基于地磁車(chē)輛檢測(cè)技術(shù)研究

謝白楊，李廣亮，楊志愷

(1.杭州電子科技大學(xué)科技處，浙江杭州310018;2.杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江 杭州310018)

0 引言

如何有效檢測(cè)道路行駛車(chē)輛的實(shí)際情況，是實(shí)現(xiàn)智能交通的核心技術(shù)之一。在應(yīng)用中利用地感線圈進(jìn)行車(chē)輛的檢測(cè)時(shí)要首先設(shè)計(jì)出振蕩電路。當(dāng)有大型金屬物體如汽車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，由于空間介質(zhì)發(fā)生變化，電路的振蕩頻率也產(chǎn)生相應(yīng)變化(有金屬物體時(shí)振蕩頻率升高)，這個(gè)變化就作為汽車(chē)經(jīng)過(guò)“地感線圈”的證實(shí)信號(hào)。關(guān)鍵技術(shù)是要設(shè)計(jì)出的振蕩器穩(wěn)定可靠并且要在車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)頻率變化明顯［1］。在利用微波進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)器在扇形區(qū)域內(nèi)發(fā)射連續(xù)的低功率調(diào)制微波。當(dāng)有車(chē)輛駛?cè)霗z測(cè)區(qū)域時(shí)，發(fā)射的微波得到反射。通過(guò)計(jì)算出射波和反射波的時(shí)間差，便可得知車(chē)輛的速度，車(chē)長(zhǎng)等信息。微波探測(cè)器在惡劣條件情況下，仍能保證較高的檢測(cè)準(zhǔn)確性，但是檢測(cè)器安裝和調(diào)試精度要求較高，且當(dāng)?shù)缆分虚g有鐵質(zhì)分隔帶時(shí)，檢測(cè)精度影響較大［2］。同樣的利用超聲車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)［3］，還有紅外檢測(cè)系統(tǒng)［4，5］。本文提出基于磁場(chǎng)方式的車(chē)輛檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)本技術(shù)提出多狀態(tài)閥值自適應(yīng)算法，最終實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的實(shí)時(shí)性檢測(cè)。

1 基于地磁的車(chē)輛檢測(cè)原理

車(chē)輛各部件主要由鐵磁物質(zhì)構(gòu)成，理論研究中可以將其簡(jiǎn)化為雙極性磁鐵的模型。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入地磁場(chǎng)時(shí)，其周?chē)拇艌?chǎng)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。

沿地面方向建立X-Y坐標(biāo)系，垂直分量Z垂直于坐標(biāo)系。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)車(chē)輛長(zhǎng)度為d，θ車(chē)輛主軸與X方向的夾角，r為車(chē)輛中心位置，r1、r2為車(chē)頭與車(chē)尾位置，車(chē)輛以速度v0行駛，當(dāng)車(chē)輛行駛到位置r時(shí)，X，Y軸磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式為:

2 基于總磁場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)算法

實(shí)際情況時(shí)，由于車(chē)輛不是理想的雙極性磁鐵模型，以及檢測(cè)時(shí)干擾的存在，實(shí)際波形與理想狀態(tài)有很大的差異。車(chē)輛以5km/h和40km/h的速度通過(guò)時(shí)的實(shí)測(cè)波形分別如圖1、2所示。圖1、2中各個(gè)圖形分別表示車(chē)輛以5km/h和40km/h速度通過(guò)時(shí)X軸、Y軸、Z軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度以及總磁感應(yīng)強(qiáng)度B的波形圖。從響應(yīng)波形可以看到，從響應(yīng)峰值閾值可以大概判斷有沒(méi)有車(chē)輛通過(guò)，但由于干擾信號(hào)存在，波形可能形成多個(gè)峰值，從而造成誤判。

圖1 車(chē)速5km/h各個(gè)坐標(biāo)軸磁感應(yīng)波形圖

圖2 車(chē)速40km/h各個(gè)坐標(biāo)軸磁感應(yīng)波形圖

基于此提出多狀態(tài)閥值自適應(yīng)算法，來(lái)提供車(chē)輛判斷的精度。在此算法中，將車(chē)輛檢測(cè)過(guò)程分為以下4個(gè)狀態(tài):

(1)無(wú)車(chē)。無(wú)車(chē)輛經(jīng)過(guò)，背景磁場(chǎng)在基值附近;

(2)疑似。磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生了較明顯的變化，有疑似擾動(dòng)波形產(chǎn)生;

(3)確認(rèn)。對(duì)本狀態(tài)維持時(shí)間t進(jìn)行計(jì)量;

(4)評(píng)測(cè)輸出。系統(tǒng)對(duì)本次檢測(cè)周期Ti進(jìn)行計(jì)算，并與一般持續(xù)時(shí)間T(經(jīng)驗(yàn)值)進(jìn)行比較。并將疑似狀態(tài)時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值與經(jīng)驗(yàn)值Bmax進(jìn)行比較。最后計(jì)算本此次檢測(cè)的可信度，并且根據(jù)可信度輸出結(jié)果。4種狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

圖3 檢測(cè)過(guò)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系

根據(jù)某次實(shí)驗(yàn)中車(chē)輛先后以5km/h、20km/h通過(guò)檢測(cè)器時(shí)的總磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線來(lái)確定算法檢測(cè)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)過(guò)程，具體過(guò)程如圖4所示。

圖4 多狀態(tài)閥值自適應(yīng)法動(dòng)態(tài)判斷過(guò)程

在本算法中，疑似閥值α是判斷有車(chē)波形產(chǎn)生的關(guān)鍵，背景磁場(chǎng)的擾動(dòng)會(huì)對(duì)其作用效果產(chǎn)生較大影響。因此α的取值不能固定不變，應(yīng)是可以根據(jù)背景基值的變化而變化。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及背景磁場(chǎng)變化緩慢這一特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)確立了一種閥值自動(dòng)更新的算法:假設(shè)現(xiàn)在為i時(shí)刻，當(dāng)系統(tǒng)處于無(wú)車(chē)狀態(tài)時(shí)，此刻的閥值α由i－1時(shí)刻的α以及平均背景磁場(chǎng)大小決定。當(dāng)系統(tǒng)跳出無(wú)車(chē)狀態(tài)，則α不進(jìn)行更新，與上一時(shí)刻等值，此做法可以排除車(chē)輛磁場(chǎng)對(duì)閥值的干擾。具體計(jì)算公式如下:

式中，k為遺忘因子，本實(shí)驗(yàn)中取0.6。x(i)為無(wú)車(chē)狀態(tài)下的磁場(chǎng)強(qiáng)度，i大于等于2。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中速度從5km/h和40km/h，隨機(jī)抽取500組進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)的速度非常快并且該算法始終表現(xiàn)出較高精度，準(zhǔn)確率為98%。說(shuō)明該算法的實(shí)時(shí)性非常強(qiáng)，精確度非常高。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)實(shí)際道路車(chē)輛行駛情況，通過(guò)車(chē)輛的磁感應(yīng)曲線判斷車(chē)輛狀態(tài)是一種檢測(cè)車(chē)輛的有效方法。本文提出了多狀態(tài)閥值自適應(yīng)法主要通過(guò)比較總磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，是一種基于預(yù)值的判斷。此算法計(jì)算量小，對(duì)CPU運(yùn)算能力要求較低，可進(jìn)行實(shí)時(shí)的道路信息輸出。本算法只適用于確定車(chē)輛從檢測(cè)器正上方通過(guò)的情況，且只能單一地對(duì)車(chē)輛有無(wú)進(jìn)行判斷，不能獲取其他更多交通信息。因此在接下來(lái)的研究中要尋求更加全面的檢測(cè)方法。

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