元 车道通信设备 车道天线和天线控制器 专用短程通信协议 基础后台计算机网路短程通信系统 利用专用短程通信技术 通过路旁单元的信号发射和接收装置识别通过车辆的相关信息 自动对