地磁、超聲波復(fù)合式車輛檢測器在智能停車場的應(yīng)用

文/張瑞斌 李敏

引言

隨著現(xiàn)如今經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，小汽車保有量的持續(xù)增加，智能停車場的概念已經(jīng)在我國各大小城市悄然興起，車輛檢測器作為交通信息采集的一個(gè)重要組成部分，越來越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。車輛檢測器以機(jī)動(dòng)車輛為檢測目標(biāo)，檢測車輛的通過或存在狀況等數(shù)據(jù)，為智能交通控制系統(tǒng)提供足夠的信息以便進(jìn)行最優(yōu)的控制。針對智能停車場的應(yīng)用，本文介紹了一種利用地磁、超聲波融合檢測的車輛檢測器，該檢測器可以簡單有效地檢測、統(tǒng)計(jì)進(jìn)出停車場的數(shù)量，根據(jù)總停車位數(shù)量可以計(jì)算出剩余停車位的數(shù)量。

停車場閘口車輛檢測的特點(diǎn)

圖1 停車場出入口示意圖

車輛進(jìn)出停車場時(shí)一般有如下特點(diǎn)：車速慢，并且速不均勻；兩車的前后間距小，間距有可能小于50cm；每個(gè)車道均有一個(gè)閘機(jī)。

現(xiàn)已安裝使用的停車場閘口一般使用人工控制閘機(jī)或者使用地感線圈式車輛檢測器控制閘機(jī)。人工控制閘機(jī)無法及時(shí)統(tǒng)計(jì)進(jìn)出停車場車輛的數(shù)量及停車場中已停放車輛的數(shù)量；地感線圈式車輛檢測器在停車場系統(tǒng)中一般只用作閘機(jī)的抬桿與落桿，其無法用來統(tǒng)計(jì)進(jìn)出車輛的數(shù)量。

車輛檢測技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)行的停車場系統(tǒng)中的車輛檢測器種類較多，主要有地感線圈式車輛檢測器、微波雷達(dá)車輛檢測器、視頻車輛檢測器、紅外車輛檢測器、地磁車輛檢測器、超聲波車輛檢測器等。

地感線圈式車輛檢測器是目前交通領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、準(zhǔn)確率最高的檢測器。該技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，具有成本低、有良好的實(shí)用性與廣泛的應(yīng)用性等特點(diǎn)，但安裝及維護(hù)時(shí)需破壞路面，施工難度大。

微波雷達(dá)式車輛檢測器是利用微波的多普勒效應(yīng)或反射原理測量車輛的速度、距離的一種檢測方式。該檢測技術(shù)用于高速路檢測車流，但對于智能停車場系統(tǒng)中的慢速車流該檢測方式無法有效測量。

視頻檢測器是通過視頻攝像機(jī)作為前端傳感器，通過在攝像機(jī)采集視頻圖像上設(shè)置檢測區(qū)域，當(dāng)車輛進(jìn)入虛擬檢測區(qū)時(shí)使圖像背景灰度值發(fā)生變化，經(jīng)過處理器處理，判斷出車輛的存在，并以此檢測車輛的流量和速度等交通參數(shù)。該檢測方式極易受天氣、光線影響，并且檢測系統(tǒng)成本較高。

紅外車輛檢測器分為主動(dòng)式與被動(dòng)式兩類。被動(dòng)式車輛檢測器只能在其檢測范圍內(nèi)的檢測出車輛停止情形及車流量。主動(dòng)式車輛檢測器除攝影技術(shù)與圖像式車輛檢測器不同外其余特性基本一致。

由以上可以看出，地感線圈式車輛檢測器及視頻檢測器是較適合應(yīng)用于智能停車場閘口處用于車輛檢測的，但這兩種方案均有其各自的缺點(diǎn)：地感線圈式車輛檢測器施工、維護(hù)困難，對路面破壞大，并且隨著人力成本的提高該方案的缺點(diǎn)會(huì)進(jìn)一步放大；視頻檢測器受天氣影響大，整個(gè)系統(tǒng)的搭建復(fù)雜，系統(tǒng)成本高。基于檢測準(zhǔn)確性、安裝難易程度、維護(hù)成本以及智能停車系統(tǒng)應(yīng)用的特點(diǎn)等方面考慮，我們需要找到一種成本方面有優(yōu)勢又能準(zhǔn)確檢測智能停車場閘口處的進(jìn)出車輛的檢測器。

地磁與超聲復(fù)合式檢測器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

概述

地磁檢測是一種新型的車輛檢測技術(shù)，一般使用異向性磁阻傳感器(anisotropic magneto resistive)，以下簡稱 AMR 傳感器，該傳感器最適合工作在地球磁場范圍內(nèi)?，F(xiàn)有的 AMR 傳感器可以很好地感測地磁場范圍內(nèi)的磁場(低于1高斯)。傳感器可用來檢測一些鐵磁性物體如飛機(jī)、火車、汽車。其它應(yīng)用包括磁羅盤、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實(shí)景中的頭部軌跡跟蹤。

超聲波檢測器是一種已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車倒車?yán)走_(dá)的檢測技術(shù)。超聲波車輛檢測由超聲波發(fā)射單元和檢測單元組成，利用超聲波發(fā)射到接收間的時(shí)間差可以計(jì)算是否車輛通過、車輛距離傳感器的距離、車輛的長度、兩車前后間距。該方法可以準(zhǔn)確檢測低速車輛，即完全停止的車輛也可以被檢測到，但該方法仍然有一個(gè)缺點(diǎn)：無法分辨檢測到的物體是否是一輛車。

通過分析地磁檢測及超聲波檢測的優(yōu)缺點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)一種采用地磁傳感器及超聲波傳感器的車輛檢測器，這種檢測器可以綜合兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)而避免單個(gè)檢測的缺點(diǎn)。地磁傳感器可以檢測到通過的物體是否是一輛車，超聲波傳感器可以分辨通過的車輛的距離以及兩輛車前后距離，綜合這兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確計(jì)數(shù)通過的車輛。

系統(tǒng)組成

地磁與超聲復(fù)合式車輛檢測器主要由MCU、地磁傳感器HMC5983、超聲波傳感器模塊、通信模塊組成。通信模塊可以使用RS-485，GPRS，WIFI，433MHz等通信方案，為了安裝、維護(hù)方便本方案使用433MHz通信，每個(gè)檢測器均有一個(gè)433MHz通信模塊，檢測器通過該模塊與網(wǎng)關(guān)通信，網(wǎng)關(guān)再通過RS-232與上位機(jī)通信。

系統(tǒng)工作流程：

地磁檢測的實(shí)現(xiàn)

本方案的使用Honeywell HMC5983測量磁場強(qiáng)度。Honeywell HMC5983是一個(gè)帶溫度補(bǔ)償?shù)娜S集成電子羅盤，被廣泛應(yīng)用在磁場檢測、手機(jī)、自動(dòng)導(dǎo)航和個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備等領(lǐng)域。

圖2 系統(tǒng)流程框圖

由于傳感器本身的檢測誤差及溫度的變化等因素，即使傳感器周圍的磁場強(qiáng)度為穩(wěn)定的傳感器檢測到的值也會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，這樣需采用濾波算法處理采集到的磁場數(shù)據(jù)，經(jīng)過實(shí)際模擬采用一階濾波算法是比較簡單有效的，也可以采用卡爾曼濾波算法。

超聲波檢測的實(shí)現(xiàn)

出于成本及應(yīng)用場景考慮，超聲波檢測模塊采用獨(dú)立的超聲波傳感器及驅(qū)動(dòng)、放大、比較電路實(shí)現(xiàn)該功能。超聲波檢測的原理如圖3所示。

MCU發(fā)出一串頻率為4KHz信號驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)出超聲波信號，該信號遇到障礙物后返回，該信號后經(jīng)過放大、比較后被整形為方波信號，MCU通過定時(shí)器計(jì)算發(fā)出信號到接收信號間的時(shí)間差，再使用公式：(m) t/23402/×==vtd即可計(jì)算出距離。每次測得的距離經(jīng)過濾波算法可得到穩(wěn)定的距離值，這里的濾波算法可以使用遞推濾波算法。

對于超聲波檢測來說，只要有物體使超聲波傳感器發(fā)出的超聲波反射回來并且檢測到則可計(jì)算出距離從而判斷傳感器前方是否有物體。該方法無法區(qū)分傳感器前方的物體是人或者是車輛等物體。

超聲波的檢測范圍為0.2m-2m，則超出該檢測范圍的物體使用該方法無法檢測。

圖3 超聲波檢測原理

檢測器的安裝要求

該檢測器具有安裝、調(diào)試方便的特點(diǎn)。安裝時(shí)使超聲波的發(fā)射方向與車輛的行駛方向垂直，檢測器距離地面約60cm，汽車正常行駛時(shí)距離檢測器的距離大于20cm。按如上方式安裝檢測有很好的效果。

圖4 檢測器安裝示意圖

結(jié)束語

本文介紹的地磁、超聲波復(fù)合式車輛檢測器能較近好地繼承兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，避免單個(gè)傳感器檢測造成的錯(cuò)誤判斷，在智能停車場系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)相對其他檢測器有安裝簡單、準(zhǔn)確性高、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。