(西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 四川 成都 610041)

基于地磁傳感器的車輛檢測算法研究

李文翔

(西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院四川成都610041)

地磁傳感器是一種利用地磁變化來檢測車輛的新型設(shè)備。通過分析大量的地磁數(shù)據(jù)，提出一種基于波形峰谷值特征的車輛檢測算法。在有軌電車路口預(yù)警系統(tǒng)定位設(shè)計(jì)中，為確保有軌電車定位的準(zhǔn)確性和可靠性，可以同時(shí)應(yīng)用基于RFID和地磁車輛檢測的定位設(shè)計(jì)，以得到較為準(zhǔn)確的定位，由于路口車輛的多樣性和復(fù)雜性，本文提出車輛檢測算法和通過地磁傳感器的磁場變化量可以判斷出是有軌電車的到來還是其他車輛的到來。

地磁傳感器;車輛檢測算法;定位

一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)與交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，有軌電車也在成為越來越重要的的交通工具，基于車車通信的現(xiàn)代有軌電車已經(jīng)走在了有軌電車的前沿。要實(shí)現(xiàn)基于車車通信的有軌電車控制系統(tǒng)，必須有精確的定位系統(tǒng)才能保證列車的正常運(yùn)行與調(diào)度?；诘卮诺能囕v檢測設(shè)計(jì)在近年來得到越來越多人的重視?；诘卮艂鞲衅鞯臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)以成本和功耗方面的優(yōu)勢(shì)得到廣泛關(guān)注。所以具有諸多優(yōu)點(diǎn)的地磁傳感器也可以應(yīng)用于有軌電車定位系統(tǒng)中?，F(xiàn)重點(diǎn)介紹一種基于地磁車輛檢測設(shè)計(jì)，并對(duì)其應(yīng)用做出說明[1]。

二、檢測原理

(一)地磁傳感器

地球本身自帶0.5G左右的磁場強(qiáng)度，地球表面各處的地磁場方向和強(qiáng)度都因地而異。磁力線分布特點(diǎn)是赤道附近磁場方向是水平的，而兩極附近的磁場方向是垂直的，地球表面的磁場將會(huì)受到各種因素影響而隨時(shí)間的變化而變化，鐵磁性的物體也將會(huì)對(duì)磁場分布產(chǎn)生擾動(dòng)。本設(shè)計(jì)中采用的各向異性磁阻傳感器(anisotropicmagnetic.resistive,AMR)利用了鎳鐵導(dǎo)磁合金磁阻效應(yīng)，其阻值與偏置電流和磁場矢量之間的夾角為函數(shù)關(guān)系。外部磁場的變化，將會(huì)引起阻值變化，從而改變輸出電壓[2]，再經(jīng)放大輸出后，通過檢測磁場的變化的大小來判斷是否有車輛經(jīng)過。

(二)車輛檢測原理

各項(xiàng)異性磁阻傳感器(AMR)的核心部分為電橋，提供適當(dāng)?shù)募?lì)電壓，當(dāng)有車輛經(jīng)過，磁場發(fā)生變化，磁阻傳感器輸出毫伏級(jí)信號(hào)；然后信號(hào)通過運(yùn)放進(jìn)行放大后送入MCU12位AD進(jìn)行量化。MCU通過采集地磁的變化量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算和綜合判斷，通過I/O口與2.4GHz無線收發(fā)模塊通信，最后通過無線與有軌電車車載終端通信[3]。

三、車輛檢測

(一)基線采集

基線采集的主要設(shè)計(jì)思路是：在無車的時(shí)候進(jìn)行基線值的更新，而在出現(xiàn)較大擾動(dòng)時(shí)，基線值則與上一狀態(tài)保持一致。其流程圖如圖1所示：

圖2 基線采集流程

基線采集參數(shù)包括：累加器、采樣計(jì)次、采樣計(jì)次上限(默認(rèn)值256)、基線計(jì)次、均值、基線浮動(dòng)范圍(默認(rèn)值4)。參數(shù)初始化后，對(duì)采集值進(jìn)行范圍限定；當(dāng)采集達(dá)到256次后，計(jì)算平均值，如果是首次獲取基線值，則將此次均值作為基線值初始值；若已經(jīng)獲取基線值，如果均值與基線值偏差大于4，則重新進(jìn)行采樣以獲取新的基線值，若均值與基線值偏差小于等于4，則更新基線值并重新進(jìn)行采樣[4]。在實(shí)際應(yīng)用中基線值變化緩慢。

(二)來車判斷算法

車輛檢測是傳感器設(shè)計(jì)的核心，MCU通過AD采樣獲取環(huán)境磁場的平均值，即基線值[5]。作為車輛判斷的基礎(chǔ)，當(dāng)有車輛通過傳感器上方會(huì)引起一個(gè)相對(duì)于環(huán)境磁場基線值變化很大的磁場擾動(dòng)，通過AD采樣獲取磁場瞬時(shí)值，采用瞬時(shí)值(默認(rèn)1個(gè)采樣點(diǎn))與基線值之間的偏差程度(記為門限，默認(rèn)值為35)來判斷是否有車。如下圖所示，常態(tài)下可以認(rèn)為基線在一個(gè)微小范圍內(nèi)變化(默認(rèn)為4)，在這個(gè)范圍內(nèi)基線緩慢變化是正?，F(xiàn)象(基線獲取方法在后文中詳細(xì)闡述)。當(dāng)磁場變化與基線差值超過事先設(shè)定的范圍時(shí)(默認(rèn)值為35)，可以作為車輛檢測的判決條件之一。

一輛車通過傳感器的判決過程：磁場從基線附近(±4)變化超過門限(正值)-超過門限(負(fù)值)-磁場重新回到基線附近(±8并保持足夠的采樣點(diǎn)連續(xù)落入該區(qū)間，采樣點(diǎn)數(shù)默認(rèn)10個(gè))。以上為一輛車，正向通過傳感器上方的磁場變化過程及軟件判決過程，磁場變化如下圖所示：

圖3 磁場變化示意圖

采樣間隔時(shí)間為8ms，AD進(jìn)行采樣，根據(jù)與基線的偏差來判斷是否有來車，如果AD采樣數(shù)據(jù)與差線的偏值大于來車判斷閾值，則判斷為有車狀態(tài)，基線從無車態(tài)跳轉(zhuǎn)到有車態(tài)需要至少1個(gè)點(diǎn)滿足有車判定條件(與基線值偏差大于等于35)，如果AD采樣數(shù)據(jù)與基線的偏差小于來車判斷閾值，則判斷為無車狀態(tài)，從有車態(tài)跳轉(zhuǎn)到無車態(tài)至少需要連續(xù)10個(gè)點(diǎn)滿足無車判定條件(與基線值偏差小于等于8)[6]。來車判斷流程如圖4所示：

圖4 來車判斷流程

四、地磁傳感器參數(shù)的提取

(一)速度計(jì)算

車輛速度計(jì)算是基于地磁車輛檢測算法完成的。在車輛行駛的方向上固定距離和位置安放兩只地磁探頭，車輛通過時(shí)將產(chǎn)生兩個(gè)觸發(fā)信號(hào)，通過兩只探頭的距離S和車輛經(jīng)過兩只探頭的時(shí)間差△t，我們可以得到車輛行駛的速度是v。

因此，測量觸發(fā)信號(hào)時(shí)間差和兩只地磁探頭之間的距離，就可以測出車輛通過時(shí)的平均速度。

(二)車型識(shí)別

在車輛檢測中，不同的磁通量對(duì)地磁場線的影響是不同的，較小的磁鐵對(duì)地磁場線的影響是小范圍的，影響不大。而較大的磁鐵物體，如一輛貨車，貨車車軸或發(fā)動(dòng)機(jī)等所帶的磁鐵就會(huì)對(duì)周圍的地磁曲線形成干擾。所以，磁鐵對(duì)地磁曲線的影響主要是使地球磁場磁力線發(fā)生扭曲，這種扭曲會(huì)隨磁通量的不同而不同，在有軌電車定位系統(tǒng)中，為了區(qū)別是有軌電車的到來還是其他車輛的到來，我們可以根據(jù)磁場的變化量來進(jìn)行區(qū)分[7]。有軌電車的磁通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他車輛，所以輸出的磁場變化波形也與其他車輛的波形有較大區(qū)別，通過波形的比對(duì)，我們可以粗略的判斷出是否是有軌電車的到來。

五、模擬驗(yàn)證

選取有軌電車的磁通量和普通小車的磁通量，用相應(yīng)比例的磁鐵進(jìn)行模擬對(duì)比，波形用示波器輸出，如下圖所示：

圖6 有軌電車磁場波形輸出

圖7 普通小車磁場波形輸出

通過示波器輸出的波形我們可以看出兩點(diǎn)，第一，從圖6我們可以得出車輛檢測算法可以檢測出車輛的通過。第二，普通小車的磁場變化波形與有軌電車的波形有較大區(qū)別，我們可以利用這點(diǎn)，將有軌電車的磁場變化波形作為固定模式，當(dāng)有車輛到來的時(shí)候，將待匹配的模式與已知的有軌電車模式進(jìn)行比較，計(jì)算相似度。通過相似度的高低來判斷是否是有軌電車的到來。

利用串口數(shù)據(jù)輸出，利用小車的磁通量為固定車型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將磁鐵隨機(jī)用不同的速率劃過傳感器80次，通過串口輸出的AD采樣值及基線值計(jì)算出共檢測出多少次，實(shí)際檢測多少次。串口輸出的采樣值及基線值如表1所示，車輛檢測結(jié)果如表2所示：

表1 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

表2 車輛檢測結(jié)果

上述數(shù)據(jù)顯示本設(shè)計(jì)提出的算法檢測車輛的準(zhǔn)確率在96%左右，可以達(dá)到車輛檢測計(jì)數(shù)的要求，這一方法可以應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)車流量統(tǒng)計(jì)的功能。

六、結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于地磁傳感器的車輛檢測系統(tǒng)，可以應(yīng)用于車流量的統(tǒng)計(jì)工作中，也可以應(yīng)用于有軌電車定位系統(tǒng)中。雖然本文只是通過模擬來證明能準(zhǔn)確的檢測車流量，但是在實(shí)際路測實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)也能準(zhǔn)確的檢測車流量。本文還提出了通過磁場波形的不同來進(jìn)行有軌電車和其他車輛的識(shí)別。下一步，將進(jìn)行有軌電車和不同車型識(shí)別的具體算法和研究。

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李文翔(1991-)，西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院。

，女，在讀研究生，研究方向：電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)。