專利名稱：一種利用超聲波探測(cè)并進(jìn)行紅綠燈智能配時(shí)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種利用超聲波探測(cè)并進(jìn)行紅綠燈智能配時(shí)的方法，應(yīng)用超聲波 對(duì)車流量的探測(cè)，根據(jù)流量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈的周期、時(shí)長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)交通燈的智能控制 的交通系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
智能交通系統(tǒng)(ITS)在我國(guó)已經(jīng)提出了多年，然而現(xiàn)在的大中城市仍不能很好地 應(yīng)用上智能交通系統(tǒng)。由于路況等原因，目前的交通燈信號(hào)變化周期多是固定的，缺乏實(shí)時(shí) 性和多變性。有時(shí)候在交叉口，主干道上的車?yán)鄯e已經(jīng)將近飽和，然分道上沒(méi)有車輛，導(dǎo)致 主干道上的車沒(méi)有意義地等待綠燈的到來(lái)。目前有些大中城市也有采用分時(shí)段的不同信號(hào) 周期的方法控制，它具有一定的緩和作用，然效果仍然不是很明顯。隨著機(jī)動(dòng)車輛、人口的 增長(zhǎng)和城市化的發(fā)展，使得城市交通擁堵問(wèn)題日益突出。交通擁堵不僅降低了基礎(chǔ)設(shè)施的 效率，而且還造成了空氣的污染和能源的浪費(fèi)。隨著信息技術(shù)、實(shí)時(shí)控制、通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展， 智能交通系統(tǒng)越來(lái)越引起了人們的廣泛重視。智能交通技術(shù)主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò) 通信技術(shù)、分布式信息處理等技術(shù)來(lái)管理交通，使交通系統(tǒng)發(fā)揮更好的作用，而傳感器網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)就是眾多智能交通應(yīng)用技術(shù)中的一種。通過(guò)各類集成化的智能傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)、感知 和采集各種環(huán)境或檢測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)采集的各種信息處理分析，使系統(tǒng)進(jìn)行各種協(xié)調(diào) 控制和作業(yè)，是目前ITS應(yīng)用研究的重要內(nèi)容。如何采用合適的傳感器，對(duì)交通各種需要的 參數(shù)進(jìn)行獲取，實(shí)現(xiàn)智能交通控制系統(tǒng)，緩解日益嚴(yán)重的交通問(wèn)題，已經(jīng)成為交通部門一個(gè) 敏感的話題。目前對(duì)紅綠燈智能配時(shí)的技術(shù)也有很多。但是真正能得到實(shí)用的卻不多。文章“吁 亮，基于視頻的智能信號(hào)燈系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]，南昌大學(xué)，2007.6 :22-31”中論述了用 視頻來(lái)進(jìn)行交通車流量的探測(cè)，該方法雖然在一定程度上有效地解決了智能配時(shí)問(wèn)題，然 而視頻采集往往在實(shí)用中遇到很多的問(wèn)題，比如在下雨天、晚上以及霧濃的情況下，視頻采 集的效果往往不理想。這就造成了配時(shí)出現(xiàn)的差錯(cuò)。現(xiàn)在用得范圍最廣的環(huán)形地感線圈進(jìn) 行車輛參數(shù)的探測(cè)，由于環(huán)形地感線圈存在施工麻煩，維修不方便等問(wèn)題，而且容易給車道 造成破壞，因此環(huán)形線圈一方面給交通系統(tǒng)提供了方便，一方面也給交通帶來(lái)了很大的負(fù) 面影響。還有一種技術(shù)就是用RTMS(遠(yuǎn)程交通微波檢測(cè)器)對(duì)整個(gè)車道進(jìn)行大規(guī)模的車輛 參數(shù)的探測(cè)。這種方法比環(huán)形地感線圈要方便得多，然而現(xiàn)在的RTMS系統(tǒng)由于成本過(guò)高， 因此也不容易大規(guī)模進(jìn)行推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用超聲波探測(cè)并進(jìn)行 紅綠燈智能配時(shí)的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明專利的技術(shù)方案是應(yīng)用超聲波對(duì)車輛進(jìn)行探測(cè)，提取一 個(gè)周期內(nèi)的各個(gè)車道的車流量，剔除行人的干擾，用采集到的車流量進(jìn)行模糊計(jì)算配時(shí)，得到的數(shù)據(jù)最終傳輸?shù)郊t綠燈顯示牌上。本發(fā)明專利提出的智能交通燈控制系統(tǒng)由超聲波探測(cè)器6、模糊控制器7、主控制 器8、紅綠燈顯示牌9和計(jì)算機(jī)控制中心10組成。下面介紹利用超聲波進(jìn)行探測(cè)并實(shí)現(xiàn)智 能控制的原理1、超聲波的安裝各車道上均懸掛前后兩個(gè)超聲波探頭(圖1中圓圈所示)，分別 負(fù)責(zé)發(fā)射和接收超聲波信息。當(dāng)車輛走近時(shí)，圖2 (a)中左端超聲波探頭組發(fā)射超聲波到達(dá) 車輛，同時(shí)，超聲波發(fā)生反射(如圖2(b))，被接收探頭接收。通過(guò)計(jì)算圖2(a)與圖2(b)兩 過(guò)程的時(shí)間差，即可確定探頭組和車輛間的距離。2、超聲波速度測(cè)量、流量累加裝置根據(jù)車輛在探頭下的通過(guò)進(jìn)程，超聲波探測(cè)分為圖3所示的(a) (b) (c) 3種狀態(tài)(1)等待車輛狀態(tài)，如圖3(a)所示，車輛尚未進(jìn)入測(cè)量范圍，超聲波發(fā)送無(wú)返回 值；(2)車輛進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，如圖3(b)所示，前探頭返回信號(hào)，開始計(jì)時(shí)等待車輛經(jīng)過(guò)第 二檢測(cè)點(diǎn)；(3)車輛到達(dá)第二檢測(cè)點(diǎn)，如圖3(c)所示，探頭有信號(hào)返回，根據(jù)兩探頭信號(hào)的時(shí) 間差可精確計(jì)算出速度值，然后進(jìn)行流量累加，等待車輛完全離開檢測(cè)區(qū)。在一段時(shí)間內(nèi)累 計(jì)的流量值即表征了該車道的流量。綜合監(jiān)控多個(gè)車道，即可得到整條道路的車輛速度與
流量信息。另外，行人干擾的判斷，如圖4的(d) (e)所示。由(d)可知，車輛長(zhǎng)度必定長(zhǎng)于檢 測(cè)區(qū)(0. 5m)，因而一定會(huì)出現(xiàn)雙探頭都有返回值的情況；而行人不可能讓雙探頭都有返回 值，如圖4(e)所示。據(jù)此可剔除行人因素的干擾。3、用超聲波探測(cè)到的數(shù)據(jù)，要輸入模糊控制器，通過(guò)運(yùn)用模糊算法來(lái)對(duì)輸入的數(shù) 據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出下一時(shí)刻的綠燈時(shí)長(zhǎng)T，然后再把T值輸?shù)郊t綠燈終端，顯示出綠燈的時(shí)長(zhǎng)。圖5是模糊控制器的示意圖下面介紹一下模糊控制器的各個(gè)模塊1)模糊化接口 3 (FI-Fuzzy Interface)模糊控制器的輸入必須通過(guò)模糊化才能用于模糊控制輸出的求解，因此它實(shí)際上 是模糊控制器的輸入接口。它的主要作用是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換成一個(gè)模糊矢量。模糊化處理就是把輸入變量映射到一個(gè)合適的響應(yīng)論域的量程，這樣，精確的 輸入數(shù)據(jù)就變換成適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言值或模糊集合的標(biāo)識(shí)符。一般的模糊控制器采用誤差及 其變化作為輸入語(yǔ)言變量。設(shè)誤差為[e，_e]，e為表征誤差大小的精確量。誤差論域 [-η, -η+1, ...,0,1,..., η-1, η]，η是將“0_e”范圍內(nèi)連續(xù)變化的誤差離散化后分成的檔 數(shù)。然后通過(guò)量化因子進(jìn)行論域變換，量化因子k定義為k = n/e。同樣可以對(duì)誤差變化率進(jìn)行模糊化。由于量化因子的有限選擇，難以保證被控過(guò) 程的全過(guò)程都處于最佳控制狀態(tài)，往往會(huì)降低模糊控制系統(tǒng)的魯棒性。因此對(duì)于單純滯后 系統(tǒng)，可采用由數(shù)組量化因子實(shí)現(xiàn)的變量化因子，或采用在不同狀態(tài)下對(duì)量化因子進(jìn)行自 調(diào)整等方法。2)數(shù)據(jù)庫(kù) I(DB-DataBase)
數(shù)據(jù)庫(kù)1所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值(即經(jīng) 過(guò)論域等級(jí)的離散化以后對(duì)應(yīng)值的集合)，若論域?yàn)檫B續(xù)域，則為隸屬度函數(shù)。3)規(guī)則庫(kù) 2 (RB-Rule Base)模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作熟練人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，它是輸入的直覺(jué)推理的一種語(yǔ)言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接 而成，如if-then，else, end, or等。關(guān)系詞必須經(jīng)過(guò)“翻譯”，才能將模糊規(guī)則數(shù)值化。規(guī)則庫(kù)2就是用來(lái)存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時(shí)為“推理機(jī)4”提供控制規(guī) 則。由上述可知，規(guī)則條數(shù)和語(yǔ)言變量的模糊子集劃分有關(guān)。這種劃分越細(xì)，規(guī)則條數(shù)越多， 但這并不意味著規(guī)則庫(kù)2的準(zhǔn)確程度越高，規(guī)則庫(kù)2的“準(zhǔn)確性”還與專家的知識(shí)準(zhǔn)確度有 關(guān)。由規(guī)則庫(kù)2和數(shù)據(jù)庫(kù)1這兩部分組成整個(gè)模糊控制器7的知識(shí)庫(kù)(KB-Knowledge Base)04)推理機(jī) 4 與解模糊接口 5 (Inference and Defuzzy-interface)模糊推理是模糊邏輯理論中最基本的問(wèn)題。目前模糊推理的方法很多，但是在模 糊控制中考慮到推理時(shí)間，通常采用運(yùn)算較簡(jiǎn)單的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理， 它包含有正向推理和逆向推理兩類。工程學(xué)中推理大多數(shù)是多級(jí)推理，而模糊控制中推理 也可以用多級(jí)推理。解模糊化是模糊系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它是將模糊推理中產(chǎn)生的模糊量轉(zhuǎn)化為精確 量。常見(jiàn)的方法有最大隸屬度法、重心法、左取大和右取大法和加權(quán)平均法等，其中重心法 是指取模糊集隸屬函數(shù)曲線同基礎(chǔ)變量軸所圍面積的重心對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)變量值作為清晰值 的方法，也是最常用的一種清晰化方法。4、通過(guò)模糊控制器7輸出的T值，再通過(guò)由單片機(jī)組成的主控制器8，主控制器8 根據(jù)通行方向把接收到的T的值輸出到欲通行的方向的LED綠燈顯示時(shí)間牌上。另外控制 中心計(jì)算機(jī)10和主控制器8連接進(jìn)行串口通訊。與現(xiàn)在技術(shù)相比，本發(fā)明專利的智能交通系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)1)本系統(tǒng)如上述設(shè)計(jì)成本低，由超聲波收發(fā)分開的方式進(jìn)行車輛的檢測(cè)，比傳統(tǒng) 的視頻檢測(cè)、微波探測(cè)等成本都要降低好多。還有主控制器8用的也是單片機(jī)系統(tǒng)，因此在 造價(jià)成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的產(chǎn)品造價(jià)成本。2)本系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛流量實(shí)時(shí)改變紅綠燈的周期以及各自時(shí)長(zhǎng)，提高了交通控 制的實(shí)時(shí)性與適應(yīng)性。3)本系統(tǒng)包括模糊控制器7、主控制器8都是單片機(jī)系統(tǒng)，因此易于升級(jí)，使用方 便。4)本系統(tǒng)能夠減少行人的干擾，提高了交通流量探測(cè)的準(zhǔn)確度。
具體實(shí)施例方式智能交通管理系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)組成部分超聲波探測(cè)器6、模糊控制器7、主 控制器8、紅綠燈顯示牌9和控制中心計(jì)算機(jī)10組成。超聲波探測(cè)器6(自帶車輛計(jì)數(shù)功能)探測(cè)到的車輛數(shù)輸入到模糊控制器7后，由 模糊控制器7通過(guò)模糊算法計(jì)算出下一時(shí)刻的綠燈時(shí)長(zhǎng)，再把得到的時(shí)長(zhǎng)T傳送個(gè)主控制器8 ；主控制器8根據(jù)接收到的T值出到欲通行的方向的LED綠燈顯示時(shí)間牌9上，最終實(shí) 現(xiàn)實(shí)時(shí)控制；計(jì)算機(jī)控制中心10與主控制器8連接進(jìn)行串口通信。超聲波采用的是收發(fā)分開的裝置，即一對(duì)超聲波探測(cè)一個(gè)車道的車流量。根據(jù)圖 1的安裝方式，超聲波安裝在車道的正上方。由圖3我們可以得到一個(gè)紅綠燈周期的車流 量。假如當(dāng)東西方向的紅燈開始亮?xí)r，東西方向前一個(gè)周期的車流量檢測(cè)完畢，進(jìn)而可以開 始把得到車流量數(shù)據(jù)輸入到模糊控制器7，開始計(jì)算東西方向的當(dāng)前周期的綠燈時(shí)長(zhǎng)。待 到東西方向的當(dāng)前周期綠燈時(shí)長(zhǎng)得到后再輸入到主控制器8，主控制器8把對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)值T 傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的東西方向的紅綠燈顯示牌9上。在綠燈向紅燈轉(zhuǎn)換的工程中，有2s黃燈警告 時(shí)間，示意車輛慢行。同時(shí)，當(dāng)?shù)弥獤|西方向當(dāng)前周期的綠燈時(shí)長(zhǎng)后，南北方向的下一個(gè)周 期的紅燈時(shí)長(zhǎng)+黃燈時(shí)長(zhǎng)(2s)=東西方向當(dāng)前周期綠燈時(shí)長(zhǎng)，因此可得知南北方向下一個(gè) 周期紅燈時(shí)長(zhǎng)=東西方向當(dāng)前周期綠燈時(shí)長(zhǎng)一黃燈時(shí)長(zhǎng)。這一過(guò)程都是通過(guò)主控制器8來(lái) 實(shí)現(xiàn)。主控制器8把得到的南北方向下一個(gè)周期紅燈時(shí)長(zhǎng)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的南北方向的紅綠燈 顯示牌9上。待到南北方向的紅燈顯示期間，南北方向的超聲波探測(cè)器4又把得到的前一 個(gè)周期車流量輸?shù)侥：刂破?里計(jì)算當(dāng)前周期的綠燈時(shí)長(zhǎng)。如此反復(fù)循環(huán)下去。圖8的電路圖中有中斷的功能，中斷功能包括雙向紅燈停止中斷和雙向黃燈警告 中斷。雙向紅燈停止中斷功能為當(dāng)有緊急通行情況時(shí)，比如有110車、120車或119車 等緊急執(zhí)行公務(wù)的車要開過(guò)時(shí)，各向亮紅燈禁行12s，然后返回以前的工作狀態(tài)繼續(xù)工作。雙向黃燈警告中斷功能為在夜間車輛較少時(shí)，各向亮黃燈警告車輛慢行。按重啟 鍵后，重新返回以前的工作狀態(tài)繼續(xù)工作。模糊控制器7和主控制器8模塊都是單片機(jī)系統(tǒng)，因此可以進(jìn)行升級(jí)。圖8中，VCC用的是5V的電壓，單片機(jī)采用的是型號(hào)是AT89C52，晶振電路由Cl、 C2和J組成。C1、C2都是30pf的電容，Rl是1ΚΩ的電阻。1 2 1 17是360 0的電阻。采 用型號(hào)74HC595的寄存器來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行顯示的。


圖1是本發(fā)明專利的超聲波安裝示意圖，超聲波安裝在每個(gè)車道的正上方，一對(duì) 超聲波正對(duì)一個(gè)車道的正中央。圖2是本發(fā)明專利的超聲波收發(fā)原理圖，每個(gè)探頭都是收發(fā)一體的，一對(duì)探頭分 別在不同時(shí)刻對(duì)車輛進(jìn)行探測(cè)。圖3是本發(fā)明專利的車輛參數(shù)獲取示意圖，此時(shí)是獲取車速和車流量的示意圖。 待到車輛完全通過(guò)兩個(gè)探頭時(shí)，即可得到車型的波形圖。圖4是本發(fā)明專利的超聲波防止行人干擾原理圖，行人的干擾對(duì)車流量的判斷產(chǎn) 生影響，因此本發(fā)明專利設(shè)計(jì)了雙探頭，對(duì)剔除行人干擾有良好的效果。圖5是本發(fā)明專利的模糊控制器原理圖，模糊控制器包括數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、模糊化 接口、推理機(jī)和解模糊接口。圖6是本發(fā)明專利的智能交通管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，其中計(jì)算機(jī)控制中心與主控制 器串口通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。圖7是本發(fā)明專利的智能交通管理系統(tǒng)的控制流程圖，通過(guò)超聲波獲取的車流
6量，輸入到模糊控制器里，根據(jù)模糊算法的計(jì)算，得出下一時(shí)刻的綠燈時(shí)長(zhǎng)，再通過(guò)主控制 器把時(shí)長(zhǎng)賦予通行方向的紅綠燈顯示牌上。 圖8是本發(fā)明專利的主控制器電路圖，其中AT89C52左上角的引腳REDNS1、 GREENNS2、YELL0WNS3分別接南北方向的紅燈、綠燈和黃燈顯示，REDEff4, GREENEff5, YELL0WEW6分別接?xùn)|西方向的紅燈、綠燈和黃燈顯示。
權(quán)利要求
一種利用超聲波探測(cè)并進(jìn)行紅綠燈智能配時(shí)的方法，其特征在于包括如下步驟步驟1通過(guò)一對(duì)探頭的超聲波對(duì)車道進(jìn)行發(fā)射，當(dāng)遇到車輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)時(shí)，產(chǎn)生反射波，由超聲波接收到后，并產(chǎn)生脈沖信號(hào)，輸入到處理單元，并累積到車輛的計(jì)數(shù)器里；步驟2根據(jù)車輛的計(jì)數(shù)，得到一個(gè)周期內(nèi)車道的車流量，把車流量輸入模糊控制器，一共是東西方向和南北方向車的流量信息；輸入到模糊控制器以后，運(yùn)用模糊算法，輸入的信息進(jìn)行分析處理。根據(jù)模糊算法，查詢模糊規(guī)則表，得到下一個(gè)周期綠燈時(shí)長(zhǎng)；步驟3在主控器的對(duì)綠燈方向確定的情況下；把得到的下一周期綠燈的時(shí)長(zhǎng)輸入到主控器，并通過(guò)主控器輸出到下一個(gè)綠燈方向上顯示出來(lái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，一種利用超聲波探測(cè)并進(jìn)行紅綠燈智能配時(shí)的方法，其特征 在于所述的主控制器是由一個(gè)單片機(jī)和與之連接的晶振電路和復(fù)位電路組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，一種利用超聲波探測(cè)并進(jìn)行紅綠燈智能配時(shí)的方法，其特征 在于所述的晶振電路是由與單片機(jī)連接的電容Cl、C2及晶振Jl組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述，一種利用超聲波探測(cè)并進(jìn)行紅綠燈智能配時(shí)的方法，其特征 在于所述的復(fù)位電路由與單片機(jī)連接的電阻Rl和極性電容C3組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述，一種利用超聲波探測(cè)并進(jìn)行紅綠燈智能配時(shí)的方法，其特 征在于根據(jù)統(tǒng)計(jì)的車流量，確定通行方向；根據(jù)統(tǒng)計(jì)的車流量，確定欲通行方向的放行時(shí) 間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述，一種利用超聲波探測(cè)并進(jìn)行紅綠燈智能配時(shí)的方法，其特征 在于它具有雙向紅燈停止和雙向黃燈警告功能；雙向紅燈停止中斷功能為當(dāng)有緊急通 行情況時(shí)，比如有110車、120車或119車等緊急執(zhí)行公務(wù)的車要開過(guò)時(shí)，各向亮紅燈禁行 12s，然后返回以前的工作狀態(tài)繼續(xù)工作；雙向黃燈警告中斷功能為在夜間車輛較少時(shí)， 各向亮黃燈警告車輛慢行；按重啟鍵后，重新返回以前的工作狀態(tài)繼續(xù)工作。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用超聲波對(duì)車輛進(jìn)行探測(cè)，并實(shí)現(xiàn)智能控制的方法，該方法通過(guò)對(duì)超聲波的發(fā)射和接收，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的探測(cè)，并進(jìn)行計(jì)數(shù)，把得到的數(shù)據(jù)輸入模糊控制器，并利用模糊算法進(jìn)行計(jì)算，得到下一周期綠燈的時(shí)長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)紅綠燈的智能配時(shí)。本發(fā)明對(duì)現(xiàn)在交通存在的固定配時(shí)造成交通延誤的問(wèn)題提出了很好的解決方法。
文檔編號(hào)G08G1/08GK101882377SQ200910141430
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2009年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月9日
發(fā)明者伍曉瓊, 劉盈, 羅仁澤, 高頔, 黃家盛 申請(qǐng)人:羅仁澤;黃家盛