专利名称：智能交通灯信号控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种交通控制系统，更具体地说，涉及一种基于超声波的智能交通灯
信号控制系统。
背景技术：
智能交通系统(Intelligent Transport System,简称ITS)在我国已经提出了多 年，然而迄今为止，其在大中城市仍不能得到很好的应用。由于路况等原因，目前的交通灯 信号变化周期大多是固定的，缺乏实时性和多变性。比如，有时在道路交叉口，主干道上的 车数量已经将近饱和，而辅道上没有车辆，结果是主干道上的车没有意义地等待绿灯的到 来，使得道路资源没有得到合理利用。部分大中城市也对交通灯采用分时段的不同信号周 期的控制方法，虽然能够起到一定的缓和作用，但是效果仍然不是很明显。随着机动车数量 的增长和城市化的发展，城市交通拥堵问题日益突出。交通拥堵不仅降低了基础设施的使 用效率，而且还造成了空气的污染和能源的浪费。 随着信息技术、实时控制、通信网络的发展，智能交通系统已经引起了人们的广泛 重视。智能交通技术主要是通过计算机技术、网络通信技术、分布式信息处理等技术来管理 交通，使交通系统发挥更好的作用，而传感器网络技术就是众多智能交通应用技术中常用 的一种。通过各类集成化的智能传感器实时检测、感应和采集各种环境或检测对象的信息， 并对采集的各种信息处理分析，使系统进行各种协调控制和作业，是目前ITS应用研究的 重要内容。 目前对交通灯智能配时的技术也有很多，但是真正能得到实际运用的却不多。硕 士论文《基于视频的智能信号灯系统的研究与设计》(吁亮，南昌大学)中论述了用视频来 进行车流量的探测，该方法虽然在一定程度上有效地解决了智能配时问题，但是视频采集 往往在实用中会遇到很多的问题，比如在雨天、夜晚或浓雾的情况下，视频采集的效果往往 不理想，很容易导致配时出现差错。现在广泛使用的环形地感线圈进行车辆参数的探测，由 于环形地感线圈存在施工麻烦、维修不方便等问题，而且容易给车道造成破坏，因此环形地 感线圈尽管给交通系统提供了方便，但同时也给交通带来了很大的负面影响。还有一种技 术就是用远程交通微波检测器(RemoteTraffic Microwave System,简称RTMS)对整个车道 进行大规模的车辆参数的探测。这种方法比环形地感线圈要方便得多，然而现在的RTMS系 统由于成本过高，也不容易大规模进行推广。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种成本低、适应性好、控制方便准 确、抗干扰性好的交通灯信号控制系统。 为了实现上述目的，本发明提供了一种智能交通灯信号控制系统，该系统包括用 于利用超声波对车流量进行探测的超声波探测器；用于根据车流量计算绿灯持续时间的模 糊控制器，其输入端与超声波探测器的输出端连接；用于控制交通灯显示状态的主控制器，
4其输入端与模糊控制器的输出端连接；用于显示不同状态的红绿灯显示牌，其输入端与主 控制器的输出端连接；以及用于进行远程控制的计算机控制中心，其中，主控制器通过串口 与计算机控制中心连接。 根据本发明的一个优选实施例，模糊控制器包括由用于存储数据的数据库和用 于存储模糊规则的规则库组成的知识库；用于将真实的确定量输入值转换成模糊矢量的模 糊化接口 ；用于进行模糊推理的推理机，其输入端与模糊化接口和知识库的输出端连接； 以及用于将模糊推理中产生的模糊量转化为精确量的解模糊接口 ，其输入端与推理机的输 出端连接。 根据本发明的另一个优选实施例，主控制器采用AT89C52型单片机，AT89C52型单 片机左上角有三个引脚分别连接南北方向的红灯、绿灯和黄灯显示输入端，另有三个引脚 分别连接东西方向的红灯、绿灯和黄灯显示输入端。 根据本发明的再一个优选实施例，主控制器进一步包括由与AT89C52型单片机连 接的电容和晶振组成的晶振电路。 根据本发明的又一个优选实施例，主控制器进一步包括由与AT89C52型单片机连 接的电阻和极性电容组成的复位电路。 根据本发明的又一个优选实施例，超声波探测器包括两个分别都具有发射和接收 功能的超声波探头。 本发明还提供了一种用于上述智能交通灯信号控制系统的控制方法，包括以下步 骤使超声波探测器向车道检测区发射超声波并根据返回信号检测车流量；使模糊控制器 根据车流量计算下一周期绿灯持续时间；以及使主控制器生成控制信号，以控制红绿灯指 示牌根据车流量情况实时改变显示状态。 根据本发明的一个优选实施例，该控制方法进一步包括以下步骤通过把检测区 的长度设定为只有来自车辆的超声波返回信号能够同时到达两个探头、而来自行人的超声 波返回信号无法同时到达两个探头，从而来区分车辆和行人。 根据本发明的另一个优选实施例，该控制方法进一步包括双向红灯停止中断和双 向黄灯警告中断的步骤。 根据本发明的再一个优选实施例，该控制方法进一步包括以下步骤使计算机控 制中心通过串口对主控制器进行远程控制。 本发明的有益效果是，提供了一种基于超声波的智能交通灯控制系统，结构设计 简单，采用超声波方式进行车辆的检测，成本比传统的视频检测、微波探测等都低；主控制 器采用单片机系统，因此在造价上远低于现有产品；该系统能够根据车辆流量实时改变红 绿灯的周期以及各自的持续时间，提高了交通控制的实时性与适应性；该系统中的模糊控 制器模块和主控制器模块都是单片机系统，可以方便进行调试和升级；此外，该系统还能够 减少行人的干扰，提高了交通流量探测的准确度。
图1是根据本发明的优选实施例的交通灯控制系统结构图； 图2是根据本发明的优选实施例的控制方法流程图； 图3是根据本发明的优选实施例的超声波探测器安装示意5
图4-1和图4-2是根据本发明的优选实施例的超声波探测器收发原理图；
图5-1至图5-3是根据本发明的优选实施例的超声探测器获取车辆参数示意图；
图6-1和图6-2是根据本发明的优选实施例的超声探测器区分车辆和行人的原理 示意图； 图7是根据本发明的优选实施例的模糊控制器结构图；以及
图8是根据本发明的优选实施例的主控制器电路图。
具体实施例方式
下面将结合附图和优选实施例对本发明做进一步详细说明。 如图1所示，根据本发明优选实施例的智能交通灯信号控制系统包括用于利用超 声波对车流量进行探测的超声波探测器6、用于根据车流量计算绿灯持续时间Tg, i的模糊 控制器7、用于控制交通灯显示状态的主控制器8、具有不同显示状态的红绿灯显示牌9和 用于进行远程控制的计算机控制中心10，其中，超声波探测器6的输出端与模糊控制器7的 输入端连接，模糊控制器7的输出端与主控制器8的输入端连接，主控制器8的输出端与红 绿灯显示牌9的输入端连接，主控制器8还通过串口与计算机控制中心IO连接。
根据本发明优选实施例的智能交通灯信号控制系统应用超声波对车流量进行探 测，根据车流量的大小自动调节红绿灯的周期和持续时间Tg, i，以达到对交通灯智能控制的 目的。如图l和图2所示，其具体步骤为 首先，超声波探测器6(自带车辆计数功能)向车道检测区发射超声波，把接收遇 到车辆时产生的反射波，连同产生的脉冲信号一起输入到处理单元，并累积到车辆计数器 里，从而得到一个红绿灯周期内车道的车流量； 其次，模糊控制器7运用模糊算法，查询模糊规则表，对输入的车流量信息进行分
析处理计算出下一周期绿灯持续时间Tg,w，传输给由单片机组成的主控制器8 ; 然后，主控制器8由接收到的持续时间Tg, i+1值生成相应的控制信号，并输出到欲
通行的方向的LED红绿灯显示牌9上，以实现对交通灯显示状态的实时控制。 图3显示的根据本发明优选实施例的超声波探测器的安装方式为超声波探测器
6包括两个超声波探头，每个探头都具有发射和接收超声波信号的功能， 一对探头分别在不
同时刻对车辆进行探测，超声波探头安装在每个车道的正上方，一对超声波探头正对一个
车道的正中央。 图4-1和图4-2显示的是根据本发明优选实施例的超声波探测器收发原理图，其 工作方式为超声波探测器6的两个探头分别负责发射和接收超声波信号，当车辆靠近时， 图4-1中发射探头发射的超声波信号到达车辆后发生反射，被图4-2中的接收探头接收。其 处理单元通过计算图3-1与图3-2所示收发过程的时间差，即可以确定探头组和所探测车 辆之间的距离。 图5-1至图5-3显示的是根据本发明的优选实施例的超声探测器获取车辆参数 (包括但不限于车速和车流量)的方式，超声波探测器6的两个探头都负责发射和接收超声 波信号，其具体方式为 首先，如图5-1所示，超声波探测器6处于等待车辆状态，车辆尚未进入测量范围， 垂直向下发射的超声波信号无车辆的返回信号；
其次，如图5-2所示，车辆进入检测区，首先经过第一检测点，只有第一探头接收 到车辆的返回信号，开始计时并等待车辆经过第二检测点； 然后，如图5-3所示，车辆到达第二检测点时，第二探头开始接收到车辆的返回信 号，并开始进行流量累加，等待车辆完全离开检测区。 超声波探测器6的处理单元根据两个探头接收到返回信号的时间差可精确计算 出车辆速度。待到车辆完全通过两个探头时，也可得到车型的波形图。在一段时间内累加 的流量值可以用来表征该车道在该时间段内的流量。构建超声波探测器网络来综合监控多 个车道，可以得到整条道路的车辆速度与流量等信息。 图6-1和图6-2显示的是根据本发明的优选实施例的超声波探测器区分车辆和 行人的原理，其主要原理是除利用车辆与人体的反射信号强度不同外，还利用把检测区设 定为合适的长度，使得存在来自车辆的返回信号能够同时到达两个探头，而来自行人的返 回信号无法同时到达两个探头的情况，从而区分车辆和行人。本实施例设定检测区长度为 0. 5m，由图6-1可以看出，由于车辆长度长于检测区长度，因而一定会出现两个探头同时接 收到返回信号的情况；如图6-2所示，行人不可能让两个探头有同时接收到返回信号的情 况，再结合反射信号强度进行分析，就可以排除行人因素的干扰。 图1中所示的超声波探测器6使用一对超声波探头探测一个车道的车流量。根据
图3所示的安装方式，超声波探头安装在车道的正上方。由图5-1至图5-3所示的超声探
测器6获取车辆参数方式可以得到一个红绿灯周期内的车流量。超声波探测器6接收到的
数据，要输入到模糊控制器7，通过运用模糊算法来对输入的数据进行计算，得出下一时刻
的绿灯持续时间Tg,w，然后再把持续时间Tg,i+1传输到红绿灯终端，绿灯显示时间长度为持
续时间Tg,i+1，图7显示的是根据本发明的优选实施例的模糊控制器结构图。 如图7所示，该模糊控制器7的结构包括数据库1、规则库2、模糊化接口 3、推理机
4和解模糊接口 5，具体解释如下 1)模糊化接口 3(Fuzzy Interface,简称FI) 模糊控制器7的输入必须通过模糊化后才能用于模糊控制输出的求解，因此模糊 化接口 3实际上是模糊控制器7的输入接口，其主要作用是将真实的确定量输入值转换成 一个模糊矢量。 模糊化处理就是把输入变量映射到一个合适的响应论域的量程，这样，精确的 输入数据就变换成适当的语言值或模糊集合的标识符。 一般的模糊控制器采用误差及 其变化作为输入语言变量。设误差为[e， -e]， e为表征误差大小的精确量。误差论域 [-n， -n+l， . . . ，0， 1， . . . ， n-l， n] ， n是将"0-e"范围内连续变化的误差离散化后分成的档 数。然后通过量化因子进行论域变换，量化因子k定义为k = n/e。 同样可以对误差变化率进行模糊化。由于量化因子的有限选择，难以保证被控过 程的全过程都处于最佳控制状态，往往会降低模糊控制系统的鲁棒性。因此对于单纯滞后 系统，可采用由数组量化因子实现的变量化因子，或采用在不同状态下对量化因子进行自 调整等方法。 2)数据库1 (Database,简称DB) 数据库1中存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值(即经 过论域等级的离散化以后对应值的集合)，若论域为连续域，则为隶属度函数。
3)规则库2 (Rule Base,简称RB) 模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，是输入 的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如if-then， else, end, or等。关系词必须经过"翻译"，才能将模糊规则数值化。 规则库2就是用来存放全部模糊控制规则的，在推理时为推理机4提供控制规则。 由上述可知，规则条数和语言变量的模糊子集划分有关。这种划分越细，规则条数越多，但 这并不意味着规则库2的准确程度越高，规则库2的"准确性"还与专家的知识准确度有关。
由规则库2和数据库1这两部分组成整个模糊控制器7的知识库(Knowledge Base，简称KB)。 4)推理机4 (Inference)与解模糊接口 5 (Defuzzy-Interface) 模糊推理是模糊逻辑理论中最基本的问题。目前模糊推理的方法很多，但是在模
糊控制中考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。最基本的有Zadeh近似推理，
它包含有正向推理和逆向推理两类。工程学中推理大多数是多级推理，而模糊控制中推理
也可以采用多级推理。 解模糊化是模糊系统的重要环节，它是将模糊推理中产生的模糊量转化为精确 量。常见的方法有最大隶属度法、重心法、左取大和右取大法和加权平均法等，其中重心法 是指取模糊集隶属函数曲线同基础变量轴所围面积的重心对应的基础变量值作为清晰值 的方法，也是最常用的一种清晰化方法。 另外，图1所示的交通灯信号控制系统中主控制器8用来实现对交通灯的实时控 制。比如，当道路东西方向的红灯开始亮时，东西方向前一个周期的车流量检测完毕，进而 可以把得到的车流量数据输入到模糊控制器7，开始计算东西方向的当前周期的绿灯持续 时间Tg,i ;等到东西方向的当前周期绿灯持续时间Tg,i计算得出后，再输入到主控制器8 ;主 控制器8把对应的持续时间Tga传输到对应的东西方向的红绿灯显示牌9上。在绿灯向红 灯转换的过程中，还设有2s黄灯警告时间Ty，示意车辆慢行。同时，当得知东西方向当前周 期的绿灯持续时间Tga后，可以计算出南北方向当前周期红灯持续时间tr,i，计算公式为
tr, i = Tg, 「Ty 式中，为南北方向当前周期红灯持续时间，Tg,i为东西方向当前周期绿灯持续 时间，Ty为黄灯警告时间。 主控制器8把得到的南北方向当前周期红灯持续时间tr,i传输到对应的南北方向 的红绿灯显示牌9上。在南北方向的红灯显示期间，南北方向的超声波探测器6又把得到 的前一个周期车流量传输到模糊控制器7里计算当前周期的绿灯持续时间tg, i，该过程反 复循环，从而实现对交通灯的控制。 图8示出了根据本发明的优选实施例的主控制器的电路图，该主控制器8是由一 个单片机Ul和与之连接的晶振电路和复位电路组成，单片机Ul采用AT89C52型，AT89C52 型单片机U1左上角的引脚REDNS1、GREENNS2、YELL0WNS3分别连接南北方向的红灯、绿灯和 黄灯显示输入端，引脚REDEW4、 GREENEW5、 YELL0WEW6分别连接东西方向的红灯、绿灯和黄 灯显示输入端，晶振电路由与单片机Ul连接的电容Cl、 C2及晶振J组成，复位电路由与单 片机Ul连接的电阻Rl和极性电容组成。 图8所示的主控制器8有中断的功能，所述中断功能包括双向红灯停止中断和双
8向黄灯警告中断。 具体而言，双向红灯停止中断功能为当有紧急通行情况时，比如有110车、120车 或119车等执行紧急公务的车需要经过该道路交叉口时，所有方向均亮红灯禁行12s，然后 返回以前的工作状态继续工作。 双向黄灯警告中断功能为比如在夜间车辆较少时，所有方向亮黄灯警告车辆慢 行，主控制器8设有重启键连接复位电路，可以控制系统重新返回以前的工作状态继续工 作。 此外，图1所示的智能交通灯信号控制系统中，计算机控制中心10与主控制器8 利用串口进行通信，可以实现远程控制。 本发明的优选实施例应用超声波探测器6对车辆进行探测，可以提取一个红绿灯 周期内的各个车道的车流量，排除行人的干扰，用采集到的车流量数据进行模糊计算和配 时，得到的时间数据最终通过主控制器8作用在红绿灯显示牌9上。 本发明的优选实施例提供的智能交通灯控制系统设计简单，采用超声波方式进行 车辆的检测，成本比传统的视频检测、微波探测等都低。主控制器8采用单片机系统，因此 在造价上远远低于现有产品。该系统能够根据车辆流量实时改变红绿灯的周期以及各自持 续时间，提高了交通控制的实时性与适应性。该系统中的模糊控制器7和主控制器8模块 都是单片机系统，可以方便进行调试和升级。此外，该系统还能够减少行人的干扰，提高了 交通流量探测的准确度。 尽管已经参照这里所披露的系统和方法对本发明进行了说明，但是本发明并不限 于所给出的细节，本申请旨在覆盖可落入改进目的或以下权利要求的范围内的这些改动或 变化。
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权利要求
一种智能交通灯信号控制系统，其特征在于，该系统包括用于利用超声波对车流量进行探测的超声波探测器(6)；用于根据车流量计算绿灯持续时间的模糊控制器(7)，所述模糊控制器(7)的输入端与所述超声波探测器(6)的输出端连接；用于控制交通灯显示状态的主控制器(8)，所述主控制器(8)的输入端与所述模糊控制器(7)的输出端连接；用于显示不同状态的红绿灯显示牌(9)，所述红绿灯显示牌(9)的输入端与所述主控制器(8)的输出端连接；以及用于进行远程控制的计算机控制中心(10)，其中，所述主控制器(8)通过串口与所述计算机控制中心(10)连接。
2. 根据权利要求1所述的交通灯信号控制系统，其特征在于，所述模糊控制器(7)包括由用于存储数据的数据库(1)和用于存储模糊规则的规则库(2)组成的知识库；用于将真实的确定量输入值转换成模糊矢量的模糊化接口 (3);用于进行模糊推理的推理机(4)，所述推理机(4)的输入端与所述模糊化接口 (3)和所 述知识库的输出端连接；以及用于将模糊推理中产生的模糊量转化为精确量的解模糊接口 (5)，所述解模糊接口 (5)的输入端与所述推理机(4)的输出端连接。
3. 根据权利要求l所述的交通灯信号控制系统，其特征在于，所述主控制器(8)采 用AT89C52型单片机(Ul)，所述AT89C52型单片机(Ul)左上角有三个引脚(REDNS1、 GREENNS2、 YELL0WNS3)分别连接南北方向的红灯、绿灯和黄灯显示输入端，另有三个引脚 (REDEW4、 GREENEW5、 YELL0WEW6)分别连接东西方向的红灯、绿灯和黄灯显示输入端。
4. 根据权利要求3所述的交通灯信号控制系统，其特征在于，所述主控制器(8)进一步 包括由与所述AT89C52型单片机(Ul)连接的电容(C1、C2)和晶振(J)组成的晶振电路。
5. 根据权利要求3所述的交通灯信号控制系统，其特征在于，所述主控制器(8)进一步 包括由与所述AT89C52型单片机(Ul)连接的电阻(Rl)和极性电容组成的复位电路。
6. 根据权利要求l所述的交通灯信号控制系统，其特征在于，所述超声波探测器(6)包 括两个分别都具有发射和接收功能的超声波探头。
7. —种用于根据权利要求1所述的智能交通灯信号控制系统的控制方法，包括以下步骤使所述超声波探测器(6)向车道检测区发射超声波并根据返回信号检测车流量； 使所述模糊控制器(7)根据车流量计算下一周期绿灯持续时间；以及 使所述主控制器(8)生成控制信号，以控制所述红绿灯指示牌(9)根据车流量情况实 时改变显示状态。
8. 根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤通过把检测区的长度设定为只有来自车辆的超声波返回信号能够同时到达两个探头、而来自行人的超声 波返回信号无法同时到达两个探头，从而来区分车辆和行人。
9. 根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，进一步包括双向红灯停止中断和双 向黄灯警告中断的步骤。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤使所述计算机控制中心(10)通过串口对所述主控制器(8)进行远程控制。
全文摘要
本发明公开了一种基于超声波的智能交通灯信号控制系统及其控制方法。该系统包括超声波探测器(6)、模糊控制器(7)、主控制器(8)、红绿灯显示牌(9)和计算机控制中心(10)。该控制方法应用超声波对车流量进行探测，根据流量大小自动实现交通灯的配时，以实现交通灯智能控制的目的。该智能交通灯信号控制系统具有成本低、适应性好、控制方便准确、抗干扰性好等优点。
文档编号G05B13/02GK101770694SQ200810191729
公开日2010年7月7日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者伍晓琼, 刘盈, 张扬, 罗仁泽, 高迪, 黄家盛 申请人:罗仁泽;黄家盛;张扬