楊志愷，楊成忠，張 君，李佳駿

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018)

式中，L為兩傳感器間的距離。N為兩閥值間的時(shí)間序列點(diǎn)數(shù)。f采樣頻率表示傳感器的采樣頻率。

0 引言

智能交通系統(tǒng)最基礎(chǔ)并且最重要的環(huán)節(jié)就是車(chē)輛檢測(cè)傳感器［1］。國(guó)內(nèi)外，車(chē)輛檢測(cè)傳感器的種類(lèi)大致相同，多數(shù)采用環(huán)形線圈作為檢測(cè)原件。此類(lèi)傳感器受工作方式影響，線圈容易損壞，且安裝成本較高［2］。地磁檢測(cè)技術(shù)早在70年代初期就開(kāi)始應(yīng)用于車(chē)輛檢測(cè)。但由于當(dāng)時(shí)磁場(chǎng)傳感器的檢測(cè)精度不高，此方法始終沒(méi)有得到長(zhǎng)足發(fā)展［3］。如今，隨著高精度磁場(chǎng)傳感器的誕生，地磁檢測(cè)技術(shù)將足以完成車(chē)輛檢測(cè)的工作。本文選用TMR磁場(chǎng)傳感器，設(shè)計(jì)了一種安裝簡(jiǎn)便，精度較高的車(chē)輛檢測(cè)傳感器。

1 地磁車(chē)輛檢測(cè)原理

地球表面存在著大小約為0.6Gs，且在一定范圍內(nèi)相當(dāng)穩(wěn)定的磁場(chǎng)［4］。汽車(chē)作為一種大型的鐵磁物體，可以看作一個(gè)雙極性磁鐵的模型。車(chē)輛周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度因?yàn)檐?chē)輛自身磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生有規(guī)律變化。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，車(chē)輛周?chē)幕旌洗艌?chǎng)可以建立成一個(gè)磁偶極子的模型［5］。如圖1所示，將車(chē)輛看作兩個(gè)相距L遠(yuǎn)的點(diǎn)電荷－qm、+qm。其中，L=2d。磁場(chǎng)傳感器位于坐標(biāo)軸原點(diǎn)。為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)車(chē)輛在運(yùn)動(dòng)時(shí)，點(diǎn)電荷模型的相對(duì)位置保持不變。此時(shí)，磁偶極子在原點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度:

將式2、3代入式1中得:

圖1 車(chē)輛周?chē)艌?chǎng)的磁偶極子模型

由式4、5可知，磁偶極子在原點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著其所在位置不同而有規(guī)律變化。且不同的磁偶極子，因?yàn)閝m的大小不同，在原點(diǎn)處的磁場(chǎng)大小也會(huì)不同。根據(jù)此原理，可通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛行駛時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)獲取交通流信息。

2 車(chē)輛檢測(cè)傳感器硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示:當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入檢測(cè)范圍內(nèi)，3軸TMR磁阻傳感器會(huì)將3個(gè)分量的地磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓輸出，電壓經(jīng)運(yùn)放放大后輸入AD轉(zhuǎn)換器。最終，地磁場(chǎng)信號(hào)以數(shù)字量的形式輸入單片機(jī)。單片機(jī)首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，濾波等預(yù)處理。最后，根據(jù)預(yù)設(shè)算法，對(duì)輸入的AD碼進(jìn)行分析，獲得一系列道路車(chē)輛信息。二總線接口電路負(fù)責(zé)信號(hào)以及電力的傳輸。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)框圖

3 基于磁感應(yīng)強(qiáng)度車(chē)輛檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)

由于地磁信號(hào)微弱且易受干擾，故采用滑動(dòng)濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理:

式中，xn表示原始信號(hào)的抽樣序列，f(n)是處理后的信號(hào)序列。M是窗口長(zhǎng)度，取值隨外界條件而定。

為了去除每臺(tái)傳感器間因靈敏度不同造成的系統(tǒng)誤差，必須對(duì)3軸數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理:

式中，xn表示原始數(shù)據(jù)，S(n)表示歸一化后的數(shù)據(jù)。

車(chē)輛有無(wú)判斷:由第二節(jié)檢測(cè)原理可知，車(chē)輛經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)會(huì)在正反向產(chǎn)生一個(gè)絕對(duì)值相同的極值。因此，可通過(guò)設(shè)定閥值α確定車(chē)輛是否通過(guò):

式中，s(n)為經(jīng)過(guò)處理后的時(shí)間序列。α為閥值。y(n)=1時(shí)表示有車(chē)，為0時(shí)表示無(wú)車(chē)。

行駛方向判斷:假設(shè)1號(hào)，2號(hào)傳感器平行于道路方向，由南向北擺放。若1號(hào)先于2號(hào)到達(dá)閥值，則說(shuō)明車(chē)輛是由南向北行駛。反之，車(chē)輛由北向南行駛。

車(chē)輛速度計(jì)算:將兩傳感器豎直擺放，使敏感軸方向相同。車(chē)輛先后通過(guò)兩臺(tái)傳感器。由于采樣頻率是確定的，只需確定兩傳感器到達(dá)閥值之間的時(shí)間序列的點(diǎn)數(shù)便可確定車(chē)速:

式中，L為兩傳感器間的距離。N為兩閥值間的時(shí)間序列點(diǎn)數(shù)。f采樣頻率表示傳感器的采樣頻率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將兩臺(tái)傳感器保持相同敏感軸方向，平行于道路，由南向北擺放。1號(hào)在前，2號(hào)在后，兩者相距50cm。X敏感軸由南向北，平行于車(chē)輛行駛方向。Y敏感軸由東向西，垂直于車(chē)輛行駛方向。Z敏感軸垂直于水平地面，指向空中。假設(shè)車(chē)輛以最高速120km/h通過(guò)傳感器，車(chē)身長(zhǎng)度為5m，為保證擾動(dòng)曲線能被完整記錄，必須確保在0.15s的通過(guò)時(shí)間內(nèi)，地磁信號(hào)被采樣10次。因此確定采樣頻率為100Hz。

駕駛車(chē)輛以20km/h的速度由南向北從兩臺(tái)傳感器的正上方駛過(guò)。采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)，經(jīng)整理后導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行仿真。根據(jù)式6、7并選取M=10，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到1號(hào)傳感器和2號(hào)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度波形如圖3，4所示:

圖3 1號(hào)傳感器磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線

圖4 2號(hào)傳感器磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線

試驗(yàn)中，暫取閥值α=1.1。根據(jù)式8，當(dāng)s(n)≥α?xí)r，y(n)=1。此時(shí)，輸出有車(chē)信號(hào)。

由于1號(hào)傳感器先于2號(hào)到達(dá)閥值，因此可判斷車(chē)輛行駛方向?yàn)橛赡舷虮薄?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于地磁技術(shù)的車(chē)輛檢測(cè)傳感器可以準(zhǔn)確記錄下車(chē)輛行駛過(guò)程中對(duì)地磁的擾動(dòng)，并根據(jù)相應(yīng)算法獲得車(chē)輛的存在，速度，行駛方向等一系列交通道路信息。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)具有一定的檢測(cè)精度。但在實(shí)際應(yīng)用中，因車(chē)輛檢測(cè)閥值α的確定是影響車(chē)檢精度的關(guān)鍵，而此閥值需根據(jù)不同環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，故后續(xù)有待建立一套更為完整的算法來(lái)對(duì)α進(jìn)行定量的研究，使其做到自適應(yīng)調(diào)整。

［1］ Lee Tsu-Tian.Research on Intelligent Transportation Systems in Taiwan［C］.Kunming:Proceedings Of the 27th Chinese Control Conference，2008:18 －19.

［2］ 史元超.基于信息傳感器的交通狀態(tài)獲取技術(shù)的研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009:3－6.

［3］ MiltonMills.Magnetic Gradient Vehicle Detector［C］.Cleveland:Proceedings Of the 24thIEEE Vehicular Technology Conference，1974:91 －95.

［4］ 徐文耀.地磁學(xué)［M］.北京:地震出版社，2003:15－21.

［5］ Kwan B W，Tung L J.Magnetoresistors For Vehicle Detection And Identification［C］.Florida:Department of Electrical Engineering.FAMU －FSU College of Engineering，1997:3 839－3 840.