磁阻傳感器HMC5883L在車(chē)輛檢測(cè)及分類中的應(yīng)用

摘 要 本文采用三軸各向異性磁阻傳感器HMC5883L設(shè)計(jì)了一種車(chē)輛檢測(cè)與車(chē)型分類系統(tǒng)，針對(duì)車(chē)輛首尾相接與大型車(chē)輛的檢測(cè)矛盾，利用磁阻傳感器三軸磁場(chǎng)信息提取車(chē)輛特征信號(hào)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行分類。該系統(tǒng)成本低、傳感器節(jié)點(diǎn)小、車(chē)輛檢測(cè)分類精度高，可廣泛用于軍事偵察及智能交通等領(lǐng)域的車(chē)輛檢測(cè)及分類。

【關(guān)鍵詞】HMC5883L 車(chē)輛檢測(cè) 車(chē)型分類

1 引言

目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)磁阻傳感器檢測(cè)車(chē)輛的原理及相關(guān)算法進(jìn)行了研究，這些研究都是基于地磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量展開(kāi)的，已提出的車(chē)輛檢測(cè)算法均沒(méi)有考慮大型車(chē)輛被判為多輛車(chē)與車(chē)輛漏檢的情況對(duì)最終車(chē)輛檢測(cè)數(shù)量的相互彌補(bǔ)，而本文要在車(chē)輛檢測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)車(chē)型進(jìn)行分類。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究多數(shù)是基于單軸或雙軸磁場(chǎng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的檢測(cè)與分類，沒(méi)有充分利用空間磁場(chǎng)信息，不能全面體現(xiàn)車(chē)輛的擾動(dòng)，導(dǎo)致車(chē)輛檢測(cè)分類精度不高、車(chē)型劃分種類少。針對(duì)車(chē)輛檢測(cè)分類的需求，采用新型三軸磁阻傳感器HMC5883L以及無(wú)線通信模塊XL02-232AP1研制了一種車(chē)輛檢測(cè)分類系統(tǒng)。

2 磁阻傳感器檢測(cè)分類車(chē)輛原理

磁阻傳感器的基礎(chǔ)器件是恵斯通電橋，組成電橋的電阻由鎳鐵合金材料制成，該電阻的阻值在一定范圍內(nèi)與磁場(chǎng)矢量變化呈線性關(guān)系。當(dāng)含鐵磁物質(zhì)的物體（ 如車(chē)輛） 經(jīng)過(guò)磁阻傳感器時(shí)，會(huì)對(duì)傳感器周?chē)牡卮艌?chǎng)造成擾動(dòng)，磁阻傳感器可以檢測(cè)出由于車(chē)輛的經(jīng)過(guò)而產(chǎn)生的地磁場(chǎng)變化，不同類型的車(chē)輛包含的鐵磁性材料大小和形狀均不同，從而不同類型的車(chē)輛對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)也不同，依據(jù)這個(gè)原理可以對(duì)車(chē)輛進(jìn)行分類。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文選用一種三軸數(shù)字式磁阻傳感器HMC5883L，該傳感器采用霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術(shù)，封裝在3.0×3.0×0.9 mm LCC 表面裝配中，具有12 bit 的ADC 模塊，能在±8 高斯的磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)5 毫高斯分辨率。內(nèi)部帶有自檢功能、驅(qū)動(dòng)電路以及I2C 數(shù)字接口。該傳感器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 三軸磁場(chǎng)測(cè)量，具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、體積小、集成度高等特點(diǎn)。該傳感器在測(cè)量過(guò)程中，產(chǎn)生一次置位脈沖進(jìn)行一次測(cè)量，產(chǎn)生一次復(fù)位脈沖后再次測(cè)量，兩次測(cè)量差值的一半放置在輸出寄存器上，這樣不僅可以消除內(nèi)部偏差以及溫度漂移，還從源頭上削弱了傳感器輸出基準(zhǔn)值的漂移。

傳感器節(jié)點(diǎn)由HMC5883L磁阻傳感器及輔助電路組成。針對(duì)車(chē)輛檢測(cè)和車(chē)型分類僅使用了節(jié)點(diǎn)上的磁阻傳感器，具有低功耗特性，工作在測(cè)量模式時(shí)平均電流功耗僅為100 μA，節(jié)點(diǎn)最大能量消耗主要是在無(wú)線發(fā)送與接收數(shù)據(jù)中，平均電流功耗約為43 mA，所以應(yīng)盡可能減少發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的頻率。

4 數(shù)據(jù)采集

本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。傳感器節(jié)點(diǎn)采集車(chē)輛磁場(chǎng)信號(hào)，通過(guò)無(wú)線通信模塊XL02-232AP1將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS232 串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC 上位機(jī)。

5 車(chē)輛檢測(cè)及車(chē)型分類

現(xiàn)有的車(chē)輛檢測(cè)算法是宏觀統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)檢測(cè)出的車(chē)輛數(shù)和實(shí)際經(jīng)過(guò)的車(chē)輛數(shù)，沒(méi)有考慮車(chē)輛首尾相接的漏檢以及大型車(chē)輛誤判為多輛車(chē)的相互彌補(bǔ)，因此易得出較高的檢測(cè)精度，而本文需要在檢測(cè)出車(chē)輛的基礎(chǔ)上對(duì)車(chē)型進(jìn)行分類，而車(chē)輛漏檢以及多檢會(huì)直接影響后續(xù)的車(chē)型特征提取與車(chē)型分類，對(duì)車(chē)輛檢測(cè)提出了更高的要求。由于不同類型的車(chē)輛鐵磁性材料以及結(jié)構(gòu)不同，從而對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)也會(huì)不同，傳感器檢測(cè)到的車(chē)輛磁場(chǎng)波形也不同，而同一類型的車(chē)輛對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)大致相同，因此不同波形的特征間接表現(xiàn)出車(chē)輛的類型，波形特征提取的優(yōu)劣直接影響車(chē)型分類精度，良好的特征應(yīng)具有4 個(gè)特點(diǎn)：可區(qū)別性（ 不同類特征值有明顯差異） 、可靠性（ 重復(fù)性好）、獨(dú)立性（ 各特征之間應(yīng)彼此不相干） 、數(shù)量少（ 特征向量的維數(shù)決定了模式檢測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度） 。

本文在賈寧等人提出的將原始車(chē)輛磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量信號(hào)處理后直接作為特征向量的特征提取方法基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了向量維數(shù)歸一化算法，并且待分析信號(hào)選擇信息量更豐富的X、Y、Z 三軸磁場(chǎng)信號(hào)對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定最佳分類數(shù)量為5，參考中國(guó)汽車(chē)分類標(biāo)準(zhǔn)（ GB 9417—89） 得知這五類分別代表了微型轎車(chē)、中高型轎車(chē)、公交車(chē)、摩托車(chē)以及城市SUV（ 測(cè)試地點(diǎn)沒(méi)有卡車(chē)、大卡車(chē)、牽引車(chē)、掛車(chē)等） 。

6 結(jié)論

使用新型磁阻傳感器HMC5883L對(duì)車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)和分類，獲得了傳感器三軸磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以有效解決車(chē)輛首尾相接與大型車(chē)輛（ 如公交車(chē)） 檢測(cè)之間存在的矛盾，利用三軸磁場(chǎng)數(shù)據(jù)重新提取車(chē)輛磁場(chǎng)信號(hào)特征，對(duì)車(chē)型進(jìn)行分類。該車(chē)輛檢測(cè)分類系統(tǒng)可廣泛用于軍事偵察及智能交通等領(lǐng)域的車(chē)輛檢測(cè)及分類。

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作者簡(jiǎn)介

李娣娜（1982-），女，陜西省富平縣人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院講師。主要從事電子技術(shù)教學(xué)及信號(hào)處理、單片機(jī)等方面的研究。

作者單位

延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院 陜西省西安市 710100