基于單軸地磁傳感器的車(chē)輛參數(shù)檢測(cè)算法研究*

呂 鮮 戚 湧▲ 張偉斌 李千目

(1.南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210094；2.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院 南京 210094)

0 引 言

在智能交通研究中，車(chē)輛檢測(cè)是其中重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。目前，車(chē)輛檢測(cè)的主要設(shè)備有感應(yīng)線圈檢測(cè)器(ILD)、視頻攝像機(jī)以及地磁傳感器。其中，ILD因其技術(shù)簡(jiǎn)單，成本低而使用最為廣泛但I(xiàn)LD的車(chē)輛檢測(cè)靈敏度低，抗外界干擾性差，應(yīng)用于車(chē)輛感知時(shí)準(zhǔn)確率較低。視頻攝像機(jī)使用圖像處理技術(shù)分析車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)或車(chē)輛形狀來(lái)感知車(chē)輛以及進(jìn)行車(chē)型分類(lèi)，車(chē)輛檢測(cè)精度高，但成本高昂，還易受光線和惡劣天氣的影響，只應(yīng)用在重要的交通路口。地磁傳感器是通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾來(lái)感知車(chē)輛，由于其耗電量低，檢測(cè)靈敏度高，體積小巧，安裝方便，不受惡劣環(huán)境的影響，定期維護(hù)簡(jiǎn)單，可使用周期較長(zhǎng)，近年來(lái)得到廣泛的應(yīng)用。

目前，低功耗、低成本、靈敏度高的地磁傳感器是車(chē)輛檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。李希勝等[1]研發(fā)了1種由3軸AMR傳感器和信號(hào)處理電路組成的車(chē)輛檢測(cè)器，被用以測(cè)量車(chē)輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)引起周?chē)艌?chǎng)的變化，該檢測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛感知。蘇東海等[2]提出了1種基于AMR傳感器的交通流信息采集方法，使用2個(gè)地磁傳感器，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以及波形特征提取，并應(yīng)用基于閾值的車(chē)輛判別方法進(jìn)行了實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)車(chē)流量的實(shí)驗(yàn)。柴可夫等[3]提出了一種基于PLA時(shí)間序列重現(xiàn)的車(chē)輛實(shí)時(shí)檢測(cè)算法，算法減少低速行駛的大型車(chē)輛對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。聞?dòng)萚4]提出了一種基于磁偏角的車(chē)輛檢測(cè)方法，其通過(guò)測(cè)量車(chē)輛對(duì)磁偏角的擾動(dòng)大小來(lái)獲取車(chē)輛信息，并設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)機(jī)算法的車(chē)輛檢測(cè)技術(shù)并驗(yàn)證了此種算法的有效性。李云龍等[5]利用單個(gè)3軸AMR傳感器測(cè)量行駛車(chē)輛引起地球磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)強(qiáng)度值，并研究AMR檢測(cè)器的數(shù)據(jù)采集原理和波形特征向量提取方法，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)狀態(tài)機(jī)車(chē)輛檢測(cè)算法，即自適應(yīng)地更新閾值和基準(zhǔn)值。Yang 等[6]利用單個(gè)3軸的AMR傳感器采集地磁信號(hào)，采用數(shù)字濾波器進(jìn)行噪聲處理，設(shè)計(jì)基于信號(hào)方差的固定閾值算法檢測(cè)城市道路中低速擁堵條件下的車(chē)輛，通過(guò)提取波形特征進(jìn)行車(chē)型識(shí)別。李海艦等[7]使用1種多功能的地磁傳感器采集車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，先分析噪聲數(shù)據(jù)的頻率分布，然后采用低通濾波器去除噪聲，設(shè)計(jì)1種雙窗口車(chē)輛檢測(cè)算法感知車(chē)輛，最后采用8種與車(chē)速不相關(guān)的波形時(shí)域特征進(jìn)行車(chē)型分類(lèi)。

綜上，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多數(shù)集中在利用單個(gè)地磁傳感器進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)的研究，并且傳感器輸出的地磁信號(hào)數(shù)據(jù)包含無(wú)車(chē)通過(guò)時(shí)的背景噪聲數(shù)據(jù)，需要后期的數(shù)據(jù)處理提取有車(chē)輛經(jīng)過(guò)地磁節(jié)點(diǎn)的信號(hào)數(shù)據(jù)。因此，這類(lèi)持續(xù)輸出信號(hào)數(shù)據(jù)的地磁傳感器功耗大，并且利用單個(gè)地磁獲取的車(chē)輛信息有限，車(chē)輛檢測(cè)存在誤差。筆者基于自主研發(fā)的單軸地磁傳感器，研究了基于固定閾值的狀態(tài)機(jī)算法，利用2個(gè)地磁傳感器實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的準(zhǔn)確檢測(cè)，并提出感知車(chē)流量、車(chē)速、車(chē)長(zhǎng)等交通信息的方法，最后根據(jù)收集到的地磁數(shù)據(jù)，探索分析磁場(chǎng)能量與車(chē)速、車(chē)長(zhǎng)的相關(guān)性，并建立相應(yīng)的模型。

1 基于地磁傳感器的車(chē)輛檢測(cè)

1.1 基本原理

地球本身具有一個(gè)較弱的天然磁場(chǎng)，稱為地磁場(chǎng)。在沒(méi)有外界干擾的條件下，一定區(qū)域內(nèi)的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度基本上恒定不變，但當(dāng)有鐵磁物體接近時(shí)，該區(qū)域的磁場(chǎng)瞬間發(fā)生變化。此時(shí)地磁傳感器能夠測(cè)量連續(xù)變化的磁場(chǎng)信號(hào)，并根據(jù)變化幅度來(lái)判斷是否有鐵磁物體通過(guò)此區(qū)域。汽車(chē)也是一種鐵磁物體，地磁傳感器通過(guò)感知車(chē)輛通過(guò)檢測(cè)區(qū)域前后磁場(chǎng)的改變，進(jìn)行車(chē)輛實(shí)時(shí)檢測(cè)，見(jiàn)圖1。

圖1 地磁檢測(cè)車(chē)輛原理示意圖Fig.1 The principle of geomagnetic detection vehicle

1.2 自主研發(fā)的地磁傳感器

自主研發(fā)的單軸地磁傳感器主要包括磁阻芯片模塊、控制模塊和通信模塊，見(jiàn)圖2。其中磁阻芯片可以測(cè)量其所處位置垂直方向z軸和水平方向2軸x，y的磁場(chǎng)，但當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，z軸的磁場(chǎng)變化最明顯，獲取的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的z軸磁場(chǎng)信號(hào)變化幅度大于閾值的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)后期處理，既可完成行駛車(chē)輛的檢測(cè)和車(chē)速、車(chē)長(zhǎng)等交通信息的感知，又可減少單次傳輸量，節(jié)約通信開(kāi)銷(xiāo)。

圖2 自主研發(fā)的地磁傳感器Fig.2 Self-developed geomagnetic sensor

傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)車(chē)輛的具體工作流程如下：當(dāng)沒(méi)有車(chē)輛穿過(guò)地磁檢測(cè)區(qū)域時(shí)，傳感器處于一種休眠狀態(tài)；當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度突然發(fā)生變化并且變化幅度大于所設(shè)定的閾值時(shí)，此時(shí)傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始傳輸當(dāng)前時(shí)刻的磁場(chǎng)信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)到外界磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化幅度小于所設(shè)定的閾值時(shí)，傳感器停止傳輸磁場(chǎng)信號(hào)，重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。

1.3 車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在道路的同一車(chē)道上布置相隔一定距離的地磁傳感器，傳感器將行駛車(chē)輛引起地球磁場(chǎng)的擾動(dòng)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)放大，并通過(guò)通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)程序，程序?qū)λ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括原始數(shù)據(jù)的噪聲去除。其次，利用固定閾值的狀態(tài)機(jī)算法進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)，并分離出車(chē)輛的地磁數(shù)據(jù)。最后，分析地磁數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)算法獲取車(chē)長(zhǎng)、車(chē)速、車(chē)流量等車(chē)輛參數(shù)信息，以及分析這些車(chē)輛參數(shù)的相關(guān)性，見(jiàn)圖3。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

傳統(tǒng)地磁傳感器輸出的信號(hào)是包括背景噪聲在內(nèi)的地磁信號(hào)。 當(dāng)沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，傳感器依舊輸出當(dāng)前時(shí)刻的磁場(chǎng)強(qiáng)度，即背景噪聲。此類(lèi)地磁傳感器處于持續(xù)工作的狀態(tài)，并且收集的數(shù)據(jù)需要去除背景噪聲進(jìn)而從中提取車(chē)輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)信號(hào)。文中提出了一種全新的單軸地磁傳感器檢測(cè)車(chē)輛理念：傳感器周期性地檢測(cè)外界磁場(chǎng)，當(dāng)車(chē)輛未進(jìn)入或者離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度是一個(gè)平穩(wěn)的值，此時(shí)傳感器并不傳輸?shù)卮判盘?hào)，處于一種休眠狀態(tài)；當(dāng)有車(chē)輛進(jìn)入到檢測(cè)區(qū)域時(shí)，地磁場(chǎng)將會(huì)發(fā)生劇烈抖動(dòng)，若傳感器檢測(cè)到的磁場(chǎng)抖動(dòng)幅度大于所設(shè)定的閾值時(shí)，此時(shí)傳感器才處理地磁信號(hào)。所以，傳感器只處理車(chē)輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)z軸的地磁信號(hào)，并不記錄x軸和y軸的地磁信號(hào)以及外部環(huán)境的背景噪聲，這樣既便于數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省傳感器的工作功耗，也利于后期的數(shù)據(jù)處理和分析。表1是車(chē)輛經(jīng)過(guò)地磁檢測(cè)區(qū)域時(shí)所采集的部分原始數(shù)據(jù)。

圖3 車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Diagram of the structure of vehicle deterction system

表1 部分原始數(shù)據(jù)Tab.1 Partial raw data

假設(shè)地磁傳感器檢測(cè)的最原始的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

Zo={Zo(1),Zo(2),…，Zo(4i+k),…}

(i=0.1,…,N;k=1,2,3,4)

(1)

傳感器傳輸?shù)拇艌?chǎng)強(qiáng)度為

Z={Z(1),(2),…,Z(j),…,Z(n)}

(j=1,2,…,n)

(2)

對(duì)應(yīng)的時(shí)間為

t={t(1),t(2),…,t(j)…,t(n)}

(j=1,2,…,n)

(3)

(4)

圖4是1輛汽車(chē)先后經(jīng)過(guò)地磁節(jié)點(diǎn)A，B時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度波形圖。

圖4 雙地磁檢測(cè)車(chē)輛磁場(chǎng)強(qiáng)度圖Fig.4 Double geomagnetic detection vehicle waveform diagram

3 車(chē)輛檢測(cè)與交通信息感知方法

3.1 基于狀態(tài)機(jī)的車(chē)輛檢測(cè)算法

本文根據(jù)自主研發(fā)的單軸地磁傳感器，提出基于固定閾值的狀態(tài)機(jī)算法，算法描述見(jiàn)圖5。

圖5 狀態(tài)機(jī)算法Fig.5 State machine algorithm

該車(chē)輛檢測(cè)算法是根據(jù)車(chē)輛進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)引起地球磁場(chǎng)產(chǎn)生劇烈的抖動(dòng)，根據(jù)抖動(dòng)幅度大于指定的閾值Td1，并且持續(xù)抖動(dòng)的時(shí)間超過(guò)時(shí)間閾值Td2，則認(rèn)為檢測(cè)到車(chē)輛。

決定狀態(tài)機(jī)跳變的因素flag定義如下

flag=

(5)

抖動(dòng)幅度閾值Td1的確定是根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定的一個(gè)固定閾值。

時(shí)間閾值Td2的確定依據(jù)為

(6)

式中:Lmin為道路行駛的最小型汽車(chē)的長(zhǎng)度；Vmax為道路的最高限速；f為傳感器的工作頻率。即所有檢測(cè)到的車(chē)輛經(jīng)過(guò)2個(gè)地磁節(jié)點(diǎn)的時(shí)間不小于路面最小型汽車(chē)以最快速度通過(guò)2節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。

狀態(tài)機(jī)算法中其他變量的解釋：duration_t表示車(chē)輛進(jìn)入地磁結(jié)點(diǎn)后的計(jì)時(shí)標(biāo)記，默認(rèn)值為0；vehicle_count表示車(chē)輛計(jì)數(shù)器,默認(rèn)值為0。

基于固定閾值的狀態(tài)機(jī)描述如下:

在初始狀態(tài)時(shí)，將所有的變量重置為默認(rèn)值，狀態(tài)機(jī)到達(dá)未觸發(fā)狀態(tài)，重置duration_t為默認(rèn)值0，此時(shí)循環(huán)判斷flag的值，若flag為默認(rèn)值0，狀態(tài)機(jī)維持現(xiàn)狀；若flag的值變?yōu)?，則狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘胗|發(fā)狀態(tài)，此時(shí)可能有車(chē)輛通過(guò)，將車(chē)輛進(jìn)入地磁檢測(cè)區(qū)域的計(jì)時(shí)標(biāo)記duration_t自增1，每隔一個(gè)固定時(shí)間段判斷flag的值，若flag的值未發(fā)生改變，duration_t加1，直到flag的值變?yōu)?，將duration_t與預(yù)先設(shè)定的時(shí)間閾值Td2進(jìn)行比較，若duration_t小于Td2，則收集的地磁信號(hào)是由附近車(chē)道的車(chē)輛引起，此信號(hào)是噪聲，并將狀態(tài)機(jī)恢復(fù)到未觸發(fā)狀態(tài)，繼續(xù)檢測(cè)后續(xù)車(chē)輛；若duration_t不小于Td2，則檢測(cè)的車(chē)輛離開(kāi)，并且車(chē)輛計(jì)數(shù)器vehicle_count自增1，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)變未觸發(fā)狀態(tài)，等候檢測(cè)下一輛車(chē)。因此，基于固定閾值的狀態(tài)機(jī)算法可以檢測(cè)有效路段車(chē)輛，并且利用vehicle_count可統(tǒng)計(jì)指定時(shí)間段內(nèi)的交通流量。

3.2 車(chē)速計(jì)算方法

地磁傳感器不僅可以實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)輛，統(tǒng)計(jì)路段車(chē)流量，還可以利用2個(gè)間隔一定距離的地磁節(jié)點(diǎn)對(duì)行駛車(chē)輛速度的測(cè)量。如圖6所示，在同一車(chē)道前后埋設(shè)相距L(L較小)的2個(gè)信號(hào)頻率和檢測(cè)半徑相同的地磁節(jié)點(diǎn)A，B。當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)這兩個(gè)地磁節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)間的距離較小，可認(rèn)為車(chē)輛勻速通過(guò)。利用車(chē)輛檢測(cè)算法獲取車(chē)輛通過(guò)地磁節(jié)點(diǎn)A，B的時(shí)間分別為tAarr，tAlea和tBarr，tBlea。

圖6 車(chē)速測(cè)量節(jié)點(diǎn)布置示意圖Fig.6 Layout diagram of speed measurement node

(7)

3.3 車(chē)長(zhǎng)估算方法

與車(chē)輛長(zhǎng)度相比，地磁檢測(cè)半徑非常小，可將其視為一個(gè)點(diǎn)。車(chē)輛從進(jìn)入節(jié)點(diǎn)A到離開(kāi)所花費(fèi)的時(shí)間為tAlea-tAarr。同理，進(jìn)入節(jié)點(diǎn)B到離開(kāi)所花費(fèi)的時(shí)間為tBlea-tBarr，車(chē)輛長(zhǎng)度為

lea1=(tBlea-tBarr)V

(8)

lea12=(tBlea-tBarr)V

(9)

3.4 參數(shù)模型關(guān)系

3.4.1 參數(shù)模型分析

基于一種全新的單軸地磁傳感器檢測(cè)車(chē)輛理念收集到磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并繪制出的地磁信號(hào)曲線圖，由于地球磁場(chǎng)和路面環(huán)境的復(fù)雜性，以及道路行駛車(chē)輛種類(lèi)眾多，新舊不一，車(chē)輛自身可能攜帶鐵磁物質(zhì)等因素，提取的信號(hào)波形特征無(wú)法與車(chē)輛的類(lèi)型建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外，同一車(chē)型的車(chē)輛以不同的車(chē)速經(jīng)過(guò)地磁節(jié)點(diǎn)，車(chē)輛對(duì)應(yīng)的地磁信號(hào)曲線長(zhǎng)度不一致，不同車(chē)型的車(chē)輛以同一車(chē)速經(jīng)過(guò)時(shí)，地磁信號(hào)曲線長(zhǎng)度也不一致。如果對(duì)地磁曲線進(jìn)行歸一化處理會(huì)損失原本的地磁信號(hào)(見(jiàn)圖7)。因此，文中從另外一個(gè)角度探究磁場(chǎng)強(qiáng)度Z、磁場(chǎng)能量E與車(chē)長(zhǎng)L、車(chē)速V的關(guān)系。

圖7 同類(lèi)型車(chē)輛的磁場(chǎng)曲線圖Fig.7 Magnetic field curve of the same type of vehicle

磁場(chǎng)能量為

(j=1,2,…,n)

圖8 平均磁場(chǎng)強(qiáng)度與車(chē)速的關(guān)系圖Fig.8 Average magnetic field intensity vs. vehicle speed

圖9 平均磁場(chǎng)強(qiáng)度與車(chē)長(zhǎng)的關(guān)系圖Fig.9 Average magnetic field intensity vs. vehicle length

其次，分析磁場(chǎng)能量E與車(chē)速V、車(chē)長(zhǎng)L的關(guān)系，如圖10～11所示。

圖10 磁場(chǎng)能量與車(chē)速的關(guān)系圖Fig.10 Magnetic field energy vs. vehicle speed

圖11 磁場(chǎng)能量與車(chē)長(zhǎng)的關(guān)系圖Fig.11 Magnetic field energy vs. vehicle length

由圖10～11可知，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)地磁節(jié)點(diǎn)時(shí)，行駛的速度越快，產(chǎn)生的地磁能量越小，地磁能量與車(chē)速是負(fù)相關(guān)關(guān)系；車(chē)輛長(zhǎng)度越長(zhǎng)，產(chǎn)生的地磁能量越大，地磁能量與車(chē)長(zhǎng)是正相關(guān)關(guān)系。基于此規(guī)律，進(jìn)一步探究磁場(chǎng)能量與車(chē)長(zhǎng)、車(chē)速比值之間的關(guān)系，并通過(guò)地磁節(jié)點(diǎn)B收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。圖12所示的是車(chē)輛經(jīng)過(guò)地磁節(jié)點(diǎn)A時(shí)，磁場(chǎng)能量與車(chē)長(zhǎng)車(chē)速比值之間的關(guān)系，圖13所示的是車(chē)輛經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)B，磁場(chǎng)能量與車(chē)長(zhǎng)、車(chē)速比值之間的關(guān)系，這兩幅圖都顯示了磁場(chǎng)能量與車(chē)長(zhǎng)、車(chē)速比值有線性關(guān)系。

圖12 地磁節(jié)點(diǎn)A磁場(chǎng)能量和車(chē)長(zhǎng)、車(chē)速比值之間的關(guān)系Fig.12 Magnetic field energy of node A vs. the ratio of vehicle speed and length

圖13 地磁節(jié)點(diǎn)B磁場(chǎng)能量和車(chē)長(zhǎng)車(chē)速比值之間的關(guān)系Fig.13 Magnetic field energy of node B vs. the ratio of vehicle speed and length

3.4.2 模型用途

圖12～13顯示出地磁能量E與車(chē)長(zhǎng)、車(chē)速比值L/V是線性關(guān)系，即E=a(L/V)+b(a，b均為參數(shù))(表2)。此線性模型可用于多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)融合：當(dāng)?shù)卮艂鞲衅鳒y(cè)量的速度有較大的誤差時(shí)，通過(guò)將準(zhǔn)確的車(chē)長(zhǎng)數(shù)據(jù)代入到三者之間的表達(dá)式中，可以對(duì)速度進(jìn)行校驗(yàn)；同理，當(dāng)車(chē)長(zhǎng)估算有誤差，可以利用準(zhǔn)確的車(chē)速數(shù)據(jù)對(duì)車(chē)長(zhǎng)進(jìn)行校正。

表2 參數(shù)列表Tab.2 List of parameters for a linear relationship

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在南京市江寧區(qū)某公路上，將編號(hào)分別為A(05)和B(02)的2個(gè)地磁傳感器相距5 m布置在一個(gè)車(chē)道上，實(shí)驗(yàn)收集大約6 h的行駛車(chē)輛數(shù)據(jù)。為了后期驗(yàn)證傳感器檢測(cè)車(chē)輛算法的準(zhǔn)確性，用攝像機(jī)記錄車(chē)輛經(jīng)過(guò)傳感器的全過(guò)程。

根據(jù)中國(guó)汽車(chē)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)中將路段行駛的車(chē)輛分為4種：4 m以下為小型車(chē),標(biāo)記類(lèi)別1;4～7 m為中型車(chē),標(biāo)記類(lèi)別2;7～11 m為大型車(chē),標(biāo)記類(lèi)別3;11 m以上為特型車(chē),標(biāo)記類(lèi)別4。車(chē)型的判別直接根據(jù)雙地磁計(jì)算的車(chē)長(zhǎng)判斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示：

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)地磁檢測(cè)區(qū)域時(shí)，地磁傳感器立即傳輸磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，并交付給上位機(jī)程序處理，而當(dāng)無(wú)車(chē)或者車(chē)輛離開(kāi)后，傳感器沒(méi)有傳輸磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程視頻中一共出現(xiàn)150輛車(chē)，基于固定閾值的狀態(tài)機(jī)算法檢測(cè)到147輛車(chē)，通過(guò)相關(guān)計(jì)算獲取到車(chē)輛的車(chē)速、車(chē)長(zhǎng)、車(chē)型等車(chē)輛信息。由此可以得到，基于自主研發(fā)的單軸地磁傳感器可以實(shí)現(xiàn)98%的車(chē)輛檢測(cè)。表3數(shù)據(jù)顯示，第4輛車(chē)的車(chē)長(zhǎng)為3.23 m，查閱視頻可知，該車(chē)為一輛低速行駛的出租車(chē)，車(chē)速為25.9 km/h，與事實(shí)相符合；第6輛車(chē)的車(chē)長(zhǎng)為2.33 m，在視頻中出現(xiàn)的是一輛三輪車(chē)，而且該車(chē)只經(jīng)過(guò)地磁節(jié)點(diǎn)A，然后偏離了原先的車(chē)道，此處檢測(cè)到的數(shù)據(jù)是噪聲，因此，車(chē)速計(jì)算有誤差。

根據(jù)2個(gè)地磁傳感器測(cè)量的車(chē)速，與視頻獲取的行駛車(chē)速進(jìn)行對(duì)比，兩者獲取的車(chē)速基本一致，而且，根據(jù)算法計(jì)算得到的車(chē)長(zhǎng)進(jìn)行車(chē)型判別也與視頻中出現(xiàn)的車(chē)型一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先采用自主研發(fā)的單軸地磁傳感器，與文獻(xiàn)[11]需要?jiǎng)討B(tài)更改基值并設(shè)計(jì)復(fù)雜的檢測(cè)波形算法提取車(chē)輛磁場(chǎng)波形相比，文中的傳感器只處理車(chē)輛引起地磁場(chǎng)擾動(dòng)的幅度大于指定閾值的磁場(chǎng)信號(hào)，通信開(kāi)銷(xiāo)更低，后期數(shù)據(jù)處理更加高效。其次，本文提出了一種固定閾值的狀態(tài)機(jī)車(chē)輛檢測(cè)算法，算法的輸入值維度更低，并且通過(guò)設(shè)立多個(gè)狀態(tài)，可以有效過(guò)濾附近車(chē)道車(chē)輛的地磁擾動(dòng)噪聲，利用前后2個(gè)地磁傳感器可以實(shí)現(xiàn)了與文獻(xiàn)[11]同樣的車(chē)輛檢測(cè)率以及車(chē)速、車(chē)長(zhǎng)、車(chē)流量的感知，但本文的算法效率更高。最后探索發(fā)現(xiàn)了地磁能量與車(chē)長(zhǎng)車(chē)速比值的關(guān)系模型，此模型在其它地磁傳感器的車(chē)輛檢測(cè)研究中很少提及，后期可用于多個(gè)地磁傳感器的數(shù)據(jù)融合。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)只使用2個(gè)地磁傳感器收集數(shù)據(jù)，后期可組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將多組傳感器布置在多個(gè)車(chē)道上來(lái)感知一個(gè)斷面甚至一個(gè)路網(wǎng)的車(chē)輛信息，并利用文中建立的磁場(chǎng)能量與車(chē)速車(chē)長(zhǎng)比值的線性關(guān)系對(duì)這些傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和校驗(yàn)，進(jìn)行更加深入的研究。