ES2299354B1 - Dispositivo para la deteccion automatica de trafico rodado. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la detección automática de tráfico rodado. A partir de una carcasa (1) de reducidas dimensiones, sensiblemente aplanada, estanca, dotada de medios anclaje a la calzada, en la misma se establece un microcontrolador (3) con un determinado firmware, al que están asociados cuatro bloques que se corresponden con cuatro transductores magnéticos magnetoresisitivos monolíticos de bajo ruido (4), (5-6), para detectar la presencia de vehículos, almacenar su huella magnética y posteriormente calcular con ella su velocidad y longitud, incluyendo un reloj (13) para establecer la hora exacta de detección de cada vehículo. Los datos recogidos se almacenan en una tarjeta de memoria (17), pudiéndose transmitir dicha información a través de un módulo de transmisión de datos por radio frecuencias (15) a un dispositivo externo (21), tal como una agenda electrónica o similar para su posterior análisis. El dispositivo se alimenta eléctricamente indistintamente a través de una batería (8) y un panel o célula solar (9).
Description
Dispositivo para la detección automática de
tráfico rodado.
La presente invención se refiere a un
dispositivo que ha sido especialmente concebido para detectar de
forma automática el tránsito de vehículos sobre una calzada.
El objeto de la invención es proporcionar un
dispositivo de reducidas dimensiones, con un coste asimismo
reducido que, de forma unitaria o junto con otros dispositivos de
iguales características dispuestos sobre los distintos carriles de
la calzada, permitan realizar estudios estadísticos de tráfico, de
forma totalmente automática, con un alto grado de fiabilidad,
pudiendo incluir en la información recogida además del número de
vehículos que pasan por dicho carril, la velocidad, tamaño y
momento preciso de paso de cada vehículo. Además, para cada
vehículo, se toma y almacena una conjunto de medidas que
caracterizan dicho vehículo, lo que se puede denominar
"huella" magnética. Esta característica permite al sistema
identificar el vehículo en un grado mayor que el que tienen los
sistemas actuales potenciando la capacidad de análisis
posterior.
A la hora de realizar estudios de tráfico, son
conocidos sensores o aforadores de tráfico que incorporan unos
tubos dispuestos transversalmente sobre la calzada, que merced a un
sistema neumático o hidráulico dispuesto sobre el lateral de la
calzada permiten controlar de forma electrónica el número de
vehículos que pasan sobre dicho puesto de control.
El problema que presentan este tipo de
dispositivos es que no son excesivamente fiables, precisan de un
alto grado de mantenimiento, y al estar dispuestos en los laterales
de la calzada están expuestos a actos vandálicos.
Asimismo son conocidos aforadores de tráfico
basados en sensores ópticos enfrentados a ambos lados de la
calzada, que si bien son más fiables que los anteriormente
descritos, presentan el mismo problema en lo que a actos vandálicos
se refiere, mientras que su fiabilidad a largo plazo se reduce
drásticamente debido a la suciedad que se acumula en dichos
sensores, así como a los efectos meteorológicos.
Por último son conocidos aforadores de tráfico
que basan su funcionamiento en la incorporación de un sensor
magnético, dispuesto sobre la calzada, en los diferentes carriles
de la misma y centrados sobre los mismos, que gracias a la
distorsión sobre el campo magnético terrestre introducida por el
paso de los vehículos sobre ellos, y a su circuitería interna, son
capaces de contar el tráfico pasante.
Sin embargo, éstos dispositivos presentan como
problema fundamental un alto coste, una reducida autonomía, así
como que únicamente son capaces de registrar el número de vehículos
que pasan sobre los mismos, no permitiendo registrar la velocidad
de dichos vehículos o el tipo de vehículo de que se trata (ligero,
pesado, etc) con suficiente precisión.
Otro problema que presentan este tipo de
dispositivos es que la información alojada en los mismos debe ser
descargada mediante conexiones al dispositivo portátil del
encargado de realizar el estudio mediante cable, con los problemas
e inconvenientes que ello supone, ya que como anteriormente se ha
dicho estos dispositivos están instalados en vías por las que
transitan vehículos y es necesario desmontarlos de su ubicación en
la calzada.
El dispositivo para la detección automática de
tráfico que la invención propone resuelve de forma plenamente
satisfactoria la problemática anteriormente expuesta en los
distintos aspectos comentados, ofreciendo una alta eficiencia,
fiabilidad y precisión en los aforos de tráfico, con un reducido
coste y una alta autonomía.
Para ello el dispositivo que se preconiza está
integrado en una carcasa considerablemente aplanada, de reducidas
dimensiones y dotada de medios para ser anclada con fiabilidad a la
calzada, evitando así posibles actos vandálicos, carcasa de un
material suficientemente robusto como para permitir el paso de las
ruedas de vehículos sobre la misma sin que ello afecte a los
componentes integrados en la misma, y con unas condiciones de
estanqueidad óptimas que impidan la entrada de agua y suciedad a la
misma.
En el interior de dicha carcasa se dispone un
microcontrolador asociado a una serie de transductores magnéticos
magnetoresistivos monolíticos de bajo ruido asociados a un circuito
de medida del campo magnético terrestre basado en amplificadores de
instrumentación de bajo ruido, controlada digitalmente de forma
dinámica para minimizar su consumo.
Dicho microcontrolador está alimentado por una
batería, preferentemente de polímero de litio con protección activa
y circuitería de control de carga rápida y estimación inteligente
de la capacidad restante.
De acuerdo con otra de las características de la
invención el microcontrolador está asociado a un reloj para
establecer la hora exacta para cada vehículo detectado por el
mismo.
Así pues, mediante la inclusión de dos
transductores magnéticos dispuestos para detectar el movimiento de
vehículos sobre el plano horizontal de la calzada, según los
correspondientes ejes XY de coordenadas cartesianas, el dispositivo
es capaz de registrar la dirección transversal a la calzada de
desplazamiento de los vehículos, mientras que con la inclusión de
dos transductores magnéticos de detección vertical, o según el eje
Z, transductores distanciados entre sí una distancia
preestablecida, mediante el firmware interno del microcontrolador
es posible registrar tanto la velocidad del vehículo como la
longitud del mismo, datos que son guardados junto con la fecha y
hora en una memoria de almacenamiento de gran capacidad.
Dicha información puede ser recogida de forma
inalámbrica y sin tener que invadir la calzada por el personal
encargado de controlar 61 o los dispositivos instalados en la misma
gracias a un módulo de comunicaciones por radiofrecuencias asociado
al microcontrolador, de manera que dicho encargado puede establecer
comunicaciones a distancia con el dispositivo a través de un
elemento externo tal como una agenda electrónica, ordenador
portátil o similar dotado del correspondiente puerto de
comunicaciones por radiofrecuencias y el complementario software de
comunicación, archivando los datos guardados en la citada memoria
para su posterior análisis.
De acuerdo con otra de las características de la
invención, y para una mayor autonomía del dispositivo, se ha
previsto que éste incorpore una placa solar fotovoltaica que
permita tanto la alimentación del dispositivo como la recarga de la
batería.
Se consigue de esta forma un dispositivo de gran
precisión, con capacidad para contabilizar y registrar de forma
permanente un elevado número de vehículos, estimar su velocidad y
longitud, el instante de paso de cada uno de ellos, así como la
cualidad especial de registrar la huella magnética del mismo para
su análisis posterior.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación
esquemática en perspectiva de una serie de dispositivos para la
detección automática de tráfico dispuestos sobre los diferentes
carriles de la calzada, dispositivos realizados de acuerdo con el
objeto de la invención.
La figura 2.- Muestra un diagrama de bloques
esquemático de la arquitectura interna de dicho dispositivo.
A la vista de las figuras reseñadas, y en
especial de la figura 1, puede observarse como el dispositivo para
la detección automática de tráfico incorpora una carcasa (1),
sensiblemente aplanada, de reducidas dimensiones, con un espesor de
aproximadamente 12 milímetros, y que se fija al carril (2) de la
vía o calzada sobre la que se quiere controlar el tránsito de
vehículos mediante un sistema de anclaje basado en tornillos
específicos, preferentemente con cabeza torx®, que dificultan su
robo y desprendimiento fortuito, a la vez que facilitan su
instalación, si bien dicha carcasa podría empotrarse en el asfalto
para que su geometría no afectase al tránsito de los vehículos.
Dicha carcasa (1) será de un material
suficientemente robusto como para permitir el paso de los vehículos
sobre la misma, y con un grado de estanqueidad que impida la
entrada de agua y suciedad al interior de la misma.
En el interior de la carcasa (1) se establece un
microcontrolador (3) al que están asociados cuatro bloques que se
corresponden con cuatro transductores magnéticos magnetoresisitivos
monolíticos de bajo ruido para detectar la presencia de vehículos
según dos ejes X e Y del plano horizontal de la calzada y dos ejes
perpendiculares a la misma Z1 y Z2, más la electrónica analógica
para amplificar la señal y corregir el offset debido a las
variaciones naturales del campo magnético. Los cuatro canales son
idénticos, de manera que sólo cambia el tipo y colocación del
transductor magnético, en esta realización: 2 HMC1041Z (4) y (5)
son los transductores Z1 y Z2, mientras que los ejes X e Y están
integrados en un transductor magnético doble (6) HMC1052.
El control de offset y ganancia lo realiza el
microcontrolador (3) digitalmente mediante un potenciómetro digital
MCP42100 en esta realización. El amplificador, de nuevo en esta
realización, está construido alrededor de un INA332 (opamp de
instrumentación).
Dichos transductores magnéticos (4), (5) y (6) y
el microcontrolador (3) están relacionados con un bloque de
"set/reset" (7) de los transductores, construido con
transistores MOSFET, que genera un pico de alta corriente necesario
para producir la reorientación de los dominios magnéticos de la
tira magnetoresistiva interna que tienen estos dispositivos. Esto
se hace periódicamente cuando se detecta que es necesario por
software. Todo el bloque analógico de medida se puede desconectar
totalmente mediante unos MOSFET tipo P y N, de forma que se
enciende por el microcontrolador (3) unos microsegundos antes de
muestrear, y luego se apaga. Esto se hace para minimizar el
consumo.
El sistema se alimenta conjuntamente mediante
una batería (8) y un panel o célula solar (9) asociado a un medidor
de tensión (10) encargado de medir la tensión de la célula solar
(9) y la iluminación mediante una LDR (resistor dependiente de la
iluminación).
La batería (8), de polímero de litio está
asociada a un circuito cargador de la misma (11), que en el ejemplo
de realización práctica se materializa en un chip MAX1501.
Se ha previsto la inclusión de un sensor de
humedad (12) conectado directamente al microcontrolador (3) a fin
de detectar la entrada de agua en el compartimiento del
dispositivo, lo cual implicaría que probablemente se deteriore y
debe desinstalarse de la calzada y llevarse a reparar.
El citado microcontrolador (3) está asociado
igualmente a un reloj (13), materializado en un chip DS1390 que
mantiene la hora exacta gracias a un cristal de cuarzo de 32
KHz.
Opcionalmente se ha previsto la inclusión de un
transductor (14) de posición del dispositivo. Cuando este
transductor (14) detecta que el sensor (1) está en posición
vertical el dispositivo se apaga y cuando vuelve a la posición
horizontal se enciende automáticamente. Esto permite mantener
apagado y sin efectuar consumo al sensor cuando el sensor está
almacenado (en posición vertical) y no está realizando su función
en la calzada.
La estructura anteriormente descrita se
complementa con un módulo de comunicaciones por radiofrecuencia
(15), en este ejemplo implementado con tecnología Bluetooth, con la
correspondiente antena y un MOSFET para controlar su encendido, así
como una tarjeta (17) de almacenamiento de los datos registrados
por el dispositivo, tipo RS-MCC de gran
capacidad.
Asimismo, el microcontrolador (3) incorporará un
conector específico asociado a la tecnología de este dispositivo,
no representado en las figuras, para facilitar la depuración del
funcionamiento de su firmware interno, así como una serie de diodos
emisores de luz (LED) (18) que controlados por software y que
parpadean para indicar el funcionamiento del dispositivo.
El citado microcontrolador (3) incorporará un
firmware interno que implementa varias tareas en paralelo, de
manera que:
Una primera tarea reinicia y ajusta el offset de
los canales magnéticos al comienzo de la puesta en marcha del
sensor, y no vuelve a hacerse hasta que se detecte que hay una
perturbación magnética continua lo suficientemente elevada como
para que los transductores magnéticos queden descentrados de su
posición óptima de medida.
Otra tarea muestrea a 400 Hz y comprueba que la
señal del transductor magnético (4) correspondiente al eje Z1 está
en el valor de reposo, dentro de una pequeña ventana de valores. Si
la señal cambia y se sale de esta ventana, se considera el
principio del paso de un vehículo. En este momento el sensor
comienza a almacenar la señal proveniente de todos los
transductores magnéticos en una memoria intermedia temporal hasta
que se deja de detectar la perturbación magnética. La velocidad se
puede estimar por la diferencia entre el momento en el que el
transductor magnético (4) correspondiente a la dirección Z1 ha
detectado la entrada de un vehículo y el transductor magnético (5)
correspondiente a la dirección Z2 deja de detectar la perturbación
magnética producida por el vehículo.
Cuando se detecta que se termina la
perturbación, se da por pasado el vehículo, se analiza la señal
para descartar picos, ruido y perturbaciones que no se consideran
vehículos, y se vuelve al estado de esperar el paso de un nuevo
vehículo. Se incluye también dentro de esta detección de final de
paso de vehículo un margen para pequeñas variaciones de la señal
para evitar falsos saltos entre estados debido al ruido en la
medición.
Los dos transductores (4) Z1 y (5) Z2 están
separados una distancia fija y conocida. Esta distancia se combina
con el desfase entre los tiempos de detección en dichos
transductores para obtener la velocidad de paso. La longitud del
vehículo se calcula a partir del tiempo total durante el que se ha
detectado la perturbación magnética y la velocidad que se ha
calculado anteriormente. Sin embargo, los valores proporcionados
por este procedimiento no son realmente muy exactos por lo que no
se utilizan para producir los resultados finales. La formar real de
hacer el cálculo de la velocidad es a posteriori una vez
descargados los datos en el PC. La metodología usada para esta
operación es sobremuestrear la señal y una vez hecho esto, realizar
una correlación cruzada entre las señales obtenidas a partir de los
transductores Z1 y Z2. De este proceso se obtiene el desfase
temporal entre ambas señales y combinándola con la distancia entre
ambos se obtiene la velocidad y a partir de ella se obtiene la
longitud del vehículo. Estas operaciones que se han descrito en el
presente párrafo, se realizan actualmente en un PC después de haber
descargado en él los datos. Esto es debido a que el
microcontrolador utilizado en esta realización no tiene la
suficiente potencia de procesamiento. Sin embargo, cuando se
disponga a nivel comercial de un microcontrolador con la potencia
adecuada se podrá realizar está función dentro del propio
sensor.
La utilización de los transductores (6)
correspondientes a los ejes X e Y se emplea como elementos
redundantes de medida debido a que empieza a ser cada vez más
habitual la existencia de vehículos que incluyen zonas no
magnéticas en su estructura y que pueden producir errores en la
estimación del paso del vehículo por encima del sensor. Con estos
sensores se hace un barrido más exhaustivo de la estructura del
vehículo. Esta información resulta útil en la etapa de
procesamiento posterior de los datos obtenidos porque permite
detectar movimientos transversales de los vehículos durante el paso
sobre el sensor y por tanto contribuyen a una mejora en la
estimación de la longitud y velocidad del vehículo.
Cuando la memoria intermedia temporal está llena
(tiene la suficiente capacidad para almacenar los datos de varios
vehículos), se pasa todo el contenido a un sector nuevo de la
tarjeta de memoria (17) RS-MMC, todo ello en
paralelo con la operación de detección de paso de vehículos.
Por otro lado, una tareas de fondo atiende
cualquier petición del módulo bluetooth (15) y manda los datos a la
PDA o dispositivo externo (21), siempre que existan recursos de
procesamiento, con el objeto de no interrumpir en ningún momento
las operaciones propias de aforo.
Así pues, a la hora de obtener los datos
registrados por el dispositivo referentes al tránsito de vehículos
(19), el personal (20) encargado del volcado de dicha información
establecerá comunicación de forma inalámbrica a través de un
elemento externo tal como una agenda electrónica (21), o similar
dotado del correspondiente puerto de comunicaciones por
radiofrecuencias y el complementario software de comunicación,
archivando los datos guardados en la citada memoria para su
posterior análisis en un ordenador (22) y emisión del
correspondiente informe (23).
El reloj interno de todos los sensores (1) que
se instalan en la calzada son sincronizados utilizando el elemento
externo (21) al comienzo de la campaña de medidas y en el momento
en que el operador (20) lo estime oportuno. Una vez descargados
todos los datos en el PC y conocida la posición de cada uno de los
sensores en los carriles de la calzada (2), los datos provenientes
de los transductores X e Y (6) se pueden utilizar para detectar
vehículos que cambian de carril durante su paso sobre los sensores
(1). Esto se consigue realizando la operación de correlación
cruzada entre las señales provenientes de transductores X e Y (6)
pertenecientes a diferentes sensores (1) y detectando la similitud
de la huella magnética de los vehículos. Esta operación permite
detectar el paso de un único vehículo cuando en otros diseño menos
avanzados se detectarían como dos vehículos (uno en cada
sensor).
Claims (8)
1. Dispositivo para la detección automática de
tráfico rodado, que siendo del tipo de los utilizados para realizar
estudios estadísticos de tráfico mediante la detección de la
distorsión magnética inducida por el paso de los vehículos sobre el
campo magnético terrestre, caracterizado porque está
constituido a partir de una carcasa (1) de reducidas dimensiones,
sensiblemente aplanada, estanca, dotada de medios anclaje al carril
correspondiente de la calzada en el que está destinado a
instalarse, en cuyo seno se establece un microcontrolador (3), al
que están asociados cuatro bloques que se corresponden con cuatro
transductores magnéticos magnetoresisitivos monolíticos de bajo
ruido (4), (5-6), para detectar la presencia de
vehículos según dos ejes X e Y de sistema de coordenadas
cartesianas correspondientes al plano horizontal de la calzada, que
permiten caracterizar el movimiento del vehículo en el sentido
transversal a la calzada, lo cual aumenta la precisión en la
obtención posterior de su longitud y velocidad, y dos ejes
perpendiculares a la misma Z1 y Z2 separados una distancia
preestablecida, incorporando dicho microcontrolador (3) un reloj
(13) para establecer la hora exacta de detección de cada vehículo,
incorporando asimismo un firmware interno que a través de los
sensores (4), (5-6) es capaz de registrar el paso de
vehículos a través del almacenamiento de su huella magnética en una
tarjeta de memoria (17), pudiéndose transmitir dicha información
almacenada en la tarjeta a través de un módulo de transmisión de
datos por radiofrecuencias (15) a un dispositivo externo (21), tal
como una agenda electrónica o similar para su posterior análisis,
habiéndose previsto que el dispositivo se alimente eléctricamente
indistintamente a través de una batería (8) y un panel o célula
solar (9).
2. Dispositivo para la detección automática de
tráfico rodado, según reivindicación 1ª, caracterizado
porque al citado microcontrolador (3) está asociado un sensor de
humedad (12) que permite detectar fallos de estanqueidad en el
sensor (1).
3. Dispositivo para la detección automática de
tráfico rodado, según reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque el microcontrolador (3) incorpora un
conector ICD para depuración del mismo, así como una serie de
diodos LED (18) para indicar el estado de funcionamiento del
dispositivo.
4. Dispositivo para la detección automática de
tráfico rodado, según reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque la batería (8), está asociada a un
circuito cargador de la misma (11), mientras que el panel solar (9)
incorpora un medidor de tensión (10) a la salida del mismo.
5. Dispositivo para la detección automática de
tráfico rodado, según reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque a los transductores magnéticos (4),
(5-6) se les asocia una electrónica analógica para
amplificar la señal y corregir el offset debido a las variaciones
naturales del campo magnético.
6. Dispositivo para la detección automática de
tráfico rodado, según reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque los transductores magnéticos (4),
(5-6) y el microcontrolador (3) están relacionados
con un bloque de "set/reset" (7) de dichos transductores,
construido con transistores MOSFET, que genera un pico de alta
corriente necesario para producir la reorientación de los dominios
magnéticos de la tierra magnetoresistiva.
7. Dispositivo para la detección automática de
tráfico rodado, según reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque al citado microcontrolador (3) está
asociado un sensor de verticalidad (14) del dispositivo, en orden a
mantenerlo apagado cuando está almacenado en posición vertical.
8. Dispositivo para la detección automática de
tráfico rodado, según reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque al citado microcontrolador (3) está
asociado un reloj de tiempo real (13) que permite añadir una marca
temporal a cada uno de los datos almacenados del paso de cada
vehículo sobre el dispositivo y que junto con la información de
otros dispositivos y su posición, permite posteriormente, con un
adecuado procesamiento de las medidas de varios sensores (1),
detectar vehículos que cambian de carril durante su paso sobre
dichos sensores (1), lo que redunda en un aumento de fiabilidad en
la detección de los vehículos.
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