基于地磁車輛檢測(cè)器的測(cè)速系統(tǒng)研究

李 坤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引 言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主流的車輛測(cè)速系統(tǒng)主要有地感線圈測(cè)速、視頻測(cè)速、雷達(dá)測(cè)速和地磁式車輛檢測(cè)器測(cè)速[1,2].

地感線圈測(cè)速是在道路上沿著車輛前進(jìn)方向埋設(shè)兩個(gè)線圈，根據(jù)線圈間的距離和車輛經(jīng)過(guò)線圈的時(shí)間差得出速度[3]，該方法準(zhǔn)確度高，但安裝線圈時(shí)會(huì)破壞路面，且線圈壽命一般較短[4]； 視頻測(cè)速是對(duì)攝像機(jī)拍攝的圖形進(jìn)行圖像處理、目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤，從而計(jì)算出速度[5,6]，這種方式在測(cè)速的同時(shí)可以記錄車輛違章的動(dòng)態(tài)過(guò)程，記錄的信息最豐富，便于取證，缺點(diǎn)是視頻對(duì)使用環(huán)境要求很高[7]，天氣變化會(huì)大大降低測(cè)速效果； 雷達(dá)測(cè)速主要是基于多普勒效應(yīng)[8]，當(dāng)目標(biāo)物體移動(dòng)時(shí)，雷達(dá)發(fā)射的電磁波與經(jīng)過(guò)物體反射后的電磁波會(huì)有頻率上的偏移,由頻率的改變數(shù)值，計(jì)算出目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)速度[9]，雷達(dá)測(cè)速是在同一行車方向上安裝一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)同一方向上并排行駛多個(gè)車輛時(shí)，雷達(dá)測(cè)速裝置無(wú)法分辨，容易出現(xiàn)漏檢或誤檢[10,11].

地磁式車輛檢測(cè)器測(cè)速是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型測(cè)速方式，基于磁阻傳感器的車輛檢測(cè)器可以準(zhǔn)確檢測(cè)車輛的進(jìn)入和離開(kāi)，在道路中央沿著行車方向前后埋設(shè)兩個(gè)車輛檢測(cè)器，通過(guò)兩個(gè)車輛檢測(cè)器間的距離和車輛通過(guò)時(shí)的時(shí)間差，可以計(jì)算出速度[12,13]. 該地磁車輛檢測(cè)器測(cè)速系統(tǒng)體積小，成本低，安裝快捷，使用方便.

1 系統(tǒng)組成

測(cè)速系統(tǒng)主要由地磁車輛檢測(cè)器、中央控制器和應(yīng)用系統(tǒng)組成，如圖 1 所示.

圖 1 測(cè)速系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the speed measuring system

在車道中央沿著行車方向間隔一定距離一前一后埋設(shè)兩個(gè)地磁式車輛檢測(cè)器，檢測(cè)器定時(shí)檢測(cè)車輛的進(jìn)入和離開(kāi)，并實(shí)時(shí)發(fā)送給中央控制器，中央控制器根據(jù)收到的信息計(jì)算出經(jīng)過(guò)車輛的平均速度，發(fā)送給后端應(yīng)用系統(tǒng)，可用于交通信息綜合管理平臺(tái)，超速抓拍，交通誘導(dǎo)等領(lǐng)域.

2 車輛速度檢測(cè)原理

如圖 1 所示，在車道中央沿著行車方向間隔一定距離的A點(diǎn)和B點(diǎn)，分別埋設(shè)1號(hào)和2號(hào)車輛檢測(cè)器，A點(diǎn)和B點(diǎn)間距離為L(zhǎng)AB.

地磁式車輛檢測(cè)器是基于車輛經(jīng)過(guò)引起磁場(chǎng)變化的原理進(jìn)行探測(cè)車輛的，本系統(tǒng)中的車輛檢測(cè)器采用了兩兩正交的三軸磁場(chǎng)檢測(cè)，將三軸的磁場(chǎng)變化量的均方跟值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而判定有車還是無(wú)車，有車輸出1，無(wú)車輸出0，當(dāng)有狀態(tài)變化時(shí)，車輛檢測(cè)器會(huì)實(shí)時(shí)地將狀態(tài)信息發(fā)送給中央控制器.

本系統(tǒng)使用的車輛檢測(cè)器采用的是浮動(dòng)閾值自適應(yīng)車輛檢測(cè)算法，車輛檢測(cè)器共有高低兩個(gè)閾值，檢測(cè)車輛由無(wú)到有時(shí)采用的是高閾值，而檢測(cè)車輛由有到無(wú)時(shí)采用的是低閾值，采用浮動(dòng)閾值算法可以顯著提高車輛檢測(cè)的準(zhǔn)確率. 目前國(guó)內(nèi)外存在的車輛檢測(cè)器大多采用了單一的閾值，存在很大的弊端，當(dāng)單一閾值設(shè)置的較高時(shí)，容易將出租車、公交車等中間部位鐵磁物質(zhì)較少的車輛檢測(cè)成多輛，發(fā)生多檢； 當(dāng)單一閾值設(shè)置的較低時(shí)，容易在相鄰車道有大車經(jīng)過(guò)時(shí)誤觸發(fā)，產(chǎn)生多檢，或者在前后跟車很近時(shí)將其檢測(cè)成一輛，產(chǎn)生漏檢.

圖 2 某出租車經(jīng)過(guò)雙檢測(cè)器時(shí)的信號(hào)示意圖Fig.2 Signal diagram of a taxi passing through a double detector

圖 2 為某出租車經(jīng)過(guò)雙檢測(cè)器時(shí)的信號(hào)示意圖，車輛檢測(cè)器的高閾值為閾值1，低閾值為閾值2. 1號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)到車輛進(jìn)入時(shí)刻為t1進(jìn)，車輛離開(kāi)時(shí)刻為t1離，2號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)到車輛進(jìn)入時(shí)刻為t2進(jìn)，車輛離開(kāi)時(shí)刻為t2離. 由此可得車輛進(jìn)入的時(shí)間差為式(1)，車輛進(jìn)入的平均速度為式(2).

Δt進(jìn)=t2進(jìn)-t1進(jìn),(1)

同理，車輛離開(kāi)的時(shí)間差為式(3)，車輛離開(kāi)的平均速度為式(4).

Δt離=t2離-t1離,(3)

平均速度為

(5)

檢測(cè)器為了記錄車輛進(jìn)入和離開(kāi)的時(shí)刻需要有高精度的時(shí)鐘芯片，本系統(tǒng)中的車輛檢測(cè)器為了實(shí)現(xiàn)低功耗和節(jié)約硬件資源，沒(méi)有使用時(shí)鐘芯片，而以中央控制器內(nèi)的高速定時(shí)器為時(shí)間基準(zhǔn)，檢測(cè)器實(shí)時(shí)地將車輛進(jìn)入和離開(kāi)信息發(fā)送給中央控制器，中央控制器接收到1號(hào)檢測(cè)器發(fā)送的車輛進(jìn)入信息后啟動(dòng)計(jì)數(shù)器1開(kāi)始計(jì)數(shù)，接收到1號(hào)檢測(cè)器發(fā)送的車輛離開(kāi)信息后啟動(dòng)計(jì)數(shù)器2開(kāi)始計(jì)數(shù)，接收到2號(hào)檢測(cè)器發(fā)送的車輛進(jìn)入信息后計(jì)數(shù)器1結(jié)束計(jì)數(shù)，接收到2號(hào)檢測(cè)器發(fā)送的車輛離開(kāi)信息后計(jì)數(shù)器2結(jié)束計(jì)數(shù)，這樣同樣可以得到車輛進(jìn)入和離開(kāi)的時(shí)間差.

3 算法研究與實(shí)現(xiàn)

車輛進(jìn)入的時(shí)間差和離開(kāi)的時(shí)間差以及車速計(jì)算均在中央控制器端上進(jìn)行. 車速檢測(cè)算法如圖 3 所示.

圖 3 車速檢測(cè)算法流程圖Fig.3 Vehicle speed detection algorithm flow chart

4 試驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

4.1 測(cè)速試驗(yàn)

測(cè)速試驗(yàn)中同時(shí)部署了兩組測(cè)速系統(tǒng)，每組測(cè)速系統(tǒng)中前后車輛檢測(cè)器的間隔為6 m，車輛檢測(cè)器采樣頻率為10 Hz.

測(cè)速試驗(yàn)的實(shí)際車速、測(cè)量車速和誤差見(jiàn)表 1，其中實(shí)際車速為車輛儀表盤上顯示的車速. 兩組測(cè)速系統(tǒng)，共42組測(cè)試數(shù)據(jù)，最大誤差為23.33%，誤差絕對(duì)值的平均值為5.49%，最大誤差較大，平均絕對(duì)誤差較小.

表 1 測(cè)速試驗(yàn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)

4.2 超速抓拍試驗(yàn)

超速抓拍試驗(yàn)中部署了一組測(cè)速系統(tǒng)，前后車輛檢測(cè)器間隔為6 m，采樣頻率10 Hz，當(dāng)車速超過(guò)60 km/h時(shí)，啟動(dòng)高清相機(jī)進(jìn)行抓拍. 測(cè)試車輛速度約為70 km/h，如圖 4 所示.

圖 4 超速抓拍測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Speed capture test site

進(jìn)行了多組超速抓拍試驗(yàn)，每次均能正常啟動(dòng)抓拍，如圖 5 所示. 但從圖 5 中可以看出抓拍的位置不同，一致性有待提高.

圖 5 超速抓拍結(jié)果Fig.5 Result of Speed capture

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)速試驗(yàn)和超速抓拍試驗(yàn)可以看出，該車輛測(cè)速系統(tǒng)的精度有待提高. 通過(guò)深入分析檢測(cè)原理可以發(fā)現(xiàn)影響測(cè)速精度的主要因素包括：車輛檢測(cè)器靈敏度、車輛檢測(cè)器采樣頻率、車輛檢測(cè)器到中央控制器的無(wú)線信號(hào)傳輸延時(shí)和兩個(gè)車輛檢測(cè)器之間的距離.

4.3.1 車輛檢測(cè)器靈敏度

(6)

理想的進(jìn)入平均速度、離開(kāi)平均速度分別為

(8)

平均速度為

由此可見(jiàn)，車輛傳感器所使用的磁阻傳感器的靈敏度差異以及安裝的方向高度等差異都會(huì)帶來(lái)測(cè)速的誤差. 為了提高測(cè)速精度，應(yīng)盡量選擇一致性好的磁阻傳感器，車輛檢測(cè)器安裝的方向和高度也應(yīng)盡量一致.

4.3.2 車輛檢測(cè)器采樣頻率

(11)

理想的進(jìn)入平均速度、離開(kāi)平均速度分別為

(13)

平均速度為

偏差影響因子在-1到1的范圍內(nèi)是隨機(jī)的，由式(15)可見(jiàn)采樣頻率越大，誤差越小. 為了提高測(cè)速精度，應(yīng)提高采樣頻率.

4.4 改進(jìn)措施

由4.3.2的分析可知，為了提高測(cè)速精度，應(yīng)盡量選擇一致性好的磁阻傳感器，車輛檢測(cè)器安裝的方向和高度也應(yīng)盡量一致，車輛檢測(cè)器的采樣頻率也應(yīng)盡量高. 為了避免無(wú)線信號(hào)傳輸上的延時(shí)差異造成的測(cè)速誤差，可在每個(gè)車輛檢測(cè)器上設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，并定期進(jìn)行時(shí)鐘同步[7]，車輛檢測(cè)器發(fā)送給中央控制器的信號(hào)自帶時(shí)間信息，由式(1)和式(3)確定進(jìn)入時(shí)差和離開(kāi)時(shí)差. 此外，增加A,B點(diǎn)間的距離，也能減小靈敏度和采樣頻率帶來(lái)的誤差.

5 結(jié) 論

本文研究了基于地磁車輛檢測(cè)器的測(cè)速系統(tǒng)，與當(dāng)前存在的其他常用測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，明確了基于地磁車輛檢測(cè)器的測(cè)速系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，并進(jìn)行了測(cè)速試驗(yàn)和超速抓拍試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該測(cè)速系統(tǒng)的有效性，通過(guò)對(duì)測(cè)速誤差進(jìn)行理論分析，提出了改進(jìn)措施，下一步研究工作將是提高測(cè)速精度，使該系統(tǒng)具有更大的應(yīng)用價(jià)值.