ITRM20060456A1 - Dispositivo per il rilevamento del traffico - Google Patents

Description

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SIB BI254E DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO PER IL RILEVAMENTO DEL TRAFFICO”

a nome di: Famas System S.p.A.

di: Egna (Bolzano), Italia

AVAVA

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per il rilevamento del traffico stradale, in particolare del tipo utilizzante sensori cosiddetti “fuori terra”. Ad oggi, in tutto il mondo, i più diffusi sistemi di rilevamento del traffico su strada si basano su sensori induttivi annegati nel manto stradale. Tali sensori garantiscono un alta qualità ed affidabilità dei dati, bassi costi di produzione e permettono di realizzare rilevatori a basissimo consumo.

Tuttavia, la spira induttiva presenta uno svantaggio notevole, in quanto l’installazione e una sua eventuale riparazione richiedono opere di scavo sul manto stradale e la conseguente chiusura della corsia con i disagi al traffico che ne derivano. Difatti, in certi paesi europei con una copertura di sensori induttivi particolarmente elevata (Inghilterra, Olanda, Germania) sono fuori funzione fino al 40% dei siti di rilevamento per vie delle difficoltà di chiusura al traffico del tratto di strada interessato e la conseguente impossibilità di effettuare le riparazioni necessarie.

Le richieste per sensori di tipo “non intrusivo” che possano sostituire la spira induttiva, quindi da installare fuori dal manto stradale e senza necessità di chiudere corsie al traffico durante le operazioni di installazione e manutenzione, sono pertanto in continuo aumento.

Ad oggi, in alternativa a quanto indicato sopra, sono utilizzabili diverse tecnologie nell’ambito dei sensori collocati “fuori terra”.

Un primo tipo di rilevamento avviene tramite telecamere che inquadrano la carreggiata stradale.

L’individuazione dei veicoli avviene pertanto attraverso l’elaborazione dell’immagine ripresa da una telecamera. La tecnologia richiede un elevata potenza computazionale, tale da richiedere un alimentazione da rete 220V (a prescindere dalla potenza richiesta per il riscaldamento anticondensa della telecamera). Inoltre il buon funzionamento dipende fortemente dall’ illuminazione (giomo/notte) e dalle condizioni atmosferiche (pioggia,neve, nebbia ecc.).

I sistemi di elaborazione immagine trovano impiego soprattutto nei caso dove il sistema di rilevamento video (telecamere) è già esistente e/o dove è necessario sorvegliare un tratto di strada più ampio, in quanto i sistemi di elaborazione immagine con telecamere ad alta risoluzione riescono a controllare fino a circa 200-300 metri di strada.

Tuttavia tale tecnologia presenta alcuni importanti limiti, in particolare il costo elevato e la scarsa qualità dei dati raccolti sopratutto in caso di condizioni meteorologiche avverse.

Una seconda tecnologia di rilevamento sfrutta invece sensori ad ultrasouni.

Tali sensori, attraverso una scansione, sono in grado di tracciare un profilo altimetrico dell’oggetto sottostante. Per rilevare grandezze come la direzione di marcia e la velocità di percorrenza sono necessari almeno due sensori. E’ pensabile anche impiegare un unico trasduttore direzionato verso il traffico e sfruttare l’effetto doppler. Tale sistema soffre però in maniera particolare la

- iet presenza di vento, che si somma al segnale utile nella direzione parallela al traffico.

Per via della velocità abbastanza ridotta delle onde sonore, questo tipo di sensore permette inoltre soltanto una frequenza di scansione relativamente bassa (dell’ ordine di grandezza di ca. 15-20 scansioni al secondo). Tale frequenza equivale ad una risoluzione di circa 1 metro ad una velocità pari a circa 100km/h e quindi non sempre sufficiente, o comunque ottimale, in tutte le applicazioni stradali.

Inoltre, il sensore è sensibile alla presenza di eventuali rumori di sfondo nella frequenza degli ultrasuoni, in particolare ai sensori dello stesso tipo nelle corsie adiacenti, e, a distanze di rilevamento superiori a circa 1,5 metri, anche alla presenza di vento ortogonale.

Soprattutto per vie delle interferenze causate dai sensori nelle corsie adiacenti i sistemi di acquisizioni adottati per il sensore in questione non si rivelano pertanto adatti o comunque pienamente efficaci. Tale interferenze potrebbero essere eliminati con particolari metodologie di acquisizione, ma queste comportano però una riduzione di almeno del 50% della frequenza di scansione per il singolo sensore.

Ulteriore metodo di rilevamento noto è basato su sensori a raggi IR.

Tali sensori individuano la presenza del veicolo in base allo spettro IR in contrasto con quello dello sfondo. Per il rilevamento dei dati di velocità e direzione è necessario un secondo sensore. Con questo sistema si rileva quasi esclusivamente il motore a scoppio in quanto emette calore, una classificazione dei veicoli in base all’ ingombro diventa difficile se non impossibile. In giornate calde nelle regioni mediterranee per mancanza di contrasto risulta comunque difficile il rilevamento sopratutto se si tratta di un veicolo acceso da poco tempo e

SiB - Società Italiana Brevetti quindi con motore freddo. La qualità attesa dei dati scoraggia quindi l’impiego di questo elemento sensibile.

In manieri simili ai sensori ad ultrasuoni, altri sistemi di rilevamento del traffico di veicoli si basano sull’utilizzo di sensori a raggi laser.

Questi sensori tracciano un profilo altimetrico oppure possono essere utilizzati come misuratori di velocità ad effetto doppler. In sostanza eliminano tutti i svantaggi dei sensori ultrasuoni, quali la bassa frequenza di scansione e la sensibilità a rumori di sfondo e movimenti d’aria.

Per mezzo di ottiche particolari è possibile realizzare un direzionamento molto preciso del fascio laser. La frequenza di emissione della luce è nello spettro del visibile o comunque abbastanza vicino, i sensori laser sono quindi influenzabili dalle condizioni atmosferiche e pertanto da eventi tipo pioggia, neve e nebbia. Inoltre per un buon funzionamento dell’ottica è necessario prevedere delle scaldiglie anticondensa, un accessorio che aumenta notevolmente i consumi. Lo svantaggio principale però è costituito dall’elevato costo dei diodi laser, soprattutto nella frequenza dei 1550nm, frequenza considerata eye-save (sicura per gli occhi).

Infine, ulteriore metodologia nota è basata sul rilevamento con sensori a microonde.

Tali sensori sfruttano le proprietà di riflessione dei veicoli nel campo delle microonde. La frequenza più utilizzata è quella intorno alle 24.125 GHz in quanto utilizzabile senza richiedere autorizzazione in buona parte del mondo occidentale. Come i sensori ad ultrasuoni ed i sensori laser anche questi sensori possono essere impiegati sia come misuratori di distanza e quindi tracciare un profilo altimetrico sia come misuratori di velocità ad effetto doppler.

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Operando nel campo delle microonde, a frequenza molto più basse del visibile, Tinfluenza delle condizioni atmosferiche è molto ridotta. Grazie all’alta velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche la frequenza di scansione può essere molto alta.

Rispetto al laser risulta più difficile direzionare precisamente il fascio che deve essere eseguito a mezzo di antenne che tra l’altro possono assumere dimensioni notevoli qualora si desiderano impronte molto piccole (confrontabili con quelli di un fascio laser). Pertanto, una delle maggiori difficoltà derivanti dall’utilizzo di sensori a microonde, riguarda la possibilità di ottenere un valido compromesso tra i costi dei sensori e la precisione del sistema di rilevazione nel suo complesso. Lo scopo della presente invenzione è quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica nota, fornendo innanzitutto un sensore per il rilevamento del traffico come definito nella rivendicazione indipendente n. 1.

Caratteristiche secondarie della presente invenzione sono definite nelle corrispondenti rivendicazioni dipendenti.

Da quanto sopra detto, appare che la tecnologia a microonde è quindi la tecnologia che meglio si adatta agli scopi della presente invenzione e pertanto è stata selezionata come tecnologia preferita. Tuttavia, l’uso di tale tecnologia non deve essere considerata come un aspetto limitativo della presente invenzione, essendo stata descritta a titolo esemplificativo.

L’obiettivo è di realizzare un sensore che accomuna fino a dove possibile i vantaggi delle spire induttive con quelli di un sensore ad installazione ‘non intrusiva ’ realizzando le seguenti caratteristiche principale:

■ Precisione di rilevamento nell’ordine di grandezza di un sistema a spire • Consumo ridotto, tale da essere alimentabile a pannello solare (configurazione a 2 corsie e quindi con 2 sensori)

• Costo confrontabile con un sistema a spire

• Installabile sopra la corsia su una struttura portante (portale, cavalcavia ecc.) Ulteriori vantaggi, cosi come le caratteristiche e le modalità di impiego della presente invenzione, risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione preferita, presentata a scopo esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 schematizza l’uso di un sensore “fuori terra” a microonde;

la figura 2 schematizza un possibile uso di un sensore ad effetto doppler; la figura 3 schematizza l’uso di un sensore secondo la presente invenzione; le figure 4 e 5 illustrano il comportamento in frequenza del sensore secondo la presente invenzione;

la figura 6 illustra alcune modalità di elaborazione del segnale di uscita del sensore;

le figure 7 e 8 mostrano le regioni di azione delle due tecnologie di rilevamento secondo la presente invenzione, in diverse disposizioni;

La figura 9 mostra uno schema a blocchi di un sensore secondo la presente invenzione;

la figura 10 mostra la connessione tra una molteplicità di sensori;

la figura 11 è uno schema a blocchi del modulo di concentrazione e comunicazione dati;

la figura 12 è illustrativa di una possibile realizzazione del dispositivo e del suo posizionamento sul manto stradale;

le figure 13 e 14 illustrano a titolo esemplificativo possibili custodie di sensori secondo la presente invenzione.

Nel seguito della presente invenzione, si farà riferimento alle figure suindcate. L’approccio tradizionalmente noto al problema è quello illustrato nella figura 1. Un transceiver a microonde viene puntato verso il traffico in arrivo (oppure in allontanamento). Il rilevamento dei veicoli in transito avviene elaborando il segnale riflesso.

La disposizione di misura è caratterizzata soprattutto dall’angolo di orientamento β e dall’apertura di antenna a.

Approccio tradizionale con sensore ad effetto doppler

Nella soluzione tradizionale si sfrutta l’effetto doppler del segnale riflesso, cioè lo spostamento di frequenza del segnale riflesso indotto da un oggetto (veicolo nel caso specifico) in movimento. Lo spostamento di frequenza è proporzionale alla velocità di percorrenza del veicolo. Misurando quindi la frequenza doppler (la differenza tra la frequenza del segnale emesso e quella del segnale riflesso) si determina la velocità di percorrenza del veicolo.

Rilevamento della velocità di transito

La frequenza doppler è legata alla velocità del veicolo dalla seguente formula:

fo Frequenza doppler in Hz (differenza tra frequenza del segnale emesso e quella del segnale riflesso)

fa Frequenza del segnale emesso in Hz

v Velocità di percorrenza in m/s

c Velocità della luce in m/s (300.000-103 m/s)

φνAngolo verticale tra la direzione di emissione del transceiver e il veicolo (angolo di orientamento verticale)

φι, Angolo orizzontale tra la direzione di emissione del transceiver e il veicolo (angolo di orientamento orizzontale)

E’ assolutamente indifferente se a muoversi è l’oggetto riflettente oppure il transceiver stesso.

Si evince facilmente che per un angolo di orientamento (verticale oppure orizzontale) di φ=90° la frequenza doppler diventa nulla (in tale caso il rilevamento non è possibile) e per cui con l’ipotesi di φνe φΗ< 90° dalla (I) si ottiene:

k Costante, con una frequenza di emissione di 24GHz è pari a ca.

0,0062 m.

Nel caso in cui il sensore è montato direttamente sopra la carreggiata l’angolo q>hè pari a 0 e quindi il coseno diventa 1 e può essere tralasciato.

È facilmente intuibile che il rilevamento della frequenza doppler è soggetto ad errori vari (errori di misura, tolleranze del miscelatore, rumori ecc.). Inoltre neanche la costante k non può essere considerata priva di errori, soprattutto per via delle derive della frequenza di emissione fo (tolleranze di produzione, cambi di temperatura ecc.). Dalla (Π) si denota che tutti gli errori commessi nel rilevamento della frequenza /D e della costante k si dividono per il coseno di φ e quindi incidono maggiormente con angoli di orientamento più grandi (coseno piccolo), tale da scoraggiare angoli di installazione superiore ai 60° (valore del coseno pari a 0,5).

Da esperienze con sensori analoghi la precisione raggiungibile sul rilevamento della velocità è comunque molto buona è nell’ordine di grandezza del 3.%...5% oppure circa 3km/h (valore più alto). Precisioni più alte sono ottenibili impiegando transceiver che permettono la lettura dell’attuale frequenza di trasmissione e quindi la compensazione della costante k. Errori dovuti a tolleranze di produzione possono essere eliminate in buona parte con una procedura di calibrazione del sensore.

Occorre tenere conto che nel caso di antenne con un apertura verticale a >0 (tutte le antenne reali) l’angolo φ varia durante il passaggio del mezzo nel più d’antenna e per cui il fattore di divisione esatto (cos φ) dipende dalla posizione momentanea dell’oggetto riflettente, una variabile generalmente non conosciuta. In linea di massima per correggere l’errore dovuto alla posizione si può considerare φ= β e mediare tutti i valori di velocità ottenuti durante il passaggio del mezzo. Un approccio è quello di considerare soltanto la velocità di ingresso (oppure di uscita in dipendenza dalla direzione) del mezzo in transito e porre φ= β- a/l.

Ώ ragionamento vale ovviamente nella stessa maniera anche per l’angolo di apertura orizzontale.

Rilevamento della direzione di marcia

L’effetto doppler si ottiene per via di uno “schiacciamento” oppure un “allontanamento” delle singole onde, dovute al movimento dell’oggetto riflettente. Per ragioni ovvie si ha uno schiacciamento delle onde, e quindi un aumento della frequenza del segnale riflesso, per veicoli che si muovono verso il sensore.

Viceversa, per veicoli in allontanamento, la frequenza del segnale riflesso sarà minore di quella del segnale emesso.

Il confronto del segnale ricevuto con quello emesso avviene direttamente nel transceiver a mezzo di un diodo miscelatore che effettua una sottrazione delle 2 frequenze e dispone direttamente di un uscita del segnale doppler in bassa frequenza. Per potere distinguere la direzione i transceiver predisposti utilizzano due miscelatori spostati di fase di 90°, che generano rispettivamente il segnale I (in phase) e Q (quadrature phase). In dipendenza a quale dei 2 segnali I e Q è in anticipo può essere determinata la direzione di marcia.

Rilevamento della fine del veicolo

La fine di un singolo mezzo può essere determinata attraverso l’assenza di segnali riflessi per un determinato periodo (tipicamente ca. 100ms). Si evince facilmente che questo comporta il rispetto di una certa distanza minima tra 2 veicoli consecutivi. Trascurando l’altezza del veicolo tale distanza dovrà essere al minimo pari alla lunghezza dell’impronta dell’antenna (a in figura), sommato alla distanza corrispondente ai 100ms alla velocità di percorrenza del veicolo.

Con l’ipotesi di β > α/2 la lunghezza dell’impronta dell’antenna a è determinata da:

L’altezza del veicolo invece crea un’ulteriore zona d’ombra dipendente tra l’altro anche dalla forma del veicolo stesso. Nel caso peggiore (veicolo con frontale e/o coda ripidi per esempio camion oppure autobus) la zona d’ombra ha una dimensione di:

ζ Dimensioni della zona d’ ombra in metri

H altezza del veicolo in metri

La distanza tra 2 veicoli necessaria per un corretta separazione è quindi pari a:

d = a z Tn-V

(V)

d distanza minima in m tra 2 veicoli

a lunghezza in m dell’impronta dell’antenna

z dimensione in m della zona d’ombra creata dal veicolo precedente T0tempo minimo di assenza di riflessioni in s

v velocità di percorrenza in m/s

Se consideriamo a titolo di esempio un sensore installato ad un altezza di 5mt con un angolo di orientamento di 45° ed un apertura dell’antenna pari a 12° otteniamo una lunghezza a dell’impronta dell’antenna pari a ca. 2,12 metri.

Con una velocità di percorrenza pari a 100 km/h ed un tempo di assenza di impulsi doppler TQ di minimo 100ms otteniamo quindi le seguenti distanze minime tra 2 veicoli:

• Nel caso in cui il primo veicolo è un camion con un altezza di 4 metri questo crea una zona d’ombra di ca. 3,2 metri e la distanza fra 2 veicoli dovrà essere superiore a ca. 8 metri

• Nel caso in cui il primo veicolo è una autovettura con carrozzeria da station wagon ed un altezza di 1,5 metri la distanza fra 2 veicoli dovrà essere superiori a ca. 6 metri

• Nel caso in cui il primo veicolo è un autovettura con carrozzeria da berlina ed ima altezza da terra sul lato posteriore di ca. 1 metro la distanza del veicolo seguente dovrà essere superiore a ca. 5,5 metri Dalla (ΙΠ) e dalla (TV) si evince che sia la distanza a sia la zona d’ombra z aumentano se l’angolo di orientamento β decresce. Nella determinazione dell’angolo di orientamento del sensore occorre quindi tenere conto che un angolo troppo alto comporta un tasso di errore elevato sulla misura della velocità di percorrenza, mentre un angolo troppo basso rende impossibile una separazione dei. singoli veicoli se non viaggiano ad una distanza abbastanza alta. In linea di massima per questo tipo di sensori si utilizza pertanto un angolo di orientamento pari a 45°, un compromesso accettabile per entrambe le situazioni.

In confronto, le spire induttive richiedono una distanza minima che non è in funzione ne dalla velocità di percorrenza ne dall’altezza dei veicoli ma dipende esclusivamente dalla geometria delle spire e dalla loro distanza ed è tipicamente ca. 3..4 metri in ambito urbano ed extraurbano e di 4..5 metri in ambito autostradale.

Rilevamento dell’ingombro del veicolo

In base al tempo di occupazione (tempo per il quale si ottiene un segnale riflesso) oppure più semplicemente contando gli impulsi doppler (numero di oscillazioni del segnale doppler) si risale al ingombro del veicolo.

È detta lunghezza riflettente (Ιη/), la dimensione per la quale si ottiene un segnale riflesso sull’antenna ricevente. Presupponendo che tutta la superficie del veicolo sia riflettente o più precisamente rifletta nella direzione dell’antenna ricevente, la lunghezza riflettente è pari alla lunghezza del veicolo sommata alla lunghezza dell’impronta dell’antenna e alla lunghezza della zona d’ombra (vedi paragrafo precedente).

11 numero di oscillazioni del segnale doppler ottenuti durante il passaggio è direttamente proporzionale alla lunghezza riflettente indipendentemente dalla velocità di percorrenza. Vale infatti:

v Velocità di percorrenza

lrif Lunghezza riflettente

Toc cTempo di occupazione del piè d’antenna

rioscNumero di oscillazioni del segnale doppler

fu Frequenza del segnale doppler (frequenza doppler)

e quindi

Sostituendo la (I) nella (Vili) si ottiene:

■

e risolvendo per lrtf.

Data la frequenza di trasmissione la lunghezza riflettente è quindi determinata

unicamente dal numero di oscillazioni del segnale doppler ottenuti durante il

passaggio del veicolo.

Considerato che la direzione nella quale viene riflesso il segnale dipende

fortemente dalla forma della superfìcie del veicolo e che la dimensione della zona

d’ombra dipende sia dall’altezza sia dalla forma del veicolo, il dato ottenuto può

essere utilizzato soltanto per effettuare una stima grossolana della dimensione del

veicolo, un informazione sulla lunghezza effettiva del veicolo non può essere

ricavata.

Elaborazione del segnale

Ai fini dell’elaborazione del dato occorre distinguere il caso in cui un solo veicolo

è presente all’interno della zona di rilevamento dal caso assai più complesso in cui

più veicoli si trovano all’interno della zona di rilevamento.

I sensori presenti sul mercato lavorano con un apertura di antenna verticale

nell’ordine di grandezza di circa 10° e nell’ordine di grandezza di circa 25° per

l’apertura orizzontale. Se il sensore viene montato direttamente sopra la corsia con

l’angolo di orientamento orizzontale quindi pari a 0 ed un angolo di orientamento

verticale pari a 45° la dimensioni dell’impronta dell’antenna sono di ca. 2mt x

2mt, simile pertanto alle dimensioni di una spira induttiva. In tale caso, ad eccezione del passaggio contemporaneo di più motocicli o biciclette non è possibile avere più di un veicolo aH’intemo del piè d’antenna.

La situazione è diversa invece se il sensore viene installato a lato strada e quindi con un angolo orizzontale diverso da 0. In tale caso è possibile puntare l’antenna in modo da coprire due corsie di marcia, come evidenziato nella figura 2.

In entrambi i casi, fino a quando all’interno del piè d’antenna si trova un unico veicolo, l’elaborazione dei segnali fomiti dal transceiver è abbastanza semplice, è difatti sufficiente una misura della frequenza e del numero di oscillazioni del segnale doppler. I due dati possono essere ottenuti semplicemente contando i passaggi per lo zero del segnale doppler. H numero di oscillazioni è pari al numero di passaggi per lo zero diviso 2.

Per evitare gli effetti di annullamento segnale dovute alla formazione di onde stazionarie è comunque importante elaborare sempre i segnali in frequenza fomiti da entrambi i canali (I e Q) e non da un canale solo. Mentre i due canali generalmente forniranno lo stesso valore di frequenza (ad ampiezze diverse) è infatti possibile che in determinate situazioni uno dei due segnali sia a zero mentre l’altro fornisce un segnale di ampiezza alta. Questo comportamento, causato come già accennato dalla formazione di onde stazionarie, è dovuto alla natura stessa delle microonde, e non può essere evitato altrimenti.

Le frequenze in gioco spaziano da qualche decina di Hz fino a ca. lOKHz. Con un angolo di orientamento pari a 45° lkm/h corrisponde a ca. 15Hz mentre 250km/h corrispondono a ca. 8KHz. Nel caso di un angolo di orientamento di 0° a 250km/h otteniamo una frequenza doppler di ca. 12KHz (250 km/h). Nel dimensionamento degli amplificatori occorre tenere conto di questa ampiezza di banda.

Per ricavare la frequenza e quindi la velocità di percorrenza, viene misurato il tempo impiegato per raggiungere un numero prefissato di oscillazioni (tipicamente un numero tra 10 e 100, corrispondente ad una lunghezza riflettente tra circa 9cm e circa 90cm con un angolo di orientamento di 45°). Durante il passaggio del veicolo si avranno quindi una serie di dati di velocità (in dipendenza dalla lunghezza riflettente e dal numero di oscillazioni osservate).

Il dato ottenuto è soggetto a controlli di qualità quali:

• I singoli dati di velocità devono essere simili tra di loro. Può esserci una differenza lieve per via di accelerazioni e/o decelerazioni all’intemo del piè d’antenna e per la variazione dell’angolo di orientamento durante il movimento del veicolo.

■ Per un rilevamento preciso devono essere ottenute un certo numero di serie consecutive senza mancanza di impulsi doppler. Il numero di oscillazioni dovrà corrispondere ad ima lunghezza riflettente almeno pari alla lunghezza dell’impronta dell’antenna (per quanto detto nel paragrafo 4.1.4 ad un mezzo con lunghezza 0 corrisponde una lunghezza riflettente almeno pari alla lunghezza del piè d’antenna)

Più semplice ancora è il rilevamento della direzione è sufficiente controllare quale dei due segnali fomiti dal transceiver (rispettivamente I o Q) raggiunge il picco massimo per primo.

Il riconoscimento della fine di un veicolo viene eseguito via software attraverso il rilevamento di assenza di impulsi doppler (passaggi per lo zero del segnale doppler) per un determinato periodo. Il valore di questa soglia condiziona la velocità minima rilevabile. Un veicolo con velocità talmente bassa da produrre una frequenza doppler con un periodo superiore alla soglia di riconoscimento di fine veicolo non potrà più essere riconosciuto come tale (scatta prima il riconoscimento di fine veicolo).

Nel caso invece in cui ci sono due o più veicoli airintemo della zona di rilevamento le rispettive frequenze doppler si sovrappongono dando luogo eventualmente ad un segnale di forma complessa. Un analisi di tale segnale può essere effettuato soltanto analizzando lo spettro delle frequenze in esso contenute e quindi con una trasformazione di fourier eseguita a livello digitale (FFT). Una distinzione dei singoli veicoli è possibile soltanto se questi veicoli viaggiano a velocità diverse tra di loro (oppure in direzioni diversi). In questo momento non esistono sul mercato sensori di misura del traffico basati sul principio doppler, in grado di gestire la presenza di veicoli multipli all’interno della zona di rilevamento. Un installazione a lato strada con l’antenna puntata su due corsie per questi sensori è raccomandabile soltanto con un modesto volume di traffico, tale da minimizzare le situazioni di sovrapposizione di veicoli all’interno del piè d’antenna.

Quindi, un sensore a microonde ad effetto doppler permette di rilevare le seguenti grandezze:

• Conteggio

• Velocità di transito

• Direzione di transito

• distanza tra i veicoli (approssimativa)

• stima del ingombro (classificazione approssimativa in 3..4 classi)

Tuttavia i sensori ad effetto doppler rilevano esclusivamente veicoli in movimento, non è possibile rilevare il traffico fermo (non genera nessun segnale doppler). Altro punto debole è costituito dal fatto che la classificazione dei veicoli è possibile soltanto in maniera approssimativa.

Per ovviare ai svantaggi principali del sensore doppler la presente invenzione prevede l’aggiunta un ulteriore sensore per misurare la distanza libera sotto il sensore stesso. La figura 3 schematizza una tale disposizione.

Presupponendo un montaggio direttamente sopra la carreggiata, si riesce a tracciare un profilo di altezza del mezzo in transito permettendo cosi di:

• Determinare l’inizio e la fine del veicolo con più precisione

■ Determinare la classificazione con più precisione in base al profilo di altezza • Riconoscere veicoli fermi in base all’altezza libera sotto il sensore.

Vengono cosi illuminate due distinte zone di rilevamento, rispettivamente a e b dove la prima è dedicata al rilevamento degli spostamenti di un veicolo in transito, ad esempio in termini di velocità di percorrenza, mentre la seconda è dedicata al rilevamento della distanza libera tra il sensore ed veicolo in transito.

Per la misura della distanza libera sotto il sensore si prestano le seguenti tecnologie note, già discusse in precedenza, quali:

• sensore ad ultrasuoni

■ sensore laser

• sensore a microonde

Per via di quanto detto, il sensore più adatto è quello a microonde.

Rilevamento delia distanza con l’utilizzo di sensori a microonde

Per la misura della distanza di oggetti o comunque il rilevamento di oggetti fermi si utilizza un trasmettitore a modulazione di frequenza. La modulazione è pilotabile da un segnale in tensione (segnale di sweep). Pilotando il trasmettitore con un segnale a forma triangolare si ottiene una frequenza di trasmissione che parte da un minimo e cresce nel tempo fino a raggiungere il massimo per poi decrescere ecc. (sweep di frequenza).

Un eventuale oggetto nel piè d’antenna posizionato ad una distanza R dall’antenna stessa, riflette l’onda emessa verso il ricevitore. 11 tempo impiegato dall’onda per compiere il percorso citato è pari a :

TvTempo di volo del segnale in secondi (tempo per arrivare all’oggetto riflettente e tornare all’antenna)

R Distanza in m tra l’antenna e l’oggetto riflettente

c Velocità della luce in m/s

Durante il tempo di volo la frequenza del trasmettitore è cambiata e quindi ci sarà una differenza fdijr v tra frequenza attualmente emessa e frequenza del segnale ricevuto, proporzionale al tempo di volo dell’onda ed alla velocità della variazione di frequenza (pendenza del segnale di sweep)

e quindi:

fdtffvdifferenza di frequenza in Hz dovuta al tempo di volo Af alzata di frequenza in Hz del segnale trasmesso (differenza tra frequenza massima e minima)

TsweepPeriodo in sec del segnale di pilotaggio del trasmettitore (periodo di sweep)

H funzionamento del principio è illustrato nella figura 4:

Il tempo di volo è quindi determinabile, misurando la frequenza fdiffy, che è tipicamente nell’ordine di grandezza da alcuni kHz fino a qualche decina di kHz e quindi abbastanza facile da ricavare e da elaborare (in confronto all’onere di misurare il tempo di volo con ima precisione di qualche nanosecondo)

Le formule (XII) e (ΧΙΠ) presumono pendenza costante della curva di variazione di frequenza del trasmettitore e quindi nei momenti di cambio di pendenza si crea un’aria indefinita della durata pan al tempo di volo del segnale e durante la quale non è possibile l’applicazione delle formule citate. Nel caso in questione, con distanze massime di ca. lOmt, il tempo di volo è assai basso, tale da limitare la larghezza della zona non definita a ca. 70nsec e quindi trascurabile (non essendo possibile effettuare una scansione nel tempo a disposizione)

Risulta chiaro, che per distanze ravvicinate la differenza di frequenza diventa molto piccola.

La frequenza più bassa rilevabile dovrà però essere superiore alla frequenza di 1

T

sweep per i seguenti motivi:

■ Per valutare il dato è fondamentale campionare almeno un onda completa del segnale in uscita dal miscelatore. Questo è possibile soltanto fino a quando la frequenza di sweep è minore della frequenza di uscita perché altrimenti non si avrà mai un onda completa.

■ La frequenza di sweep per problemi di diafonia è sempre presente nel segnale di uscita è deve essere filtrata a mezzo di filtro passaalto.

La distanza in assoluto più piccola rilevabile è quindi quella dove la frequenza di uscita corrisponde alla frequenza di sweep e sostituendo nella (ΧΙΠ) si ottiene:

(X iv)

La distanza minima dipende quindi unicamente dall’alzata di frequenza del trasmettitore che dovrà essere grande per potere misurare distanze piccole.

Nel caso di radar nella banda dei 24GHz, l’alzata di frequenza massima consentita è di 250MHz. Limitandola per sicurezza a 200MHz (per essere sicura di rientrare nelle norme in tutte le condizioni) otteniamo una distanza minima pari a 0,75 metri al di sotto della quale non è possibile scendere. Considerando che dovrà esserci una certa differenza tra frequenza di sweep e frequenza minima per permettere una corretta separazione dei 2 segnali si può dire cha la distanza minima misurabile sarà intorno a l - 1,5 metri. Tale valore aumenta ulteriormente se consideriamo che in alcuni paesi la larghezza di banda è di soli 100 MHz. In questi casi la distanza minima misurabile non potrà essere inferiore ai ca. 2,5 metri.

E’ importante notare che la distanza minima misurabile dipende esclusivamente dall’alzata di frequenza. La sensibilità invece, inteso come differenza di frequenza per metro di distanza dipende ovviamente dalla velocità di cambiamento e quindi sia dall’alzata di frequenza che dal periodo di sweep. Si nota che sensibilità più alte (periodi di sweep brevi) danno luogo a frequenze alte con oggetti più distanti e richiedono quindi amplificatori con banda passante più alta.

Rilevamento della distanza del veicolo in movimento

Quando si rileva la distanza di un veicolo in movimento occorre tenere conto della sovrapposizione di due effetti:

1. Lo spostamento di frequenza dovuto al tempo di volo e quindi dalla distanza del veicolo dal sensore che è determinato dalla (XII):

2. Lo spostamento di frequenza dovuto all’effetto doppler e quindi dalla velocità radiale della superficie del veicolo verso il sensore che è determinato dalla (I):

La configurazione risultante è illustrata nella figura 5.

Otteniamo quindi imo spostamento orizzontale della curva di ricezione dovuto al tempo di volo del segnale ed un spostamento verticale dovuto all’effetto doppler. La figura 5 dimostra il comportamento nel caso in cui l’effetto doppler provoca un aumento della frequenza riflessa (l’oggetto riflettente si avvicina al sensore). Nel caso contrario (l’oggetto riflettente si allontana dal sensore) lo spostamento verticale sarà in negativo.

Nel primo caso (oggetto in avvicinamento) per i rispettivi fronti ascendenti e discendenti della triangolare vale quindi:

fdff disc f D fa W_v (xvi)

Abbiamo quindi un sistema con due variabili e due equazioni. Sommando la (XV) e la (XVI) otteniamo:

fdiff sai f dff disc 2 f D

e quindi:

In maniera analoga sottraendo la (XVI) dalla (XVI)

e quindi sostituendo con la

(XVffl)

Nel caso invece in cui l’effetto doppler provochi una diminuzione della frequenza riflessa le formule per fdeSC-saie fdescjUscnella (XV) e nella (XVI) devono essere invertite, vale a dire che nella (XVII) e nella (XVIII) devono essere invertite fdesc saie fdescjhsc- Siccome però sia Γ addizione sia il valore assoluto della sottrazione godono di proprietà commutativa il risultato finale non varia. La

(XVII) e la (XVIII) possono quindi essere considerate valide in entrambi i casi.

Vi è da dire che l’effetto doppler si ha solo per movimenti con una componente

radiale verso il sensore di misura. Nell’applicazione in questione, con un

orientamento del sensore perpendicolare alla strada, tali movimenti sono dovuti

soprattutto a cambi di altezza del veicolo durante il passaggio nella zona di

rilevamento. In questo caso una riflessioni in direzione antenna però si ha solo nei

casi in cui si viene creare una superficie di una certa dimensione e con un certo

angolo di orientamento. La velocità radiale risultante dipende sia dalla velocità di

percorrenza del veicolo sia dalla ripidezza della fronte del veicolo che causa il

cambiamento di altezza ed è pari a

vr= v-tanp

Vr velocità radiale verso il sensore

v velocità di percorrenza del veicolo

P angolo di orientamento del fronte del veicolo (ripidezza)

Inoltre si avrà una componente dell’effetto doppler anche per superfici orizzontali

in quanto l’apertura di antenna è in ogni caso superiore a 0° e quindi all’interno

del piè d’antenna ci sono delle posizioni in cui l’angolo tra antenna e veicolo sarà

diverso da 90°. Essendo l’apertura d’antenna relativamente piccola e quindi

l’angolo tra antenna e veicolo prossimo ai 90° la frequenza doppler risultante sarà

molto bassa. .

La componente doppler fornita è quindi dipendente dalla forma del veicolo in transito e per cui di poca utilità ai fini pratici. Ottenere dati sulla la velocità di percorrenza oppure direzione di marcia del veicolo con il sensore perpendicolare alla superficie stradale difetti non sarebbe possibile.

Elaborazione del dato

In questo caso l’elaborazione del dato è molto più complessa di quanto non lo è per il sensore ad effetto doppler. All’ interno del piè d’antenna possiamo infatti trovare una serie di oggetti a distanza diversi dall’antenna. E’ sufficiente pensare che in un determinato momento potremo trovare la zona di rilevamento parzialmente occupata dal cofano ed una parte del parabrezza di un autovettura. In questo caso avremo una riflessione corrispondente alla distanza della pavimentazione stradale ed una serie di riflessioni corrispondenti alle varie altezze del cofano e del parabrezza. Inoltre potrò esserci un ulteriore spostamento di frequenza dovuto al effetto doppler creato dal veicolo in movimento. Tutte queste frequenze si sovrappongono in uscita dal transceiver generando un segnale di forma complessa

Le frequenze in gioco dipendono dalla distanza massima e dalla frequenza di sweep. Considerato che i preamplificatori presenti stri transceiver raramente superano una banda passante di SOKHz, e che comunque una banda passante più ampia introduce maggiore rumore, una frequenza di sweep nell’ordine di grandezza di ca. lKHz (tempo di salita della rampa di lms) appare ragionevole. In questo caso le frequenze sono comprese tra lKHz e ca. 17KHz considerata una distanza massima (altezza di installazione) inferiore a 10m.

A questi valori si sommano però gli spostamenti di frequenza dovuti all’effetto doppler. Questi potrebbero assumere valori considerevoli, soprattutto considerando le velocità radiali (verticali) che si vengono a creare per i movimenti dei fronti delle vetture. In tale caso per ottenere la velocità del movimento verticale la velocità di percorrenza deve essere moltiplicata per la tangente dell’angolo di inclinazione del fronte. Con un angolo di 70° il fattore di moltiplicazione per esempio è pari a ca. 2,7. Con velocità di percorrenza alte e fronti ripidi possono quindi crearsi frequenze molto alte. Dall’altro lato superficie con un inclinazione alta non dovrebbero riflettere l’onda verso l’antenna ma nella direzione opposta. L’esatta incidenza dell’effetto doppler dovrà essere sperimentato in campo.

Una analisi accurata del dato è possibile soltanto attraverso un’analisi dello spettro di frequenza e quindi il campionamento del segnale con convertitore A/D e successiva trasformazione FFT. A tale scopo l’unità di elaborazione comprende mezzi per l’elaborazione dei segnali nel dominio della frequenza. Ad ogni distanza alla quale si trova un oggetto riflettente si troverà quindi una linea nello spettro di frequenza.

Il tempo totale durante il quale è possibile un campionamento del segnale è finito ed è al massimo pari al periodo di sweep (durata della rampa). In realtà bisognerebbe tenere conto anche della durata della zona indefinita (vedi diagrammi) durante la quale il dato non deve essere elaborato. Nel nostro caso, con distanze massime nell’ordine di grandezza di meno di 10 metri, la durata della zona indefinita è inferiore a 70ns (tempo di volo del segnale con una distanza di 20 metri) ed è quindi assolutamente ininfluente in confronto alla durata del periodo di sweep (1 ms ad una frequenza di 1 KHz).

Un segnale campionato ad intervalli TN e della durata di campionamento complessiva di Tsegnale dopo l’operazione di FFT da origine ad una serie di linee spettrali delle quali la frequenza più bassa (base) è pari a

e le frequenze successive sono distanziate per il valore di

1

Df =

T segnale

La frequenza di base e le relative armoniche sono quindi determinati dalla durata per la quale il segnale è stato campionato e non corrispondono necessariamente allo spettro esatto di frequenze realmente presenti nel segnale. Questo comportamento è dovuto alla natura di segnali campionati in una finestra temporale con durata finita. Generalmente infatti per ogni frequenza reale presente nel segnale si ottengono alcune linee spettrali ravvicinate. La frequenza reale potrebbe essere ricavata con maggiore precisione per interpolazione tra linee spettrali adiacenti.

Ipotizzando di campionare il segnale in uscita dal sensore per l’intera durata della rampa di salita e/o discesa e ponendo quindi Tignalepari a Τ^Ββρotteniamo il comportamento illustrato dalla figura 6.

La distanza delle linee spettrali determina la risoluzione massima sulla misura della distanza che corrisponde infatti alla distanza minima delle linee spettrali e quindi alla risoluzione in frequenza Df.

Inserendo tale valore nella (ΧΠΙ) per la risoluzione di misura Aa vale:

Come ci si poteva aspettare, il risultato è identico a quello per la distanza minima rilevabile, con un alzata di frequenza di 200MHz è quindi possibile ottenere una risoluzione di ca. 75cm.

Sotto Tipotesi che due linee spettrali adiacenti si riferiscano ad un unico oggetto riflettente (e quindi la distanza tra due oggetti riflettenti è in ogni caso superiore a Aa) è possibile migliorare in maniera notevole la risoluzione determinando il valore esatto della frequenza armonica tramite interpolazione tra le due linee spettrali.

È comunque importante notare che anche la risoluzione di misura è influenzata unicamente dall’alzata di frequenza, e non è possibile migliorare il risultato campionando più velocemente oppure cambiando la durata del segnale di sweep. È inoltre importante sottolineare che il comportamento non dipende dal tipo di elaborazione (nel caso citato FFT) ma dipende dal fatto che il segnale fornito ha un durata finita e non è possibile apprezzare variazioni di frequenza con periodo superiore alla durata del segnale stesso a prescindere dal metodo utilizzato per l’elaborazione.

Anche per il radar FMCW, in maniera identica come avviene per il radar doppler, per via della formazione di onde stazionarie si può avere un annullamento del segnale su una delle due uscite I e Q del transceiver. Prima di eseguire l’elaborazione del segnale campionato occorre quindi verificare quale delle due uscite fornisce il segnale di ampiezza maggiore.

Riflessioni multìpath

Sono detti “riflessioni multìpath” i segnali ricevuti per riflessione multipla e che causano l’apparizione di un oggetto fantasma. Per esempio a causa di una parte del segnale che viene riflesso dal mezzo in transito verso la struttura portante (portale, cavalcavia) e da li di nuovo verso il veicolo, un unico oggetto può essere visto una seconda volta a distanza doppia rispetto al primo. Il tetto di un camion ad un metro di distanza dal sensore può essere visto una seconda volta a 2 metri di distanza.

In certi casi è possibile anche Γ apparizione di un oggetto fantasma in direzione opposta ma vicino al sensore ecc. Questi comportamenti dovranno essere filtrati dal software. Indicativamente potranno essere seguiti i seguenti approcci:

• linee spettrali al di sotto di una certa soglia di ampiezza possono essere ignorati (per via del percorso più lungo in area delle riflessioni multiple le onde subiscono una maggior attenuazione)

• può essere considerata valida la distanza più vicina rilevata qualora supera una certa ampiezza di segnale (linea spettrale corrispondente alla frequenza più bassa)

• oggetti a distanza superiori all’altezza di installazione possono essere ignorate in ogni caso.

Spettro a strada vuota

Anche in assenza di veicoli il radar riceverà una serie di onde riflesse da pari: della pavimentazione, guard-rail, cartelli segnaletici ecc. Tale spettro è detto spettro a strada vuota e deve essere sottratto dallo spettro ricevuto e la differenza dovrà essere utilizzata dagli algoritmi di elaborazione.

La generazione dello spettro a vuoto può essere fatto con una procedura di calibrazione. È ipotizzabile che questo procedura debba essere eseguita a mano, con lo svantaggio che dovrà essere ripetuta eventualmente in caso di modifiche costruttive alla sede stradale (modifiche delle barriere guard-rail, aggiunta o rimozione di segnaletica verticale ecc.). Altrimenti è pensabile eseguire la procedura automaticamente. Tutte le linee spettrali che sono presenti in continuazione per un certo tempo (per esempio 5 minuti) potrebbero essere aggiunte allo spettro a strada vuota. Per evitare di aggiungere allo spettro a vuoto e quindi ignorare un veicolo fermo per più del tempo impostato si potrebbero implementare filtri sull’ampiezza del segnale oppure sulla distanza. Il metodo migliore deve essere comunque trovato durante la sperimentazione in campo. Filtri hardware sul segnale ricevuto

Al segnale in uscita deve essere applicato un filtro passa basso che tiene conto della velocità massima di campionamento. Per via del teorema di Shannon la fiequenza massima di segnale deve essere limitata alla metà della frequenza di campionamento. Se nello spettro del segnale vi sono frequenze più alte altrimenti si avranno effetti di aliasing.

Alcuni testi di letteratura suggeriscono Γ applicazione di un amplificatore con filtro passa-alto di secondo ordine (40db/decade). Tale amplificatore amplifica di più le frequenze alte compensando in questo modo l’attenuazione maggiore che subiscono queste frequenze a causa della distanza maggiore alla quale si trovano i rispettivi oggetti. Per Γ applicazione in questione questo tipo di filtro non appare però adatto in quanto causa un amplificazione maggiore anche delle riflessione multiple rendendo più difficile il loro riconoscimento.

Rilevamento della presenza e della lunghezza del veicolo

Il rilevamento della presenza del veicolo è importante per determinare i seguenti valori:

• Tempo di occupazione della corsia

■ Lunghezza del mezzo

• Presenza veicolo fermo

Il tempo di occupazione può essere facilmente rilevato misurando il tempo per il quale troviamo un oggetto al di sotto del sensore (presenza veicolo). I singoli veicoli possono essere facilmente separati, al momento in cui si rileva nuovamente l’assenza di oggetti riflettenti.

Occorre tenere presente però che le onde radar vengono riflessi dalla superficie del veicolo con un angolo inverso all’angolo di incidenza rispetto all’asse dell’ antenna. Questo significa che una riflessione perfetta si ha solo nel caso in cui la superficie riflettente del veicolo è perpendicolare all’asse dell’antenna e quindi parallela alla sede stradale. Generalmente si può partire dal presupposto di riuscire a rilevare senza problemi superimi con un angolo di inclinazione minore dell’angolo di apertura dell’antenna diviso 2. Un antenna con un apertura larga migliora quindi le possibilità di rilevare anche superficie inclinate. In nessun caso però sarà possibile rilevare il veicolo per tutta la sua lunghezza. Questo vale soprattutto per veicoli con superficie molto strutturate.

La mancata riflessione potrà essere in parte compensata via software. Vuoti di lunghezza corta non dovranno essere interpretati come fine veicolo ma potranno essere eliminati. Questa operazione non è del tutto semplice in quanto la velocità di percorrenza (necessaria per calcolare la lunghezza del vuoto) è nota al momento del rilevamento solamente se il veicolo ha passato prima il sensore doppler, altrimenti i dati dovranno essere memorizzati ed elaborati al momento in cui viene rilevata la velocità Porzioni di veicolo non rilevate che si trovano all’inizio e/o alla fine del mezzo non potranno però essere compensati e causano errori di rilevamento.

La lunghezza del veicolo può essere calcolata moltiplicando il rispettivo tempo di occupazione per la velocità di percorrenza:

/ - T -v

“ (XIX)

l Lunghezza m

TaceTempo di occupazione in s

vVelocità di percorrenza in m/s

Il tempo di occupazione è stato misurato attraverso una sezione di misura di una certa lunghezza in direzione di marcia. Tale lunghezza nel calcolo viene quindi sommata alla lunghezza effettiva del veicolo e dovrà essere sottratta per determinare la lunghezza effettiva del veicolo

La dimensione della zona di rilevamento è data dall’impronta dell’antenna ed ha forma ellissoidale. Tale disposizione è illustrata in figura 7.

Il tempo di presenza del veicolo viene misurato durante il passaggio nella zona di rilevamento FMCW. La lunghezza che otteniamo dalla (XIX) è quindi la lunghezza del veicolo sommata alla dimensione b della zona di rilevamento.

<l>*<= l~b>(XX)

Ufflunghezza effettiva del veicolo

b lunghezza zona di rilevamento

La lunghezza della zona di rilevamento da tenere in considerazione è però dipendente dalla posizione laterale alla quale passa il veicolo. La lunghezza massima al centro, direttamente sotto il sensore è definito da:

bnualunghezza massima della zona di rilevamento

h altezza di installazione del sensore

ai angolo di apertura dell’antenna del sensore FMCW Nei punti estremi ai lati a destra e sinistra, la lunghezza della zona di rilevamento è prossima a zero. Non essendo in grado di stabilire la posizione laterale alla quale transita il mezzo si introduce un errore di misura con un massimo teorico pari a bmax. Tale errore ovviamente si ha solo per passaggio molto a lato oppure a cavallo di corsie, per passaggi centrali nella corsia, la lunghezza della zona di rilevamento può essere determinata con buona precisione. L’errore potrebbe essere distribuito meglio sottraendo nella (XX) bmax/2 invece di bmax. Siccome però ci si attende che la maggior parte dei passaggi avvengano centrali nelle corsie Terrore complessivo è molto probabilmente minore applicando bmax alla (XX). Per i pochi passaggi laterali si accetta un errore assoluto maggiore.

Se per determinare il valore di bmax nella (XXI) si utilizza l’altezza di installazione dell’antenna si calcola la lunghezza della zona a livello dell’asfalto. La lunghezza rilevante ai fini della riflessione è però relativa all’altezza della prima e dell’ultima parte riflettente del veicolo in transito. L’errore non è grande soprattutto con aperture d’antenna strette è può probabilmente essere corretto in parte via software utilizzando le informazioni sull’altezza del veicolo.

La formula (XIX) per il calcolo della lunghezza presume ovviamente velocità uniforme durante il passaggio del veicolo. Eventuali periodi di fermo veicolo sotto il sensore possono probabilmente essere rilevati via software (altezza non cambia e totale assenza di segnale doppler sul radar FMCW) e la relativa parte del tempo di occupazione può essere sottratta prima del calcolo della lunghezza. Accelerazioni e/o decelerazioni nell’area di rilevamento sono più difficili da compensare, essendo l’area però di dimensioni abbastanza ridotte l’incidenza dovrebbe essere comunque bassa.

La presenza di un veicolo fermo può essere rilevata in base all’occupazione del area di rilevamento FMCW. Se tale are è occupata in continuo per più di un tempo predefinito può essere segnalato l’allarme per veicolo fermo. Un altro indice per rilevare il veicolo fermo potrebbe essere l’assenza totale della componente doppler nel segnale fornito dal sensore FMCW. (può essere pericoloso basarsi solo sull’assenza del segnale doppler perché in caso di traffico fermo potrebbero anche esserci persone che si muovono nell’area di rilevamento)

Considerato ché un veicolo lungo ca. 4 metri a 100km/h impiega ca. 180ms per attraversare ima zona di rilevamento di una lunghezza di 1 metro il numero di campionamenti del segnale FMCW deve essere abbastanza elevato per non commettere errori grossi già nella misura del tempo di occupazione. Nell’esempio di sopra, per limitare l’errore al 5% deve essere eseguita almeno una scansione ogni 9 ms, e quindi più di 100 scansioni al secondo. In realtà siccome le velocità in gioco sono più alte il numero di campionamenti dovrà essere aumentato ulteriormente .

Se durante le prove in campo si manifestano delle difficoltà nell’eseguire una trasformata di Fourier in questo tempo a disposizione bisognerà fare ricorso a circuiti hardware in grado di rilevare per lo meno la presenza di un oggetto sotto il sensore. Un metodo potrebbe essere quello di filtrare la frequenza corrispondente alla distanza della sede stradale a mezzo di passabanda. Se tale frequenza è disponibile, la sede stradale può essere considerata libera, altrimenti è occupata. Il metodo potrebbe però fallire nel caso in cui il veicolo invada la zona di rilevamento soltanto parzialmente (passaggi laterali) in modo da non sopprimere a sufficienza il segnale riflesso dall’asfalto.

Rilevamento della classe del veicolo

Per determinare la tipologia del veicolo possono essere utilizzati una serie di dati a disposizione:

■ lunghezza

■ velocità (veicoli a velocità alta, sono sicuramente veicoli leggeri)

• inforni azioni sull’altezza.

Nel classificare i veicoli per tipologia purtroppo non esiste nessun standard a livello europeo. In Italia è in uso tuttora lo schema di classificazione EEC1108 definito negli anni ’70 per i censimenti del traffico eseguiti “manualmente” con l’ausilio di un operatore. Lo schema è problematico da implementare per apparati automatici in quanto si basa molto sul riconoscimento esatto di marca e modello dell’automezzo in transito. È per esempio necessario distinguere macchine immatricolate come autocarro da quello per trasporto persone nonché suddividere i transiti in base al peso totale massimo autorizzato (inferiore o superiore alle 3t) e al numero di posti per i passeggeri (inferiore o superiore a 10 posti).

Gli schemi tradizionalmente utilizzati, pur costituendo punti di riferimento importanti per il mercato europeo, sono però stati studiati per essere realizzati con rilevatori a spire induttive e che scandiscono il mezzo in passaggio “guardandolo da sotto”. Con un sensore fuori terra alcune informazioni rilevabili con spire induttive vengono a mancare ma si aggiunge rinformazione sull’altezza.

I punti più problematici sono sicuramente distinguere gli autoarticolati dagli autotreni (l’informazione sull’altezza è fortemente influenzata dal carico) e distinguere gli autobus da certi camion (veicoli molto simili come profili di altezza).

Le classi veramente realizzabili e le eventuali errori di classificazione devono essere stabilite dopo un adeguata sperimentazione in campo. Il tutto dipende fortemente dalla precisione che si riuscirà ad ottenere anche sulla misura della lunghezza ed il numero di scansioni al secondo che si riusciranno ad effettuare Sincronizzazione dati di entrambi i sensori

II software di gestione del sensore dovrà sincronizzare i dati provenienti da due sensori radar (FMCW e doppler). Il sensore ad effetto doppler fornisce i dati sulla direzione di marcia e sulla velocità di percorrenza, mentre il sensore FMCW fornisce i dati sulla presenza veicolo e sull’altezza da terra. In questo contesto il software dovrà tenere conto dei seguenti fattori:

• H software dovrà essere in grado di riconoscere i veicoli in entrambi i sensi di marcia, non possono quindi esserci ipotesi sull’ordine di arrivo dei dati. In base alla direzione di marcia del veicolo arriveranno prima i dati del sensore doppler oppure quelli del sensore FMCW. In entrambi i casi i dati rilevati dovranno essere temporaneamente memorizzati per essere elaborati una volta ottenuto il set completo di dati. Occorre tenere presente che in situazioni di traffico denso vi è la possibilità che un secondo veicolo passi sotto il primo sensore prima che per il veicolo precedente sia stata ottenuta l’informazione dal secondo sensore.

■ Vi è la possibilità che a causa di passaggi particolari a cavallo delle corsie oppure in fase di inizio o rientro da un sorpasso, il mezzo in transito venga rilevato da un sensore solo. In tale caso il software dovrà essere predisposto ad annullare i dati rilevati (via timeout o simile).

• Il sensore doppler non sempre può essere in grado di separare correttamente i veicoli. Può verificarsi quindi che per due veicoli successivi ci sia un dato solo di velocità. In tale caso il software dovrà assegnare la stessa velocità ad entrambi ì veicoli. Questo caso può essere distinto dal caso in cui per un veicolo non si è proprio ottenuto il dato e che quindi deve essere scartato, basandosi sulla distanza tra i veicoli rilevati con il radar FMCW. Una mancata separazione dei veicoli da parte del radar doppler è possibile solo per due veicoli poco distanti. La distanza massima ammissibile dipende dall’altezza di installazione del sensore (determina la lunghezza del piè d’antenna) e dall’altezza del primo veicolo.

• Il software dovrà fare delle verifiche di congruenza tra l’ordine di arrivo dei dati e la direzione di marcia rilevata.

Consumi elettrici

Occorre tenere presente un consumo di ca. 40mA per ciascun transceiver radar con una tensione di alimentazione di 5V (200mW). Il consumo del sensore FMCW può essere ridotto alimentandolo con un segnale di abilitazione di tipo PWM. Il periodo di abilitazione dovrà essere tale a permettere almeno una rampa ascendente ed una discendente del segnale di sweep.

In line teorica questo metodo può essere applicato anche al sensore doppler, al lato pratico si creano però delle problematiche, soprattutto se devono essere rilevati sia veicoli a velocità basse che a velocità alte. Per rilevare le velocità basse il trasmettitore deve restare acceso a lungo, per esempio per rilevare una frequenza di 15Hz corrispondente ad una velocità di lkm/h il trasmettitore deve restare acceso in continuo per ca. 100msec. Nel caso in cui si volesse raggiungere un duty cycle del 50% sul segDale di abilitazione del sensore (e quindi dimezzare i consumi) anche il periodo di spegnimento sarebbe pari a 100msec e si perderebbero tutti i veicoli con velocità alte tale ad impiegare meno di 100msec per attraversare la zona di rilevamento, limitando quindi la velocità più alta rilevabile. Un veicolo lungo 4 metri, ad una velocità di 150 km/h impiega ca. 144 msec per attraversare una zona di rilevamento di 2 metri e costituirebbe quindi il limite superiore.

È importante notare che una abilitazione del sensore doppler a mezzo di un segnale PWM contribuisce a limitare i consumi, veicoli però che viaggiano al di sopra della velocità massima oppure sotto la velocità minima risultanti dai periodi di accensione e spegnimento vengono persi (possono però essere considerati ai fini della percentuale di occupazione e quindi ai fini del riconoscimento di veicoli fermi). Allo scopo di una riduzione ulteriore dei consumi può quindi essere implementata una gestione con risparmio di energia via software, in particolare per versioni speciali del sensore con un ridotto campo di rilevamento delle velocità.

Confronto con la tecnologia a spire induttive

I vantaggi indiscussi del sensore a microonde rispetto alla spira induttiva possono essere riassunti nei seguenti elementi:

• Non richiede nessuna chiusura della corsia al traffico durante i lavori di installazione e manutenzione, Γ installazione e/o la sostituzione di un sensore guasto è quindi molto semplice e può essere eseguita in qualsiasi condizione di traffico e (quasi) qualsiasi condizione climatica.

• Il sensore non viene danneggiato durante i lavori di manutenzione della pavimentazione (fresature ecc.) ne in caso di eventuali cedimenti del fondo stradale.

• Può essere installato anche con pavimentazioni contenenti materiali ferrosi (ponti, viadotti)

• L’installazione non richiede tagli nel manto stradale

In sintesi quindi i vantaggi del sensore a microonde sono da ricercare soprattutto per quanto riguarda la facilità di installazione e manutenzione.

Π vantaggio di non richiedere la chiusura si ha ovviamente solo quando il sensore è installato su una struttura pedonabile. In caso contrario è necessario un cestello per sia per Γ installazione che per eventuali manutenzioni e quindi è comunque necessaria la chiusura della corsia al traffico.

La struttura portante dovrebbe essere il più possibile immobile anche in presenza di vento per evitare errori di misura.

La realizzazione di un sensore ad effetto doppler tecnicamente è relativamente semplice. La precisione di rilevamento per quanto riguarda la misura della velocità di percorrenza è sufficiente anche senza accorgimenti particolari come compensazione del drift di temperatura oppure calibrazione.

I sensori doppler sono però carenti per il fatto che i dati relativi alla classe del veicolo ed alla lunghezza non sono molto attendibili, inoltre non è possibile il rilevamento di veicoli fenni. H dato di occupazione, strettamente collegato alle potenzialità di rilevamento dell’ingombro è carente di conseguenza.

L’aggiunta di un sensore per la misura della distanza libera sotto il sensore permette di correggere i difetti principali del sensore doppler.

Con Γ angolo di orientamento perpendicolare alla superficie stradale che si ha con questo sensore migliora di molto la geometria della disposizione di misura. Prima di tutto si elimina completamente l’effetto ombra (escluso sagome molto particolari) ed inoltre si migliorano le proprietà di riflessione in quanto la superficie riflettente dei veicoli per la maggior parte è orientata in maniera quasi perpendicolare all’asse dell’antenna e quindi la direzione dell’onda riflessa è verso l’antenna ricevente.

■ Ovviamente con l’orientamento perpendicolare del sensore non è più possibile sfruttare l’effetto doppler. Nei paragrafi precedenti è stato tuttavia dimostrato come è possibile rilevare i dati di lunghezza, classificazione e occupazione corsia con la tecnica dei radar modulati in frequenza. I segnali fomiti da tali radar sono molto più complicati da elaborare rispetto a quelli di un radar doppler.

Dimensionamento delle antenne

Con l’impronta delle antenne vengono realizzate due aree di rilevamento. Un’area è dedicata al rilevamento delle velocità di transito mentre l’altra è dedicata al rilevamento dell’altezza libera sotto il sensore.

Occorre tener presente che con un antenna radar non è possibile creare delle zone di rilevamento con una geometria ed una definizione come avviene per una spira induttiva.

Prima di tutto la forma dell’ impronta è d tipo ellissoidale e quindi la lunghezza dell’impronta non è la stessa per tutta la larghezza della corsia. Questo è orìgine di errori di misura in quanto non è possibile stabilire la posizione esatta dove è passato il veicolo.

Inoltre la zona di rilevamento non termina esattamente all’ angolo limite dichiarato, ma si tratta semplicemente della posizione alla quale Γ ampiezza del segnale emesso (ed il guadagno sul segnale ricevuto) è la metà rispetto al centro. La zona di rilevamento si protrae quindi per una certa distanza al di fuori dell’angolo limite con un segnale più forte nella posizione dei lembi laterali, impossibili da evitare con antenne di tipo planare. Vi è quindi una certa possibilità di rilevamento anche se ridotta, al di fuori degli angoli limite.

Radar doppler

Per l’apertura orizzontale occorre scegliere un angolo in modo da ottenere una larghezza dell’impronta che evita la copertura delle corsie adiacenti, che garantisce però anche una copertura della corsia di rilevamento tale da minimizzare le zone in cui un rilevamento non è possibile.

L’ampiezza della zona di rilevamento oltre che dall’angolo di apertura dipende anche dall’altezza di installazione. Per le considerazioni seguenti si ipotizza un altezza di installazione di 6 metri (luce libera per i portali standard sulle strade ed autostrade italiane). Verranno comunque indicati a valori anche ad altezze rispettivamente di 4 ed 8 metri. Per altezze di installazione più alte o più basse le antenne standard potrebbero non essere adatte.

Per la larghezza del impronta del sensore doppler nel punto più largo vale approssimativamente :

a0max larghezza (orizzontale) massima in metri del piè d’antenna h altezza di installazione in metri

angolo di orientamento del sensore doppler

angolo di apertura orizzontale del sensore doppler

Con un angolo di installazione di 45° ed un angolo di apertura di 20° otteniamo una larghezza dell’impronta pari a ca. 3 metri un valore abbastanza ideale per una corsia autostradale. Con altezze di installazione di 4 metri e 8 metri otteniamo valori di larghezza di 2 metri o rispettivamente 4 metri.

Per la lunghezza dell’impronta (dimensione verticale) che si calcola con la ( ΙΠ) un angolo di apertura di 12° risulta in una lunghezza dell’impronta pari a ca. 2,5 metri. A 4 ed 8 metri di altezza si ottengono rispettivamente 1,7 e 3,4 metri. Quanto più lunga è l’impronta dell’antenna tanto più alta è la precisione di rilevamento della velocità. Dall’altro lato un’impronta troppo lunga rende difficile la separazione dei veicoli ed aumenta la probabilità che si trovino due bersagli radar all’interno della zona di rilevamento. Gli angoli proposti ad un altezza di installazione compresa tra i 5 e 7 metri danno origine ad una zona di rilevamento di dimensioni simili a quella di una spira induttiva.

Le dimensioni risultante di un antenna planare con queste caratteristiche sono indicativamente di 70 x 70 mm, comprese ambedue le antenne (antenna di trasmissione ed antenna di ricezione).

Radar FMCW

Per la larghezza del impronta valgono le stesse considerazioni già espresse per il radar doppler. L’antenna è orientata in perpendicolare alla superficie stradale, la larghezza dell’impronta è quindi data da:

(XXIII)

bojmalarghezza (orizzontale) massima in metri del piè d’antenna h altezza di installazione in metri

aio angolo di apertura orizzontale del sensore FMCW

Per evitare il più possibile che veicoli in certe posizioni vengano viste da un sensore solo è utile avere le due zona di rilevamento della stessa larghezza. Tenendo quindi conto di un angolo di apertura pari a 20° del sensore doppler, l’angolo per il sensore FMCW dovrà essere di 28°. Le larghezze risultanti per le altezze di installazione di 4,6 ed 8 metri sono rispettivamente ca. 2, 3 e 4 metri e quindi le stesse del sensore doppler.

Per quanto riguarda la lunghezza dell’impronta, un angolo di apertura più ampio favorisce il rilevamento di superficie inclinate. Un angolo più grande però aumenta anche la lunghezza dell’impronta bmax e quindi l’errore sulla misura della lunghezza nel caso di passaggi non centrali nella corsia.

Un angolo di 28° potrebbe essere adatto anche per l’apertura verticale creando una lunghezza massima della zona di rilevamenti pari alla larghezza, e quindi ca. 2, 3 o 4 metri con una rispettiva altezza di installazione di 4,6 o 8 metri.

La relativa antenna planare ha una dimensione di ca. 60 x 60 mm, comprese sia antenna ricevente che antenna trasmittente.

Per ottenere una zona di rilevamento più corta, e conservando la possibilità di rilevare superficie inclinate, si potrebbe sperimentare l’impiego di un antenna ricevente con caratteristiche diverse (apertura orizzontale più larga) rispetto a quella trasmittente.

Geometria delle zone di rilevamento

Nella figura 8 sono riportate le geometrie delle zone di rilevamento a varie altezze di installazione, risultanti dalle seguenti aperture di antenna :

• Sensore doppieri orizzontale 20°, verticale 12°

• Sensore FMCW: orizzontale e verticale 28°

Schema a blocchi

La figura 9 mostra uno schema a blocchi di un sensore secondo la presente invenzione.

I rispettivi segnali I e Q in uscita dei transceiver vengono limitati in frequenza a mezzo di passabasso ed amplificati per ca. 50dB. Per quanto riguarda i segnali del sensore doppler, questi vengono semplicemente squadrati e convertiti in segnali TTL con un trigger di shmitt. Le frequenze vengono contate con contatori interni al unità di elaborazione.

I segnali del sensore FMCW invece vengono collegati ad ingressi analogici dove possono essere campionati ed elaborati dal software residente nell’unità di elaborazione.

Per entrambi i sensori se prevede di gestire il segnale di abilitazione del transceiver da pilotare eventualmente con un segnale di PWM per ridurre i consumi.

Verrà montato un oscillatore di test che permette di verificare i circuiti di acquisizione senza dovere collegare i trasceiver.

L’alimentaziane avviene tramite alimentatore esterno in bassa tensione e con un campo abbastanza ampio (tipicamente 10V..24V))

Unità di elaborazione

L’unità di elaborazione è basata su DSP e relativi circuiti HW (memorie, quarzo, convertitore A/D esterno ecc.) Il firmware residente nell’ unità di elaborazione si occupa dell’elaborazione dei segnali radar e fornisce i seguenti dati:

• Stringa veicolo (velocità, lunghezza, classe, direzione di marcia e distanza dal veicolo precedente)

• Percentuale di occupazione su base temporale configurabile

• Allarme veicolo fermo

Le modalità di elaborazione sono state precedentemente descritte.

I dati verranno fomiti su porta seriale RS232 oppure RS485. Il protocollo permetterà il collegamento su bus multipunto (possibile soltanto per RS485) ed è basato su un sistema polling.. In seguito a ciascun messaggio di polling l’unità trasmetterà tutti i dati in attesa di trasmissione. La memoria a disposizione per la coda di trasmissione è limitata e quindi è richiesta una certa frequenza di polling. Oltre la porta seriale, l’unità di acquisizione dispone di due piccoli relè per l’attivazione di unità esterne (lampeggianti ecc.). L’attivazione dei relè potrà essere configurata in base a soglie di velocità, occupazione, lunghezza e tipologia di veicolo.

L’unità di elaborazione, insieme all’elettronica di acquisizione è residente su un unico circuito stampato, i driver per RS485 oppure RS232 potranno essere selezionati via jumper.

Riepilogo caratteristiche:

• Basato su DSP

• Elabora i seguenti dati

o velocità veicolo

o direzione di marcia

o lunghezza veicolo

o classe veicolo

o distanza dal veicolo precedente

o percentuale di occupazione

o riconoscimento veicolo fermo

o temperatura interna al sensore

■ Due Led di segnalazione

• Porta seriale di tipo RS232 oppure RS485 selezionabile via jumper

• Protocollo punto - multipunto

• Due uscite a relè attivabili in base a soglie programmabili.

• Alimentazione 10...24 V

• Temperatura di esercizio da -40°C ...+80°C

• Installazione su portale oppure struttura portante simile ad un altezza ottimale compresa tra 5 e7 metri (possibile da 4 8 metri con eventuale degrado delle prestazioni). La struttura portante dovrà essere essente da vibrazione e/o movimenti il più possibile per evitare errori di misura!

Modulo di concentrazione e comunicazione dati

Il modulo di concentrazione e comunicazione dati è un unità opzionale che trova spazio all’intemo della custodia del sensore.

Tale modulo esegue le funzioni di una centralina di acquisizione e memorizzazione dei dati, dedicata ai sensori in questione e comprende mezzi per il collegamento ad un bus dati. L’interrogazione dei sensori avviene via bus RS485. E’ possibile collegare fino a 8 sensori e gestire quindi fino a 8 corsie con un unica unità di concentrazione.

Il collegamento dei singoli sensori è schematizzato nella figura 10. Il sensore che incorpora il modulo di concentrazione e comunicazione dati è detto sensore master:

Per la comunicazione con la centrale remota l’unità di concentrazione e comunicazione dati può essere equipaggiata per impiegare uno dei seguenti sistemi:

• rete cellulare GSM/GPRS

• rete ethemet RJ45 via cavo a coppie twistate

• rete ethemet senza fili WLAN 802.11

• seriale RS232

Schema a blocchi:

La figura 11 è uno schema a blocchi dell’unità di concentrazione e comunicazione.

L’unità di concentrazione e comunicazione dati è alloggiata su un singolo circuito stampato e sarà controllata da un microcontroller basato sul core 8051. Questi tipi di controllori sono abbastanza diffusi ed ottenibili in varie categorie di potenza di calcolo ed equipaggiamento. Il micro è equipaggiato con memoria RAM per la memorizzazione dei dati di programma e memoria flash per la memorizzazione del firmware. Per il mantenimento dell’orologio l’unità dispone di un componente RTC con pila a tampone dedicata.

La comunicazione con i sensori di rilevamento avviene in modalità puntomultipunto attraverso bus RS485, denominato bus sensori. A tale scopo tutti i sensori collegati dovranno essere configurati per RS485 altrimenti un collegamento all’unità di concentrazione non è possibile

Per accelerare lo sviluppo dei protocolli di comunicazione ma anche per scaricare il micro, i moduli di comunicazione rete ethemet e GPRS sono moduli intelligenti, equipaggiati con un micro proprie e che implementano direttamente il protocollo TCP/IP. Il collegamento al micro di gestione dell’unità di concentrazione avviene via porta seriale.

I moduli GSM/GPRS che possono essere utilizzati, in seguito ad una valutazione, sono i modelli Compact Plus della società Audiotei oppure i moduli della serie Wismo prodotte dalla Wavecom. Per entrambi i modelli vi è a disposizione un ambiente di sviluppo che permette la realizzazione di programmi applicativi che possono essere eseguiti sul micro residente direttamente sul modulo GPRS. Su questo micro verrà implementato il protocollo applicativo in modo da scaricare il 8051.

Per quanto riguarda il modulo di rete la scelta cade sul modello ConnectMe della Digi che esiste in versione per collegamento via cavo RJ45 (802.3) e in versione wireless secondo lo standard 802.11. Anche in questo caso si tratta di un modulo intelligente con un micro proprio a bordo che si interfaccia con il 8051 via porta seriale. Per lo sviluppo del protocollo applicativo che in maniera analoga al modulo GSM/GPRS risiede sul micro interno al ConnectMe, da parte del produttore viene messo a disposizione un sistema di sviluppo.

Invece di impiegare uno dei moduli sopra citati, per applicazioni particolari può essere utilizzata direttamente la porta seriale. In questo caso ovviamente non vi è la possibilità di impiego del protocollo TCP/IP.

La memorizzazione dei dati avviene su supporto CF. Rispetto ai supporti SD card ed MMC card la compact flash ha il vantaggio di offrire un accesso alla memoria su linee parallele e quindi permettere velocità di memorizzazione più alte. Per via della tenuta stagna della custodia tale supporto non sarà direttamente accessibile. Questo vale eventualmente anche per l’alloggiamento della SIM. L’accesso avviene previa apertura della custodia

La porta di servizio per la messa in funzione e/o la diagnostica locale è disponibile come semplice porta RS232 oppure in maniera senza rili attraverso l’interfaccia bluetooth ed il protocollo applicativo SPP (serial pori profile). Lo standard bluetooth garantisce una portata di ca. 10 metri in area libera ed è quindi sufficiente per gestire un unità di concentrazione montata su un portale dai piedi dello stesso.

Per la lettura di informazioni digitale come per esempio lo stato di interruttori termomagnetici del quadro, l’apertura porta di un armadio ecc. sono a disposizione 4 ingressi digitale ai quali è possibile collegare un contatto pulito. Per l’attivazione di segnali esterni sono previsti due contatti a relè.

Sensori sia per temperatura interna, che la temperatura esterna sono previsti per fornire informazioni aggiuntive.

L’alimentazione avviene con un alimentatore esterno in bassa tensione compresa tra 10 e 24V, la stessa quindi del sensore di rilevamento. In modo da riuscire a superare brevi periodi di mancanza di alimentazione il solo modulo di concentrazione (e non i sensori di rilevamento) può essere alimentato da ima piccola batterìa ricaricabile alloggiata sul circuito stampato. La batteria è dimensionata per garantire un autonomia di ca. 15 minuti·In questo tempo a disposizione, il modulo di concentrazione dati può trasmettere l’allarme di mancanza di alimentazione in modo da facilitare la diagnostica a livello centrale delle stazioni offline.

Funzionalità sofiware:

Il software è configurato per interrogare fino ad 8 sensori di rilevamento attraverso bus RS485 e protocollo punto-multipunto.

Le stringhe dati per ogni veicolo, acquisiti dai sensore vengono memorizzati e in un periodo di mediazione impostabile dall’utente vengono calcolati i seguenti valori per ciascun sensore:

• precentuale di occupazione

• veicoli per Km

■ velocità media

■ velocità media per classe di autoveicolo;

• distanza media tra i veicoli

• intervallo medio tra i veicoli

• allarme di traffico rallentato

• allarme di traffico fermo

Allo scadere del periodo di mediazioni i dati verranno inviati al centro remoto. Trattandosi di dati ‘reai lime’ che perdono di significato se non possono essere trasmessi prima di avere a disposizione un nuovo dato non è prevista nessuna memorizzazione locale di questi dati.

Inoltre, se abilitato, le stringhe veicolo vengono inviati direttamente al centro di controllo. L’invio avviene ad intervalli configurabili, allo scadere del quale vengono inviati in blocco tutte le stringhe accumulate nel frattempo. I veicoli inviati al centro possono essere parzializzati a mezzo di filtro confìgurabile .

La memorizzazione dei dati statistici in locale avviene su memoria CF in due modalità diverse:

1. In modalità veicolo per veicolo dove viene memorizzata ogni stringa veicolo 2. In modalità aggregata per intervalli configurabili in matrice classe x velocità x direzione, oppure in base alla configurazione in matrice lunghezza x velocità x direzione. Le categorie per lunghezza e velocità sono fino a 15 e liberamente configurabili in fase di messa in finizione.

Il protocollo di comunicazione con il centro remoto è basato sul TCP/IP che trasporta i dati applicativi. Per motivi di sicurezza, soprattutto nel caso in cui il modulo di concentrazione è collegato alla rete internet, il software non accetta connessioni dal esterno ma inizializza le connessioni verso il solo indirizzo IP del server configurato.

Per il trasferimento di file da e verso il sensore (file dati memorizzati, upgrade firmware ecc.) si utilizza il protocollo flp. Per i motivi di sicurezza sopra citati, il modulo di concentrazione si comporta sempre come client, i file in questione vengono quindi trasferiti verso o scaricati dal server FTP configurato.

Nella versione per rete ethemet (via cavo oppure wireless) è implementato anche un server web che permette la configurazione dell’apparato e l’interrogazione dei dati via browser internet. L’accesso alle pagine é protetta da password, la funzionalità può comunque essere disabilitata per impedire completamente l’accesso via rete.

Per il modello con GPRS non è sensata la fìmzionalità Web in quanto i tempi di attesa lunghi e la banda passante molto ristretta, tipiche di questo servizio, renderebbero molto scomodi l’utilizzo.

La versione con uscita diretta via seriale RS232 non può utilizzare protocolli IP ed è inteso per applicazioni particolari come per esempio la trasmissione via fili dedicati o ponti radio. I protocolli da impiegare in questo caso sono spesso determinati dalle interfacce di comunicazione impiegate e dovranno essere rivisti da volta in volta

Riepilogo caratteristiche:

• basato su microprocessore

• dispone di memoria RAM e flash esterna al micro

• memorizzazione dati su supporto compact flash

• alimentazione ups con batteria di backup interna

• Quattro ingressi digitali

■ Due uscite a relè

• Gestione di fino a 8 sensori di rilevamento (equivale ad 8 corsie)

• Invio al centro remoto dei seguenti dati in tempo reale per ciascun sensore e ad intervalli configurabili:

o percentuale di occupazione

o veicoli per Km

o velocità media

o velocità media per classe di autoveicolo;

o distanza media tra i veicoli

o intervallo medio tra i veicoli

o allarme di traffico rallentato

o allarme di traffico fermo

• Invio al centro remoto ad intervalli configurabili dei dati in formato veicolo per veicolo parzializzati da filtro impostabile

• Rilevamento ed invio al centro remoto della temperatura interna nella custodia • Rilevamento ed invio al centro remoto della temperatura esterna

■ Memorizzazione locale di file statìstici sia in formato veicolo per veicolo sia in formato aggregato per intervalli configurabile

• Invio dei file statistici al centro remoto via fìp ad intervalli configurabili • Upgrade firmware via fìp

• Comunicazione attraverso rete cellulare gsm/gprs , ethemet via cavo ed ethemet wireless oppure porta seriale RS232

• Configurabile via browser internet nella versione per reti ethemet

• temperatura di esercizio da -40...80°C

• alimentazione 10..24V

Costruzione meccanica

Il sensore è alloggiato in una custodia di plastica in materiale di tipo PVC, ABS, Nylon o simili. Per la scarsa trasparenza alle onde radio si escludono materiali metallici e plastiche a base di policarbonato (almeno per la parte frontale e la parte inferiore). Il grado di protezione è almeno IP65.

La custodia è dimensionata per potere ospitare sia al sensore di rilevamento sia il modulo di concentrazione dati opzionale. Le dimensioni sono indicativamente 80mm x 200mm x 100mm (A x L x P)

La figura 12 dimostra rimmagine di un sensore radar. La forma disegnata ha puramente carattere indicativo, con il solo scopo di dimostrare la disposizione dei singoli elementi, in maniera particolare l’angolo di 45° tra il sensore FMCW ed il sensore doppler. La parte inferiore del sensore dovrà essere orientata in parallelo alla sede stradale in modo da puntare il cono di emissione FMCW in perpendicolare alla stessa.

Per i soli sensori master sulla parte superiore del sensore trova spazio un eventuale antenna per le trasmissioni di tipo wireless

D fissaggio al supporto avviene a mezzo di un singolo bullone e snodo orientabile. Per facilitare rorientamento in parallelo alla sede stradale sulla custodia è montato ima bolla e lo snodo riporta una scala in gradi

Connettori

I connettori trovano spazio nella parte posteriore della custodia. In base al modello si distinguono 2 tipi di connessioni:

Sensore semplice, senza modulo di concentrazione dati

Nella figura 13 è disegnato il lato posteriore del sensore con connettori e led di segnalazione. Il sensore è provvisto di 3 connettori.

• Connettori IN e OUT: Si tratta di due connettori di tipo militare a 10 poli e attacco a baionetta. I connettori in e out sono collegati in parallelo in modo da facilitare il cablaggio in bus di più sensori. Portano i segnali seriali RS485 (4 fili massa) e la tensione di alimentazione 10...24Vdc (2 fili). Nel caso in cui via jumper sia stata selezionata la versione RS232 su entrambi i connettori sono presenti i segnali RX,TX e GND della porta RS232 e la tensione di alimentazione. Un collegamento in bus non è ovviamente possibile.

• Connettore relay: Si tratta dello stesso connettore a 10 poli di tipo militare impiegato per gli attacchi IN e OUT. Sul connettore sono presenti i segnali dei 2 contatti a relè (NC, NO e C per ciascuno dei 2 contatti)

Sensore master, con modulo di concentrazione dati

Nella figura 14 è disegnato il lato posteriore del sensore master.

• Connettore power/digitai in : E’ un connettore di tipo militare a 10 poli e attacco a baionetta. H connettore porta la tensione di alimentazione (2 fili) e gli ingressi digitali del modulo di concentrazione dati (4 ingressi da 2 rili ciascuno)

• Connettore service/relay: Si tratta dello stesso connettore a 10 poli di tipo militare impiegato per power/digitai in. Sul connettore sono presenti i segnali dei 2 contatti a relè del modulo di concentrazione dati (NC, NO e C per ciascuno dei 2 contatti) . I relè del sensore stesso non sono utilizzabili sui sensori master! Se non è stata implementata l’opzione bluetooth per la porta di servizio, su questo connettore sono presenti anche i segnali Rx,Tx e GND della porta RS232 di servizio.

• Connettore OUT: E’ un connettore di tipo militare a 10 poli e serve per il collegamento a bus dei sensori aggiuntivi (il primo sensore è già connesso internamente) Il connettore porta i segnali RS485 (4 fili massa) e l’alimentazione 10..24Vdc (2fili)

• Connettore CON: Tipologia del connettore e segnali presenti dipendono dalla versione del modulo di concentrazione dati:

o Nella versione per rete ethemet via cavo il connettore è di tipo RJ45, versione industriale con grado di protezione IP66

o Nella versione con uscita seriale RS232 il connettore è di tipo militare a lO poli e porta i segnali RX,TX e massa della porta RS232

o Nella versione per reti wireless (WLAN oppure GPRS) è un connettore per un antenna esterna (SMA, FME o simile).

o Nella versione per reti wireless (WLAN oppure GPRS) ma con antenna integrata sul lato superiore della custodia il connettore non è presente.

Varianti

Per il sensore possono essere previste due versioni in base alla porta seriale di comunicazione che può essere di tipo RS485 oppure RS232. Per tenere la produzione il più possibile vicino ad uno standard sul circuito stampato verranno montati i driver per entrambe le versione. La selezione della versione avviene a mezzo di jumper. Nel caso della versione RS232 il collegamento in bus non è possibile. I segnali della porta seriale RS232 vengono portati su entrambi i connettori In e Out.

Il sensore master può essere fornito in varie opzioni. In base al supporto di comunicazione scelto si distinguono i seguenti modelli;

• Modello per rete ethemet via cavo

• Modello per rete ethemet senza fili (WLAN)

• Modello per rete cellulare commutata GSM

• Modello per rete cellulare GPRS

• Modello con uscita seriale RS232

Tutti i modelli possono essere fomiti con porta di servizio via bluetooth oppure via RS232. In totale ci sono quindi 10 modelli diversi.

Le esperienze accumulate durante lo sviluppo del sensore descritto si prestano allo sviluppo di altri sensori a microonde. A titolo di esempio:

1. Sensore a singolo radar ad effetto doppler senza rilevamento di veicoli fermi e classificazione approssimativa basata sul numero di impulsi doppler. Per questo sensore è pensabile un alimentazione a pannelli fotovoltaici. Le prestazioni offerta dal sensore saranno sostanzialmente simili a quelle dei modelli attualmente presenti sul mercato.

2. Sensore a singolo radar ad effetto doppler con elaborazione del segnale via FFT. Rispetto alla variante citato al punto 1 il sensore potrebbe essere utilizzato per rilevamenti su strade a 2 corsie e doppio senso di marcia anche in situazioni di traffico sostenuto. Rispetto al punto 1, il sensore migliora le prestazioni in situazioni di presenza contemporanea di più veicoli all’interno della zona di rilevamento se questi viaggiano in direzioni diversi. A causa dell’analisi FFT ed il conseguente impiego di processori di tipo DSP il sensore dovrà essere alimentato a rete 220V.

3. Sensore a doppio radar con sensore FMCW a gestione semplificata, finalizzata unicamente al rilevamento di veicoli fermi. La classificazione avviene in base agli impulsi doppler ricevuti. Per questo sensore potrà essere possibile un installazione su palo a lato strada ed un alimentazione a pannelli fotovoltaici. In situazioni di traffico modesto il sensore potrà essere utilizzato per monitorare 2 corsie. Rispetto al punto 1, con questo sensore si aggiunge la possibilità di rilevare veicoli fermi.

La presente invenzione è stata fin qui descritta secondo una sua forma di realizzazione preferita presentata a scopo esemplificativo e non limitativo.

E’ da intendersi che altre possono essere le forme previste, tutte da considerarsi rientranti dell’ambito di protezione della stessa, come definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims (20)

1. RM 2 0 0 6 A 0 0 0 4 5 6 RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per il rilevamento del traffico di veicoli su un manto stradale, comprendente un primo sensore atto ad illuminare una prima zona di rilevamento sul manto stradale per la misura degli spostamenti di un veicolo transitante, caratterizzato dal fatto di comprendere un secondo sensore atto ad illuminare una seconda zona di rilevamento sul manto stradale per la misura istantanea di una distanza libera tra il sensore e detto veicolo transitante, la disposizione essendo tale che dette prima e seconda area di misura siano tra loro distinte.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo sensore è un transceiver a microonde, atto a generare in uscita un primo segnale di controllo.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto primo sensore è del tipo ad effetto doppler.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazioni da 1 a 3, in cui detto primo sensore comprende un trasmettitore di segnale a modulazione di frequenza.
5. 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detto primo sensore è atto ad essere disposto al di sopra di detto manto stradale, ed inclinato di un angolo acuto (β) rispetto ad esso.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui detto angolo è inferiore a 60°.
7. 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto secondo sensore è atto ad essere disposto al di sopra di detto manto stradale, in maniera tale da essere inclinato di un angolo sostanzialmente pari a 90° rispetto ad esso.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui detto secondo sensore è un transceiver a microonde, atto a generare in uscita un secondo segnale di controllo.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui detto secondo sensore comprende un trasmettitore di segnale a modulazione di frequenza.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui detto trasmettitore di segnale è pilotato tramite un segnale di sweep a forma triangolare.
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 9 o 10, comprendente inoltre un ricevitore di segnale, atto a rilevare detto segnale trasmesso, quando riflesso da superimi poste sotto il sensore.
12. 12. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, comprendente inoltre una unità di elaborazione atta a ricevere in ingresso i segnati di controllo generati da detti dispositivi, ed a fornire in uscita dati indicativi del traffico di veicoli transitanti nelle aree di rilevamento.
13. 13. Dispositivo secondo la rivendicazione 12, comprendente inoltre uno o più stadi di filtraggio di detti segnati di controllo in uscita da detti dispositivi di rilevamento.
14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui detti stadi di filtraggio comprendono uno o più filtri anti-aliasing.
15. 15. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 11 a 14, in cui detta unità di elaborazione comprende mezzi per l’elaborazione dei segnali di controllo nel dominio della frequenza.
16. 16. Dispositivo secondo la rivendicazione 15, comprendente inoltre un modulo di concentrazione e comunicazione dati atto ad acquisire e memorizzare detti dati indicativi del traffico.
17. 17. Dispositivo secondo la rivendicazione 16, in cui detto modulo comprende inoltre un sistema di trasmissione dei dati da e/o verso una centrale.
18. 18. Dispositivo secondo la rivendicazione 17, in cui detto sistema di trasmissione adotta una delle seguenti tecnologie: - rete cellulare GSM/GPRS; - rete Ethernet via cavo o wireless; - seriale RS232.
19. 19. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 11 a 18, comprendente inoltre mezzi di collegamento ad un bus dati, per la connessione con altri dispositivi dello stesso tipo.
20. 20. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 19, comprendente mezzi di alimentazione elettrica del tipo a pannelli fotovoltaici. p.p. Famas System S.p.A.