CN102436770A - 交通信息与控制实验教学基础平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交通信息与控制实验教学基础平台，属于交通信息与控制领域。主要包括道路环境微缩系统以及车辆自主行驶系统，其以沙盘模型的形式与真实道路环境1∶38比例制作微缩实验台。其中包含城市道路，信号交叉口，交通标志、标线，路侧景观，照明设施，可控信号灯，信号控制机，微型交通检测设备，自主行驶车辆模型。本发明依靠路面下埋设的金属导轨以及电磁感应原理引导车辆模型实现自主行驶，利用与红灯信号同步的电磁感应效果，实现车辆交通规则控制，应用红外测速以及红外通信技术实现车辆编队行驶，应用红外通信技术实现中央调度协调控制。本发明的基础实验平台是进一步实现信息采集系统、信息传输系统以及信号控制与仿真系统的基础。

Description

交通信息与控制实验教学基础平台

技术领域

本发明涉及一种基础平台，特别是一种交通信息与控制实验教学基础平台，属于交通信息与控制领域，主要是为交通工程专业开设交通信息与控制相关课程而开发的实验基础平台。

背景技术

交通信息与控制技术作为智能交通系统的核心技术，目前已经在城市交通的各个领域得以广泛应用，交通信息采集技术、交通信息传输技术、交通信号控制技术、交通仿真技术、智能车辆技术等智能技术已经在交通领域发挥着重要作用。同时，适应智能交通领域的人才需求，用人单位也提出了对于交通信息与控制专业人才的迫切需求。为应对人才培养和人才市场的变化，目前开设了《交通信息与控制技术基础》课程，课程隶属于交通工程专业“交通信息与控制”类本科生主干课程群。该课程的开设为交通管理与控制、智能运输系统等交通工程专业课程奠定理论基础，期望通过课程的开设，让学生掌握交通信息与控制领域的专业技术，增强交通工程专业学生的社会适应性，更好地满足现代交通对于人才的需求。

但由于此类课程的跨专业以及学科交叉的特点，对于课堂教学以及实践教学均提出了挑战，目前全国各大高校交通工程专业基本未开设此类课程，因此相应的教学实验设备和实验平台基本没有。因此，为了提高学生的工程实践能力，交通工程专业筹建交通信息与控制实验室，该实验室依托于《交通电子技术》、《交通信息与控制技术基础》、《交通管理与控制》几门课程，通过开设本科生课程实验、本科生创新学分实践课程以及跨专业、跨学科的自主创新实验，培养以学科交叉为特色的综合应用人才。实验平台包括6大分系统，包括道路环境微缩系统，自主行驶车辆系统，交通信息采集系统，交通信息传输系统，交通信号控制系统、控制策略有效性评价系统。本发明主要为各大智能交通实验分系统的搭建提供基础实验平台，包括“道路环境微缩系统”和“自主行驶车辆系统”。

基于该基础实验平台的搭建，实现微缩道路交通元素的还原和自主行驶车辆，为其他智能交通系统的搭建提供实施基础平台。期望能够在全国高校中率先搭建实验平台，不再是以演示和仿真技术为主，而是构建功能性的可操作实验平台，为学生提供动手实践的机会。

发明内容

本发明为满足上述需求，提出了一种交通信息与控制实验教学基础平台，将城市实际道路环境中的交通元素微缩移植至实验室，并产生自主行驶的车辆，为交通采集系统、交通信息传输系统以及交通控制与仿真系统的搭建提供基础平台。

本发明的主要技术方案如下：

交通信息与控制实验教学基础平台，是将城市实际道路环境中的交通元素进行微缩移植至实验室，形成一套完善的交通信息与控制实验教学基础平台，其主要包括：道路环境微缩系统以及车辆自主行驶系统，其特征在于，包括以下内容：

(1)：所述的道路环境微缩系统，将真实道路环境按比例微缩制作成实验台，其中包含有城市道路，信号交叉口，交通标志、标线，道路路侧景观，照明设施，可控信号灯，信号控制机，微型交通检测设备，自主行驶车辆模型；城市道路路面上安装有龙门架，为道路检测设备的安装提供支架；城市道路路面上还开设有可安装线圈检测器的路面槽，其安装有自制的线圈检测设备；城市道路路面下安装有微磁导轨，为车辆模型提供行驶轨迹；距路口一段距离的路面下安装有电磁铁，和信号灯红灯信号同步，为车辆模型提供制动信号；路面颜色、交通标志、标线颜色与真实道路贴近，并具有夜间反光效果；

(2)所述的车辆自主行驶系统，为整个交通信息与控制实验教学基础平台提供检测对象，车辆自主行驶系统包括3个层面的功能：

(2.1)：车辆自主行驶控制，通过车头安装的永磁体与路面下方预埋的金属导轨相互作用，控制车辆的行驶路线，实现车辆行驶路线控制；交叉口路面下方埋有与信号灯红灯状态同步的电磁铁，通过安装在车辆底盘的霍尔传感器获取路口信号灯状态，以实现小车“红灯停、绿灯行”的交通规则控制，车辆后轮有红外码盘测速装置，通过单片机的PWM调速实现车辆的转速控制，确保小车以某一速度稳定行驶；

(2.2)：车辆编队行驶控制，每辆车的后轮装有红外测速装置，检测车辆运行状态。通过车辆尾部安装的红外发射装置，不间断地向后车发送本车行驶速度信息，后车通过安装在其前部的红外接收装置，获取前方车辆的运行状态以决定自身行驶速度，确保稳定的车距，避免相撞并实现路口车辆排队等候；

(2.3)：车辆调度协调控制，车辆主控板预留串行接口可接入无线收发模块，通过控制中心可实现对平台上所有车辆的调度，实时改变车辆运行速度和运行轨迹，实现车辆中央协调控制，进而产生违章停车、超速行驶、闯红灯这些违章事件，为实验教学基础平台的各种事件检测提供实验环境。

所述的交通信息与控制实验教学基础平台，道路环境微缩系统与实际道路的比例是1∶38，基础平台上的交通元素均按照实际尺寸按比例微缩而成。

所述的交通信息与控制实验教学基础平台，基础平台利用微缩城市道路路面、微缩龙门架以及可安装线圈检测器的路面槽，可以安装包括线圈、视频、微波、红外这些多种交通信息传感器，为进一步完成交通量的检测计算提供实验教学基础平台。

所述的交通信息与控制实验教学基础平台，基础平台上安装有多种插接面板，通过插拔接线端子，实现基础平台上的感应线圈、信号灯和检测器、信号机、视频传输这些外部设备的连接和通信。

本发明的有益效果在于：本发明的交通信息与控制实验教学基础平台为进一步实现交通信息采集、交通信息传输、交通信号控制与仿真实验系统的构建提供了基础平台，为交通工程专业“交通信号与控制”类本科生提供课程实验以及创新实践的平台，也可为其他相关专业，如电子信息与控制工程、车路信息协调控制技术、交通信息采集技术、智能信号控制技术、视频压缩传输技术等相关专业的本科生以及研究生提供实践平台，培养了学生创新和实践的能力。

附图说明

图1为本发明的交通信息与控制实验教学基础平台示意图

图中：1、城市道路；2、信号灯；3、摄像头；4、线圈检测器；5、面板；6、车辆；7、信号机；8、龙门架；9、标线；10、线圈；11、微磁导轨；12、电磁铁。

具体实施方式

如图1所述，本发明的一种交通信息与控制实验教学基础平台，具体实施方式如下：

一、道路环境微缩系统

(1)、制作实验台，实验台的形式采用常见的普通实验工作台即可，但是要求实验台面是不易变形的木质材料，以便于钻孔等操作。最好是钢支架结构，以便于支撑学生在实验台上实施操作。在木质桌面上按照车辆6即将运行的轨迹和车道安装微磁导轨11。桌面上另外铺设薄的路面材料木板，并均匀喷制具有反光效果的、酷似真实路面材料的深灰色油漆，并适当制作路侧景观环境，形成道路沙盘模型。

(2)、按比例微缩真实道路环境中的交通元素，与实际道路环境的比例是1∶38，绘制城市道路1、环境、交通标志、标线9、信号交叉口、人行横道等。

(3)、在木质平台上，按照比例尺寸搭建不锈钢材质的、中空的交通信号灯支架、可调整高度的龙门架支架、道路照明设备以及由红、黄、绿不同的发光二极管组成的信号灯2。所有元素的形状按照真实道路的形状设计，尺寸按照1∶38的比例缩小。所有的电路连接线均分类分布在实验台面底部的走线槽中。

(4)、在台面上按照线圈检测器的尺寸，在路面挖制线圈检测器4路面槽，并制作与路面槽的大小一致的、路面材料一致的检测器盖，以还原道路路面，便于车辆安全行驶。在中空的不锈钢材质的龙门架8上制作万向节，可安装视频摄像头3，并将摄像头3的走线同样放置在实验台面底部的走线槽中。

(5)、在实验台面上设计各种规格的插线面板，通过制作带有插头的连接线，实现平台和外部设备的连接，比如信号机7、线圈采集设备、视频采集卡等设备。

二、车辆自主行驶系统

车辆模型经过改装在沙盘模型上按照既定金属轨迹行驶，能够按照交通规则行驶、实现编队行驶、实现中央协调控制，进而为各种交通信息采集、视频处理、视频传输等模块提供检测单元。

(1)、车辆驱动，采用直流电机PWM波驱动实现车模运动，小车在路过交叉口时会根据信号灯状态刹车，所以加入刹车装置。刹车装置由双刀双掷继电器实现。刹车时，继电器通过切换电路向电机施加反向电压，使得电机能够在较短时间内完成制动。

(2)、轨迹控制，利用道路下方的金属导轨，模型车辆头部的导向轮与永磁铁联动，使得小车自发的沿着金属导轨行驶。信号灯2与安装在路口的电磁铁12保持同步，采用霍尔元件检测电磁铁磁场的有无，进而获知当前路口信号灯2状态。同一辆车上加装3组双向霍尔传感器，增加感应强度，以保证停车时至少有一个传感器正对着电磁铁12。

(3)、速度控制，车辆行驶速度控制采用PID调速方式，以控制车辆保持一定的行驶速度。

以上步骤实现实验车辆自主行驶。

(4)、红外测速，每辆小车的后轮都安装了红外测速装置。测速装置由车轮上的码盘与底盘上的红外对管组成。

(5)、红外通信，多车编队的核心是实现后车跟随前车行驶，实现此效果的前提是后车能够侦测前车的运行状态。前车安装在车尾部的红外发射管不间断的将自己的运行状态向后方广播。只要后车进入一定范围便可接收到前车的运行状态，由此调整自身的运行状态以保持与前车的安全距离。

以上步骤实现实验车辆编队行驶。

(6)、车辆调度控制系统由中控机以及模型车辆上的无线收发模块组成。模型车辆上的单片机为无线收发模块预留全双工串行收发接口，可以很容易的将无线收发模块接入模型车辆。充当总调度机的教师主机上接有相同的无线收发模块并装有调度控制程序，可与整个实验平台上的所有车辆进行通信，控制其速度、行驶方向，并产生违章行为，为视频检测提供事件。

以上步骤，实现中央协调控制。

Claims (4)

1.交通信息与控制实验教学基础平台，是将城市实际道路环境中的交通元素进行微缩移植至实验室，形成一套完善的交通信息与控制实验教学基础平台，其主要包括：道路环境微缩系统以及车辆自主行驶系统，其特征在于，包括以下内容：

(1)：所述的道路环境微缩系统，将真实道路环境按比例微缩制作成实验台，其中包含有城市道路，信号交叉口，交通标志、标线，道路路侧景观，照明设施，可控信号灯，信号控制机，微型交通检测设备，自主行驶车辆模型；城市道路路面上安装有龙门架，为道路检测设备的安装提供支架；城市道路路面上还开设有可安装线圈检测器的路面槽，其安装有自制的线圈检测设备；城市道路路面下安装有微磁导轨，为车辆模型提供行驶轨迹；距路口一段距离的路面下安装有电磁铁，和信号灯红灯信号同步，为车辆模型提供制动信号；路面颜色、交通标志、标线颜色与真实道路贴近，并具有夜间反光效果；

(2)所述的车辆自主行驶系统，为整个交通信息与控制实验教学基础平台提供检测对象，车辆自主行驶系统包括3个层面的功能：

(2.1)：车辆自主行驶控制，通过车头安装的永磁体与路面下方预埋的金属导轨相互作用，控制车辆的行驶路线，实现车辆行驶路线控制；交叉口路面下方埋有与信号灯红灯状态同步的电磁铁，通过安装在车辆底盘的霍尔传感器获取路口信号灯状态，以实现小车“红灯停、绿灯行”的交通规则控制，车辆后轮有红外码盘测速装置，通过单片机的PWM调速实现车辆的转速控制，确保小车以某一速度稳定行驶；

(2.2)：车辆编队行驶控制，每辆车的后轮装有红外测速装置，检测车辆运行状态。通过车辆尾部安装的红外发射装置，不间断地向后车发送本车行驶速度信息，后车通过安装在其前部的红外接收装置，获取前方车辆的运行状态以决定自身行驶速度，确保稳定的车距，避免相撞并实现路口车辆排队等候；

(2.3)：车辆调度协调控制，车辆主控板预留串行接口可接入无线收发模块，通过控制中心可实现对平台上所有车辆的调度，实时改变车辆运行速度和运行轨迹，实现车辆中央协调控制，进而产生违章停车、超速行驶、闯红灯这些违章事件，为实验教学基础平台的各种事件检测提供实验环境。

2.根据权利要求1所述的交通信息与控制实验教学基础平台，其特征在于：所述的道路环境微缩系统与实际道路的比例是1∶38，基础平台上的交通元素均按照实际尺寸按比例微缩而成。

3.根据权利要求1所述的交通信息与控制实验教学基础平台，其特征在于：基础平台利用微缩城市道路路面、微缩龙门架以及可安装线圈检测器的路面槽，可以安装包括线圈、视频、微波、红外这些多种交通信息传感器，为进一步完成交通量的检测计算提供实验教学基础平台。

4.根据权利要求1所述的交通信息与控制实验教学基础平台，其特征在于：基础平台上安装有多种插接面板，通过插拔接线端子，实现基础平台上的感应线圈、信号灯和检测器、信号机、视频传输这些外部设备的连接和通信。

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