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1、1湖 南 省 大 学 生 研 究 性 学 习 和 创 新 性 实 验 计 划项 目 申 报 表项目名称:基于 ARM 的交通灯视感智能控制系统的研究与设计学校名称 湖南文理学院学生姓名 学 号 专 业 性 别 入 学 年 份欧阳韬 201116020127 通信工程 男 2011陈响 201016010243 自动化 男 2010肖青青 201016010134 自动化 女 2010指导教师 朱明旱 职称 副教授 学科专业 控制科学与工程学生曾经参与科研的情况欧阳韬 2012 年 4 月，作为唯一的大一学生，选拔进入电子设计竞赛班，进行了半年的硬件学习与研发。在此期间，用 单片机制作了一个高精
2、度的电子闹钟。2012 年 11 月，加入朱明旱老师的科研小组，开始了关于数字图像处理和模式识别相关课题的研究。现已较好地掌握了汇编语言和底层软件开发技术，并了解了图像处理和模式识别领域的相关数学理论和基本算法。陈响 曾参与了基于 RFID 技术的智能超市构架方案的研究与 设计。在设计过程中，学习并初步掌握了 RFID 技术在物流管理上的 应用，并制作出了可 识别的电子标签。在票务管理、资源管理系统上的实验，均达到了预期的效果。2012年4月，加入电子设计竞赛班，开始了单片机的学习与数字系统的研发。肖青青 曾参与了 Java 程序 设计、网页设计和网络 工程师的培训。 2012年4月，加入电子
3、设计竞赛班，成为竞赛班中为数不多的女生。现已具有良好的编程能力，一定的计算机网络技术，并熟 练掌握了 Matlab、Multisim、Protel 等软件的使用。2指导教师承担科研课题情况朱明旱，男，副教授，博士。主持了芙蓉学院的信号与系统精品课程建设，已完成校级教研项目 1 项，校 级科研项目 2 项，省教育厅科研项目 1 项。 现主持有省自然科学基金 1 项，省教育 厅优秀青年项目 1 项，已录用和发表论文 20 余篇，EI 收录 6 篇，CSCD 收录 16 篇。项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题一、研究目的随着经济的快速发展，城市中的车辆逐渐增多，交通拥挤和堵塞现象日趋严重，
4、引起交通事故频发、环境污染加剧等一系列问题 。城市交通控制系 统主要是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它已经成为现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。因此，如何利用先进的信息技术改造城市交通系统已成为城市交通管理者的共识。而高效的交通灯智能控制系统是解决城市交通问题的关键。众所周知，城市交叉路口信号控制的常规方式是时钟控制，这种控制方式在车辆数量激增的情况下，完全不能适用，因为它是一种极为简单、周期性地 转换信号灯。在这种控制方式下，时常出现无车的道路方向上亮着绿灯，而 车辆排着长队等待通行的道路方向上却亮着红灯，人为地造成交通拥堵，严重降低了交通运行
5、效率。基于 ARM 的交通信号灯 视感智能控制系统 正是针对城市交通压力日益加重的情况应运而生。该系统 可根据路口的车流量， 对 交通信号灯进行差异化控制。从而达到使道路更为通畅，最大限度地缓解交通拥挤的目的。二、研究内容此系统采用摄像装置和图像处理模块，来获取车流量信息，并采用 ARM9 为核心的主控模块作为控制系统，实现交通信号灯的智能控制。该项目将针对摄像头拍摄的交叉路口车况照片，优化现有的数字图像处理算法，设计出一种新的算法，能够计算出特定车道所有车辆通过路口所需要的时间。然后，通 过运行嵌入式3操作系统上的驱动程序，让 ARM9 与图像处理模块 通信来实现时间信息读取，并根据该时间控
6、制“ 红灯、黄灯、 绿灯” 的切换，同 时用数 码管显示倒计时信息。3、要解决的主要问题1）算法问题。虽然在数字图像处理领域有了一些相关的算法，但是，不同的光照条件，车辆的大小、颜色、形状各异，以及车辆被直接或间接（如被路边树的阴影）遮挡等，都为获取交通信息带来了困难。而且 对 于不同的交通路口， 处理方法又有所不同。因此，需要根据特定交通路口的车流量， 优化传统的数字图像处理算法，提出一种能够精确计算 车流量的算法。2）软件系统问题。在基于嵌入式系统的开发过程中，选择一个合适的操作系统是至关重要的环节。而在嵌入式系统中一些常见的操作系统有Linux、WinCE、VxWorks、pSOS、Nu
7、clears、eCos、C/OS-等。因此，需要根据 实际情况， 选择好操作系统并 设计好整个软件系统的构架，同时编写好各个模块的相关程序，各模块的程序可以 单独设计、 编程、调试 和查错，然后组合起来联调，最终完成整个系统软件的设计。3）硬件电路问题。硬件电路的设计是实现该系统功能最为重要的一个环节。为了便于硬件调试和系统稳定运行，需要对功能独立的各个模块分别进行设计。需要设计的电路模块有：主控制模块，图像处理模块，电源稳压模块， 显示模块，驱动模块，路口交通灯模块 ，通 讯模块，自检模块等。 国内外研究现状和发展动态交通信号控制系统是现代城市交通控制和疏导的主要手段。而作为城市交通基本组成
8、部分的平面交叉路口，其通行能力是解决城市交通问题的关键，而交通信号灯又是交叉路口必不可少的交通控制手段。随着计算机技术和自动控制技术的发展，以及交通流理论的不断发展完善，交通运 输组织与优化理论、技 术的不断提高，国内外逐步形成了一批高水平有实效的城市道路交通控制系统。一、国外研究现状41）澳大利亚 SCATS 系统悉尼协调自适应交通系统（Sydney Cordinated Adaptive Traffic System）是澳大利亚于 70 年代末开发的。 SCATS 采取分层递阶式控制 结构。其控制中心 备有一台监控计算机和一台管理计算机，通过串行数据通讯线路相连。地区级的计算机自动把各种数
9、据送到管理计算机。监控计算机连续地监视所有路口的信号运行、检测器的工作状况。地区主控制器用于分析路口控制器送来的车流数据，确定控制策略，并对本区域各路口 进行实时控制。 SCATS 系统充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制方案较易变换。 SCATS 系统明显的不足：第一，系统为一种方案选择系统，限制了配时参数的优化程度；第二，系统过分依赖于计算机硬件，移植能力差；第三，选择控制方案时，无 实时信息反馈。2）英国 SCOOT 系统绿信比、周期和相位差技术（Split Cycle Offset Optimization Technique）是由英国道路研究所在 TRANSYT 系
10、统的基础上采用自适应控制方法，经过八年的研究于 1978 年提出的动态交通控制系统。SCOOT 的模型与 优化原理与 TRANSYT 相仿，不同的是 SCOOT 为方案生成的控制系 统，是通 过安装在交叉口每条进口车道最上游的车辆检测器所采集的车辆信息，进行联机处理，从而形成控制方案，并能连续实时调整周期、绿信比和相位差来适应不同的交通流。SCOOT 系统的不足是：相位不能自动增减，任何路口只能有固定的相序；独立地控制子区的划分不能自动完成，只能人工完成；安装调试困难， 对用户的技 术要求过高。二、国内研究状况国内应用和研究城市交通控制系统的工作起步较晚，20 世纪 80 年代以来，国家一方面
11、进行以改善城市市中心交通为核心的 UTSM(Urban Traffic System Manage)技术 研究；另一方面采取引 进与开发相结合的方 针，建立了一些城市道路交通控制系统。以北京、上海为代表的大城市，交通控制系 统主要是简易单点信号机、SCOOT 系统、TRANSYT 系统和 SCATS 系统其中几个结合使用；而如湘潭、岳阳等国内中小城市，交通控制系统主要还是使用国产的简易单点信号机和集中5协调式信号机。这些信号系统虽然取得了较好的效果，但我国实际情况决定了需要对这些系统进行改进。1)需要完善信号控制。 现有的单点信号控制系统一般只能实现两相位控制，存在一定的局限性。而实际 中，如
12、果根据交叉路口的情况，适当采用多相位控制、变相序控制，可减少交叉路口的交通冲突，提高交通的安全性。2)需要合理解决混合交通流问题。现有信号控制系统对自行车流大多是与机动车同时开始，容易造成交通流冲突。因此，需要设计一种信号系统能对各个相位包括对自行车流单独进行控制。3)实现 区域网络协调控制。目前，虽然在我国的几个大城市，引进或研制了具有区域控制功能的集中式计算机控制系统，但对于中小城市来说，建立这样庞大的系统一方面代价高昂，另一方面实际利用效率不高。为了解决这一情况，在国内的中小城市应大量推广小型区域网络协调控制信号系统。4）对于小型的路口，应研制并设计能够对交通流量进行监测的交通信号灯系统
13、，这样 有利于交通的畅通运行。本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩欧阳韬已学习完高等数学线性代数概率论与数理统计复变函数等本科数学课程，涉猎了实变 函数与泛函分析矩阵分析小波分析等研究生课程，基本具备研究算法所需要的数学工具。已学习完电路模拟电子技术数字电子技术微机原理与接口技术单片机原理与应用数字系统设计与 PLD 应用，掌握了基本的硬件开发知识，并一次性通过全国计算机等级考试（c 语言），具有一定的编程能力。同时，已自学完信号与系统数字信号处理数字图像处理模式分类等专业课程，基本具 备研究所需要的专业知识和研究方法。并在学院举行的电子设计比赛中荣获“ 一等 奖” 。陈响和肖青青基本上都已
14、经学完自动化专业课程，两人都已具备很强的专业素养，具有扎实的硬件开发 基础和软件编程能力。他们两人成绩优异，英 语阅读能6力比较强，有英语文献查找和翻译的经验。两人曾在王文虎老师的指导下，掌握了过硬的 PCB 板设计本领和报告写作能力。两人在学院举行的电子设计比赛中均获得“优胜奖 ”。项目的创新点和特色 1) 目前国内大多数城市交叉路口的信号控制，基本上还是采用感应线圈等设备来获取现场交通信息。由于这种交通量检测设备需要埋设在路面以下，必然要损坏原有路面，使得安装与维护都很不方便，而且抗干扰性差。而 该系统可以利用现已普及的摄像装置，方便地利用现成的交通图像传感信号实现交通信息分析。2) 该系
15、统通过优化现有的交通信号灯智能控制的核心算法，可以很精确地获取特定车道全部车辆通过路口所需要的时间。3) 该系统设计为独立模块，模 块可以采用智能总线的形式与上位机相连接，这种分布式开放体系结构使得交通灯控制系统可以自由组合与自由发展。该系统支持在线软件升级，当将来有新功能时只要升级上位机的系统程序就可以支持模块新功能。4）系统的控制模块采用 RISC 架构的 ARM 微处理器，具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点，并大量使用寄存器，指令执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器中完成，寻址方式灵活简单， 执行效率高，指令长度固定。5）系统自带自检模块，遇到某些突发故障时，能 够自我诊断并修复
16、，大大提高了系统的稳定性和安全性。6）各器件之间以总线方式共享数据，系统结构紧凑、数据安全性好。7）以往的信号机不能进行远程监控，这使得单个交叉口和整个城市的交通信号控制都存在着很大的局限性。为了适应现代智能交通系统的发展，该系统特别设计了通讯模块，在需要人 为调控的特殊情况下，可以借助于上位信号机控制软件，很方便地对信号机进行 监控查看信号机状态、路口信息、下 发优化配时方案、执 行特殊警备信号等。7项目的技术路线、进度安排及预期成果一、技术路线该控制系统的硬件框图如下：主控模块CCD摄像头图像处理模块驱动模块 路口交通灯 模块显示模块电源稳压模块图 1 控制系统的硬件框图各模块的设计如下:1)主控模 块:采用 S3C2410A 为核心的主控模块负责控制其他各个子模块。S3C2410A 是 Samsung 公司推出的一款基于 ARM920T 内核的 16/32
