地磁、超聲波復合式車輛檢測器在智能停車場的應用

文/張瑞斌 李敏

引言

隨著現如今經濟的飛速發展，小汽車保有量的持續增加，智能停車場的概念已經在我國各大小城市悄然興起，車輛檢測器作為交通信息采集的一個重要組成部分，越來越受到業內人士的關注。車輛檢測器以機動車輛為檢測目標，檢測車輛的通過或存在狀況等數據，為智能交通控制系統提供足夠的信息以便進行最優的控制。針對智能停車場的應用，本文介紹了一種利用地磁、超聲波融合檢測的車輛檢測器，該檢測器可以簡單有效地檢測、統計進出停車場的數量，根據總停車位數量可以計算出剩余停車位的數量。

停車場閘口車輛檢測的特點

圖1 停車場出入口示意圖

車輛進出停車場時一般有如下特點：車速慢，并且速不均勻；兩車的前后間距小，間距有可能小于50cm；每個車道均有一個閘機。

現已安裝使用的停車場閘口一般使用人工控制閘機或者使用地感線圈式車輛檢測器控制閘機。人工控制閘機無法及時統計進出停車場車輛的數量及停車場中已停放車輛的數量；地感線圈式車輛檢測器在停車場系統中一般只用作閘機的抬桿與落桿，其無法用來統計進出車輛的數量。

車輛檢測技術現狀

現行的停車場系統中的車輛檢測器種類較多，主要有地感線圈式車輛檢測器、微波雷達車輛檢測器、視頻車輛檢測器、紅外車輛檢測器、地磁車輛檢測器、超聲波車輛檢測器等。

地感線圈式車輛檢測器是目前交通領域應用最廣泛、準確率最高的檢測器。該技術基于電磁感應原理，具有成本低、有良好的實用性與廣泛的應用性等特點，但安裝及維護時需破壞路面，施工難度大。

微波雷達式車輛檢測器是利用微波的多普勒效應或反射原理測量車輛的速度、距離的一種檢測方式。該檢測技術用于高速路檢測車流，但對于智能停車場系統中的慢速車流該檢測方式無法有效測量。

視頻檢測器是通過視頻攝像機作為前端傳感器，通過在攝像機采集視頻圖像上設置檢測區域，當車輛進入虛擬檢測區時使圖像背景灰度值發生變化，經過處理器處理，判斷出車輛的存在，并以此檢測車輛的流量和速度等交通參數。該檢測方式極易受天氣、光線影響，并且檢測系統成本較高。

紅外車輛檢測器分為主動式與被動式兩類。被動式車輛檢測器只能在其檢測范圍內的檢測出車輛停止情形及車流量。主動式車輛檢測器除攝影技術與圖像式車輛檢測器不同外其余特性基本一致。

由以上可以看出，地感線圈式車輛檢測器及視頻檢測器是較適合應用于智能停車場閘口處用于車輛檢測的，但這兩種方案均有其各自的缺點：地感線圈式車輛檢測器施工、維護困難，對路面破壞大，并且隨著人力成本的提高該方案的缺點會進一步放大；視頻檢測器受天氣影響大，整個系統的搭建復雜，系統成本高。基于檢測準確性、安裝難易程度、維護成本以及智能停車系統應用的特點等方面考慮，我們需要找到一種成本方面有優勢又能準確檢測智能停車場閘口處的進出車輛的檢測器。

地磁與超聲復合式檢測器系統設計

概述

地磁檢測是一種新型的車輛檢測技術，一般使用異向性磁阻傳感器(anisotropic magneto resistive)，以下簡稱 AMR 傳感器，該傳感器最適合工作在地球磁場范圍內。現有的 AMR 傳感器可以很好地感測地磁場范圍內的磁場(低于1高斯)。傳感器可用來檢測一些鐵磁性物體如飛機、火車、汽車。其它應用包括磁羅盤、旋轉位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實景中的頭部軌跡跟蹤。

超聲波檢測器是一種已經廣泛應用于汽車倒車雷達的檢測技術。超聲波車輛檢測由超聲波發射單元和檢測單元組成，利用超聲波發射到接收間的時間差可以計算是否車輛通過、車輛距離傳感器的距離、車輛的長度、兩車前后間距。該方法可以準確檢測低速車輛，即完全停止的車輛也可以被檢測到，但該方法仍然有一個缺點：無法分辨檢測到的物體是否是一輛車。

通過分析地磁檢測及超聲波檢測的優缺點，我們設計一種采用地磁傳感器及超聲波傳感器的車輛檢測器，這種檢測器可以綜合兩種傳感器的優點而避免單個檢測的缺點。地磁傳感器可以檢測到通過的物體是否是一輛車，超聲波傳感器可以分辨通過的車輛的距離以及兩輛車前后距離，綜合這兩個傳感器的數據可以準確計數通過的車輛。

系統組成

地磁與超聲復合式車輛檢測器主要由MCU、地磁傳感器HMC5983、超聲波傳感器模塊、通信模塊組成。通信模塊可以使用RS-485，GPRS，WIFI，433MHz等通信方案，為了安裝、維護方便本方案使用433MHz通信，每個檢測器均有一個433MHz通信模塊，檢測器通過該模塊與網關通信，網關再通過RS-232與上位機通信。

系統工作流程：

地磁檢測的實現

本方案的使用Honeywell HMC5983測量磁場強度。Honeywell HMC5983是一個帶溫度補償的三軸集成電子羅盤，被廣泛應用在磁場檢測、手機、自動導航和個人導航設備等領域。

圖2 系統流程框圖

由于傳感器本身的檢測誤差及溫度的變化等因素，即使傳感器周圍的磁場強度為穩定的傳感器檢測到的值也會在一定范圍內波動，這樣需采用濾波算法處理采集到的磁場數據，經過實際模擬采用一階濾波算法是比較簡單有效的，也可以采用卡爾曼濾波算法。

超聲波檢測的實現

出于成本及應用場景考慮，超聲波檢測模塊采用獨立的超聲波傳感器及驅動、放大、比較電路實現該功能。超聲波檢測的原理如圖3所示。

MCU發出一串頻率為4KHz信號驅動超聲波傳感器發出超聲波信號，該信號遇到障礙物后返回，該信號后經過放大、比較后被整形為方波信號，MCU通過定時器計算發出信號到接收信號間的時間差，再使用公式：(m) t/23402/×==vtd即可計算出距離。每次測得的距離經過濾波算法可得到穩定的距離值，這里的濾波算法可以使用遞推濾波算法。

對于超聲波檢測來說，只要有物體使超聲波傳感器發出的超聲波反射回來并且檢測到則可計算出距離從而判斷傳感器前方是否有物體。該方法無法區分傳感器前方的物體是人或者是車輛等物體。

超聲波的檢測范圍為0.2m-2m，則超出該檢測范圍的物體使用該方法無法檢測。

圖3 超聲波檢測原理

檢測器的安裝要求

該檢測器具有安裝、調試方便的特點。安裝時使超聲波的發射方向與車輛的行駛方向垂直，檢測器距離地面約60cm，汽車正常行駛時距離檢測器的距離大于20cm。按如上方式安裝檢測有很好的效果。

圖4 檢測器安裝示意圖

結束語

本文介紹的地磁、超聲波復合式車輛檢測器能較近好地繼承兩種傳感器的優點，避免單個傳感器檢測造成的錯誤判斷，在智能停車場系統中應用時相對其他檢測器有安裝簡單、準確性高、價格便宜等特點。