contagem de eixos de veículos com sensores indutivos

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS CURITIBA
GERÊNCIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
ELÉTRICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL - CPGEI
LEONARDO SIMONI
CONTAGEM DE EIXOS DE VEÍCULOS COM
SENSORES INDUTIVOS
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
CURITIBA
AGOSTO – 2008
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
DISSERTAÇÃO
apresentada à UTFPR
para obtenção do grau de
MESTRE EM CIÊNCIAS
por
LEONARDO SIMONI
CONTAGEM DE EIXOS DE VEÍCULOS COM SENSORES
INDUTIVOS
Banca Examinadora:
Presidente e Orientador:
PROF. DR. FLÁVIO NEVES JUNIOR
UTFPR
Examinadores:
PROFA. DRA. SILVIA GALVÃO DE SOUZA CERVANTES
UEL
PROFA. DRA. LÚCIA VALÉRIA RAMOS DE ARRUDA
UTFPR
Curitiba, 18 de Agosto de 2008.
ii
LEONARDO SIMONI
CONTAGEM DE EIXOS DE VEÍCULOS COM SENSORES INDUTIVOS
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica e Informática
Industrial da Universidade Tecnológica Federal do
Paraná, como requisito parcial para a obtenção do
grau
de
“Mestre
em
Ciências”
Concentração: Informática Industrial.
Orientador: Prof. Dr. Flávio Neves Jr.
Curitiba
2008
–
Área
de
Ficha catalográfica elaborada pela biblioteca da UTFPR – Campus Curitiba
S599c Simoni, Leonardo
Contagem de eixos de veículos com sensores indutivos / Leonardo Simoni.
Curitiba. UTFPR, 2008
XVI, 72 p. : il. ; 30 cm
Orientador: Prof. Dr. Flávio Neves Junior
Dissertação (Mestrado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. Curitiba, 2008
Bibliografia: p. 69 – 72
1. Engenharia de transportes. 2. Sensores automotivos. 3. Sensores indutivos.
I. Neves Junior, Flávio, orient. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial . III. Título.
CDD: 629.04
ii
AGRADECIMENTOS
À Perkons S.A. pelo incentivo que dá a todos os seus colaboradores que desejam
participar de projetos de pesquisa. À UTFPR pela oportunidade de desenvolver este trabalho e
por fomentar o desenvolvimento científico e tecnológico do Brasil. Ao professor Flávio
Neves Jr. pelo apoio, conselhos e principalmente pela paciência. A todos os amigos que
contribuíram para o desenvolvimento deste projeto.
iii
iv
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................... VII
LISTA DE TABELAS............................................................................................................XI
RESUMO .............................................................................................................................XIII
ABSTRACT ........................................................................................................................... XV
CAPÍTULO 1............................................................................................................................ 1
1.1 MOTIVAÇÕES ................................................................................................................ 1
1.2 OBJETIVOS ..................................................................................................................... 1
1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO................................................................................ 2
CAPÍTULO 2............................................................................................................................ 3
2.1 SISTEMAS DE CONTAGEM DE EIXOS DE VEÍCULOS ........................................... 3
2.1.1 Sistemas de contagem de eixos por esforço mecânico ............................................... 4
2.1.1.1 Tubo pneumático .................................................................................................. 4
2.1.1.2 Sistema acústico.................................................................................................... 5
2.1.1.3 Sensores de fibra ótica .......................................................................................... 6
2.1.1.4 Sensores piezoelétricos ......................................................................................... 8
2.1.1.5 Perfil de borracha condutiva ............................................................................... 10
2.1.2 Sistemas de contagem de eixos sem esforço mecânico............................................ 11
2.1.2.1 Barreiras laser ..................................................................................................... 11
2.1.2.2 Polígono scanner laser........................................................................................ 12
2.1.2.3 Deteção de eixos por vídeo ................................................................................. 14
2.2 SENSORIAMENTO INDUTIVO DE VEÍCULOS ....................................................... 16
2.2.1 Princípio de funcionamento...................................................................................... 16
2.2.1.1 Campo magnético ............................................................................................... 16
2.2.1.2 Fluxo magnético ................................................................................................. 18
2.2.1.3 Corrente induzida pela variação do fluxo magnético ......................................... 19
2.2.2 Aplicações veiculares dos sensores indutivos .......................................................... 20
2.3 PERFIL MAGNÉTICO .................................................................................................. 21
2.3.1 Influência da geometria do sensor no perfil magnético............................................ 24
2.3.2 Classificação de veículos pelo perfil magnético....................................................... 27
2.4 GEOMETRIAS DE LAÇOS INDUTIVOS PARA CONTAGEM DE EIXOS ............. 27
2.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS.......................................................................................... 31
v
CAPÍTULO 3.......................................................................................................................... 33
3.1 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS ..................................................................... 33
3.2 GEOMETRIAS DE LAÇO INDUTIVO ESTUDADAS ............................................... 34
3.3 COLETA DE DADOS EM CAMPO ............................................................................. 35
3.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS.......................................................................................... 46
CAPÍTULO 4.......................................................................................................................... 49
4.1 SISTEMA COMPUTACIONAL BASEADO EM MÁQUINA DE ESTADOS ........... 50
4.1.1 Parâmetros analisados no perfil magnético .............................................................. 51
4.1.1.1 Derivada.............................................................................................................. 51
4.1.1.2 Diferença de amplitude em relação ao sinal do laço sem veículo ...................... 51
4.1.2 Método de avaliação dos parâmetros do perfil magnético ....................................... 53
4.2 CONSIDERAÇÕES FINAIS.......................................................................................... 60
CAPÍTULO 5.......................................................................................................................... 61
5.1 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS ..................................................................... 61
5.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS ................................................................................... 63
5.3 CONCLUSÕES .............................................................................................................. 66
5.4 TRABALHOS FUTUROS ............................................................................................. 67
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 69
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Tubo pneumático conectado à unidade de controle. ................................................. 5
Figura 2: Esquema da instalação na pista do sistema acústico de detecção de eixos. .............. 6
Figura 3: Esquema dos pratos deformadores. ........................................................................... 7
Figura 4: Esquema do interferômetro de Mach-Zehnder.......................................................... 8
Figura 5: Seção transversal do cabo piezoelétrico. ................................................................... 9
Figura 6: Polarização do cabo piezoelétrico. ............................................................................ 9
Figura 7: Seção transversal do perfil de borracha condutiva com centro oco. ....................... 11
Figura 8: Barreira ótica vertical instalada em um posto de pedágio....................................... 11
Figura 9: Sensores laser para detecção de eixos em 4 faixas de trânsito................................ 12
Figura 10: Sistema de detecção de eixos laser instalado lateralmente à pista. ....................... 13
Figura 11: Perfil bidimensional de um veículo....................................................................... 14
Figura 12: Vista em planta do posicionamento da câmera. .................................................... 14
Figura 13: Imagem de um caminhão com as janelas de detecção. ......................................... 15
Figura 14: Detalhe de um sensor indutivo. ............................................................................. 16
Figura 15: Linhas de campo magnético ao redor de um condutor com corrente entrando na
página. ...................................................................................................................................... 18
Figura 16: Linhas de campo magnético em um laço retangular. ............................................ 18
Figura 17: Perfis magnéticos de uma carreta e de um carro de passeio. ................................ 22
Figura 18: Perfis magnéticos de duplos sensores. .................................................................. 23
Figura 19: Sobreposição dos perfis magnéticos para cálculo de velocidade. ......................... 23
Figura 20: Configuração ideal do campo magnético para detecção de motocicletas e
bicicletas................................................................................................................................... 24
Figura 21: Visualização das linhas de campo em dipolo e quadrupolo magnético. ............... 25
Figura 22: Geometrias de laço indutivo avaliadas por Nishimoto (2006). ............................. 26
Figura 23: Disposição do laço indutivo na faixa de rolamento. ............................................. 28
Figura 24: Laço em forma de 8 apresentado por Lees (2002). ............................................... 29
Figura 25: Instalação da lâmina sensora na pista.................................................................... 30
Figura 26: Perfil magnético gerado por um carro de passeio na lâmina sensora.................... 30
Figura 27: Vista em planta da instalação da lâmina. .............................................................. 30
Figura 28: Diagrama em blocos da placa detectora. ............................................................... 33
Figura 29: Posição do laço Tipo 1 na faixa de rolamento....................................................... 34
vii
Figura 30: Posição do laço Tipo 2 na faixa de rolamento....................................................... 35
Figura 31: Posição do laço Tipo 3 na faixa de rolamento....................................................... 35
Figura 32: Desenho dos cortes executados no pavimento para instalação de sensores. ......... 36
Figura 33: Fotografia dos cortes executados no pavimento para instalação de sensores. ...... 36
Figura 34: Foto e perfil magnético de um passeio pequeno - Laço Tipo 1. ........................... 36
Figura 35: Foto e perfil magnético de um passeio pequeno - Laço Tipo 2. ........................... 37
Figura 36: Foto e perfil magnético de um passeio pequeno - Laço Tipo 3. ........................... 37
Figura 37: Perfil magnético de uma camionete - Laço Tipo 1. .............................................. 38
Figura 38: Perfil magnético de uma camionete - Laço Tipo 2. .............................................. 38
Figura 39: Perfil magnético de uma camionete - Laço Tipo 3. .............................................. 39
Figura 40: Campo magnético intenso atinge assoalho dos veículos de passeio devido à menor
altura do solo, diferentemente das camionetes......................................................................... 39
Figura 41: Perfil magnético de um caminhão de dois eixos - Laço Tipo 1. ........................... 40
Figura 42: Perfil magnético de um caminhão de dois eixos - Laço Tipo 2. ........................... 40
Figura 43: Perfil magnético de um caminhão de dois eixos - Laço Tipo 3. ........................... 40
Figura 44: Perfil magnético de um caminhão de 3 eixos - Laço Tipo 1. ................................ 42
Figura 45: Perfil magnético de um caminhão de 3 eixos - Laço Tipo 2. ................................ 42
Figura 46: Perfil magnético de um caminhão de 3 eixos - Laço Tipo 3. ................................ 42
Figura 47: Perfil magnético de um ônibus de 3 eixos – Laço Tipo 1. .................................... 43
Figura 48: Perfil magnético de um ônibus de 3 eixos – Laço Tipo 2. .................................... 43
Figura 49: Perfil magnético de um ônibus de 3 eixos – Laço Tipo 3. .................................... 44
Figura 50: Perfil magnético de uma carreta de 5 eixos – Laço Tipo 1. .................................. 45
Figura 51: Perfil magnético de uma carreta de 5 eixos – Laço Tipo 2. .................................. 45
Figura 52: Perfil magnético de uma carreta de 5 eixos – Laço Tipo 3. .................................. 45
Figura 53: Caminhão de três eixos com eixo suspenso – Laço Tipo 3................................... 46
Figura 54: Carreta de cinco eixos com eixo suspenso – Laço Tipo 3..................................... 46
Figura 55: Disposição dos laços indutivos na pista. ............................................................... 49
Figura 56: Nível de referência, capturado momentos antes da entrada do veículo sobre o
sensor........................................................................................................................................ 52
Figura 57: Regiões do perfil magnético onde o valor do sinal é considerado zero, positivo e
negativo. ................................................................................................................................... 52
Figura 58: Seqüência temporal de eventos em um perfil magnético. ..................................... 53
Figura 59: Variação negativa causada por um único eixo. ..................................................... 54
Figura 60: Exemplo de conjunto de eixos posicionados muito próximos. ............................. 55
viii
Figura 61: Perfil magnético onde dois eixos adjacentes produzem variações invertidas. ...... 55
Figura 62: Perfil magnético onde dois eixos adjacentes produzem variações no mesmo
sentido. ..................................................................................................................................... 56
Figura 63: Marcações de início e fim de pico no perfil magnético. ....................................... 58
Figura 64: Perfil magnético com destaque para o pico provocado pela cabine do veículo. ... 58
Figura 65: Diagrama da máquina de estados baseada em eventos. ........................................ 59
Figura 66: Histograma de velocidades de caminhões, carretas e ônibus. ............................... 61
Figura 67: Diferença de amplitude do perfil magnético em veículos de características
semelhantes. ............................................................................................................................. 64
Figura 68: Diferença de amplitude do perfil magnético entre o primeiro e o segundo laço... 65
Figura 69: Pequenos picos produzidos pelo assoalho de um ônibus que geram falsas
detecções de eixos. ................................................................................................................... 65
ix
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Resultados do sistema de detecção de eixos por vídeo. .......................................... 16
Tabela 2: Índice de visualização dos eixos no perfil magnético – Caminhões de 2 eixos...... 41
Tabela 3: Eventos equivalentes nas variações positivas e negativas. ..................................... 54
Tabela 4: Tabela de transição de estados para variações negativas. ....................................... 59
Tabela 5: Tabela de transição de estados para variações positivas. ........................................ 60
Tabela 6: Quantidade de veículos por número de eixos. ........................................................ 62
Tabela 7: Proporção de veículos por número de eixos. .......................................................... 62
Tabela 8: Índice de acerto por categoria e total. ..................................................................... 62
Tabela 9: Índice de acerto por categoria e por número de eixos............................................. 63
Tabela 10: Detalhamento do número de eixos detectado pelo sistema por categoria de
veículo. ..................................................................................................................................... 63
xi
xii
RESUMO
Esta dissertação propõe um sistema de contagem de eixos de veículos utilizando
sensoriamento indutivo. O sistema é composto de um conjunto de laços indutivos com
geometrias apropriadas para a aplicação, e de um sistema computacional de contagem de
eixos através do perfil magnético dos veículos.
Durante o desenvolvimento do trabalho, foram experimentadas em campo três
geometrias de sensores indutivos para detecção de eixos, de modo que a geometria que
apresentou melhores perspectivas foi escolhida para compor o sistema. Foi utilizado também
um par de laços retangulares convencionais para realizar a detecção dos veículos e o cálculo
da velocidade, visto que o sensor específico para contagem de eixos não possui sensibilidade
para detectar a presença de veículos altos, exceto na região das rodas.
O perfil magnético capturado do sensor indutivo de contagem de eixos é analisado por
um software, que verifica o comportamento de dois parâmetros do sinal: a derivada e a
diferença do nível do sinal em relação ao sinal do sensor quando sem veículo. Mudanças
nestes dois parâmetros geram eventos, que são modelados através de uma máquina de estados.
De um conjunto de 344 perfis magnéticos analisados, foi obtido um índice de acerto
total de cerca de 95%. Desta maneira, foi atingido o objetivo do trabalho, que é o de
confirmar a viabilidade de se contar eixos de veículos utilizando sensores indutivos.
xiii
xiv
ABSTRACT
This dissertation proposes an axle counting system using inductive sensors. The
system is formed by a set of inductive loops and by software that performs analysis of vehicle
magnetic profiles.
Three inductive loop geometries for axle counting were tested, and the one which
provided the best results was chosen to make the experiments. Along with that sensor, a
conventional rectangular inductive loop pair was also used to detect vehicles and calculate
their speed, since the loop used to count axles does not have enough sensitivity to detect high
vehicles, except in their wheels.
The magnetic profile obtained from the axle counting sensor is analyzed by software,
which verifies two signal parameters: its derivative and its level. Changes in the parameters
produce events that are treated in a finite state machine.
A success rate of 95% was achieved among 344 inductive loop signatures. Thus, this
work demonstrates that is feasible and accurate to count axles using inductive loops.
xv
xvi
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÕES
Os sistemas eletrônicos de fiscalização e coleta de dados de trânsito vêm se difundindo
muito rapidamente no mundo, e especialmente no Brasil. Também conhecidos como ITS
(Intelligent Transportation Systems), estes sistemas são implantados com o intuito de
direcionar os investimentos em infra-estrutura, auxiliar o planejamento de expansão das vias,
garantir a fluidez do trânsito, automatizar os sistemas de controle, além de educar e punir os
motoristas infratores (MIMBELA et al, 2000; NISHIMOTO, 2006; CALIXTO, 2006).
No Brasil, são muito populares os equipamentos de controle de velocidade de
veículos. No início de sua implantação, em meados da década de 90, estes equipamentos
trabalhavam como meros registradores de infrações. Com o avanço da tecnologia, outras
funcionalidades foram solicitadas pelos clientes, e incorporadas a estes sistemas. Podem-se
citar como algumas destas funcionalidades a determinação da taxa de ocupação da via,
contagem e classificação dos veículos, determinação do tempo médio de trajeto, restrição de
tráfego de alguns tipos de veículos, entre outras.
Com o objetivo de atendimento a demanda por dados estatísticos e por sistemas
automatizados, foi concebido nesta dissertação um sistema de contagem de eixos de veículos
através de laços indutivos. Esta tecnologia de sensoriamento foi escolhida por ser a mais
utilizada no Brasil em equipamentos fixos de medição de velocidade, possibilitando a
utilização da infra-estrutura já implantada para geração de informação e validação do sistema.
1.2 OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é propor um sistema para contagem de eixos de veículos
utilizando sensores indutivos. O trabalho desenvolvido contempla uma geometria de sensor
específica para a aplicação, um hardware de processamento digital dos sinais provenientes dos
laços indutivos e um sistema computacional baseado em eventos discretos (máquina de
estados).
2
O sistema proposto neste trabalho pode ser incorporado a equipamentos de
fiscalização eletrônica de trânsito, popularmente conhecidos como lombadas eletrônicas ou
radares. Atualmente nos equipamentos em operação no Brasil, é possível realizar a
classificação dos veículos através do perfil magnético captado dos laços indutivos, inclusive
com a diferenciação entre caminhões e ônibus. Porém, o número de eixos dos veículos que
trafegam pelas vias monitoradas, informação importante para o poder público e para
concessionárias de rodovias, ainda não é obtido com esta tecnologia. Esta informação é
utilizada para dimensionamento de pavimentos, estudo da vida útil de pavimentos de acordo
com as cargas aplicadas, estudo de viabilidade econômica de concessões de rodovias,
programação de manutenções no pavimento, auditoria e tarifação em praças de pedágio, entre
outras aplicações.
1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Esta dissertação está organizada em cinco capítulos. No Capítulo 2 é apresentada uma
visão geral dos ITS (Intelligent Transportation Systems), das tecnologias de contagem de
eixos de veículos, e do sensoriamento indutivo de veículos. No Capítulo 3 é feito um estudo
da influência da geometria do sensor indutivo, com vistas à construção do sistema. O Capítulo
4 descreve o sistema proposto, detalhando o esquema de sensoriamento e a solução
computacional adotada. O quinto e último capítulo apresenta e discute os resultados obtidos.
No último capítulo também são apresentadas as conclusões do trabalho e as propostas de
trabalhos futuros.
3
CAPÍTULO 2
ESTADO DA ARTE
Neste capítulo são apresentadas as principais técnicas de detecção de eixos de
veículos, e o Estado da Arte do sensoriamento indutivo de veículos. Estes temas são os
principais focos de estudo desta dissertação. Dentre os sistemas de contagem de eixos, é feita
uma subdivisão entre as técnicas que detectam eixos pela pressão exercida pelas rodas dos
veículos, e as técnicas que não necessitam de contato mecânico.
Sobre sensoriamento indutivo de veículos, é feita uma introdução a respeito do
princípio de funcionamento destes sensores e das aplicações veiculares desta tecnologia.
Também são apresentadas geometrias específicas para detecção de eixos de veículos, e
estudos relativos à influência da geometria do sensor no campo magnético gerado.
2.1 SISTEMAS DE CONTAGEM DE EIXOS DE VEÍCULOS
O contínuo aumento da frota e do tráfego de veículos, tanto nas cidades como nas
rodovias, têm levado à intensificação dos estudos relativos a sistemas de controle e
monitoramento dos transportes. Os órgãos competentes necessitam de dados para planejar e
de sistemas para gerenciar o transporte. Estas duas demandas são supridas pelos ITS –
Intelligent Transportation Systems, no qual os sistemas de contagem de eixos de veículos se
encaixam (MIMBELA et al, 2000).
A contagem de eixos de veículos está intimamente ligada à pesagem de veículos em
movimento (weigh-in-motion - WIM). Os conceitos destes sistemas vêm sendo estudados
desde a década de 50, com um aprofundamento a partir da década de 70 (LEE e FERGUSON,
1983). A pesagem em movimento é utilizada para medir os carregamentos dinâmicos
exercidos por veículos em estruturas de pontes e pavimentos de estradas (MIMBELA et al,
2003). A configuração típica destes equipamentos é constituída de transdutores de força, que
captam o esforço exercido pelas rodas, e de um sistema de processamento de sinais. O
princípio da pesagem em movimento pode ser adaptado para os sistemas de contagem de
eixos quando não é necessária a obtenção da magnitude do esforço mecânico, mas apenas da
4
detecção desta força submetida. Dentre os sistemas e equipamentos de detecção de eixos por
esforço mecânico, pode-se enumerar:
•
Tubo pneumático;
•
Sistema acústico;
•
Sensores de fibra ótica;
•
Sensores piezoelétricos;
•
Perfil de borracha condutiva;
Outras formas de detecção de eixos que não se baseiam na pressão exercida pelas
rodas dos veículos vêm sendo estudadas (FRENZE, 2002; LIEPMANN, 1998; UEDA et al,
1997; RITCHIE et al, 2005), dentre as quais cita-se:
•
Barreiras laser;
•
Polígono scanner laser;
•
Sistemas de processamento de imagens;
•
Sensores indutivos.
O modelo proposto neste trabalho encaixa-se neste último nicho de pesquisa. A seguir,
são apresentados métodos e sensores que utilizam ambos os princípios.
2.1.1 Sistemas de contagem de eixos por esforço mecânico
2.1.1.1 Tubo pneumático
O tubo pneumático foi a primeira tecnologia de detecção de veículos, introduzida na
década de 20. Devido ao baixo custo e facilidade de instalação, é utilizado ainda hoje. Seu
princípio funcionamento consiste na detecção da pressão exercida pela passagem das rodas do
veículo sobre um tubo de borracha. Esta pressão produz um pulso de ar que fecha uma
válvula. A válvula, por sua vez, envia um sinal elétrico indicando a presença do eixo
(MARTIN, FENG e WANG, 2003).
5
O tubo pneumático é disposto perpendicularmente à direção do tráfego, e conectado a
uma unidade eletromecânica de controle (Figura 1). Esta tecnologia é utilizada para geração
de estatísticas durante curtos períodos. Com este equipamento obtêm-se informações do fluxo
de veículos, contagem e espaçamento de eixos (MIMBELA et al, 2000).
Quando instalado em vias com alto fluxo de caminhões e ônibus, a trepidação causada
por estes veículos comumente causa erros na detecção de eixos. Outras desvantagens deste
método incluem a sensibilidade da válvula de ar a variações de temperatura, a rápida
degradação do tubo e a suscetibilidade ao vandalismo. O fato do tubo de borracha ficar
estendido sobre o pavimento durante a operação, o torna suscetível a danos e deslocamentos
(MIMBELA et al, 2000).
Figura 1: Tubo pneumático conectado à unidade de controle.
2.1.1.2 Sistema acústico
O princípio do método acústico de detecção de eixos consiste na captação de ondas
sonoras causadas pela passagem das rodas do veículo sobre um dispositivo sensor instalado
sob o asfalto. Quando submetido à pressão das rodas, o sensor sofre uma vibração que produz
ondas mecânicas. Um microfone instalado dentro do sensor capta estas ondas, que
posteriormente são processadas por uma unidade de controle.
Um exemplo de sistema acústico de detecção de eixos, proposto por Cohen e Kafri
(2000), é composto de um prato de metal de 5 cm de largura instalado em um sulco
transversal à pista. Um tubo de aço é disposto sobre este prato, sendo soldado a ele em alguns
pontos, e deixado livre para vibrar em outros. Este arranjo compõe o sensor, que é instalado
de forma que abranja toda a largura da faixa de rolamento. O sensor deve ser instalado um
pouco acima do nível da pista para efetivar o choque mecânico das rodas do veículo. Um
6
microfone é instalado em qualquer posição dentro do tubo para detecção das ondas sonoras
geradas pelo tráfego (Figura 2).
Figura 2: Esquema da instalação na pista do sistema acústico de detecção de eixos.
Os sistemas acústicos de detecção de eixos não são muito difundidos. Os danos
causados ao pavimento, a dificuldade de instalação e a suscetibilidade a vibrações causadas
por veículos pesados trafegando em faixas adjacentes, inibem sua popularização.
2.1.1.3 Sensores de fibra ótica
Fibra ótica é um filamento de vidro ou plástico, capaz de guiar a luz ao longo de seu
comprimento. Além de ser utilizada em várias aplicações, como a transmissão de dados,
também é aplicada na forma de sensores. Os sensores de fibra ótica para detecção de eixos de
veículos são instalados em sulcos no pavimento. Quando pressionada pelas rodas do veículo,
a fibra ótica sofre deformações que alteram as propriedades da luz que por ela trafega, como:
curvaturas, micro-curvaturas, alterações no índice de refração e alterações da geometria. Um
feixe de luz possui várias propriedades físicas como amplitude (intensidade), fase,
comprimento de onda (cor), polarização e modo de propagação. Na ausência de distúrbios
externos, estas propriedades não se modificam. Se distúrbios externos como pressão,
variações de temperatura, presença de campos elétricos, etc., perturbam o meio de
transmissão de alguma maneira, as propriedades físicas da luz se modificarão (SAFAAI-JAZI,
ARDEKANI e MEHDIKHANI, 1990).
Basicamente são utilizadas duas técnicas de sensibilização de fibras óticas para
contagem de eixos de veículos. A primeira delas é a sensibilização por amplitude. Dois pratos
ondulados, conhecidos como deformadores, pressionam a fibra formando um sanduíche
7
(Figura 3). A deformação causada criará novos modos de propagação (caminhos possíveis de
propagação) por onde a luz será redistribuída. Ao mesmo tempo, parte da potência luminosa
será transferida dos modos guiados (modos que trafegam pelo núcleo da fibra) para modos
não-confinados (modos que trafegam pelo revestimento da fibra e se dissipam). A luz que
escapa da fibra pelos modos não-confinados causa uma perda de intensidade, que indica a
pressão das rodas do veículo sobre o sensor (SAFAAI-JAZI, ARDEKANI e MEHDIKHANI,
1990).
Figura 3: Esquema dos pratos deformadores.
A outra forma de sensibilização de fibras óticas é conhecida como interferométrica.
Esta técnica utiliza a modulação de fase para medir os distúrbios externos, e pode ser
implementada de várias maneiras. Um esquema comumente utilizado é o interferômetro de
Mach-Zehnder (Figura 4), que consiste essencialmente em dois braços de fibras óticas, um
atuando como braço sensor e outro como braço de referência (SAFAAI-JAZI, ARDEKANI e
MEHDIKHANI, 1990). Ambos os braços são instalados em paralelo e transversalmente à
direção de tráfego da pista, sendo a fibra de referência mecanicamente isolada dos distúrbios
externos por um tubo protetor (DONLAGIC e HANC, 2003). Após o sinal de luz ser dividido
entre os dois braços através de um acoplador, a pressão exercida pelas rodas do veículo
deforma a geometria do braço sensor, defasando o sinal em relação à referência. Os sinais dos
dois braços são então combinados utilizando outro acoplador, e a interferência causada pelas
diferenças de fase se converte em diminuição de amplitude (SAFAAI-JAZI, ARDEKANI e
MEHDIKHANI, 1990). Esta diminuição de amplitude é detectada como a passagem do eixo
do veículo sobre o sensor.
8
Figura 4: Esquema do interferômetro de Mach-Zehnder.
Dentre os pontos negativos dos sensores de fibra ótica podem ser citados os danos
causados ao pavimento para sua instalação e substituição e a limitada vida útil, devido aos
constantes choques mecânicos a que são submetidos.
2.1.1.4 Sensores piezoelétricos
A piezoeletricidade é uma propriedade de alguns materiais que geram energia elétrica
quando sujeitos a pressão (efeito piezoelétrico direto), e que produzem trabalho mecânico
quando excitados eletricamente (efeito piezoelétrico inverso). Entre os principais materiais
utilizados para fabricação de sensores piezoelétricos estão as cerâmicas de titanato zirconato
de chumbo (PZT) e titanato de chumbo modificado com cálcio; os polímeros ferroelétricos
(fluoreto de polivinilideno – PVDF), e os compósitos de polímero/cerâmica (PTCa)
(MARAT-MENDES, 2000).
Particularmente nas cerâmicas tipo PZT, os pequenos cristais possuem uma estrutura
que abaixo de uma determinada temperatura crítica, conhecida como temperatura de Curie,
apresentam simetria tetragonal em que o centro de simetria das cargas elétricas positivas não
coincide com o centro de simetria das cargas negativas, dando origem a um dipolo elétrico. A
existência deste dipolo faz com que a estrutura cristalina se deforme na presença de um
campo elétrico, e gere um deslocamento elétrico quando submetida a uma deformação
mecânica. Estes fenômenos caracterizam os efeitos piezoelétricos inverso e direto
respectivamente. Os dipolos elétricos se arranjam em domínios que se distribuem
aleatoriamente no material. Para que ocorra a interação piezoelétrica, é necessária uma
orientação preferencial destes domínios, através de um processo chamado de polarização. A
polarização do material é obtida através da aplicação de um campo elétrico durante um
9
intervalo de tempo suficientemente longo e a uma temperatura conveniente (MARATMENDES, 2000).
A configuração básica dos sensores piezoelétricos utilizados para contagem de eixos
de veículos consiste em um cabo coaxial instalado transversalmente à pista. A região do cabo
coaxial compreendida entre os condutores interno (fio de cobre) e externo (malha de cobre) é
preenchida com um material piezoelétrico, agindo como o dielétrico do cabo coaxial. A
tensão de saída de um cabo piezoelétrico é proporcional à variação da pressão aplicada sobre
o cabo ao longo do tempo, e não à pressão aplicada propriamente dita (SAFAAI-JAZI,
ARDEKANI e MEHDIKHANI, 1990).
Os cabos piezoelétricos possuem algumas peculiaridades construtivas que prejudicam
sua eficiência. O processo de fabricação necessita de algumas etapas que dificultam o controle
da espessura do cabo e da centralização do fio de cobre na seção transversal (Figura 5).
Devido a estas variações, o processo de polarização se torna irregular (Figura 6), causando
uma não-uniformidade da sensibilidade do cabo ao longo de seu comprimento (OPITZ e
CALL, 1996).
Figura 5: Seção transversal do cabo piezoelétrico.
a) Antes da polarização
b) Polarização ideal
c) Polarização real
Figura 6: Polarização do cabo piezoelétrico.
Outro problema prático comum a estes sensores é a dificuldade de se instalar um cabo
longo e rígido no mesmo nível da superfície da pista. O pavimento normalmente possui
ondulações, e um trecho do cabo pode estar nivelado com a pista enquanto outro trecho está
10
abaixo da superfície, causando diferenças de sensibilidade. Ondas de choque horizontais,
inerentes a todas as estradas, também causam acionamentos indevidos. Um veículo pesado
trafegando em uma faixa adjacente onde há um sensor instalado pode causar uma tensão
elétrica no cabo maior que a causada por um veículo de passeio (OPITZ e CALL, 1996).
2.1.1.5 Perfil de borracha condutiva
O princípio do perfil de borracha condutiva para detecção de eixos é o mesmo dos
outros sensores por esforço mecânico. Instalado como uma linha transversal à pista, é
pressionado pelas rodas dos veículos que passam sobre o sensor.
Alves (2002) apresentou um sensor para contagem de eixos de veículos que emprega
borracha condutiva. Este material é justamente o grande diferencial tecnológico deste sistema.
Alguns métodos foram desenvolvidos para obtenção de materiais poliméricos condutores, e
consistem basicamente no emprego de aditivos com condutividade específica, como metais na
forma de pó finamente dividido (prata, cobre, zinco, níquel, entre outros), fibras metálicas,
negro de fumo e fibras de carbono. A preparação destes materiais pode ser feita aplicando-se
uma camada de material condutor à superfície de uma peça moldada, ou misturando-se estes
aditivos condutores no polímero durante o processamento.
Também podem ser obtidos polímeros intrinsecamente condutores, que não
necessitam de aditivos ou recobrimento, que é o caso do material utilizado neste sensor
(ALVES, 2002). Da borracha condutiva é feito um perfil com centro oco (Figura 7), onde é
inserida uma lâmina de aço inoxidável isolada do perfil através de uma fita de material
polimérico, ficando apenas uma estreita faixa de contato na parte superior da lâmina. Quando
o veículo passa sobre o sensor, o perfil tem a sua borda superior pressionada e entra em
contato com a lâmina metálica, conduzindo corrente elétrica e identificando a passagem da
roda do veículo.
11
Figura 7: Seção transversal do perfil de borracha condutiva com centro oco.
2.1.2 Sistemas de contagem de eixos sem esforço mecânico
2.1.2.1 Barreiras laser
Uma das técnicas para contagem de eixos de veículos através de feixes laser, utiliza
barreiras óticas verticais. Estes equipamentos geralmente são empregados em praças de
pedágio para tarifação automática dos veículos, e monitoram apenas uma faixa de trânsito. O
princípio de funcionamento consiste em uma linha de emissores de luz posicionados
verticalmente de um lado da faixa, e de detectores do outro lado (Figura 8). Quando ocorre a
passagem de um veículo, há uma interrupção nos feixes. Uma unidade de controle avalia
quais feixes foram interrompidos durante a passagem do veículo, e faz a contagem dos eixos.
Figura 8: Barreira ótica vertical instalada em um posto de pedágio.
Liepmann (1998) apresentou outra técnica para realizar a detecção de veículos e
contagem de eixos através de barreiras óticas para até 4 faixas. São instalados seis conjuntos
12
de emissores de um lado da pista e seis conjuntos de detectores do outro lado (Figura 9). De
acordo com a seqüência de interrupção dos feixes é possível detectar em que faixa o veículo
trafega. Um veículo trafegando pela Faixa 4 (Figura 9), por exemplo, interromperá
respectivamente os feixes das barreiras f, c, b, e, d, a. Já um veículo a trafegar pela Faixa 1,
interromperá respectivamente os feixes f, e, d, c, b, a.
Figura 9: Sensores laser para detecção de eixos em 4 faixas de trânsito.
Este tipo de sensor é aplicável para ambientes indoor, como praças de pedágio ou
postos de pesagem. Como qualquer objeto posicionado em frente às barreiras bloqueia os
feixes laser, o sistema pode ser facilmente vandalizado. A passagem de transeuntes, o
crescimento da vegetação, entre outros fatores, também prejudica o funcionamento deste
sistema em ambientes outdoor.
2.1.2.2 Polígono scanner laser
Outra metodologia existente para contagem de eixos sem esforço mecânico utiliza um
laser scanning range finder. Este dispositivo calcula distâncias de objetos que refletem os
feixes laser emitidos. Quando um veículo adentra a seção da pista monitorada pelo
13
equipamento, o feixe nele refletido percorre uma distância menor em relação à distância
percorrida pelo feixe refletido no asfalto.
Ueda et al (1997) apresentaram um sistema de contagem de eixos que utiliza um laser
scanning range finder instalado lateralmente à pista (Figura 10). Um feixe pulsado, emitido
por um diodo laser infravermelho (830 nm), faz a varredura em uma linha transversal à faixa
de trânsito através de um espelho rotativo conhecido como polígono scanner. Uma lente
receptora foca a luz refletida no objeto (que pode ser a superfície do asfalto, a roda ou o corpo
do veículo) em um detector de posição. O sinal de saída do detector de posição indica a
direção e a distância do ponto de luz no objeto. Os dados deste sinal de saída são calculados
através de uma triangulação com base na direção da luz emitida pelo scanner, na direção da
luz refletida, e na linha entre o ponto de entrada da luz na lente receptora e o polígono
scanner. Este sistema permite a detecção de três estados: sem veículo, presença do corpo do
veículo e presença do eixo do veículo.
Figura 10: Sistema de detecção de eixos laser instalado lateralmente à pista.
Um método semelhante ao descrito acima foi apresentado por Wangler et al (2001). O
equipamento também é instalado lateralmente à pista, a uma altura entre 2,0m e 3,4m. Este
sistema calcula a velocidade, o comprimento dos veículos, detecta eixos (inclusive suspensos)
e determina a distância entre os eixos. Uma imagem lateral do veículo (Figura 11) também é
gerada, e auxilia o equipamento para obtenção de uma maior precisão na contagem dos eixos.
O veículo é classificado entre as categorias pré-definidas pelo órgão norte-americano Federal
Highway Administration (FHWA, 2001). O índice de acerto obtido para detecção de eixos
com este equipamento foi de 95,2%.
14
Figura 11: Perfil bidimensional de um veículo.
Este tipo de equipamento, além de monitorar somente uma faixa de rolamento, é
aplicável somente em ambientes controlados, como praças de pedágio, devido à limitação da
velocidade máxima dos veículos em 60 km/h para a plena operação.
2.1.2.3 Deteção de eixos por vídeo
O aumento da capacidade de processamento de hardwares embarcados está
viabilizando sistemas de processamento de imagens em tempo real. Métodos alternativos de
detecção de eixos por vídeo têm a vantagem de serem não intrusivos e possuir baixo custo em
relação aos sistemas piezoelétricos e de fibra ótica (FRENZE, 2002).
Frenze (2002) realizou experimentos para contagem de eixos de caminhões através de
uma câmera NTSC posicionada lateralmente à pista (Figura 12). O campo de visão da câmera
foi ajustado de modo que um caminhão longo necessita de vários quadros para sua
visualização completa.
Figura 12: Vista em planta do posicionamento da câmera.
No primeiro estágio do processamento, são capturados os quadros do vídeo que
contém caminhões. Isto é feito através de duas pequenas janelas, que funcionam como
15
gatilhos. Uma das janelas é posicionada à direita da imagem, e a outra no canto superior
esquerdo (Figura 13). Estas janelas têm seus pixels continuamente processados para detecção
de alterações. O quadro atual da imagem é subtraído de um padrão de fundo, sendo somadas
as diferenças nos valores dos pixels. Quando esta soma atinge um determinado limiar, é
detectada alteração na imagem, indicando a presença do veículo.
Figura 13: Imagem de um caminhão com as janelas de detecção.
O segundo estágio do algoritmo é a estimativa de velocidade. Este cálculo é necessário
para determinação do espaçamento entre eixos. Uma janela posicionada para capturar a roda e
uma parte da carroceria do caminhão, é utilizada para determinar o deslocamento do objeto
entre quadros subseqüentes do vídeo. O mapeamento da distância percorrida na imagem para
distância percorrida na pista é feito pela calibração da câmera e por marcações na pista. A
velocidade estimada é obtida pela relação entre o deslocamento entre quadros e a taxa de
quadros por segundo.
As imagens em tons de cinza são convertidas em binárias através de um processo de
limiarização. Um algoritmo é aplicado na imagem para detecção das bordas dos pneus.
Devido à câmera ser instalada com um certo ângulo em relação ao eixo longitudinal da pista,
a borda detectada tem um formato elíptico. Porém, como são utilizados apenas os campos
ímpares da imagem, a figura se torna mais circular. Características circulares das rodas dos
veículos são detectadas utilizando a transformada de Hough (FRENZE, 2002).
O desempenho do sistema foi testado em três diferentes condições de iluminação, e o
resultado integralizado é apresentado na Tabela 1. Pode-se observar o alto índice de falsos
positivos (o sistema detectou eixos que na verdade eram outros objetos), que ocorrem devido
a grades e outros detalhes da carroceria dos caminhões que produzem bordas adicionais e
confundem o algoritmo da transformada de Hough.
16
Tabela 1: Resultados do sistema de detecção de eixos por vídeo.
Número de eixos
300
Eixos detectados
238
Eixos perdidos
62
Falsos positivos
451
2.2 SENSORIAMENTO INDUTIVO DE VEÍCULOS
Os sensores indutivos foram introduzidos nos anos 60, e desde então se tornaram a
forma mais popular de detecção de veículos (FULLERTON, KELL e MILLS, 1990; KI e
BAIK, 2006). Também conhecido como laço indutivo, este sensor é composto de uma ou
mais voltas de um cabo isolado, enrolado em sulcos no pavimento, formando uma bobina
(Figura 14). Esta bobina é o elemento indutivo de um circuito eletrônico que detecta a
passagem dos veículos. Esta detecção é realizada através de alterações na indutância do
sensor, provocadas pela passagem dos veículos.
Figura 14: Detalhe de um sensor indutivo.
2.2.1 Princípio de funcionamento
2.2.1.1 Campo magnético
O campo magnético é uma propriedade intrínseca de algumas partículas elementares,
como os elétrons. Em alguns materiais os campos dos elétrons se somam, dando origem a um
campo magnético resultante. Em outros materiais esses campos se cancelam e a resultante é
nula. Os efeitos do campo magnético são forças que atuam sobre partículas carregadas.
17
Uma partícula carregada de carga q que atravessa um determinado ponto de um campo
magnético está sujeita a uma força FB, cuja intensidade é dada por (HALLIDAY, RESNICK,
e WALKER, 2003):
FB = q v X B
(1)
onde:
•
FB = vetor intensidade da força magnética
•
q = carga elétrica da partícula
•
v = vetor velocidade da partícula
•
B = vetor intensidade do campo magnético
A força magnética será sempre perpendicular ao plano que contém os vetores B e v, e
seu módulo é dado por (HALLIDAY, RESNICK, e WALKER, 2003):
FB = |q| v B sen θ
(2)
onde:
•
FB = módulo da força magnética
•
q = carga elétrica da partícula
•
v = módulo da velocidade da partícula
•
B = módulo da intensidade do campo magnético
•
θ = ângulo entre as direções positivas do vetor velocidade v e do vetor campo
magnético B.
O campo magnético é comumente representado por linhas de campo, onde a direção
tangente a uma linha de campo em um ponto fornece a direção de B.
Campos magnéticos também são produzidos pela circulação de corrente elétrica. Em
um condutor transportando uma corrente elétrica, as linhas de campo formam círculos
concêntricos em um plano perpendicular ao fio (Figura 15).
Em um laço indutivo retangular, as linhas de campo têm a configuração ilustrada na
Figura 16 (FULLERTON, KELL e MILLS, 1990).
18
Figura 15: Linhas de campo magnético ao redor de um condutor com corrente entrando na
página.
Figura 16: Linhas de campo magnético em um laço retangular.
2.2.1.2 Fluxo magnético
Fluxo magnético é a quantificação do campo magnético que atravessa uma
determinada área. Seu valor pode ser obtido por:
ΦB =
∫
B · dA
(3)
Se o campo magnético B for uniforme e perpendicular à área A, o fluxo magnético
pode ser escrito como:
ΦB = BA
onde:
•
ΦB = intensidade do fluxo magnético
•
B = intensidade do campo magnético
(4)
19
•
A = área onde se deseja obter o fluxo magnético
2.2.1.3 Corrente induzida pela variação do fluxo magnético
Segundo a Lei de Faraday da indução magnética (HALLIDAY, RESNICK, e
WALKER, 2003), um condutor sujeito a um fluxo magnético variável tem uma corrente
elétrica induzida. Isto se deve à ação da força magnética sobre os elétrons livres do condutor,
fazendo com que este se polarize e tenha uma força eletromotriz induzida. A intensidade desta
força eletromotriz é dada por:
fem = −
dφ B
dt
(5)
onde:
•
fem = força eletromotriz
•
dΦB = variação do fluxo magnético
•
dt = variação do tempo
No sensoriamento indutivo de veículos, a fonte de fluxo magnético, ou indutor, é o
sensor indutivo. O indutor possui uma propriedade, chamada de indutância, que é uma medida
do fluxo magnético por unidade de corrente elétrica produzido pelo indutor. A indutância é
dada por:
L=
Nφ B
i
(6)
onde:
•
L = indutância
•
N = número de espiras
•
ΦB = fluxo magnético
•
i = corrente elétrica
Como citado anteriormente, a variação do fluxo magnético induz uma corrente elétrica
em um condutor. Uma das maneiras de obtenção de fluxo variável é pela aproximação ou
afastamento relativo do indutor e do condutor, como no experimento de Faraday
20
(HALLIDAY, RESNICK, e WALKER, 2003), ou pela alimentação do indutor por uma
corrente alternada. Esta última é a técnica utilizada no sensoriamento indutivo. A freqüência
da corrente alternada que alimenta os laços indutivos normalmente varia entre 10 e 200 kHz
(KI e BAIK, 2006).
A indutância do sensor devido ao seu próprio fluxo magnético é chamada de autoindutância (FULLERTON, KELL e MILLS, 1990). Quando um veículo entra na região de
influência do campo magnético produzido pelo laço, correntes elétricas de baixa intensidade,
chamadas de correntes de Eddy (CALVERT, 2004), são induzidas em suas partes condutivas.
Estas correntes induzidas geram outro fluxo magnético que se acopla ao fluxo inicialmente
estabelecido. Isto faz com que o sensor indutivo e o veículo tenham entre si uma indutância
mútua. De acordo com a Lei de Lenz, um fluxo magnético devido a uma corrente induzida
tem sentido oposto ao fluxo que induziu a corrente (HALLIDAY, RESNICK, e WALKER,
2003). Logo, esta interação sensor/veículo resulta em um decréscimo da indutância do laço,
pois o campo magnético induzido no veículo tende a se opor ao campo magnético do laço
indutivo (NISHIMOTO, 2006).
O efeito ferromagnético tende a aumentar a indutância do sensor. Por terem o
coeficiente de permeabilidade magnética maior que o coeficiente do ar, os materiais
ferromagnéticos produzem um aumento de indutância. Todavia, geralmente o efeito do campo
magnético induzido no veículo sobrepõe o efeito ferromagnético, e o sensor sofre um
decréscimo de indutância (FULLERTON, KELL e MILLS, 1990).
2.2.2 Aplicações veiculares dos sensores indutivos
Pode-se utilizar o sensor indutivo solitariamente (single loop detectors) ou em pares
(double loop detectors). Os sensores utilizados em pares, também conhecidos como speed
traps, permitem o cálculo da velocidade dos veículos com boa precisão. Equipamentos de
monitoramento de velocidade, como as lombadas eletrônicas, usam esta técnica. A velocidade
do veículo é calculada a partir da obtenção do tempo decorrido entre os acionamentos do
primeiro e do segundo sensor. Como a distância entre os dois sensores é conhecida, a
velocidade pode ser obtida através da equação básica da cinemática (Equação 7).
V =
d
t
(7)
21
onde:
•
d = distância entre os laços;
•
t = tempo decorrido entre os acionamentos do primeiro e segundo laço;
Algumas técnicas de cálculo de velocidade utilizam o tempo entre os desacionamentos
para melhorar a confiabilidade da medição. Desta maneira, são realizadas duas medições: uma
utilizando o tempo entre os acionamentos e outra utilizando o tempo entre os
desacionamentos (NISHIMOTO, 2006). Outros equipamentos utilizam três laços indutivos
para minimizar os erros, realizando três medições. A velocidade é calculada entre o primeiro e
o segundo sensor, entre o primeiro e o terceiro e entre o segundo e o terceiro. Caso a diferença
entre as três velocidades calculadas seja superior a um limiar pré-determinado, a medição é
descartada.
Outra informação obtida com duplos sensores é o comprimento magnético do veículo.
O comprimento é dito magnético pois com sensores indutivos é possível contabilizar apenas o
comprimento das partes magnéticas do veículo, ou seja, das partes metálicas. Extensões de
carrocerias de madeira após o término do chassi, por exemplo, não são detectadas. Com o
conhecimento da velocidade e do tempo que o sensor permaneceu acionado, calcula-se o
comprimento magnético do veículo utilizando a mesma equação do cálculo da velocidade
(Equação 7). O comprimento obtido deve ser subtraído da dimensão do laço na direção
longitudinal da pista, pois durante o tempo de acionamento do sensor o veículo percorre uma
distância equivalente à soma do seu comprimento e da dimensão do laço na direção
longitudinal da pista (ANDREOTTI, 2001).
Os sistemas de apenas um sensor são utilizados em semáforos acionados sob demanda,
controle de abertura de cancelas em estacionamentos, para realizar a contagem do fluxo,
determinar a taxa de ocupação e a velocidade média na via. A velocidade média pode ser
estimada com apenas um laço caso se saiba o comprimento médio dos veículos que trafegam
por um determinado local (NISHIMOTO, 2006).
2.3 PERFIL MAGNÉTICO
Unidades convencionais de controle de sensores indutivos enviam apenas um sinal
binário que indica a presença ou a ausência de veículo sobre o sensor. Este sinal é enviado
quando as alterações na indutância do sensor atingem um determinado limiar. Sistemas mais
22
avançados têm a capacidade de analisar o perfil magnético dos veículos. Perfil magnético é
variação ao longo do tempo do sinal de saída da unidade de controle, proporcional à variação
da indutância (Figura 17). A variação de indutância não é medida diretamente, porém se
reflete na alteração de freqüência ou de amplitude no circuito de detecção (KI e BAIK, 2006;
LEES, 2002).
a) Carreta
b) Carro de passeio
Figura 17: Perfis magnéticos de uma carreta e de um carro de passeio.
Na Figura 17, o eixo das abscissas representa o tempo e o eixo das ordenadas o sinal
associado à variação da indutância do sensor. Quando não há presença de veículo sobre o
sensor, o sinal do perfil magnético é constante ao longo do tempo, como pode ser verificado
no início e no fim do gráfico da Figura 17b. Quando o veículo está sobre o sensor, há
variações na indutância e consequentemente no sinal do perfil magnético. Vários fatores
influenciam a amplitude de variação deste sinal, entre eles (GOODRIDGE, 2003):
•
O tamanho, geometria e condutividade do objeto que está sobre o sensor;
•
A orientação 3D do objeto com relação ao cabo do sensor;
•
A posição 3D do objeto sobre o sensor;
•
O tamanho e a geometria do sensor;
•
A freqüência nominal de operação do circuito de detecção.
A variação da indutância é diretamente proporcional à área metálica sobre o sensor, e
inversamente proporcional à distância desta área em relação ao sensor (GOODRIDGE, 2003).
Os componentes metálicos do veículo que ficam mais próximos do sensor são a roda e a
malha de aço contida nos pneus.
Para as geometrias mais comuns de laços indutivos, como as retangulares, o campo
magnético alcança uma altura acima do pavimento que atinge áreas metálicas maiores, as
quais sobrepõem o efeito da maior distância em relação ao sensor e causam uma amplitude de
23
variação do perfil magnético maior que as rodas e os pneus. O assoalho dos veículos de
passeio tem uma grande influência na variação de indutância do sensor, e como sua área de
abrangência se estende por praticamente todo o veículo, o perfil magnético resultante é
praticamente simétrico (Figura 17b). Já nos veículos que não possuem assoalho metálico em
sua parte inferior, como os caminhões e as carretas, os componentes metálicos distribuídos ao
longo de seus comprimentos produzem variações pontuais, que podem ser observadas na
forma de picos no perfil magnético (Figura 17a).
O perfil magnético também é uma ferramenta para cálculo de velocidade com duplos
sensores. Os erros na medição se reduzem a um terço do erro padrão na convencional
detecção por limiar (PURSULA e KOSONEN, 1989). Coletando-se simultaneamente o perfil
magnético de dois laços separados de uma distância conhecida, são obtidas duas formas de
onda semelhantes defasadas no tempo (Figura 18).
Figura 18: Perfis magnéticos de duplos sensores.
A defasagem entre as duas formas de onda é o tempo decorrido durante o trajeto do
veículo entre os dois sensores. Se as curvas forem deslocadas de forma que fiquem
sobrepostas, o deslocamento total para que ocorra esta sobreposição será equivalente ao
tempo de trajeto do veículo (Figura 19). Um algoritmo de correlação pode ser utilizado para
encontrar o ponto de melhor sobreposição das curvas (SMITH, 1999).
Figura 19: Sobreposição dos perfis magnéticos para cálculo de velocidade.
24
2.3.1 Influência da geometria do sensor no perfil magnético
Como mencionado anteriormente, a distribuição dos componentes metálicos do
veículo determina seu perfil magnético. Da mesma maneira, as propriedades do campo
magnético gerado pelo sensor indutivo têm grande influência no perfil magnético. De acordo
com a geometria com que a bobina é formada, o campo magnético terá uma configuração
espacial singular, e será mais sensível a determinados objetos do veículo.
A densidade de fluxo magnético que atravessa perpendicularmente uma área de
material condutivo é diretamente proporcional à corrente induzida e ao campo magnético
opositor gerado (GOODRIDGE, 2003). Logo, o campo magnético do sensor deve ser
direcionado para que intercepte as áreas de interesse a serem detectadas nos veículos.
A escolha da geometria deve ser feita de acordo com a aplicação. Para detecção de
bicicletas e motocicletas – que são estreitas, verticais, e tem menor massa metálica que os
outros veículos – é desejável que a geometria do sensor seja tal que o campo magnético
produzido tenha uma componente horizontal que atravesse o plano da motocicleta, como
ilustrado na Figura 20 (SHANTEAU, 2007).
Figura 20: Configuração ideal do campo magnético para detecção de motocicletas e
bicicletas.
A detecção dos veículos de quatro rodas é mais fácil devido à maior massa metálica.
Todavia, sensores cuja geometria produz campos magnéticos verticais são melhores para
detectar veículos mais altos, como os caminhões e utilitários. Outro fator limitante da escolha
25
de geometrias é a facilidade de implantação em campo, dado que formas curvas são difíceis
de serem cortadas no pavimento.
As geometrias de sensores comumente utilizadas geram dipolos ou quadrupolos
magnéticos (Figura 21). Nos dipolos, as linhas de campo se somam no centro do laço,
formando um magneto permanente orientado verticalmente (WATCHEL, 2000). Já nos
quadrupolos, que geralmente tem formato de 8, em cada metade do laço os cabos são
enrolados em sentidos opostos. Desta forma, a corrente elétrica circula em sentidos opostos
nos segmentos externos (LEES, 2002), gerando dois dipolos de polaridades opostas
posicionados lado a lado. Com isto, as linhas de campo se estendem horizontalmente do pólo
norte de um dipolo para o pólo sul do outro (WATCHEL, 2000). Estas características fazem
dos sensores dipolos mais sensíveis a objetos posicionados a maiores alturas em relação ao
sensor, enquanto os quadrupolos são mais recomendados para detecção somente dos objetos
mais próximos do sensor.
a) Dipolo magnético
b) Quadrupolo magnético
Figura 21: Visualização das linhas de campo em dipolo e quadrupolo magnético.
São encontrados na literatura estudos de geometrias para atender as necessidades
específicas de cada aplicação (SHANTEAU, 2007; NISHIMOTO, 2006; WATCHEL, 2000;
GADJA et al, 2001; GOODRIDGE, 2003).
Nishimoto (2006) avaliou cinco geometrias de acordo com as necessidades de
equipamentos de fiscalização eletrônica de velocidade (lombadas eletrônicas). As geometrias
avaliadas foram: retângulo (Figura 22a), retângulo curto (Figura 22b), forma de Q (Figura
22c), oito deitado (Figura 22d) e paralelogramo (Figura 22e).
26
a)
b)
c)
d)
e)
Figura 22: Geometrias de laço indutivo avaliadas por Nishimoto (2006).
As características de interesse deste estudo foram (NISHIMOTO, 2006):
•
A capacidade de detectar motocicletas: Devido à pequena massa metálica das
motocicletas em relação aos outros tipos de veículos, há dificuldades de detectá-las
com precisão.
•
Obter melhor resolução do perfil magnético: A resolução é considerada neste caso
como a quantidade de detalhes da estrutura do veículo que o perfil magnético
consegue captar.
•
Reduzir o fenômeno de splash-over: Splash-over é a interação entre dois sensores
instalados lado a lado em faixas de trânsito adjacentes. Quando um veículo passa
sobre o sensor de uma das faixas, há uma falsa detecção de veículo na faixa adjacente.
O afastamento do campo magnético das bordas do laço através do ajuste da geometria
diminui este fenômeno.
•
Manter a indutância do sensor entre 80 µH e 120 µH: Devido a uma restrição do
hardware utilizado nos ensaios.
Os ensaios foram realizados em campo e através de simulações que utilizaram o
software FastHenry (FASTHENRY, 2007), onde foi feita uma predição dos resultados da
interação laço/veículo. Foram criados modelos 3D dos veículos (carro de passeio,
motocicleta, ônibus e caminhão) e dos sensores indutivos. Para cada posição relativa do
modelo de veículo sobre o modelo de sensor foi calculada pelo software a impedância
complexa do conjunto. Os testes validaram a ferramenta de predição, revelando resultados
semelhantes entre as simulações e os ensaios em campo (NISHIMOTO, 2006).
27
2.3.2 Classificação de veículos pelo perfil magnético
Como cada tipo de veículo possui diferente altura do solo e diferente distribuição de
suas peças metálicas, os perfis magnéticos também serão diferentes. Todavia, os perfis serão
semelhantes para veículos de uma mesma categoria. Baseados neste princípio são
desenvolvidos os sistemas de classificação de veículos através do perfil magnético, cujos
estudos se iniciaram a partir da década de 1980 (CALIXTO, 2006). Para separação dos perfis
magnéticos de acordo com a categoria do veículo, são utilizadas várias técnicas, como: redes
neurais, sistemas fuzzy, coeficientes estatísticos, mapas auto-organizáveis, além de métodos
híbridos (CALIXTO, 2006).
Calixto (2006) apresentou um sistema que extrai coeficientes do perfil magnético do
veículo, e através de um sistema fuzzy (ZADEH, 1965) classifica os veículos em 6 categorias
pré-definidas (moto, carro, ônibus, caminhão, carreta e utilitário). Foram analisadas
informações de cerca de vinte mil veículos para a escolha de coeficientes que possuíssem
distribuições estatísticas agrupadas para cada categoria. Os coeficientes escolhidos foram:
•
Comprimento do veículo.
•
Amplitude média do perfil magnético.
•
Número de inversões da inclinação do perfil magnético.
•
Amplitude média dos pontos de máximo.
•
Variância do perfil magnético normalizada em amplitude.
2.4 GEOMETRIAS DE LAÇOS INDUTIVOS PARA CONTAGEM DE EIXOS
Na patente norte-americana US 5.614.894, Stanczyk (1997) apresenta várias
configurações de laços indutivos que podem ser utilizadas para contagem de eixos de
veículos. O autor considera as seguintes características para as geometrias:
•
O formato preferencialmente é retangular, com indutância entre 40 e 700 µH. São
enroladas de 1 a 10 espiras e é utilizado cabo isolado com área da seção transversal
entre 0,2 e 3,0 mm2.
28
•
A dimensão do sensor na direção do eixo longitudinal da pista (dimensão C, Figura
23) deve ser menor que o diâmetro da roda dos veículos a serem identificados.
•
A dimensão do sensor na direção transversal ao eixo da pista (dimensão L, Figura 23)
é de 0,5 a 1,2 m.
•
Pode ser utilizado um ou dois sensores, posicionados na região onde passam as rodas
dos veículos, como mostrado na Figura 23.
Figura 23: Disposição do laço indutivo na faixa de rolamento.
Na patente norte-americana US 6.337.640, Lees (2002) apresenta um sensor indutivo
em formato de 8 para contagem de eixos. Nishimoto (2006) também utiliza em seu trabalho
um sensor com este formato. Porém, há uma diferença na disposição dos laços exibidos nestes
dois trabalhos. Lees (2002) posiciona o 8 longitudinalmente à pista, como mostrado na Figura
24. Nishimoto posiciona transversalmente, como mostrado na Figura 22d. Outro detalhe da
geometria de Lees (2002) é que apenas as rodas de um dos lados do veículo passam sobre o
sensor.
29
Figura 24: Laço em forma de 8 apresentado por Lees (2002).
A geometria apresentada por Lees (2002) possui entre 100 e 140 cm na direção
transversal ao eixo da pista, sendo 120 cm a medida mais recomendada, e entre 45 e 60 cm na
direção do eixo da pista. Uma vantagem desta configuração é a pequena altura do campo
magnético sobre a pista. O sensor é excitado para produzir um campo de não mais que 30 cm.
Desta maneira, há pouca sensibilidade aos maiores volumes de metal do veículo, como motor
e chassi. Em contrapartida, os laços respondem especificamente às rodas e ao metal contido
nos pneus.
Uma nova abordagem, denominada lâmina sensora (blade sensor), permitiu
diferenciar as rodas do corpo do veículo no perfil magnético (RITCHIE et al, 2005). São
utilizados dois circuitos RLC casados, cujas bobinas de indução são contidas dentro de uma
única lâmina sensora, que é embutida no pavimento através de um corte de 0,5 cm de largura
(Figura 25). A bobina sensora é orientada para a superfície do pavimento, e a bobina de
referência para a base do corte. Como a bobina sensora fica mais próxima dos veículos que
passam pela via, é mais sensibilizada que a bobina de referência. A coleta de dados é iniciada
pela carga simultânea de ambos circuitos por um limiar de tensão através de uma função
impulso, e então permitindo o decaimento assintótico para um nível de referência. Este sinal
diferencial é amplificado e digitalizado, gerando o perfil magnético do veículo (Figura 26).
Percebe-se entre os pontos 1 e 2 da Figura 26 um pico referente ao eixo dianteiro do veículo, e
entre os pontos 3 e 4 outro pico referente ao eixo traseiro.
Foram utilizadas duas lâminas sensoras espaçadas de 1,8m e inclinadas 20º em relação
ao eixo transversal da pista (Figura 27). Verifica-se nesta abordagem que o sensor se estende
30
por mais de uma faixa de rolamento, inviabilizando a coleta de dados quando veículos
trafegam lado a lado pela via.
Figura 25: Instalação da lâmina sensora na pista.
Figura 26: Perfil magnético gerado por um carro de passeio na lâmina sensora.
Figura 27: Vista em planta da instalação da lâmina.
31
2.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Não existe atualmente um sistema de contagem de eixos de veículos que tenha um
grande diferencial técnico sobre os outros. Os sensores mais utilizados são os piezoelétricos e
de fibra ótica. Porém, como já citado, estes sensores também possuem problemas, como a
vida útil relativamente curta, os danos causados ao pavimento para a instalação e imprecisão
na detecção dos eixos.
Como apresentado neste capítulo, existem na literatura alguns estudos relativos à
detecção de eixos de veículos com sensores indutivos (STANCZYK, 1997; LEES, 2002,
RITCHIE et al, 2005). Todavia, estes trabalhos se limitam a apresentar geometrias de
sensores, sem detalhar o sistema de aquisição de dados, o algoritmo computacional para
contagem de eixos, eventuais ensaios e os índices de aproveitamento. Esta dissertação busca
aprofundar a discussão do tema, demonstrando as possibilidades da tecnologia baseada em
sensores indutivos, detalhando os estudos, o sistema de aquisição de dados, os ensaios e os
resultados.
32
33
CAPÍTULO 3
ESTUDOS DA INFLUÊNCIA DA GEOMETRIA DO SENSOR INDUTIVO PARA
CONTAGEM DE EIXOS
Neste capítulo são apresentados os estudos para seleção da geometria do sensor
indutivo a ser utilizada no sistema de contagem de eixos de veículos. Preliminarmente à
exposição do estudo, é feita uma descrição do hardware utilizado para aquisição do sinal
digital proveniente dos sensores. Posteriormente, são apresentados os testes realizados com
três geometrias pré-selecionadas, e os resultados obtidos. As três geometrias testadas foram
escolhidas a partir de citações na literatura (GADJA et al, 2001; STANCZYK, 1997;
NISHIMOTO, 2006; LEES, 2002), que as indicam como apropriadas para detecção de eixos
de veículos. A partir dos resultados dos ensaios, é definida a escolha de uma das geometrias
para compor o sistema de contagem de eixos a partir do perfil magnético do veículo.
3.1 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
O sistema de leitura dos laços indutivos utilizado neste trabalho, conhecido como
placa detectora de veículos, foi apresentado por Andreotti (2001) e é de propriedade da
empresa Perkons S.A. Este equipamento é capaz de coletar o perfil magnético de até quatro
sensores indutivos a uma taxa de 1000 amostras por segundo, que garantem a riqueza de
detalhes necessária à aplicação. O diagrama em blocos é apresentado na Figura 28.
Figura 28: Diagrama em blocos da placa detectora.
Neste sistema, o sinal do laço indutivo passa por um filtro passa-faixa que elimina
freqüências fora do espectro de interesse. Posteriormente, um transformador isola os sensores
indutivos da eletrônica da placa, elevando o sinal através da relação 16:1 das bobinas. O sinal
34
é então amplificado eletronicamente e digitalizado por um conversor A/D de 10 bits. Após a
digitalização são executados filtros de software, e o resultado ao final deste processo é o perfil
magnético do veículo. O perfil magnético é tratado por rotinas de software, que são
executadas por um processador digital de sinais (Digital Signal Processor – DSP) da família
C5000 da Texas Instruments. Este sistema embarcado se comunica com outros dispositivos
através de uma interface serial.
3.2 GEOMETRIAS DE LAÇO INDUTIVO ESTUDADAS
Foram instaladas em campo três geometrias de laços indutivos para comparação. A
primeira (Tipo 1) é retangular com dimensão 0,25 m x 3,0 m, e suas 5 espiras resultaram em
uma indutância de 98µH. Sua locação na faixa de rolamento é mostrada na Figura 29. Alguns
trabalhos citam que a pequena dimensão na direção longitudinal da pista desta geometria pode
permitir a detecção dos eixos dos veículos (GADJA et al, 2001; STANCZYK, 1997;
NISHIMOTO, 2006).
Figura 29: Posição do laço Tipo 1 na faixa de rolamento.
A segunda geometria estudada possui uma forma mais complexa, chamada de Tipo 2.
Seu formato pode ser descrito como um retângulo maior (0,5 m x 3,0 m) que contém dois
retângulos menores (0,5 m x 0,5 m) em suas extremidades (Figura 30). Formato semelhante
foi apresentado por Stanczyk (1997). Suas 6 espiras resultaram em uma indutância medida de
145µH. O objetivo deste formato foi concentrar a sensibilidade do laço na região por onde
passam as rodas do veículo.
35
Figura 30: Posição do laço Tipo 2 na faixa de rolamento.
A terceira geometria utilizada (Tipo 3) tem formato de 8 disposto longitudinalmente à
pista (Figura 31). Suas dimensões (1,0 m x 0,5 m) foram definidas para que não haja a
cobertura de toda a seção transversal da faixa de rolamento. Desta maneira o campo
magnético ficará confinado apenas à região por onde passam as rodas de um dos lados do
veículo. Formato semelhante foi sugerido por Lees (2002) para aplicações de contagem de
eixos.
Figura 31: Posição do laço Tipo 3 na faixa de rolamento.
3.3 COLETA DE DADOS EM CAMPO
Para os testes em campo com as três geometrias apresentadas, foi utilizado o campo de
provas da empresa Perkons. Este campo de provas situa-se na via marginal da BR-476 sentido
sul, próximo ao cruzamento com a Av. Victor Ferreira do Amaral, em Curitiba-PR.
Para instalação dos laços, foram realizados cortes no pavimento que permitam o
enrolamento de várias geometrias diferentes. Após o enrolamento dos sensores, os cortes não
36
são selados, mas apenas tapados com areia. Desta forma, os laços podem ser retirados, os
cortes limpos, e novos sensores instalados com outros formatos. O desenho dos cortes é
mostrado na Figura 32. Na Figura 33 é mostrada a fotografia dos cortes no pavimento.
Figura 32: Desenho dos cortes executados no pavimento para instalação de sensores.
Figura 33: Fotografia dos cortes executados no pavimento para instalação de sensores.
Foram coletadas imagens e os respectivos perfis magnéticos de veículos nas três
configurações de laços. O objetivo dos ensaios foi verificar em qual dos laços o perfil
magnético dos veículos apresenta maior proeminência dos eixos.
Nas Figuras 34, 35 e 36 são apresentadas respectivamente para os laços Tipo 1, 2 e 3
as fotos e os perfis magnéticos de um carro de passeio pequeno.
Figura 34: Foto e perfil magnético de um passeio pequeno - Laço Tipo 1.
37
Figura 35: Foto e perfil magnético de um passeio pequeno - Laço Tipo 2.
Figura 36: Foto e perfil magnético de um passeio pequeno - Laço Tipo 3.
Nos perfis magnéticos apresentados (Figuras 34, 35 e 36), a curva da esquerda
representa o sinal do primeiro sensor, e curva da direita o segundo sensor. Os dois sensores
são espaçados de 4m. O eixo das abscissas representa o tempo em ms e o eixo das ordenadas
o sinal digital vinculado à variação da indutância. Verifica-se nestes perfis que para os carros
de passeio apresentados, os eixos não são diferenciados das outras partes metálicas do veículo
em nenhum dos sensores. Este comportamento se repetiu para outros modelos de carros de
passeio. Os eixos não são diferenciados pois não notam-se picos nos gráficos devidos aos
metais das rodas e dos pneus.
Nas Figuras 37 (Tipo 1), 38 (Tipo 2) e 39 (Tipo 3) são apresentados perfis magnéticos
de uma camionete. Nota-se que para esta categoria de veículo os sensores Tipo 1 e Tipo 2 não
apresentam detalhes dos eixos. Já para o sensor Tipo 3, é possível distinguir claramente os
dois eixos, destacados na Figura 39 pelos picos circulados. A distinção dos eixos com esta
configuração de sensor não ocorreu nos veículos de passeio devido à menor altura do solo em
relação às camionetes. A disposição horizontal do campo magnético do laço Tipo 3, não
38
alcança com grande intensidade a carroceria das camionetes, ao contrário do que ocorre nos
veículos de passeio. Desta maneira, as rodas e a malha de aço dos pneus são os principais
componentes detectados nas camionetes pelo laço Tipo 3, como ilustrado na Figura 40. O
campo magnético vertical dos laços Tipos 1 e 2 atinge em ambos os veículos áreas metálicas
maiores, sobrepondo a menor distância das rodas em relação aos sensores e mascarando os
detalhes necessários a este estudo.
Figura 37: Perfil magnético de uma camionete - Laço Tipo 1.
Figura 38: Perfil magnético de uma camionete - Laço Tipo 2.
39
Figura 39: Perfil magnético de uma camionete - Laço Tipo 3.
Figura 40: Campo magnético intenso atinge assoalho dos veículos de passeio devido à menor
altura do solo, diferentemente das camionetes.
Nas Figuras 41 (Tipo 1), 42 (Tipo 2) e 43 (Tipo 3) têm-se os perfis magnéticos de um
caminhão de dois eixos. Para este exemplo, os laços Tipos 2 e 3 apresentaram melhores
resultados. Percebe-se que na Figura 42 (Tipo 2), os dois picos têm amplitudes semelhantes.
Da mesma maneira, no sensor Tipo 3 os eixos também podem ser facilmente detectados,
inclusive com menos ruídos no perfil magnético na região entre eixos. Já no laço Tipo 1
(Figura 41), a amplitude do segundo pico (eixo traseiro) é significativamente menor que a do
primeiro, com vários pequenos picos na região entre eixos.
40
Figura 41: Perfil magnético de um caminhão de dois eixos - Laço Tipo 1.
Figura 42: Perfil magnético de um caminhão de dois eixos - Laço Tipo 2.
Figura 43: Perfil magnético de um caminhão de dois eixos - Laço Tipo 3.
Os dados coletados de outros caminhões de dois eixos não seguiram exatamente os
padrões das Figuras 41, 42 e 43. Isto significa que em alguns veículos os picos provocados
pelos dois eixos podem ser visualizados claramente nos perfis magnéticos adquiridos do
41
sensor Tipo 1. Em outros casos, perfis deste tipo de veículo adquiridos dos sensores Tipos 2 e
3 não apresentaram os picos referentes aos eixos. A Tabela 2 resume para os três sensores os
índices de perfis magnéticos de caminhões de dois eixos onde é possível visualizar claramente
os picos provocados pelas rodas.
Tabela 2: Índice de visualização dos eixos no perfil magnético – Caminhões de 2 eixos.
Sensor
No. de imagens analisadas
Perfis magnéticos onde os
Aproveitamento
dois picos referentes aos
eixos são visualizados
Tipo 1
79
42
53,2%
Tipo 2
72
69
95,8%
Tipo 3
127
125
98,4%
As Figuras 44, 45 e 46 ilustram os perfis magnéticos de caminhões de três eixos
respectivamente nos laços Tipos 1, 2 e 3. Nota-se na Figura 44 (Tipo 1) a existência de picos
positivos referentes aos dois eixos traseiros. Picos positivos também ocorreram nos sensores
Tipos 2 e 3. Isto se deve ao efeito ferromagnético das grandes massas metálicas dos veículos,
que possuem menor resistência ao fluxo magnético que o ar, e causam um acréscimo de
indutância. Como mencionado no Capítulo 2, geralmente o efeito das correntes de Eddy
sobrepõe o efeito ferromagnético. Todavia, em alguns casos, peculiaridades estruturais e
geométricas dos veículos fazem com que em algumas de suas seções, o efeito ferromagnético
sobreponha o efeito das correntes de Eddy.
Na Figura 44 (Tipo 1), observa-se que o eixo dianteiro não se distingue dos outros
materiais metálicos da cabine do caminhão, onde se forma um pequeno pico negativo seguido
de uma região plana com amplitude semelhante a do pico. Já na Figura 45 (Tipo 2), não é
possível visualizar uma separação entre os dois eixos traseiros.
Uma característica importante do perfil magnético do caminhão de três eixos no sensor
Tipo 3 (Figura 46), é a grande região sem variações no sinal entre o eixo dianteiro e os eixos
traseiros. Isto confirma a menor altura de sensibilidade deste sensor, onde somente os metais
das rodas e dos pneus produzem alterações na indutância do laço. Todavia, este grande
intervalo de tempo onde o sinal tem derivada nula, indica ao algoritmo de detecção da
unidade de controle que não há nenhum veículo sobre o sensor. Desta maneira, outra
geometria de laço indutivo que tenha uma maior altura de sensibilidade deve ser utilizada em
conjunto com o sensor Tipo 3 para realizar a detecção do veículo.
42
Figura 44: Perfil magnético de um caminhão de 3 eixos - Laço Tipo 1.
Figura 45: Perfil magnético de um caminhão de 3 eixos - Laço Tipo 2.
Figura 46: Perfil magnético de um caminhão de 3 eixos - Laço Tipo 3.
43
Para os ônibus de linha, nos laços Tipos 1 e 2 (Figuras 47 e 48), o efeito da chapa que
compõe o assoalho na parte inferior destes veículos supera a variação da indutância causada
pelos eixos e rodas. Isto ocorre devido à pequena altura do bagageiro destes ônibus em
relação ao solo, e mais uma vez evidencia a grande altura de sensibilidade dos sensores Tipos
1 e 2.
Na Figura 49 (Tipo 3), se observam claramente os picos positivos referentes aos três
eixos do veículo, e a pequena influência do assoalho no perfil magnético, resultando em uma
região plana entre o eixo dianteiro e os dois eixos traseiros.
Fica evidente que para este modelo de veículo a geometria Tipo 3 apresenta uma
eficiência superior às outras geometrias.
Figura 47: Perfil magnético de um ônibus de 3 eixos – Laço Tipo 1.
Figura 48: Perfil magnético de um ônibus de 3 eixos – Laço Tipo 2.
44
Figura 49: Perfil magnético de um ônibus de 3 eixos – Laço Tipo 3.
As Figuras 50 (Tipo 1), 51 (Tipo 2) e 52 (Tipo 3) ilustram os perfis magnéticos de
carretas de 5 eixos. Os melhores resultados para esta categoria de veículos foram obtidos
pelos sensores Tipos 1 e 3.
No sensor Tipo 2 (Figura 51), não é possível visualizar nem os eixos da carreta (os três
eixos traseiros), onde não há grandes áreas de metal excetuando-se as rodas, e nem os eixos
do cavalo mecânico (dois eixos dianteiros).
No sensor Tipo 1 (Figura 50), em algumas seções do cavalo mecânico são produzidos
picos não referentes a eixos, como um pequeno pico positivo situado imediatamente antes do
pico negativo referente ao eixo traseiro do cavalo mecânico. Já os eixos da carreta são
claramente visualizados, inclusive o eixo dianteiro que está suspenso, detectado com uma
amplitude menor.
Mais uma vez o sinal de melhor qualidade foi obtido com o sensor Tipo 3 (Figura 52).
Nota-se que somente as rodas produzem perturbações no sinal. A amplitude do pico referente
ao eixo dianteiro do cavalo mecânico é nitidamente inferior à dos outros picos. Isto se deve ao
fato de os outros eixos possuírem rodado duplo.
45
Figura 50: Perfil magnético de uma carreta de 5 eixos – Laço Tipo 1.
Figura 51: Perfil magnético de uma carreta de 5 eixos – Laço Tipo 2.
Figura 52: Perfil magnético de uma carreta de 5 eixos – Laço Tipo 3.
No sensor Tipo 3, os eixos suspensos de caminhões e carretas ou não são detectados,
ou produzem uma leve perturbação no perfil magnético, dependendo da altura que se
46
encontram do solo. Quando um eixo da carreta é suspenso, a altura em relação ao solo pode
ser ajustada. Quanto maior a altura, menor será a sensibilização.
Na Figura 53, é apresentado o perfil magnético de um caminhão de 3 eixos com um
eixo suspenso, onde o eixo suspenso não produz um pico, apenas uma queda mais suavizada
do sinal (destacada pela região circulada) .
Figura 53: Caminhão de três eixos com eixo suspenso – Laço Tipo 3.
Na Figura 54, é apresentado o perfil magnético de uma carreta de 5 eixos com um eixo
suspenso, que produz um pequeno pico no perfil magnético.
Figura 54: Carreta de cinco eixos com eixo suspenso – Laço Tipo 3.
3.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os estudos e ensaios de campo indicaram que a geometria de sensor indutivo em
formato de 8 (Tipo 3) possui as características mais apropriadas para detecção de eixos de
veículos. Os perfis magnéticos adquiridos com as outras duas geometrias de laços não
47
demonstraram, na maioria dos testes, a capacidade de sensibilizar apenas os componentes dos
veículos de interesse da aplicação. A natureza do campo magnético gerado por estes dois
sensores faz com que sejam atingidos outros componentes metálicos do veículo, resultando
em um perfil magnético onde o metal das rodas causa uma redução de indutância de menor
intensidade em relação às reduções de indutância causadas por peças localizadas a uma maior
altura do solo. Com base nestes dados, foi definida a utilização do sensor Tipo 3 para
composição do sistema proposto.
48
49
CAPÍTULO 4
SISTEMA PROPOSTO
Com base nos dados apresentados no capítulo anterior, o sistema proposto utiliza um
sensor indutivo Tipo 3, trabalhando em conjunto com dois sensores retangulares (Figura 55).
Figura 55: Disposição dos laços indutivos na pista.
Os dois sensores maiores, de formato retangular, realizam as seguintes funções no
sistema:
•
Cálculo da velocidade;
•
Cálculo do comprimento magnético;
•
Detecção de motocicletas;
•
Detecção de veículos trafegando entre pistas;
•
Determinação do início e do fim do perfil magnético no sensor de contagem de eixos.
A maior altura de sensibilidade (detecção de metais a maiores alturas do solo) e a
melhor cobertura da seção transversal da pista, possibilitam que a geometria retangular
obtenha uma maior precisão nas tarefas descritas acima. Os sensores retangulares também são
responsáveis pela determinação do início e do fim do perfil magnético. Nas regiões entre os
eixos de veículos com chassi alto, como as carretas, o laço em formato de 8 não é
50
sensibilizado, ocasionando a falsa impressão de que não há veículo sobre o sensor. Este
sensor em formato de 8 é posicionado entre os dois sensores retangulares, exclusivamente
para a aquisição de perfil magnético para contagem de eixos.
Os perfis magnéticos provenientes dos laços indutivos são processados por um
software embarcado no sistema de aquisição de dados apresentado na seção 3.1. Este sistema
computacional embarcado, descrito a seguir, analisa o perfil magnético adquirido do sensor
em formato de 8 e realiza a contagem dos eixos.
4.1 SISTEMA COMPUTACIONAL BASEADO EM MÁQUINA DE ESTADOS
O sistema computacional para contagem de eixos utiliza como variáveis além do perfil
magnético, a velocidade e o comprimento do veículo. O algoritmo é acionado apenas para
veículos de comprimento igual ou superior a 6m. Veículos com comprimento inferior a 6m
são considerados de dois eixos.
O algoritmo utilizado neste sistema varre o perfil magnético do veículo, realizando
uma análise de basicamente dois parâmetros: o sinal da variação temporal e a diferença de
amplitude do perfil magnético em relação ao perfil do laço sem veículo. Cada alteração nestes
parâmetros é considerada como um evento discreto, que por sua vez é utilizado como entrada
para uma máquina de estados. Na máquina de estados são tomadas decisões e executadas
ações, cujo resultado final pode ser o incremento de uma unidade no número de eixos do
perfil magnético analisado.
Sistemas de eventos discretos (SED) são um tipo especial de sistemas dinâmicos. O
estado destes sistemas muda apenas em instantes discretos de tempo, e o termo “evento” é
utilizado para representar a ocorrência de mudanças descontínuas. O comportamento destes
sistemas é modelado através de suas trajetórias, listando os eventos que ocorrem ao longo de
um determinado caminho. As trajetórias devem satisfazer algumas propriedades, tais como:
estabilidade, convergência, ordenamento correto dos eventos, deadlock, etc (KOSECKÁ,
1992).
A modelagem dos SED pode ser feita utilizando alguma estrutura de transição
(autômatos, redes de Petri), através de equações algébricas, ou por lógica temporal. Neste
trabalho foi utilizado um autômato finito, ou máquina de estados finita. Uma máquina de
estados finita é um modelo de comportamento composto de um número finito de estados,
transições entre estes estados, e ações.
51
4.1.1 Parâmetros analisados no perfil magnético
4.1.1.1 Derivada
Como mencionado anteriormente, o perfil magnético do veículo é constituído de
valores digitais capturados com intervalo de 1 ms, cuja amplitude varia em uma escala de 0 a
4095. Para o cálculo da derivada em um determinado ponto do perfil magnético, é subtraída
da amplitude neste ponto, a amplitude no ponto lido há 6ms, conforme Equação 8.
di = ai – ai-6
(8)
onde:
•
di = derivada no ponto i;
•
ai = amplitude do perfil magnético no ponto i;
•
ai-6 = amplitude do perfil magnético no ponto i-6.
São considerados três estados para o valor da derivada: zero, positivo e negativo. Não
somente o valor da derivada em um ponto específico é utilizado para determinar este estado.
Para que a derivada seja considerada positiva na região em análise do perfil magnético, o
valor di deve ser positivo, superior a um limiar, e manter esta condição por 10 pontos
consecutivos. Para que a derivada seja considerada negativa, di deve ser negativo, inferior ao
valor negativo do mesmo limiar, e também manter esta condição por 10 pontos consecutivos.
Caso o valor absoluto de di seja menor ou igual ao limiar em questão por 4 pontos
consecutivos, a derivada é considerada zero.
4.1.1.2 Diferença de amplitude em relação ao sinal do laço sem veículo
A variação do perfil magnético, positiva ou negativa em relação ao valor de referência
(quando não há veículo sobre o sensor), é o outro parâmetro analisado pelo sistema
computacional. O valor digital do sinal momentos antes da entrada do veículo sobre o laço é
armazenado (Figura 56). Este valor é utilizado como referência para a análise subseqüente do
perfil magnético.
52
Figura 56: Nível de referência, capturado momentos antes da entrada do veículo sobre o
sensor.
Para a determinação do estado do sinal em um ponto qualquer do perfil magnético, é
subtraído do nível do sinal neste ponto, o valor de referência. Caso o resultado desta subtração
seja maior que 50, o valor do sinal é considerado positivo. Por outro lado, se o resultado for
menor que -50, o valor do sinal é negativo. Se o resultado estiver entre 50 e -50, o valor do
sinal é zero (Figura 57).
Figura 57: Regiões do perfil magnético onde o valor do sinal é considerado zero, positivo e
negativo.
53
4.1.2 Método de avaliação dos parâmetros do perfil magnético
Cada alteração no estado dos parâmetros avaliados no perfil magnético é tratada como
um evento discreto. No total, seis eventos podem ser gerados:
•
Valor do sinal é positivo (S+);
•
Valor do sinal é negativo (S-);
•
Valor do sinal é zero (S0);
•
Derivada é positiva (D+);
•
Derivada é negativa (D-);
•
Derivada é zero (D0).
O exemplo da Figura 58 indica os pontos onde ocorrem em um perfil magnético a
seguinte seqüência temporal de eventos: D-, S-, D0, D+, S0, D0, D+, S+, D0, D-, S-, D0, D+,
S0, D0.
Figura 58: Seqüência temporal de eventos em um perfil magnético.
Os eventos gerados são as entradas de uma máquina de estados, que toma decisões de
acordo com a seqüência das ocorrências. As variações positivas e negativas no perfil
magnético são tratadas pelo sistema em uma única máquina de estados. De acordo com o
evento ocorrido quando a máquina está em seu estado inicial, é definido o sentido de variação
do perfil magnético. O sentido de variação que o sistema está interpretando também pode ser
alterado nos estados intermediários da máquina, conforme detalhamentos a seguir.
54
Em uma variação positiva, a entrada da roda do veículo sobre o sensor produz uma
derivada positiva, e consequentemente o valor do sinal se torna positivo em relação ao nível
de referência. Já em uma variação negativa, a entrada do veículo produz uma derivada
negativa e o sinal se torna negativo. Pode-se então definir as seguintes equivalências entre os
eventos gerados por variações positivas e por variações negativas:
Tabela 3: Eventos equivalentes nas variações positivas e negativas.
Variação Positiva
Variação Negativa
Derivada negativa
Derivada positiva
Derivada positiva
Derivada negativa
Nível do sinal positivo
Nível do sinal negativo
A seqüência de eventos básica para contabilização de um eixo em uma variação
negativa causada por um único eixo, como a exibida na Figura 59, é:
•
1º. - derivada negativa: D-;
•
2º. - valor do sinal negativo: S-;
•
3º. - derivada zero: D0;
•
4º. - derivada positiva: D+;
•
5º. - valor do sinal zero: S0;
•
6º. - derivada zero: D0.
2900
2850
2800
2750
2700
2650
2600
1
22 43 64 85 106 127 148 169 190 211 232 253 274 295
Figura 59: Variação negativa causada por um único eixo.
55
Para adaptar esta seqüência a uma variação positiva, basta substituir os eventos
relacionados na coluna “Variação Negativa” da Tabela 3 aos seus correspondentes da coluna
“Variação Positiva” da mesma tabela.
Existem ainda outras duas seqüências básicas de eventos que são consideradas para a
contagem de eixos. Estas seqüências são relativas a eixos que são posicionados muito
próximos, em duas ou mais unidades, como conjuntos de eixos traseiros de ônibus, caminhões
e carretas (Figura 60).
Figura 60: Exemplo de conjunto de eixos posicionados muito próximos.
Os eixos com esta configuração produzem dois formatos de perfis magnéticos. Em um
dos formatos há variação invertida, ou seja, um dos eixos produz variação positiva e o outro
negativa (Figura 61). Já no outro formato os dois eixos adjacentes produzem o mesmo tipo de
variação, seja positiva ou negativa (Figura 62).
2900
2800
2700
2600
2500
2400
1
17 33 49 65 81 97 113 129 145 161 177 193 209 225 241 257
Figura 61: Perfil magnético onde dois eixos adjacentes produzem variações invertidas.
56
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
1
16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196 211 226 241
Figura 62: Perfil magnético onde dois eixos adjacentes produzem variações no mesmo
sentido.
No caso das variações invertidas, a seguinte seqüência de eventos deve ocorrer para
que os dois eixos sejam contabilizados:
•
1º. - derivada positiva: D+;
•
2º. - valor do sinal positivo: S+;
•
3º. - derivada zero: D0;
•
4º. - derivada negativa: D-;
•
5º. - valor do sinal zero: S0;
•
6º. - valor do sinal negativo: S-;
•
7º. - derivada zero: D0;
•
8º. - derivada positiva: D+;
•
9º. - valor do sinal zero: S0;
•
10º. - derivada zero: D0.
Já para o caso das variações no mesmo sentido, a seguinte seqüência é esperada:
•
1º. - derivada positiva: D+;
•
2º. - valor do sinal positivo: S+;
•
3º. - derivada zero: D0;
•
4º. - derivada negativa: D-;
•
5º. - derivada zero: D0;
•
6º. - derivada positiva: D+;
•
7º. - derivada zero: D0;
57
•
8º. - derivada negativa: D-;
•
9º. - valor do sinal zero: S0;
•
10º. - derivada zero: D0;
Após o término destas seqüências de eventos, algumas propriedades do pico no perfil
magnético devem ser satisfeitas para que seja considerado um eixo. As propriedades
analisadas são:
•
Largura do pico em metros: Calculado através do tempo de início e de fim de cada
pico, utilizando a velocidade do veículo. A largura do pico deve ser superior a um
valor mínimo e inferior a um valor máximo.
•
Largura da derivada zero no ponto de inversão da derivada: Quando há a inversão da
inclinação da curva, a derivada permanece com valor zero por alguns instantes. A
largura da derivada zero é calculada através da multiplicação deste tempo com a
velocidade do veículo, e deve ser inferior a um valor máximo admitido.
•
Distância entre eixos: A partir da detecção do primeiro eixo no perfil magnético, a
localização dos próximos eixos deve obedecer a uma distância mínima. Esta distância
mínima é maior para o segundo eixo, e menor para os eixos subseqüentes.
O ponto de início do pico é definido no momento que a máquina de estados deixa o
seu estado inicial (em variações negativas devido aos eventos D- ou S-), ou quando ocorre a
inversão de sentido de variação do perfil magnético em estados intermediários (transição do
estado 6 para o estado 3, ou do estado 7 para o estado 3). Já o ponto de fim de pico é
assinalado quando ocorre o evento S0 e a máquina se encontra no estado 4 ou no estado 5, ou
quando ocorre a transição do estado 5 para o estado 7 (evento D0). A Figura 63 ilustra o início
e o fim dos picos de um perfil magnético.
58
Figura 63: Marcações de início e fim de pico no perfil magnético.
A distância entre eixos é calculada através dos pontos de fim de pico. Pelo perfil
magnético da Figura 63 é possível perceber que a distância entre o primeiro e o segundo eixo
é significativamente maior que a distância entre o segundo e o terceiro eixo. O sistema
restringe a distância mínima entre o primeiro e o segundo eixo, com a finalidade de não
contabilizar algumas variações no perfil magnético produzidas pelas cabines de caminhões e
ônibus, como a ilustrada na Figura 64.
4200
4000
3800
3600
3400
3200
3000
1
154 307 460 613 766 919 1072 1225 1378 1531 1684 1837 1990
Figura 64: Perfil magnético com destaque para o pico provocado pela cabine do veículo.
A Figura 65 mostra o diagrama simplificado (apenas para variações negativas) da
máquina de estados do sistema de contagem de eixos. A determinação do sentido da variação
do perfil magnético é realizada quando a máquina de estados se encontra em seu estado inicial
(estado 0). Caso ocorra um evento derivada negativa (D-) ou valor do sinal negativo (S-)
quando a máquina estiver em seu estado inicial, o sentido de variação é considerado negativo.
Caso no estado inicial ocorra um evento derivada positiva (D+) ou valor do sinal positivo
(S+), o sentido de variação é considerado positivo.
59
As Tabelas 4 e 5 apresentam respectivamente a transição de estados do sistema para
variações negativas e positivas. Nestas tabelas, as indicações “inv” significam inversão do
sentido de variação do sinal. Caso o sistema esteja tratando os eventos como uma variação
negativa do sinal, deve começar a tratá-los como uma variação positiva, e vice-versa. Já as
indicações “av” significam que o ciclo de eventos de um pico foi completado, e suas
propriedades devem ser avaliadas para sua efetiva contabilização.
Figura 65: Diagrama da máquina de estados baseada em eventos.
Tabela 4: Tabela de transição de estados para variações negativas.
Estado/
Evento
D0
0
1
2
3
4
5
6
7
...
0
0
4
0
7
0 (av)
0
D-
1
0
3
0
3
0
0
5
D+
1 (inv)
0
1 (inv)
0
5
0
0
0
S0
...
...
0
0
0 (av)
6
0
0 (av)
S-
2
3
0
0
0
0
0
0
S+
2 (inv)
0
0
0
0
0
3 (av) (inv)
0
60
Tabela 5: Tabela de transição de estados para variações positivas.
Estado/
Evento
D0
0
1
2
3
4
5
6
7
...
0
0
4
0
7
0 (av)
0
D-
1 (inv)
0
1 (inv)
0
5
0
0
0
D+
1
0
3
0
3
0
0
5
S0
...
...
0
0
0 (av)
6
0
0 (av)
S-
2 (inv)
0
0
0
0
0
3 (av) (inv)
0
S+
2
3
0
0
0
0
0
0
4.2 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A solução computacional por máquina de estados foi adotada devido à natureza e às
possibilidades de solução do problema. O fato de o sistema ser embarcado e em tempo real,
com um hardware limitado em relação aos PCs, exige um baixo custo computacional. No
algoritmo apresentado, são analisados apenas dois parâmetros do perfil magnético, parâmetros
estes que não submetem o processador a operações de alta complexidade. A eficiência desta
solução é dependente da qualidade do sinal obtido junto aos laços indutivos, de tal forma que
eventuais ruídos e a sensibilização de partes metálicas do veículo que não sejam de interesse
da aplicação prejudicam o sistema.
61
CAPÍTULO 5
RESULTADOS E CONCLUSÕES
5.1 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS
Para medição dos resultados obtidos pelo sistema de contagem de eixos, foram
utilizados 344 perfis magnéticos, sendo 247 de caminhões, 17 de carretas e 80 de ônibus.
Estes dados foram coletados no campo de provas da empresa Perkons. Após a coleta dos
dados, o sistema computacional, desenvolvido em PC, foi melhorado e calibrado até atingir os
índices apresentados.
A via onde foi instalado o sistema de aquisição, por ser pública, e por suas
características geométricas, permite que os veículos tenham liberdade para não passar pela
região ótima de detecção dos sensores indutivos. Logo, apesar de durante a coleta dos dados o
tráfego ter sido canalizado utilizando cones de sinalização, a exata posição de passagem dos
veículos sobre os sensores não foi controlada.
A velocidade média dos caminhões cujos perfis magnéticos foram analisados foi de
40,8 km/h, das carretas de 41,4 km/h e dos ônibus de 44,1 km/h. Os histogramas ilustrados na
Figura 66 apresentam a distribuição destas velocidades.
9
120
35
8
100
30
7
25
6
80
60
40
5
20
4
15
3
10
2
20
5
1
0
0
0
30
40
50
a) Caminhões
60
Mais
30
40
50
b) Carretas
60
Mais
30
40
50
60
Mais
b) Ônibus
Figura 66: Histograma de velocidades de caminhões, carretas e ônibus.
As Tabelas 6 e 7 apresentam respectivamente a quantidade de veículos pelo número de
eixos e a proporção de veículos por número de eixos em relação ao total de perfis magnéticos.
62
Tabela 6: Quantidade de veículos por número de eixos.
2 eixos
3 eixos
4 eixos
5 eixos
6 eixos
Total
Caminhões
210
37
-
-
-
247
Carretas
-
-
5
8
4
17
Ônibus
30
50
-
-
-
80
Tabela 7: Proporção de veículos por número de eixos.
2 eixos
3 eixos
4 eixos
5 eixos
6 eixos
Total
Caminhões
85,0%
15,0%
-
-
-
100%
Carretas
-
-
29,4%
47,1%
23,5%
100%
Ônibus
37,5%
62,5%
-
-
-
100%
O conjunto de imagens e respectivos perfis magnéticos foi analisado pelo sistema
computacional, que gerou um relatório associando o nome do arquivo e o número de eixos
que o software contabilizou. Os dados deste relatório foram confrontados com as imagens dos
veículos, meio utilizado para se verificar o real número de eixos dos veículos, obtendo-se
assim o índice de aproveitamento.
A Tabela 8 apresenta o índice de acerto na contagem de eixos por categoria e total.
Tabela 8: Índice de acerto por categoria e total.
Total de veículos
Total de acertos
Índice de acerto
Caminhões
247
237
95,6%
Carretas
17
14
82,4%
Ônibus
80
75
93,8%
TOTAL
344
326
94,8%
A Tabela 9 apresenta o índice de acerto discriminado por categoria e por número de
eixos.
63
Tabela 9: Índice de acerto por categoria e por número de eixos.
Caminhões
Total de veículos
Total de acertos
Índice de acerto
2 eixos
210
204
97,1%
3 eixos
37
33
89,2%
Carretas
Total de veículos
Total de acertos
Índice de acerto
4 eixos
5
4
80%
5 eixos
8
6
75%
6 eixos
4
4
100%
Ônibus
Total de veículos
Total de acertos
Índice de acerto
2 eixos
30
27
90%
3 eixos
50
48
96%
A Tabela 10 detalha qual o número de eixos detectado pelo sistema, apresentando as
categorias subdivididas por número de eixos. Sua interpretação deve ser feita da seguinte
maneira: De um total de 30 ônibus de 2 eixos, 27 foram detectados corretamente pelo sistema
como sendo de 2 eixos, e 3 foram detectados incorretamente como sendo de 3 eixos.
Tabela 10: Detalhamento do número de eixos detectado pelo sistema por categoria de
veículo.
Eixos detectados
1
2
3
4
5
6
Total
Ônibus 2 eixos
-
27
3
-
-
-
30
Ônibus 3 eixos
-
1
48
-
1
-
50
Caminhão 2 eixos
4
204
2
-
-
-
210
Caminhão 3 eixos
-
4
33
-
-
-
37
Carreta 4 eixos
-
-
-
4
-
1
5
Carreta 5 eixos
-
-
-
2
6
-
8
Carreta 6 eixos
-
-
-
-
-
4
4
Veículo
5.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Os resultados apresentados neste trabalho atestaram a viabilidade dos sensores
indutivos para aplicações de contagem de eixos de veículos. O princípio do sistema proposto
64
possui condições para ser implantado comercialmente, seja para geração de estatísticas ou
como uma ferramenta em aplicações de tarifação automática em praças de pedágio.
Os dados que geraram os resultados foram obtidos somente em um local, com perfil de
tráfego predominantemente urbano e velocidade média se situando por volta de 40 km/h. É
necessário que o sistema seja posto à prova em locais com diferentes condições, sejam elas
mais controladas, como em praças de pedágio, onde as características geométricas da via
permitem um controle maior sobre a passagem dos veículos sobre os sensores; ou em
rodovias de trânsito livre. Em vias com velocidade média muito distante da aferida nos
veículos deste estudo, possivelmente seja necessária uma calibração dos parâmetros do
sistema computacional, como os limiares que definem o valor da derivada e o estado do sinal
(positivo, negativo ou zero).
A maioria dos erros observados na contagem de eixos, pode ser atribuída à não
passagem dos veículos sobre a região ótima de detecção dos sensores indutivos. Notou-se
uma grande diferença de amplitude de variação do perfil magnético em veículos de
características semelhantes. Na Figura 67a, observa-se uma carreta de 6 eixos cuja amplitude
máxima de variação do perfil magnético é de cerca de 600 pontos. Na Figura 67b, tem-se um
veículo semelhante que provocou 1800 pontos de variação no sinal digital do sistema de
aquisição de dados. Esta disparidade se dá devido à posição de passagem das rodas dos
veículos sobre os sensores.
a) Amplitude de 600 pontos
b) Amplitude de 1800 pontos
Figura 67: Diferença de amplitude do perfil magnético em veículos de características
semelhantes.
As grandes diferenças de amplitude também foram observadas entre o primeiro e o
segundo laços, em casos onde o veículo está mudando de faixa de rolamento enquanto está
65
sobre os sensores. Poucos centímetros de diferença na posição relativa das rodas sobre o
sensor causam a diferença de amplitude observada na Figura 68.
Figura 68: Diferença de amplitude do perfil magnético entre o primeiro e o segundo laço.
Devido às diferenças de amplitude, o sistema computacional foi adaptado para
trabalhar em todas as condições: perfis magnéticos de altas e baixas amplitudes. Porém,
ajustar o software para detectar eixos em variações de baixa amplitude, deixa o sistema com
menor imunidade a ruídos ou a pequenas variações causadas por outras partes metálicas que
não sejam as rodas. Alguns erros ocorreram devido a contagem incorreta de pequenos picos
produzidos por pára-choques traseiros de caminhões ou pelo assoalho de ônibus, que foram
contabilizados como eixos (Figura 69).
Figura 69: Pequenos picos produzidos pelo assoalho de um ônibus que geram falsas
detecções de eixos.
66
5.3 CONCLUSÕES
O sistema de sensores indutivos possui algumas vantagens sobre os sistemas
usualmente utilizados para contagem de eixos. Como uma das principais, pode-se citar a
tecnologia continuamente desenvolvida pela academia e indústria nacionais, fator que
possibilita a incorporação da funcionalidade de contagem de eixos em conjunto com outras
funcionalidades já utilizadas. Praticamente a totalidade dos equipamentos fixos de medição de
velocidade de veículos atualmente em operação no país, utiliza sensoriamento indutivo.
Os sensores indutivos também possuem baixo custo de instalação se comparados com
outras tecnologias. Se instalados com materiais adequados, possuem grande durabilidade. A
boa durabilidade dos laços, que geralmente está atrelada à vida útil do pavimento, é uma das
vantagens dos laços indutivos em relação aos sensores piezoelétrico e de fibra ótica, que são
constantemente submetidos a estresse mecânico, e se deterioram rapidamente. Por não realizar
a detecção de eixos por ação mecânica, os sensores indutivos não possuem o inconveniente de
gerarem falsos acionamentos por vibrações causadas por veículos pesados trafegando em
faixas de rolamento adjacentes às que possuem sensores instalados. Este tipo de problema é
comum principalmente em sensores piezoelétricos. Já as barreiras óticas, não são apropriadas
para utilização em vias com mais de uma faixa de rolamento. Também não são recomendadas
em locais não vigiados, onde estas barreiras podem ser facilmente vandalizadas, encobertas
pela vegetação ou por outros corpos.
Puderam-se observar nos dados coletados neste trabalho, que o sensor utilizado para
contagem de eixos não apresenta problemas de splash over, que é a falsa detecção de veículos
em faixas adjacentes. A desvantagem deste sensor é justamente oposta. Os veículos devem
trafegar sobre uma pequena região sensível dos laços, caso contrário a qualidade do sinal
obtido pelo perfil magnético decai de qualidade e prejudica a correta detecção dos eixos.
Desta maneira, conclui-se que o sistema proposto tem sua eficiência maximizada em situações
controladas, como guaritas, postos de pedágio, postos de pesagem e outros locais com tráfego
canalizado.
Vias urbanas não são recomendadas para a instalação do sistema. Em
congestionamentos, onde os veículos permanecem parados sobre os sensores, o cálculo da
velocidade fica prejudicado, aumentando a probabilidade de ocorrência de erros. O cálculo
preciso da velocidade é fundamental para a determinação de parâmetros restritos (largura do
pico, largura da derivada zero e distância entre eixos) para a assunção de um pico como um
67
eixo. A utilização do sistema em vias de trânsito livre é viável para geração de estatísticas. Os
resultados apresentados foram obtidos nestas condições e atestaram aproveitamento total de
cerca de 95%.
Por fim, conclui-se que foi obtido sucesso no desenvolvimento deste trabalho, pois o
princípio do sistema – contagem de eixos por sensores indutivos – demonstrou ser uma
alternativa viável e alcançou os objetivos propostos.
5.4 TRABALHOS FUTUROS
Como mencionado anteriormente, os dados para o desenvolvimento do sistema e
aferição dos resultados foram coletados em apenas um local, com velocidades médias típicas
de ambientes urbanos, e condições de passagem dos veículos sobre os sensores pouco
controladas.
Os índices de acerto alcançados pelo sistema proposto podem ser melhorados em
ambientes controlados, como discutido na seção 5.2. Todavia, nestes locais, a velocidade dos
veículos é mais baixa, e ajustes nos parâmetros do software serão necessários. Ajustes finos
nas dimensões, número de espiras e na posição do laço indutivo também podem ser
realizados, com o intuito de melhor definir a região sensível de interesse e o alcance vertical
do campo magnético.
Com a informação do número de eixos, a classificação de veículos é facilitada,
principalmente na diferenciação entre caminhões, carretas e ônibus. A geometria de laço
indutivo proposta, também provê um perfil magnético mais detalhado que a convencional
geometria retangular. Possivelmente seja um caminho para a diferenciação dos modelos dos
veículos pelo perfil magnético, através de um grande banco de dados e de um sistema de redes
neurais.
68
69
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ZADEH, L.A. Fuzzy Sets: Information and Control, Capítulo 8, 338-352, 1965.
73
RESUMO:
Esta dissertação propõe um sistema de contagem de eixos de veículos utilizando
sensoriamento indutivo. O sistema é composto de um conjunto de laços indutivos com
geometrias apropriadas para a aplicação, e de um sistema computacional de contagem de
eixos através do perfil magnético dos veículos.
Durante o desenvolvimento do trabalho, foram experimentadas em campo três
geometrias de sensores indutivos para detecção de eixos, de modo que a geometria que
apresentou melhores perspectivas foi escolhida para compor o sistema. Foi utilizado também
um par de laços retangulares convencionais para realizar a detecção dos veículos e o cálculo
da velocidade, visto que o sensor específico para contagem de eixos não possui sensibilidade
para detectar a presença de veículos altos, exceto na região das rodas.
O perfil magnético capturado do sensor indutivo de contagem de eixos é analisado por
um software, que verifica o comportamento de dois parâmetros do sinal: a derivada e a
diferença do nível do sinal em relação ao sinal do sensor quando sem veículo. Mudanças
nestes dois parâmetros geram eventos, que são modelados através de uma máquina de estados.
De um conjunto de 344 perfis magnéticos analisados, foi obtido um índice de acerto
total de cerca de 95%. Desta maneira, foi atingido o objetivo do trabalho, que é o de
confirmar a viabilidade de se contar eixos de veículos utilizando sensores indutivos.
PALAVRAS-CHAVE
1. Sensores Indutivos. 2. Contagem de Eixos. 3. Detecção de Veículos.
ÁREA/SUB-ÁREA DE CONHECIMENTO
3.10.00.00-2: Engenharia de Transportes
3.10.03.01-0: Engenharia de Tráfego
2008
No: 482
74