基于地磁技术的车辆检测传感器_杨志恺

1 r31
+
1 r32
（ 5）
收稿日期： 2012 － 07 － 20 作者简介： 杨志恺（ 1987 － ） ，男，浙江杭州人，在读研究生，检测技术与自动化装置．
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杭州电子科技大学学报
2012 年
图 1 车辆周围磁场的磁偶极子模型
由式 4、5 可知，磁偶极子在原点处的磁场强度会随着其所在位置不同而有规律变化。且不同的磁 偶极子，因为 qm的大小不同，在原点处的磁场大小也会不同。根据此原理，可通过检测车辆行驶时的磁 感应强度来获取交通流信息。
［2］ 史元超． 基于信息传感器的交通状态获取技术的研究［D］． 北京： 北京交通大学，2009： 3 － 6． ［3］ MiltonMills． Magnetic Gradient Vehicle Detector［C］． Cleveland： Proceedings Of the 24th IEEE Vehicular Technology Con-
第 32 卷第 5 期 2012 年 10 月
杭州电子科技大学学报
Journal of Hangzhou Dia源自文库zi University
doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 9146． 2012． 05 － 068
Vol． 32，No． 5 Oct． 2012
基于地磁技术的车辆检测传感器
值。因此，可通过设定阀值 α 确定车辆是否通过：
{1
y（ n） = 0
s（ n） ≥α s（ n） ＜ α
（ 8）
式中，s（ n） 为经过处理后的时间序列。α 为阀值。y（ n） = 1 时表示有车，为 0 时表示无车。
行驶方向判断： 假设 1 号，2 号传感器平行于道路方向，由南向北摆放。若 1 号先于 2 号到达阀值，
杨志恺，杨成忠，张 君，李佳骏
( 杭州电子科技大学自动化学院，浙江 杭州 310018)
摘要： 利用车辆对地磁场的扰动，设计基于地磁技术的车辆检测传感器。该文简单描述了基于地
磁技术的车辆检测原理，介绍了传感器的硬件结构，确定了车辆检测的算法，并对实验结果进行了
深入分析。道路实验表明： 该设计能够判断车辆的存在，车速以及行驶方向，具有一定的准确性和
驾驶车辆以 20km / h 的速度由南向北从两台传感器的正上方驶过。采样数据存储于计算机，经整 理后导入 Matlab 软件进行仿真。根据式 6、7 并选取 M = 10，对数据进行处理后得到 1 号传感器和 2 号 传感器的磁感应强度波形如图 3，4 所示：
图 3 1 号传感器磁场强度曲线
图 4 2 号传感器磁场强度曲线
4 实验结果分析
将两台传感器保持相同敏感轴方向，平行于道路，由南向北摆放。1 号在前，2 号在后，两者相距 50cm。X 敏感轴由南向北，平行于车辆行驶方向。Y 敏感轴由东向西，垂直于车辆行驶方向。Z 敏感轴 垂直于水平地面，指向空中。假设车辆以最高速 120km / h 通过传感器，车身长度为 5m，为保证扰动曲 线能被完整记 录，必 须 确 保 在 0． 15s 的 通 过 时 间 内，地 磁 信 号 被 采 样 10 次。因 此 确 定 采 样 频 率 为 100Hz。
参考文献
［1］ Lee Tsu-Tian． Research on Intelligent Transportation Systems in Taiwan［C］． Kunming： Proceedings Of the 27th Chinese Control Conference，2008： 18 － 19．
将车辆看作两个相距 L 远的点电荷 － qm、+ qm。其中，L = 2d。磁场传感器位于坐标轴原点。为了简化 分析，假设车辆在运动时，点电荷模型的相对位置保持不变。此时，磁偶极子在原点处的磁场强度：
( ) B
=
u 4
qm
r1 r31
－
r2 r32
（ 1）
r1 = x^ （ x + dcosθ） + y^ （ y － dsinθ）
为了去除每台传感器间因灵敏度不同造成的系统误差，必须对 3 轴数据进行归一化处理：
S（ n）
= X（ n） － Xmin（ n） Xmax （ n） － Xmin （ n）
（ 7）
式中，xn 表示原始数据，S（ n） 表示归一化后的数据。 车辆有无判断： 由第二节检测原理可知，车辆经过传感器时会在正反向产生一个绝对值相同的极
试验中，暂取阀值 α = 1． 1。根据式 8，当 s（ n） α 时，y（ n） = 1。此时，输出有车信号。 由图 3 可知 1 号传感器到达阀值的时间序列点为 590，由图 4 可知 2 号传感器到达阀值的时间序列
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杭州电子科技大学学报
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点为
600。根据式
9，确定
N
= 10，f采样频率
geomagnetic technology． This paper briefly describes the principle of vehicle detection based on geomagnetic technology，introduces the hardware structure of the sensor，determines the algorithm and analysis the experimental results in-depth． The results of experiments demonstrate that this vehicle detection can determine the presence of vehicle and their driving directions，and estimate their speed． This vehicle detector has certain accuracy and practicality． Key words： geomagnetic technology； vehicle detection； intelligent transportation system
则说明车辆是由南向北行驶。反之，车辆由北向南行驶。
车辆速度计算： 将两传感器竖直摆放，使敏感轴方向相同。车辆先后通过两台传感器。由于采样频
率是确定的，只需确定两传感器到达阀值之间的时间序列的点数便可确定车速：
Vcar
=
N
L × 1 / f采样频率
（ 9）
式中，L 为两传感器间的距离。N 为两阀值间的时间序列点数。f采样频率表示传感器的采样频率。
= 100Hz，L
= 0．
5m。此时，Vcar
=
10
0． 5 × 1 /100
=
18km / h。所测结
果与实际速度基本符合。
由于 1 号传感器先于 2 号到达阀值，因此可判断车辆行驶方向为由南向北。
5 结束语
本文所设计的基于地磁技术的车辆检测传感器可以准确记录下车辆行驶过程中对地磁的扰动，并 根据相应算法获得车辆的存在，速度，行驶方向等一系列交通道路信息。经实验证明，本设计具有一定 的检测精度。但在实际应用中，因车辆检测阀值 α 的确定是影响车检精度的关键，而此阀值需根据不 同环境进行相应调整，故后续有待建立一套更为完整的算法来对 α 进行定量的研究，使其做到自适应 调整。
（ School of Automation，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou Zhejiang 310018，China） Abstract： Using of the vehicles on the geomagnetic field disturbance，designed a vehicle detection based on
图 2 传感器结构框图
3 基于磁感应强度车辆检测算法的实现
由于地磁信号微弱且易受干扰，故采用滑动滤波对数据进行平滑处理：
f（ n）
∑ =
1 n
n
xn
n =1
1
{ ∑ 2M +
1k
M
X（
= －M
n_k）
n＜k n≥k
（ 6）
第5 期
杨志恺等： 基于地磁技术的车辆检测传感器
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式中，xn 表示原始信号的抽样序列，f（ n） 是处理后的信号序列。M 是窗口长度，取值随外界条件 而定。
ference，1974： 91 － 95． ［4］ 徐文耀． 地磁学［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
2 车辆检测传感器硬件设计
如图 2 所示： 当车辆进入检测范围内，3 轴 TMR 磁阻传感器会将 3 个分量的地磁场信号转化成电 压输出，电压经运放放大后输入 AD 转换器。最终，地磁场信号以数字量的形式输入单片机。单片机首 先对数据进行校正，滤波等预处理。最后，根据预设算法，对输入的 AD 码进行分析，获得一系列道路车 辆信息。二总线接口电路负责信号以及电力的传输。
Engineering． FAMU － FSU College of Engineering，1997： 3 839 － 3 840．
Geomagnetism-based Vehicle Detector
YANG Zhi-kai，YANG Cheng-zhong，ZHANG Jun，LI Jia-jun
1 地磁车辆检测原理
地球表面存在着大小约为 0． 6Gs，且在一定范围内相当稳定的磁场［4］。汽车作为一种大型的铁磁
物体，可以看作一个双极性磁铁的模型。车辆周围的磁感应强度因为车辆自身磁场与地磁场相互作用 而产生有规律变化。简单来说，车辆周围的混合磁场可以建立成一个磁偶极子的模型［5］。如图 1 所示，
实用性。
关键词： 地磁技术； 车辆检测； 智能交通
中图分类号： TP274 + ． 2
文献标识码： A
文章编号： 1001 － 9146（ 2012） 05 － 0261 － 04
0引言
智能交通系统最基础并且最重要的环节就是车辆检测传感器［1］。国内外，车辆检测传感器的种类 大致相同，多数采用环形线圈作为检测原件。此类传感器受工作方式影响，线圈容易损坏，且安装成本 较高［2］。地磁检测技术早在 70 年代初期就开始应用于车辆检测。但由于当时磁场传感器的检测精度 不高，此方法始终没有得到长足发展［3］。如今，随着高精度磁场传感器的诞生，地磁检测技术将足以完 成车辆检测的工作。本文选用 TMR 磁场传感器，设计了一种安装简便，精度较高的车辆检测传感器。
（ 2）
r2 = x^ （ x － dcosθ） + y^ （ y + dsinθ）
（ 3）
将式 2、3 代入式 1 中得：
[ ( ) ( )] Bx
u =4
qm
x
1 r31
－
1 r32
+ dcosθ
1 r31
+
1 r32
（ 4）
[ ( ) ( )] By
u =4
qm
y
1 r31
－
1 r32
+ dsinθ