基于地磁傳感器的車(chē)輛檢測(cè)算法研究

(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(chē)輛檢測(cè)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(lái)檢測(cè)車(chē)輛的新型設(shè)備。通過(guò)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(chē)輛檢測(cè)算法。在有軌電車(chē)路口預(yù)警系統(tǒng)定位設(shè)計(jì)中，為確保有軌電車(chē)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(chē)輛檢測(cè)的定位設(shè)計(jì)，以得到較為準(zhǔn)確的定位，由于路口車(chē)輛的多樣性和復(fù)雜性，本文提出車(chē)輛檢測(cè)算法和通過(guò)地磁傳感器的磁場(chǎng)變化量可以判斷出是有軌電車(chē)的到來(lái)還是其他車(chē)輛的到來(lái)。

地磁傳感器;車(chē)輛檢測(cè)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(chē)也在成為越來(lái)越重要的的交通工具，基于車(chē)車(chē)通信的現(xiàn)代有軌電車(chē)已經(jīng)走在了有軌電車(chē)的前沿。要實(shí)現(xiàn)基于車(chē)車(chē)通信的有軌電車(chē)控制系統(tǒng)，必須有精確的定位系統(tǒng)才能保證列車(chē)的正常運(yùn)行與調(diào)度。基于地磁的車(chē)輛檢測(cè)設(shè)計(jì)在近年來(lái)得到越來(lái)越多人的重視。基于地磁傳感器的無(wú)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(chē)定位系統(tǒng)中。現(xiàn)重點(diǎn)介紹一種基于地磁車(chē)輛檢測(cè)設(shè)計(jì)，并對(duì)其應(yīng)用做出說(shuō)明[1]。

二、檢測(cè)原理

(一)地磁傳感器

地球本身自帶0.5G左右的磁場(chǎng)強(qiáng)度，地球表面各處的地磁場(chǎng)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(chǎng)方向是水平的，而兩極附近的磁場(chǎng)方向是垂直的，地球表面的磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)矢量之間的夾角為函數(shù)關(guān)系。外部磁場(chǎng)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(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化的大小來(lái)判斷是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò)。

(二)車(chē)輛檢測(cè)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(chē)輛經(jīng)過(guò)，磁場(chǎng)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(guò)運(yùn)放進(jìn)行放大后送入MCU12位AD進(jìn)行量化。MCU通過(guò)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(guò)I/O口與2.4GHz無(wú)線收發(fā)模塊通信，最后通過(guò)無(wú)線與有軌電車(chē)車(chē)載終端通信[3]。

三、車(chē)輛檢測(cè)

(一)基線采集

基線采集的主要設(shè)計(jì)思路是：在無(wú)車(chē)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(lái)車(chē)判斷算法

車(chē)輛檢測(cè)是傳感器設(shè)計(jì)的核心，MCU通過(guò)AD采樣獲取環(huán)境磁場(chǎng)的平均值，即基線值[5]。作為車(chē)輛判斷的基礎(chǔ)，當(dāng)有車(chē)輛通過(guò)傳感器上方會(huì)引起一個(gè)相對(duì)于環(huán)境磁場(chǎng)基線值變化很大的磁場(chǎng)擾動(dòng)，通過(guò)AD采樣獲取磁場(chǎng)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(mén)限，默認(rèn)值為35)來(lái)判斷是否有車(chē)。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)基線緩慢變化是正常現(xiàn)象(基線獲取方法在后文中詳細(xì)闡述)。當(dāng)磁場(chǎng)變化與基線差值超過(guò)事先設(shè)定的范圍時(shí)(默認(rèn)值為35)，可以作為車(chē)輛檢測(cè)的判決條件之一。

一輛車(chē)通過(guò)傳感器的判決過(guò)程：磁場(chǎng)從基線附近(±4)變化超過(guò)門(mén)限(正值)-超過(guò)門(mén)限(負(fù)值)-磁場(chǎng)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(chē)，正向通過(guò)傳感器上方的磁場(chǎng)變化過(guò)程及軟件判決過(guò)程，磁場(chǎng)變化如下圖所示：

圖3 磁場(chǎng)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(lái)判斷是否有來(lái)車(chē)，如果AD采樣數(shù)據(jù)與差線的偏值大于來(lái)車(chē)判斷閾值，則判斷為有車(chē)狀態(tài)，基線從無(wú)車(chē)態(tài)跳轉(zhuǎn)到有車(chē)態(tài)需要至少1個(gè)點(diǎn)滿(mǎn)足有車(chē)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(lái)車(chē)判斷閾值，則判斷為無(wú)車(chē)狀態(tài)，從有車(chē)態(tài)跳轉(zhuǎn)到無(wú)車(chē)態(tài)至少需要連續(xù)10個(gè)點(diǎn)滿(mǎn)足無(wú)車(chē)判定條件(與基線值偏差小于等于8)[6]。來(lái)車(chē)判斷流程如圖4所示：

圖4 來(lái)車(chē)判斷流程

四、地磁傳感器參數(shù)的提取

(一)速度計(jì)算

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

因此，測(cè)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(cè)出車(chē)輛通過(guò)時(shí)的平均速度。

(二)車(chē)型識(shí)別

在車(chē)輛檢測(cè)中，不同的磁通量對(duì)地磁場(chǎng)線的影響是不同的，較小的磁鐵對(duì)地磁場(chǎng)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(chē)，貨車(chē)車(chē)軸或發(fā)動(dòng)機(jī)等所帶的磁鐵就會(huì)對(duì)周?chē)牡卮徘€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(chǎng)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(chē)定位系統(tǒng)中，為了區(qū)別是有軌電車(chē)的到來(lái)還是其他車(chē)輛的到來(lái)，我們可以根據(jù)磁場(chǎng)的變化量來(lái)進(jìn)行區(qū)分[7]。有軌電車(chē)的磁通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他車(chē)輛，所以輸出的磁場(chǎng)變化波形也與其他車(chē)輛的波形有較大區(qū)別，通過(guò)波形的比對(duì)，我們可以粗略的判斷出是否是有軌電車(chē)的到來(lái)。

五、模擬驗(yàn)證

選取有軌電車(chē)的磁通量和普通小車(chē)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(chē)磁場(chǎng)波形輸出

圖7 普通小車(chē)磁場(chǎng)波形輸出

通過(guò)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(chē)輛檢測(cè)算法可以檢測(cè)出車(chē)輛的通過(guò)。第二，普通小車(chē)的磁場(chǎng)變化波形與有軌電車(chē)的波形有較大區(qū)別，我們可以利用這點(diǎn)，將有軌電車(chē)的磁場(chǎng)變化波形作為固定模式，當(dāng)有車(chē)輛到來(lái)的時(shí)候，將待匹配的模式與已知的有軌電車(chē)模式進(jìn)行比較，計(jì)算相似度。通過(guò)相似度的高低來(lái)判斷是否是有軌電車(chē)的到來(lái)。

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

表1 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

表2 車(chē)輛檢測(cè)結(jié)果

上述數(shù)據(jù)顯示本設(shè)計(jì)提出的算法檢測(cè)車(chē)輛的準(zhǔn)確率在96%左右，可以達(dá)到車(chē)輛檢測(cè)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(chē)流量統(tǒng)計(jì)的功能。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于地磁傳感器的車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)，可以應(yīng)用于車(chē)流量的統(tǒng)計(jì)工作中，也可以應(yīng)用于有軌電車(chē)定位系統(tǒng)中。雖然本文只是通過(guò)模擬來(lái)證明能準(zhǔn)確的檢測(cè)車(chē)流量，但是在實(shí)際路測(cè)實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)也能準(zhǔn)確的檢測(cè)車(chē)流量。本文還提出了通過(guò)磁場(chǎng)波形的不同來(lái)進(jìn)行有軌電車(chē)和其他車(chē)輛的識(shí)別。下一步，將進(jìn)行有軌電車(chē)和不同車(chē)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)。