基于LED路灯的交通流信号感知

发布时间：2020-05-25 07:59

【摘要】：随着智慧城市这一概念的提出,城市的现代化建设速度越来越快。如今,交通拥堵问题已经成为制约城市发展的重要问题,为了解决这一问题,我们迫切需要一种低成本的交通流感知方式。可见光感知作为近几年来热门的新兴感知技术,具有保密性好、成本低、响应速度快等优势,在交通流的检测方面有着广阔的应用前景。本课题主要进行了光伏模式下发光二极管(Lighting-emitting Diode,LED)性能及其等效电路模型的研究,在此基础上进行了基于全被动式可见光感知的交通流检测系统的设计。该方案使用不可调制的太阳光作为光源,使用LED作为光探测器,利用LED路灯的光电效应实现对交通流环境信号的感知。由于车辆外表面对太阳光的反射作用,LED路灯下方区域的车辆会改变光线传输方式和传输路径,使得LED产生不同强度的响应信号。进一步的,通过采集并检测响应信号特征来检测交通流流量。为了优化LED路灯的感知性能,我们首先借鉴了光电二极管的物理机理,分析并推导了接收信号为低频信号时LED的内阻值,提出了LED在光伏模式下的等效电路模型,并通过实验对提出的等效电路模型进行了验证。基于该等效电路模型提出了光伏模式下的LED阵列结构优化方案。为了得到路面上车辆位置与LED感知信号的响应关系,我们基于Zemax搭建了室外交通流环境中考虑汽车、光源、道路等物体影响下的信道仿真平台,并利用非序列光学追迹得到了车辆信息与感知信号之间的响应关系,验证了基于全被动式可见光感知的交通流检测系统的可行性。道路交通是一个背景环境时变的场景,为了在该场景下从LED感知信号中提取交通流信息,我们提出了基于支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的交通流检测算法。该算法实现了在不同背景光强度下,从感知信号中识别出车辆从LED路灯正下方经过时感知信号的特征波形,并以此为基础来计算交通流流量。为了使得LED有更高的响应度,我们设计了LED路灯的阵列结构及光学天线。为了实现交通流流量的长时间监控,我们设计了系统的驱动电路使其能够通过无线传输终端将感知信号上传到云服务器。最终搭建了一个较为完整的交通流感知实验平台,通过在道路上长时间的信号监控测试了系统的稳定性并验证了算法的准确性。
【图文】：

电子空穴,半导体,负电,正电

为了实现ＬＥＤ路灯对交通流信号的感知，主要使用发光二极管（Ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ逡逑Ｄｉｏｄｅ，邋ＬＥＤ）作为信号探测器。ＬＥＤ是一种光伏型光电探测器，其核心结构是逡逑Ｐ－Ｎ结，如图１．２所示，带额外电子的半导体叫做Ｎ型半导体，由于它带有额外逡逑负电粒子，所以在Ｎ型半导体材料中，自由电子是从负电区域向正电区域流动。逡逑带额外电子空穴的半导体叫做Ｐ型半导体，由于带有正电粒子，电子可以从一个逡逑电子空穴跳向另一个电子空穴，，从负电区域向正电区域流动。二极管是由Ｎ型逡逑半导体物质与Ｐ型半导体物质结合，这样排列使电流只能向一个方向流动。当没逡逑有电压加在二极管两端时，电子就沿着过渡层之间的汇合处从Ｎ型半导体流向逡逑Ｐ型半导体，从而形成一个损耗区。在损耗区中，半导体物质会恢复到它原来的逡逑绝缘状态，这些电子空穴都会被填满，此时没有自由电子，不产生电流。而当光逡逑照射到Ｐ－Ｎ结时

过程图,光电效应,过程,物体

逦（ｂ）被动光源式逦（ｃ）被动物体式逦（⑴全被动式逡逑图１．１邋ＶＬＳ系统的分类逡逑被调制，感知端接收到的光仍然包含了环境的信息。主动物体的限制体现在：并逡逑不是所有的物体都包含光接收器，比如本文所需要感知的汽车一般都不带有光逡逑电探测器。即使给汽车安装了光电探测器，由于全主动式ＶＬＳ系统依赖于光源逡逑和物体之间的视距链路（Ｌｉｎｅ邋ｏｆ邋Ｓｉｇｈｔ，邋ＬＯＳ），因此会使得ＶＬＳ系统的应用受逡逑到限制。本课题所实现的系统属于全被动式ＶＬＳ系统，相比于全主动式ＶＬＳ系逡逑统，该系统的研宄目标并不是直接感知物体的信息，而是通过感知环境变化的信逡逑息，进一步地推导物体的相关信息。由于光源无法被调制，目标物体也不携带光逡逑探测器
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U495;TN312.8

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