李承遠(yuǎn)
摘 要:目前常用的人行橫道信號(hào)燈無(wú)法對(duì)實(shí)際的交通進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控,因此會(huì)耗費(fèi)行人和車(chē)輛大量的等待時(shí)間。在此基礎(chǔ)上,本文提出基于壓力傳感器的信號(hào)燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將該裝置放置于人行橫道的等待區(qū)域地面上,當(dāng)有行人經(jīng)過(guò)時(shí),壓力傳感器會(huì)檢測(cè)到壓力并輸出相應(yīng)的信號(hào),從而判斷是否有行人在等待紅綠燈。該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)燈的自動(dòng)調(diào)控,根據(jù)行人狀態(tài)控制信號(hào)燈的變換,一定程度上緩解了交通擁堵問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:壓力傳感器;人行橫道;信號(hào)燈控制
中圖分類(lèi)號(hào):TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2017)04-0043-02
當(dāng)今,隨著社會(huì)發(fā)展,交通日益繁忙,許多地方出現(xiàn)交通擁堵現(xiàn)象,給行人及車(chē)輛的出行帶來(lái)極大的不便。為了緩解這一問(wèn)題,智能交通系統(tǒng)[1]受到國(guó)內(nèi)外的重視。其中,紅綠燈的控制是重要的組成部分。目前,絕大多數(shù)的紅綠燈無(wú)法根據(jù)實(shí)際交通狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。因此,如果沒(méi)有行人通過(guò)人行橫道時(shí),也會(huì)因?yàn)榈燃t燈而耽誤路口車(chē)輛的通行。按鈕式紅綠燈的出現(xiàn)能在一定程度上緩解交通擁堵情況的發(fā)生,使行人的出行更加便利。當(dāng)行人按下紅綠燈控制按鈕,人行橫道的綠燈變亮,行人可以通過(guò)人行橫道;當(dāng)按鈕沒(méi)有被按下時(shí),人行橫道對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈保持在紅燈的狀態(tài),使車(chē)輛始終能夠通行。但該紅綠燈需要更多的人了解并正確使用,目前還未廣泛普及。針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了基于壓力傳感器的信號(hào)燈自動(dòng)控制系統(tǒng)。
1 壓力傳感器
傳感器是能夠直接進(jìn)行信息檢測(cè),并且將得到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)或者其他形式的信號(hào),最終進(jìn)行輸出的一種檢測(cè)器件。通過(guò)傳感器可以快速且準(zhǔn)確的獲得需要的信息,從而進(jìn)行下一步處理。因此,傳感器技術(shù)[2]在自動(dòng)控制中中扮演著極其重要的角色。目前,傳感器技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用在人們的生活中。例如,聲控?zé)艟褪抢昧寺曇魝鞲衅?,?dāng)檢測(cè)到聲音時(shí),燈光變亮,否則燈光關(guān)閉;恒溫空調(diào)則利用了溫度傳感器,當(dāng)室內(nèi)的溫度高于空調(diào)設(shè)置的溫度時(shí),空調(diào)不再加熱,否則繼續(xù)加熱;而體重計(jì)則是利用了壓力傳感器,將人的壓力信號(hào)以體重的形式進(jìn)行顯示。
本文提出的信號(hào)燈控制系統(tǒng)首先需要利用壓力傳感器將行人經(jīng)過(guò)的信息進(jìn)行檢測(cè),并根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行紅、綠燈的交替變換控制,所以本文接下來(lái)對(duì)壓力傳感器的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行具體介紹。
壓力傳感器[3]是目前在工業(yè)控制及日常生活中極其常用的一種傳感器,它的工作原理是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào),從而利用采集電路進(jìn)行壓力信號(hào)的采集。壓力傳感器有多種不同的類(lèi)型,這些不同類(lèi)型的傳感器能夠根據(jù)其特性的不同應(yīng)用在特定領(lǐng)域,接下來(lái)對(duì)其中的一些類(lèi)型進(jìn)行介紹。
壓電式壓力傳感器是基于壓電效應(yīng)進(jìn)行壓力測(cè)量。壓電效應(yīng)指的是壓力與電場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,其中正壓電效應(yīng)指的是當(dāng)敏感元件受到外力作用時(shí),兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生電荷,從而表現(xiàn)出電場(chǎng)的形式;而負(fù)壓電則表示當(dāng)敏感元件在電場(chǎng)的作用下,會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形,從而表現(xiàn)出壓力存在的形式。壓電式壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)量利用的就是正壓電效應(yīng)。當(dāng)傳感器感受到外界壓力時(shí),傳感器內(nèi)部的敏感元件會(huì)產(chǎn)生能夠測(cè)量的電量,通過(guò)檢測(cè)電量大小能夠感知到外界壓力大小。
電容式壓力傳感器能夠通過(guò)電容敏感元件將壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量進(jìn)行輸出。電容式壓力傳感器將金屬薄膜作為電容器的一極,當(dāng)電容器受到外界壓力作用時(shí),金屬薄膜產(chǎn)生變形,從而造成電容器兩極之間的距離發(fā)生變化,從而改變其電容量。隨著壓力的不同,薄膜的變形程度也不相同,因此會(huì)造成電容值不同。電容式壓力傳感器可以通過(guò)檢測(cè)該電容值的大小進(jìn)行壓力的測(cè)量。
壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)進(jìn)行壓力測(cè)量。當(dāng)半導(dǎo)體受到作用力時(shí),其電阻率發(fā)生變化,從而導(dǎo)致電阻變化,因此可以用來(lái)進(jìn)行壓力檢測(cè)。電阻式壓力傳感器常用四個(gè)不同方向上的電阻組成惠斯通電橋,其示意圖如圖1所示。當(dāng)傳感器感受到壓力時(shí),四個(gè)電阻的阻值發(fā)生變化,從而導(dǎo)致其輸出的電壓發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)傳感器感受到的壓力值不同時(shí),電阻的阻值也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化,因此可以通過(guò)測(cè)量輸出的電壓值進(jìn)行壓力大小的檢測(cè)。
除了上述詳細(xì)介紹的壓力傳感器外,壓力傳感器還包含其他多種類(lèi)型。其中,壓阻式壓力傳感器由于價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn),成為在日常生活中應(yīng)用最多的一種壓力傳感器,它對(duì)于壓力的測(cè)量上限可達(dá)60MPa[4]。
壓力傳感器作為常見(jiàn)的傳感器,已經(jīng)得到了充分的研究,它在檢測(cè)行人狀態(tài)方面也已經(jīng)有了一些應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]利用壓力傳感器進(jìn)行燈具的控制。當(dāng)檢測(cè)到人出現(xiàn)時(shí),相應(yīng)的燈具才會(huì)變亮,否則燈具保持在關(guān)閉的狀態(tài),該系統(tǒng)能夠在一定程度上解決燈具的耗電問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]采用壓力傳感器進(jìn)行老人的摔倒檢測(cè),對(duì)于正常行走以及跌倒后的狀態(tài)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),得到足夠多的樣本,以進(jìn)行老人摔倒的判斷。由上述分析可知,壓力傳感器能夠用于行人的檢測(cè)。
2 信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文將從傳感器的布置方式及算法設(shè)計(jì)這兩部分來(lái)進(jìn)行介紹。
首先是傳感器布置方面。本文提出的信號(hào)燈自動(dòng)控制系統(tǒng)是將壓力傳感器布置在人行橫道的路口,即行人在通過(guò)人行橫道前所在的等待紅綠燈通行處。為了擴(kuò)大行人等待的范圍,在路口放置多個(gè)壓力傳感器,其布置示意圖如圖2所示。其中,壓力傳感器的數(shù)目由路口的大小及傳感器的感知區(qū)域范圍來(lái)共同確定,因此具體數(shù)目可在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同情況。這種傳感器的布置方式通過(guò)多個(gè)傳感器的協(xié)調(diào)配合,增大了對(duì)于壓力的感知范圍。當(dāng)有行人進(jìn)入等待區(qū)域時(shí),其中的某些壓力傳感器就會(huì)輸出相應(yīng)的信號(hào),從而進(jìn)行行人的判斷。當(dāng)某個(gè)傳感器檢測(cè)到行人時(shí),輸出為1,否則輸出為0。
接下來(lái)進(jìn)行信號(hào)燈控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)采用了多個(gè)傳感器進(jìn)行壓力感知,因此需要將所有壓力傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行綜合考慮。若所有傳感器均輸出為0,則認(rèn)為等待區(qū)域范圍內(nèi)均不存在行人。當(dāng)所有傳感器中有一個(gè)輸出為1,則認(rèn)為有行人經(jīng)過(guò)該等待區(qū)域,但此時(shí)傳感器的輸出僅僅代表著等待區(qū)域內(nèi)只有該時(shí)刻存在行人,前幾秒及后幾秒的狀態(tài)均是未知。因此,可能發(fā)生的情況有兩種,分別為:(1)該行人在路口待綠燈燈,進(jìn)而通過(guò)該人行橫道;(2)該行人僅僅是路過(guò)該檢測(cè)區(qū)域,不需要通過(guò)人行橫道。此時(shí)需要進(jìn)行進(jìn)一步判斷。
對(duì)此,本文提出的解決方案是:輸出為1,則代表該行人在等待區(qū)域內(nèi)已經(jīng)持續(xù)等待10s,則認(rèn)為行人在等待信號(hào)燈,此時(shí),信號(hào)燈變綠,并保持綠燈狀態(tài)15s,隨后,信號(hào)燈變紅。循環(huán)檢測(cè)。
該算法綜合考慮了等待區(qū)域內(nèi)所有傳感器的輸出信號(hào),在行人等待信號(hào)燈的識(shí)別過(guò)程中,不僅考慮了某一時(shí)刻的檢測(cè)信息,更是將某一時(shí)段內(nèi)的信息全部考慮在內(nèi),因此更加可靠。
3 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)壓力傳感器的介紹和信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),為未來(lái)壓力傳感交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)提供了可能。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作可行,具有自動(dòng)控制,對(duì)優(yōu)化城市交通有重要意義。本文提出的基于壓力傳感器的信號(hào)燈控制系統(tǒng)為初步研究階段,存在的不足將在未來(lái)研究中進(jìn)行進(jìn)一步修改和完善。
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