Estudio del comportamiento magnético de espiras rectangulares para la transmisión de información de corto alcance en sistemas inteligentes de transporte

Abstract

[EN] The set of applications and technological systems created to improve safety and efficiency in land transport (road and rail), that facilitate the control, management and monitoring are known as Intelligent Transport Systems (ITS). ITS systems incorporate the new technologies for traffic control and management, which integrate information and communication systems between users and infrastructure, vehicles and others (pedestrians, authorities, concessionaire's service ...). To move efficiently through any mode of land communication one needs an integrated system. This system requires ton identify the type of vehicles which are on the road and to share information between these vehicles and infrastructure. To establish communication between vehicles and infrastructure, wireless communication is required. But incorporating a mobile communication system is expensive. Another possibility is using a dedicated short-range communication system, which is exempted from service payment but requires a high initial investment for the installation. This thesis presents a communication system between infrastructure and vehicles, using magnetic coils as antennas. Magnetic coils are world-wide used devices for vehicles detection due to its low maintenance and high durability. In the first part of this work the study of the magnetic field generated by rectangular coils and their validation with experimental data is proposed. For this analysis a simulating software was developed. It allows to know the distribution of the magnetic field generated by a magnetic loop. The second part consists in analyzing and proposing a model to calculate the voltage level that could be transmitted between two coils; the first coil is a transmitter and the other coil is a receiver. The simulation results were compared with experimental values. The mentioned results are used for the design of coils. This tool allows handling variables such as size, number of turns, supply current, separation distance between coils and signal frequency. This tool also helps to predict the level of the sensed signal and to build the receiver circuit design. In the third stage and based on the simulation results, a system of short-range communication was designed. For this purpose, magnetic induction, as a medium for transferring information between two magnetic loops was used. By this means it was noticed that the short-range communication, in a restricted area and without emitting radio signals that could interfere with other systems, is possible. Magnetic loops are devices that are installed on many highways, so a short-range communication using these devices do not require further investment in its installation, except the communication circuit, which is currently added in magnetic loops controllers. In this thesis, the use of magnetic coils made of flat cable is also discussed, which opens the possibility of using mobile coils. Short-range communication using magnetic loops proposes a low-cost solution for communication between vehicles and infrastructure. This feature is easy to implement in a greater number of points. Also, because the communication is achieved by means of magnetic fields coupling, the weather conditions would not have a significant effect on the transmission.

[ES] El conjunto de aplicaciones informáticas y sistemas tecnológicos creados para mejorar la seguridad y eficiencia en el transporte terrestre (carreteras y ferrocarriles), facilitando la labor de control, gestión y seguimiento por parte de los responsables se conoce como Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS por sus siglas en inglés). Los sistemas ITS incorporan las nuevas tecnologías para el control y la gestión de la circulación, que integran los sistemas de información y comunicación de los usuarios con la infraestructura, con los vehículos y con el resto los actores del tráfico (peatones, autoridades, empresas concesionarias de servicios,¿). Para poder desplazarse de manera eficiente a través de cualquier vía de comunicación terrestre, es necesario un sistema integral. Este sistema requiere identificar el tipo de vehículos que se encuentran sobre la vía y compartir información entre dichos vehículos y la infraestructura. Para establecer la comunicación entre vehículos e infraestructura, es necesaria una comunicación inalámbrica. Incorporar como medio de comunicación los sistemas móviles, implica un coste relativamente alto debido al cobro del tiempo aire. La otra posibilidad es la utilización de sistemas de comunicación de corto alcance dedicados, que están exentos del cobro de tiempo aire, pero que requieren una inversión inicial relativamente alta en la instalación del sistema. Este trabajo de tesis plantea una alternativa de comunicación entre infraestructura y vehículos, utilizando como antenas las espiras magnéticas. Las espiras magnéticas son dispositivos ampliamente utilizados en el mundo para la detección de vehículos, debido a su bajo coste de mantenimiento y su gran durabilidad. La primera etapa del trabajo plantea el estudio del campo magnético generado por espiras rectangulares y su validación con datos experimentales. Para este análisis se desarrolló un simulador que permite conocer la distribución del campo magnético generado por una espira magnética. La segunda etapa consistió en analizar y plantear un modelo que permitiría calcular el nivel de tensión que podría transmitirse entre dos espiras, una emisora y la otra receptora. La simulación fue comparada con valores experimentales. Con los resultados antes expuestos se tiene una herramienta para el diseño de espiras, teniendo control de variables como su dimensión, número de vueltas, corriente de alimentación, separación entre espiras y frecuencia de la señal. Esta herramienta ayuda a predecir el nivel de señal captada y con este dato establecer el diseño del circuito de recepción. En la tercera etapa, basados en los resultados de la simulación se diseñó un sistema de comunicación de corto alcance, utilizando la inducción magnética como medio para la transferencia de información, entre dos espiras. Con lo que se comprobó que es posible la comunicación de corto alcance, en un área restringida y sin radiar señal que interfiera con otros sistemas. Las espiras magnéticas son dispositivos que se encuentran instalados en muchas autovías, por lo que una comunicación de corto alcance utilizando estos dispositivos no requiere de mayor inversión en su instalación, salvo el circuito de comunicación, que se añade a la funcionalidad existente hoy día en los controladores de espiras magnéticas. Al mismo tiempo en la tesis, también se analizó la utilización de espiras magnéticas hechas con cable plano, lo que abre la posibilidad de utilizar espiras móviles. La comunicación de corto alcance utilizando espiras magnéticas, plantea una solución de comunicación entre vehículos e infraestructura de bajo coste. Esta característica permite que sea fácil de implementar en un mayor número de puntos. Asimismo, debido a que la comunicación se hace por acoplamiento de campo magnético, las condiciones climatológicas no tendrían un efecto significativo en la transmisión.

[CA] El conjunt d'aplicacions informàtiques i sistemes tecnològics creats per millorar la seguretat i eficiència en el transport terrestre (carreteres i ferrocarrils), per tal de facilitar la tasca de control, gestió i seguiment per part dels responsables, es coneix com a Sistemes Intel·ligents de Transport (ITS per les seues sigles en anglès). Els sistemes ITS incorporen les noves tecnologies per al control i la gestió de la circulació, les quals integren els sistemes d'informació i comunicació dels usuaris amb la infraestructura, amb els vehicles i amb la resta dels actors del tràfic (vianants, autoritats, empreses concessionàries de serveis¿). Per poder desplaçar-se de manera eficient a través de qualsevol via de comunicació terrestre, és necessari un sistema integral. Aquest sistema requereix identificar el tipus de vehicles que es troben sobre la via i compartir informació entre aquests vehicles i la infraestructura. Per a establir la comunicació entre vehicles i infraestructura, és necessària una comunicació sense fil. Incorporar com a mitjà de comunicació els sistemes mòbils, implica un cost relativament alt com a conseqüència del cobrament del temps aire. L'altra possibilitat és la utilització de sistemes de comunicació de curt abast dedicats, què estan exempts del cobrament de temps aire, però que requereixen una inversió inicial relativament alta en la instal·lació del sistema. Aquest treball de tesi planteja una alternativa de comunicació entre infraestructura i vehicles, utilitzant com a antenes les espires magnètiques. Les espires magnètiques són dispositius àmpliament utilitzats en el món per a la detecció de vehicles, a causa del seu baix cost de manteniment i la seua gran durabilitat. La primera etapa del treball planteja l'estudi del camp magnètic generat per espires rectangulars i la seua validació amb dades experimentals. Per aquesta anàlisi es va desenvolupar un simulador que permet conèixer la distribució del camp magnètic generat per una espira magnètica. La segona etapa va consistir a analitzar i plantejar un model que permetria calcular el nivell de tensió que podria transmetre's entre dues espires, una emissora i l'altra receptora. La simulació va ser comparada amb valors experimentals. Amb els resultats abans exposats es té una eina per al disseny d'espires, tenint control de variables com la seua dimensió, nombre de voltes, corrent d'alimentació, separació entre espires i freqüència del senyal. Aquesta eina ajuda a predir el nivell de senyal captat i amb aquesta dada establir el disseny del circuit de recepció. En la tercera etapa, basant-se en els resultats de la simulació, es va dissenyar un sistema de comunicació de curt abast, utilitzant la inducció magnètica com a mitjà per a la transferència d'informació entre dues espires, i es va comprovar que és possible la comunicació de curt abast, en una àrea restringida i sense radiar senyal que pugi interferir amb altres sistemes. Les espires magnètiques són dispositius que es troben instal·lats en moltes autovies, per la qual cosa una comunicació de curt abast utilitzant aquests dispositius no requereix major inversió en la seua instal·lació, excepte el circuit de comunicació, que s'afegeix a la funcionalitat existent avui dia als controladors d'espires magnètiques. Al mateix temps en la tesi, també es va analitzar la utilització d'espires magnètiques fetes amb cable pla, la qual cosa obri la possibilitat d'utilitzar espires mòbils. La comunicació de curt abast utilitzant espires magnètiques, planteja una solució de comunicació entre vehicles i infraestructura, de baix cost. Aquesta característica permet que siga fàcil d'implementar en un major nombre de punts. Així mateix, a causa que la comunicació es fa per acoblament de camp magnètic, les condicions climatològiques no tindrien un efecte significatiu en la transmissió.