交通灯智能交通系统文档格式.docx
- 文档编号:18012926
- 上传时间:2022-12-12
- 格式:DOCX
- 页数:32
- 大小:2.20MB
交通灯智能交通系统文档格式.docx
《交通灯智能交通系统文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《交通灯智能交通系统文档格式.docx(32页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
欧洲早在1969年便开始发展ITS。
1985年,在法国的倡导和推动下,欧洲开始了一项名为“由里卡”的计划,制定了包括交通技术在内的九大重点研究领域。
1986年,欧洲十一家汽车公司以奔驰为主,进行了民间主导PROMETHEUS(ProgrammeforEuropeanTrafficwithHighestEfficiencyandUnprecedentedSafety)计划,于1994年结束,取得了巨大的成功。
当前世界各国使用广泛的且具有成效的交通控制系统有英国的TRANSYT系统、SCOOT系统和澳大利亚的SCATS系统。
(1)TRANSYT(trafficnetworkstudytool)是当今世界上最负盛名的信号配时优化设计程序。
其最初版本是由英国道路运输研究所于1968年研制成功的。
该系统是一种脱机操作的定时控制系统,主要由优化模型和仿真模型两部分组成,自1968年问世以来,得到了不断的发展,目前已经发展到先进的TRANSYT-8,其主要技术特征有:
控制模式:
静态模式,即脱机时预测确定控制参数,再上机调试。
系统目标:
平均延误时间、停车次数、排队长度最小。
参数优化特征:
绿信比与相位差是通过建立数学模型计算的,即是优化确定的,周期不参加优化,只是从给定的数值中通过试探法找到性能指标最优的目标周期,也就是选择确定。
优化方法:
瞎子爬山法。
(2)SCATS(SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficSystem):
是澳大利亚于20世纪70年代末研制成功的,从1980年起陆续在澳大利亚全境安装使用。
该系统采用分层递进控制方式,主要的技术特征有:
地区级、联机、中央级、联机与脱机同时进行。
类饱和度最大(车辆有效利用绿灯时间与绿灯显示时间之比)和通过带最宽。
根据最大周期类饱和度确定下一周期的参数,从事先准备好的4种绿信比方案中以“投票”方式选出下一周期的绿信比,选中的依据是类饱和度最小:
相位差是根据通过带的宽度比较选择得出
(3)SCOOT(SplitCycleOffsetOptimizationTechnique)是20世纪70年代初,英国运输和道路研究所与三家公司在TRANSYT的基础上研制出的一种自适应控制系统,其主要技术特征有:
联机实时控制,即动态控制。
车辆延误时间和停车次数最小。
周期、绿信比和相位差均通过建立优化模型计算得到。
小步长渐进寻优法
智能交通系统的发展历程可用表1.1表示。
表1.1现代主要交通系统举例
Tab.1.1ThedevelopmentprocessofTrafficcontrolsystem
系统名称方式系统特征路口数周期检测器
TRANSYT面控静态控制多变环形线圈
SCOOT面控动态控制多变地感线圈
SCATS面控动态控制多变环线圈
在智能交通灯系统设计和应用开发方面,我国起步较晚,单点信号机在1973年研制成功标志着我国开始进入智能交通系统时代。
北京的前三门大街的交通线路在1985年实现了智能交通系统的自动控制,这是我国首次将ITS应用于实际。
同济大学以南京市作为实验对象,研制了一套全国产的、具有自主知识产权的智能化的交通系统控制器,该项目是我国“七五“期间国家重点攻关项目,但由于种种原因,一些标志性功能,如自动配时等并没有投入使用。
1991年,天津大学首次将自学习智能原理应用于其自主研发的城市交通控制系统TICS(TrafficIntelligentControlSystem)。
2000-2002年,吉林大学在杨兆升教授带领下,研发了专门针对我国的城市道路交通特点(自行车数量较多)的控制系统及其软件——混合交通自适应信号控制系统。
考虑到我国交通道路上自行车较多的情形,该系统实现了自行车车流量的检测,在进行信号灯自适应配时方案时考虑到自行车流对配时时间的影响,并且应用
于实际工程中,取得了显著的效果
综上所述,现代智能交通系统的控制模式都是动态控制,且也不仅仅单一局限于单个路口的控制,对实时性的需求越来越强,这就要求控制系统能够告诉的处理大量的实时数据,而FPGA由于其处理速度快,且容量大,非常适合用来实现智能交通系统的核心控制,因此本设计采用FPGA技术完成课题的设计。
1-3FPGA技术的简介
1-3-1FPGA的简介
FPGA(Filed-ProgrammableGateArray),即现场可编程门阵列,它在1984年诞生于硅谷,是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
FPGA是一种半定制电路,由可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输入输出模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分组成。
用户可以通过开发软件对FPGA进行配置和编程来改变CLB和IOB的触发状态,从而实现不同的功能需求;
在对FPGA进行功能改进和系统升级时,用户可以直接在计算机上对程序进行修改和更新,而不需要重新设计调试PCB电路板,从而使硬件设计能够像软件开发那样方便快捷,缩短了系统设计周期,增强了硬件设计的灵活性。
FPGA的出现,解决了定制电路不足问题,克服了原有可编程器件门电路少的缺点。
1-3-2FPGA的结构
和基于乘积项的CPLD相比,FPGA主要是基于查找表的。
查找表(Look-Up-Table)简称为LUT,它实际就是一个RAM。
目前FPGA中多使用4输入的LUT,所以每一个LUT可以看成有4位地址线的16×
1的RAM。
当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后,PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果,并把结果事先写入RAM,这样,每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表,找出地址对应的内容,然后将之输出即可。
目前,业界通用的FPGA基本上都是基于查找表原理的,如图1.1所示,典型的有Xilinx的Spartan、Virtex系列,Altera的ACEX、APEX系列等
FPGA芯片主要由6部分完成,分别为:
可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块,每个模块的功能如下:
(1)可编程输入输出单元(IOB)
可编程输入/输出单元简称I/O单元,是芯片与外界电路的接口部分,完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求。
FPGA内的I/O按组分类,每组都能够独立地支持不同的I/O标准。
通过软件的灵活配置,可适配不同的电气标准与I/O物理特性,可以调整驱动电流的大小,可以改变上、下拉电阻。
目前,I/O口的频率也越来越高,一些高端的FPGA通过DDR寄存器技术可以支持高达2Gbps的数据速率。
外部输入信号可以通过IOB模块的存储单元输入到FPGA的内部,也可以直接输入FPGA内部。
当外部输入信号经过IOB模块的存储单元输入到FPGA内部时,其保持时间(HoldTime)的要求可以降低,通常默认为0。
(2)可配置逻辑块(CLB)
CLB是FPGA内的基本逻辑单元。
CLB的实际数量和特性会依器件的不同而不同,但是每个CLB都包含一个可配置开关矩阵,此矩阵由4或6个输入、一些选型电路(多路复用器等)和触发器组成。
开关矩阵是高度灵活的,可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。
在Xilinx公司的FPGA器件中,CLB由多个(一般为4个或2个)相同的Slice和附加逻辑构成。
每个CLB模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑,还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。
(3)数字时钟管理模块(DCM)
业内大多数FPGA均提供数字时钟管理(Xilinx的全部FPGA均具有这种特性)。
Xilinx推出最先进的FPGA提供数字时钟管理和相位环路锁定。
相位环路锁定能够提供精确的时钟综合,且能够降低抖动,并实现过滤功能。
(4)嵌入式块RAM(BRAM)
大多数FPGA都具有内嵌的块RAM,这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。
块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器(CAM)以及FIFO等常用存储结构。
RAM、FIFO是比较普及的概念,在此就不冗述。
CAM存储器在其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑,写入CAM中的数据会和内部的每一个数据进行比较,并返回与端口数据相同的所有数据的地址,因而在路由的地址交换器中有广泛的应用。
除了块RAM,还可以将FPGA中的LUT灵活地配置成RAM、ROM和FIFO等结构。
在实际应用中,芯片内部块RAM的数量也是选择芯片的一个重要因素。
(5)丰富的布线资源
布线资源连通FPGA内部的所有单元,而连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。
FPGA芯片内部有着丰富的布线资源,根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为4类不同的类别。
第一类是全局布线资源,用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线;
第二类是长线资源,用以完成芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线;
第三类是短线资源,用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线;
第四类是分布式的布线资源,用于专有时钟、复位等控制信号线。
(6)底层内嵌功能单元
内嵌功能模块主要指DLL(DelayLockedLoop)、PLL(PhaseLockedLoop)、DSP和CPU等软处理核(SoftCore)。
现在越来越丰富的内嵌功能单元,使得单片FPGA成为了系统级的设计工具,使其具备了软硬件联合设计的能力,逐步向SOC平台过渡。
DLL和PLL具有类似的功能,可以完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频,以及占空比调整和移相等功能。
Xilinx公司生产的芯片上集成了DLL,Altera公司的芯片集成了PLL,Lattice公司的新型芯片上同时集成了PLL和DLL。
PLL和DLL可以通过IP核生成的工具方便地进行管理和配置。
(7)内嵌专用硬核
内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的,指FPGA处理能力强大的硬核(HardCore),等效于ASIC电路。
为了提高FPGA性能,芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。
例如:
为了提高FPGA的乘法速度,主流的FPGA中都集成了专用乘法器;
为了适用通信总线与接口标准,很多高端的FPGA内部都集成了串并收发器(SERDES),可以达到数十Gbps的收发速度。
1-3-3FPGA的发展方向
随着FPGA的出现和发展,FPGA的性能越来越高,资源越来越丰富,因其设计灵活性以及处理速度快等优势,市场上对于FPGA的应用需求的领域不断随之扩大,从最初的通信领域,逐步扩大到航空航天、测试测量、汽车电子,安防、医疗等各个领域。
近年来,越来越多的厂商与设计人员倾向于选择FPGA来实现产品的开发。
FPGA依靠自身的优越性和适用性,促使其朝着以下几个方向发展:
(1)与DSP结合
实际上,数字信号处理的解决方法有很多。
比如,使用普通的数字信号处理器、MCU等。
同样,也可以使用FPGA作为数字信号处理工具。
尤其是FPGA的处理速度快这个特点,特别适合处理速度不断提升的数字信号处理。
近年来,传统的DSP正面临功耗、性能和生产使用周期长等缺点的挑战。
而FPGA其独特的优势,正好实现了DSP上述缺陷的互补,满足设计的实时性和并行处理的需求。
(2)IP库的利用
当前系统级FPGA具有IP内核的开发主要表现在两个方面:
一方面是FPGA厂商将IP硬核直接嵌入到FPGA中;
二是全面扩充经过优化的IP软核(即利用硬件描述语言设计并经过验证的单元功能模块),用户可以直接使用这些经过预定义和验证的IP核资源,有效完成复杂的片上系统设计。
(3)可编程系统芯片(SOPC)的发展
系统设计将会是推动SOPC发展的原动力,并不是特定的硬件或软件设计方法。
系统级设计的着重点是放在其设计的并行性以及其高度并发和平行的特性。
实现SOPC主要有两种途径,一种是将专有功能的IP核嵌入到FPGA芯片中,实现其SOC功能;
另一种是将可编程逻辑IP核嵌入到SOC中
1-4论文的结构安排
全文共分为四章,具体内容安排如下:
第一章主要介绍了课题研究的意义以及智能交通技术的发展及现状、FPGA技术的历史背景及未来的发展方向。
第二章主要介绍了系统的整体体方案,首先进行车流量的检测,得出的数值通过模糊控制,得到绿灯时间,最终控制交通灯。
第三章主要介绍了车流量检测算法的实现,首先简单介绍了车流量检测的相关知识,然后介绍了车流量检测的实现过程。
第四章主要呈现了系统硬件的总体设计,主要介绍了系统的整体硬件仿真和实现。
1-5总结
本章主要讲述了课题的研究背景及意义。
首先介绍了课题的研究意义,其次分别介绍了智能交通技术和FPGA技术的研究现状及未来发展方向,最后介绍了整篇论文的工作安排。
本章是全文的开篇部分,是全文的引领,为全文制定了主要的脉络。
第二章系统整体方案设计
2-1功能需求分析
本设计需要设计一个智能的交通灯自动控制系统。
所谓智能控制,就是能够使得交通信号灯的各种信号时间实现自动配时,即按需求自动获得相应相位的信号灯延续时间。
要实现自动配时,首先需要通过FPGA芯片外部摄像头拍摄的交通路口视频。
其次,通过图像处理算法,统计出交通路口各相位在通行时间内的通行车辆数量,通过此数量,反馈一个时间给系统,这样就实现了交通路口信号灯的自动配时方案。
课题要实现的目标如下:
(1)通过对交通路口车流量视频对车流量进行统计。
(2)通过模糊控制算法,得出应分配的绿灯时间。
(3)根据系统计算出的绿灯时间控制LED灯。
2-2系统整体框图
从图2.1可以看出,该系统以FPGA芯片为控制核心,接收外部图像传感器传输的图像数据;
通过车辆检测模块判断有无车辆通过,通过车流量统计模块,对通过的车流量数量进行统计;
LED控制模块负责接收统计模块统计的结果,根据某种法则,给出特定的红绿灯时间,对外部的交通信号灯进行自适应的控制。
2-3论文的关键技术
本文要解决的重点问题是如何通过图像处理技术统计出交通路口车流量,以及通过模糊控制算法和之前的车流量求出下一周期的绿灯时间。
(1)车流量检测和统计算法
此部分是整个论文的核心部分,也是整个设计的难点所在。
通过图像处理算法,实现交通路口通过的车辆进行检测,并将检测结果进行统计,得出具体的车辆数量后。
(2)信号灯时间分配方法
此部分的关键技术是,如何通过上一部分的交通路口的具体车量数量,来给出绿灯的时长。
本论文在此采用模糊控制算法,来实现红绿灯的自动配时。
并通过FPGA芯片的控制,实现该智能系统。
以上的问题的解决方法和设计思路将在本论文的第三、四章详细介绍。
第三章车流量检测算法的软件设计和系统的模糊控制
3-1车流量检测基础知识简介
本部分主要介绍车流量检测部分常用的基础理论,包括图像滤波部分和常用车流量检测的方法,其中,图像滤波部分是对图像进行预处理的关键技术,如果不对图像进行滤波,则生成的图像本身会夹杂各种各样的噪声,这些噪声会严重的干扰检测的准确性,本部分主要介绍中值滤波和均值滤波两种常用的方法。
常用的车流量检测方法,提供了当今世界车辆流量检测技术的主流方法,通过对各种方法进行相互比较,可以找出最适合本设计的办法。
3-1-1图像滤波
图像从生成到传输,会受到各种各样噪声的影响。
基于视频的车流量统计技术,实际上也是图像处理技术,由于交通视频图像是由摄像机拍摄而来的,摄像机的抖动以及外界自然环境的干扰,使得交通视频图像夹杂着更多的噪声。
因此,要实现车流量的精确统计,在对视频图像处理之前,必须要经过滤波这一步。
常用的滤波技术有线性滤波和非线性滤波,近年来,随着数学形态学的发展,很多人用形态学来实现图像滤波。
(1)中值滤波
中值滤波,一开始应用于时间序列分析,后来被用于图像滤波。
中值滤波是一种非线性平滑技术,由于噪声被安放在数值序列的两端,故中值滤波达到了抑制噪声的目的。
对于一维中值滤波,就是用一个奇数点的移动窗口,将窗口中心点的值用窗口内各点的中值来代替。
假设窗口内有5个值,分别为50、60、70、80、90,则此窗口内各点的中值为70。
设有一个一维序列为
取窗口长度为L=2k+1,对其进行中值滤波,就是从输入的序列中取出L个数,为
则一维中值滤波公式为
,则y称为序列
的中值。
图像中值滤波是一维中值滤波在二维空间的推广,区别在于它处理的数据是二维矩阵形式。
中值滤波在图像处理中骑到保护边缘信息的作用,采用相同模板的中值滤波引起的模糊比均值滤波要差,但对于脉冲噪声,特别是脉冲宽度小于1/2滤波窗口长度和相聚较远的窄脉冲抑制效果好。
平滑噪声和保护图像边缘是一对矛盾,往往很难两者兼顾。
中值滤波在平滑噪声的同时也会抑制信号,使图像变的模糊。
二维中值滤波器的滤波窗口形状和大小对滤波结果都会产生影响。
实际应用中应该根据图像特点和滤波要求采用合适的滤波窗口,图3.1给出了尺寸为3*3的常见二维中值滤波器窗口。
考虑到中值滤波器对图像细节的平滑,在使用中值滤波是一般先使用3*3的检测窗口,若图像无明显模糊再改用5*5大小的检测窗口。
依次增加,最终达到平滑噪声和保护图像边缘的平滑状态。
在有很强的椒盐脉冲干扰下,由于这些灰度值的干扰值与其临近像素的灰度值有很大差异,因此经排序后取中值的结果是强迫将此干扰点变成与临近的某些像素灰度值一样,从而达到去除干扰的效果,因此中值滤波对椒盐噪声有较强的抑制作用,如图3.2和3.3所示。
(2)均值滤波
均值滤波又称平滑线性空间滤波器,对移植高斯噪声有很好的抑制效果。
均值滤波是典型的线性滤波算法,它是指在图像上对目标像素给一个模板,该模板包括了其周围的临近像素(以目标象素为中心的周围8个象素,构成一个滤波模板,即去掉目标象素本身),再用模板中的全体像素的平均值来代替原来像素值。
均值滤波采用的主要方法为领域平均法。
平滑线性滤波的基本原理是用均值代替原图像中的各个像素值,即对待处理的当前像素点(x,y),选择一个模板,该模板由其近邻的若干像素组成,求模板中所有像素的均值,再把该均值赋予当前像素点(x,y),作为处理后图像在该点上的灰度个g(x,y),即g(x,y)=1/må
f(x,y),其中m为该模板中包含当前像素在内的像素总个数。
平滑线性滤波处理降低了图像的“尖锐”变化。
由于典型的随机噪声由灰度级的急剧变化组成,因此常见的平滑处理的应用就是降低噪声。
然而,由于图像边缘(几乎总是一副图像希望有的特性)
也是由图像灰度的尖锐变化带来的特性,所以均值滤波处理还是存在着不希望有的边缘模糊的负面效应,这是算法本身存在的固有缺陷,只能改善不能彻底消除。
为了改善对图像边缘的模糊,有学者提出了加权均值滤波算法。
例如采用如图3.4所示的3*3的掩模进行加权平均。
从权值上看处于掩模中心位置的像素比其他任何像素的权值都要打,说明在均值中该点像素值较其他点最为重要。
而随着距中心点距离的增大加权系数减小,是为了最终的均值结果更接近中心像素点的真实值,减少处理中的模糊。
在实践中,由于掩模占整幅的比例很小,通常很难看出加权前后的滤波区别。
均值滤波对高斯噪声有很好的抑制效果,如图3.5和3.6所示。
本文中,由于交通路口拍摄的视频有很多点状的椒盐噪声,由上所述,故采取中值滤波方案。
3-1-2几种常用的运动目标检测算法简介
(1)光流检测法
Gibson在1950年提出了光流的概念
光流,是一个关于视域中运动物体检测的概念。
用来描述一些特定的运动所造成的运动物体的边缘、表面或运动目标本身的运动。
光流法是把检测区域中的运动物体的每一个点当做一个速度矢量,当物体运动时,每一个点的向量也瞬息变化。
因此,光流法携带了丰富的运动物体的信息,通过对运动物体光流场分析可以判断区域内是否有车辆通过。
光流场可以简单的理解为物体的运动矢量场,包括两个分量u,v。
设平面上有一点(x,y),它代表的是场景中某一点(x,y,z)在图像平面
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 交通灯 智能 交通 系统
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)