基于地磁傳感器的車輛檢測算法研究

(西南民族大學電氣信息工程學院 四川 成都 610041)

基于地磁傳感器的車輛檢測算法研究

李文翔

(西南民族大學電氣信息工程學院四川成都610041)

地磁傳感器是一種利用地磁變化來檢測車輛的新型設備。通過分析大量的地磁數據，提出一種基于波形峰谷值特征的車輛檢測算法。在有軌電車路口預警系統定位設計中，為確保有軌電車定位的準確性和可靠性，可以同時應用基于RFID和地磁車輛檢測的定位設計，以得到較為準確的定位，由于路口車輛的多樣性和復雜性，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

隨著經濟與交通事業的蓬勃發展，有軌電車也在成為越來越重要的的交通工具，基于車車通信的現代有軌電車已經走在了有軌電車的前沿。要實現基于車車通信的有軌電車控制系統，必須有精確的定位系統才能保證列車的正常運行與調度。基于地磁的車輛檢測設計在近年來得到越來越多人的重視。基于地磁傳感器的無線傳感器網絡以成本和功耗方面的優勢得到廣泛關注。所以具有諸多優點的地磁傳感器也可以應用于有軌電車定位系統中。現重點介紹一種基于地磁車輛檢測設計，并對其應用做出說明[1]。

二、檢測原理

(一)地磁傳感器

地球本身自帶0.5G左右的磁場強度，地球表面各處的地磁場方向和強度都因地而異。磁力線分布特點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受到各種因素影響而隨時間的變化而變化，鐵磁性的物體也將會對磁場分布產生擾動。本設計中采用的各向異性磁阻傳感器(anisotropicmagnetic.resistive,AMR)利用了鎳鐵導磁合金磁阻效應，其阻值與偏置電流和磁場矢量之間的夾角為函數關系。外部磁場的變化，將會引起阻值變化，從而改變輸出電壓[2]，再經放大輸出后，通過檢測磁場的變化的大小來判斷是否有車輛經過。

(二)車輛檢測原理

各項異性磁阻傳感器(AMR)的核心部分為電橋，提供適當的激勵電壓，當有車輛經過，磁場發生變化，磁阻傳感器輸出毫伏級信號；然后信號通過運放進行放大后送入MCU12位AD進行量化。MCU通過采集地磁的變化量數據，進行數據的邏輯運算和綜合判斷，通過I/O口與2.4GHz無線收發模塊通信，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

基線采集的主要設計思路是：在無車的時候進行基線值的更新，而在出現較大擾動時，基線值則與上一狀態保持一致。其流程圖如圖1所示：

圖2 基線采集流程

基線采集參數包括：累加器、采樣計次、采樣計次上限(默認值256)、基線計次、均值、基線浮動范圍(默認值4)。參數初始化后，對采集值進行范圍限定；當采集達到256次后，計算平均值，如果是首次獲取基線值，則將此次均值作為基線值初始值；若已經獲取基線值，如果均值與基線值偏差大于4，則重新進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行采樣[4]。在實際應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計的核心，MCU通過AD采樣獲取環境磁場的平均值，即基線值[5]。作為車輛判斷的基礎，當有車輛通過傳感器上方會引起一個相對于環境磁場基線值變化很大的磁場擾動，通過AD采樣獲取磁場瞬時值，采用瞬時值(默認1個采樣點)與基線值之間的偏差程度(記為門限，默認值為35)來判斷是否有車。如下圖所示，常態下可以認為基線在一個微小范圍內變化(默認為4)，在這個范圍內基線緩慢變化是正常現象(基線獲取方法在后文中詳細闡述)。當磁場變化與基線差值超過事先設定的范圍時(默認值為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(負值)-磁場重新回到基線附近(±8并保持足夠的采樣點連續落入該區間，采樣點數默認10個)。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

采樣間隔時間為8ms，AD進行采樣，根據與基線的偏差來判斷是否有來車，如果AD采樣數據與差線的偏值大于來車判斷閾值，則判斷為有車狀態，基線從無車態跳轉到有車態需要至少1個點滿足有車判定條件(與基線值偏差大于等于35)，如果AD采樣數據與基線的偏差小于來車判斷閾值，則判斷為無車狀態，從有車態跳轉到無車態至少需要連續10個點滿足無車判定條件(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、地磁傳感器參數的提取

(一)速度計算

車輛速度計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，車輛通過時將產生兩個觸發信號，通過兩只探頭的距離S和車輛經過兩只探頭的時間差△t，我們可以得到車輛行駛的速度是v。

因此，測量觸發信號時間差和兩只地磁探頭之間的距離，就可以測出車輛通過時的平均速度。

(二)車型識別

在車輛檢測中，不同的磁通量對地磁場線的影響是不同的，較小的磁鐵對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，貨車車軸或發動機等所帶的磁鐵就會對周圍的地磁曲線形成干擾。所以，磁鐵對地磁曲線的影響主要是使地球磁場磁力線發生扭曲，這種扭曲會隨磁通量的不同而不同，在有軌電車定位系統中，為了區別是有軌電車的到來還是其他車輛的到來，我們可以根據磁場的變化量來進行區分[7]。有軌電車的磁通量遠遠大于其他車輛，所以輸出的磁場變化波形也與其他車輛的波形有較大區別，通過波形的比對，我們可以粗略的判斷出是否是有軌電車的到來。

五、模擬驗證

選取有軌電車的磁通量和普通小車的磁通量，用相應比例的磁鐵進行模擬對比，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，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別，我們可以利用這點，將有軌電車的磁場變化波形作為固定模式，當有車輛到來的時候，將待匹配的模式與已知的有軌電車模式進行比較，計算相似度。通過相似度的高低來判斷是否是有軌電車的到來。

利用串口數據輸出，利用小車的磁通量為固定車型進行實驗，將磁鐵隨機用不同的速率劃過傳感器80次，通過串口輸出的AD采樣值及基線值計算出共檢測出多少次，實際檢測多少次。串口輸出的采樣值及基線值如表1所示，車輛檢測結果如表2所示：

表1 數據采集結果

表2 車輛檢測結果

上述數據顯示本設計提出的算法檢測車輛的準確率在96%左右，可以達到車輛檢測計數的要求，這一方法可以應用于智能交通系統中實現車流量統計的功能。

六、結束語

本文實現了一種基于地磁傳感器的車輛檢測系統，可以應用于車流量的統計工作中，也可以應用于有軌電車定位系統中。雖然本文只是通過模擬來證明能準確的檢測車流量，但是在實際路測實驗中，該系統也能準確的檢測車流量。本文還提出了通過磁場波形的不同來進行有軌電車和其他車輛的識別。下一步，將進行有軌電車和不同車型識別的具體算法和研究。

[1]Cheung S Y，Ergen S C，Varaiya P.Traffic surveillance with wire-less magnetic sensors[C]Prc 12th ITS World Congress.San Fran-cisco：[s.n]，2005.

[2]Caruso C J，Withamwasam L S.Vehicle detection and compass ap-plications using AMR magnetic sensors[EB/OL].(1999-05)[2005-08-10].http：www.ssec.honeywell.com.

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[4]蘇東海，王亮，馬壽峰.基于地磁感應的車輛檢測方法的研究[J].交通與計算機，2007，25(3)：9-13.

[5]史元超.基于信息傳感器的交通狀態獲取技術的研究[D].北京:北京交通大學，2009.

[6]楊惠鋒，周奇.基于單片機和磁阻傳感器的新型車輛檢測器[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2008，(11):12-13.

[7]樊海泉，董德存.基于模式匹配算法的車型識別研究[J].微型電腦應用，2002，18(4)：19-20.

李文翔(1991-)，西南民族大學電氣信息工程學院。

，女，在讀研究生，研究方向：電子信息系統設計。