（管理科学与工程专业论文）基于AMR地磁感应检测器的车辆检测和分类识别.pdf

中文摘要 随着城市的加速发展，交通拥堵变成了一个十分严峻的问题，严重阻碍了城 市的进一步发展。为了阻止这一问题的加剧，以最大化交通通行能力为目的的智 能交通系统逐渐发展起来。智能交通系统与传统的交通管理方法不同，它具有实 时、准确、高技术，智能化等特点。交通信息系统是智能交通系统的核心，为交 通控制和管理提供交通车辆计数、车速、占有率等信息。准确、可靠、实时的交 通数据对智能交通系统成功有效的实施控制起着十分重要的作用。因此车辆检测 器作为交通信息的采集工具，其检测性能对智能交通系统有着重要的影响。a m r 地磁感应检测器拥有价格低廉、安装和维修方便、灵敏度高、可以被大规模应用 等优点。本文主要研究基于a m r 地磁感应信号的车辆实时检测和分类识别算法。 首先，本文详细介绍的a m r 地磁感应检测器的检测原理和硬件结构，深入的分 析了a m r 地磁感应检测器的信号特点，并在此基础上设计了动态基准线车辆检 测算法。上路试验证明该算法具有较高的准确性。同时，基于单磁钉的车辆检测 算法，本文讨论了利用双磁钉计算车辆长度、速度的方法。接下来，本文利用检 测算法获得的车辆特征向量，分别借助k 近邻算法和b p 神经网络算法对车辆进 行分类识别，通过试验分析了不同分类方法的特点。最后，本文给出了地磁感应 检测系统的软件架构，并对具体模块进行了详细的解释。 关键词：地磁感应检测器车辆检测车辆分类k 近邻算法b p 神经网络算法 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no ft h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o n ，t h ei n c r e a s i n gt r a f f i c c o n g e s t i o ni sb e c o m i n gac r i t i c a lp r o b l e ma n das e r i o u s b a r r i e rt ot h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to fc i t i e s i no r d e rt op r e v e n tt h ep r o b l e mf r o mg e t t i n gw o r s e ，t h e i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) p r o g r a mi sd e v e l o p e dw i t ht h ep u r p o s eo f m a x i m i z i n gt h et r a f f i cc a p a c i t y a c c u r a t e ，r e a l - t i m e ，h i g h - t e c h a n di n t e l l i g e n t c h a r a c t e r i s t i cm a k et h ei t sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n t t r a f f i cs u r v e i l l a n c es y s t e m sw h i c ha r et h ec e n t r a lp a r to ft h ei t sp r o v i d et h ed a t a u s e di nt r a f f i cc o n t r o la n dp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ts y s t e m s ，s u c ha st r a f f i cc o u n t ， o c c u p a n c ya n ds p e e d a c c u r a t e r e l i a b l ea n dr e a l t i m et r a f f i cd a t ai se s s e n t i a lf o rt h e e f f i c i e n ta n ds u c c e s s f u le x e c u t i o no fa l li t ss y s t e m s s ot r a f f i cs e n s o ra st h et o o lo f c o u e c t i n gt r a f f i cd a t a i si m p o r t a n tt ot h ee x e c u t i o no ft h ei t si ne f f e c t a m r m a g n e t i c s e n s o rh a sa d y a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t s ，e a s y t o d e p l o y m e n ta n d m a i n t e n a n c e ，h i g hs e n s i n ga c c u r a c ya n dc a nb ed e p l o y e dw i t hg r e a tq u a n t i t y t h i s d i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e st h er e a l t i m ev e h i c l ed e t e c t i o na n dc l a s s i f ya l g o r i t h m b a s i n go nt h es i g n a lo fa m rm a g n e t i cs e n s o r f i r s t l y , t h ep r i n c i p l ea n dh a r d w a r e s t r u c t u r eo fa m r m a g n e t i cs e n s o ra r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a f t e rd e e p l ya n a l y z i n g t h ef e a t u r e so ft h es i g n a l , t h ed y n a m i cb a s e - l i n ed e t e c t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e df o r d e t e c t i n gv e h i c l e s a n dt h ee x p e r i m e n ti nt r a f f i cs h o w sh i 曲a c c u r a c yo nd e t e c t i n g v e h i c l e s m e a n t i m e ，t h i sp a p e ra r g u e st h em e t h o do fe s t i m a t i n gt h ev e h i c l es p e e da n d l e n g t hw i t hap a i ro fs e n s o rn o d e s ，d e p e n d i n go nas i n g l es e n s o rn o d ea l g o r i t h m t h e n ， t h i sp a p e ru s et h ev e h i c l ef e a t u r ev e c t o rg e t t i n gf r o md e t e c t i n ga l g o r i t h mt oc l a s s i f y v e h i c l e sv i ab pn e u r a ln e t w o r ka n dkn e a r e s tn e i g h b o ra l g o r i t h m a n dt h ev e h i c l e c l a s s i f i c a t i o n e x p e r i m e n t s h o w st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w oc l a s s i f i c a t i o n a l g o r i t h m s f i n a ll y , t h es o f t w a r e a r c h i t e c t u r eo ft h em a g n e t i cs e n s o rs y s t e mi s p r e s e n t e da tt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ep r o g r a m m i n gm o d u l e sa r e d e t a i l e da n a l y z e d k e yw o r d s ：m a g n e t i cs e n s o r ，v e h i c l ed e t e c t i o n ，v e h i c l ec l a s s i f i c a t i o n ，k n e a r e s tn e i 曲b o ra l g o r i t h m ，b pn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗态堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字同期：山q 年移月0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 阵年 签字日期；山习年 6 月 盒日 导师签名： 签字日期：7 秒呼璋月d 乙1 7 1 第一章绪论 第一章绪论帚一旱硒比 随着车辆拥堵、交通事故、环境污染等各种交通问题的加剧，寻求更高效的 交通管理控制方法成为重要的研究课题。智能交通系统以其有别于传统方式，实 时、准确、高技术，智能化等特点引起人们的强烈关注。智能交通系统以交通资 源最大化为目的，是运用当代高新技术提高交通运输效率、增强交通安全性的一 系列先进技术或技术集成系统的一个统称。它是一个结构庞大、涉及面很广的高 新技术系统，其中，交通信息系统是智能交通系统的基础，为智能交通系统全面 快速发展提供良好条件。获得精确、可靠、实时的交通信息对整个智能交通系统 功能的有效发挥起着十分重要的作用。车辆检测器作为智能交通信息采集的基础 设施，其主要功能是用来实时的检测各种交通参数。它的检测性能直接影响到智 能交通系统的作用效果。 本章将简要的介绍了智能交通系统以及车辆检测器在智能交通系统中的作 用，并进一步说明车辆检测器的分类和特点。最后将简单介绍本论文主要研究内 容及结构。 1 1 智能交通系统概述 当今交通系统已经成为人们经济生活中不可缺少的重要组成部分。它对保证 社会经济体系及日常生活的正常运转发挥着越来越大的作用。但是随着人们生活 水平的提高，生活节奏的加快，交通工具的增长速度远远高于各种交通设施的增 长。对于目前急剧恶化的交通状况，传统的交通管理措施显得力不从心。在此背 景下，把交通基础设施、交通运载工具和交通参与者综合起来系统考虑、充分利 用高新技术解决交通问题的思想油然而生，这就是智能交通系统。 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，简称i t s ) 就是在有限的交 通运输基础设施的基础上，将先进的信息技术、感应技术、数据通信技术、自动 控制技术、运筹学、图像分析技术、计算机网络以及人工智能等有效的综合运用 于整个交通管理系统。在系统工程综合集成的总体思想指导下，建立起一种在大 范围内全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合体系。借助智能交通系统， 交通基础设施的通行能力将得到进一步挖掘，各种交通问题都将得到不同程度的 缓解。1 2 1 智能交通系统是由港、站、道路( 包括铁路、公路、水路、航空线等) 、运 载工具( 包括火车、汽车、轮船、飞机等) 和运营管理组成的一个复杂庞大的系 统。它是交通系统在信息化基础上发展到的一个更高阶段，是利用高新技术对传 第一章绪论 统的交通运输系统进行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型现代交 通系统。 基于研究者认识角度的不同，目前对于智能交通系统还没有统一的定义。美 国i t s 手册2 0 0 0 对智能交通系统给出了如下定义：智能交通系统( i t s ) 由一系 列用于运输交通网络管理的先进技术以及为出行者提供的多种服务所组成。i t s 技术( 也称为“运输通信”) 的基础是以下三个核心要素：信息、通信和集成。 信息的采集、处理、融合和服务是i t s 的核心。无论是提供交通网络的实时交通 状态的信息，还是为制定出行计划提供在线信息，i t s 技术能使管理者、运营者 以及个体出行者变得更为消息灵通，相互间能够更为协调，做出更为智能化的决 策。智能交通系统能使交通运输基础设施发挥最大的效能，提高服务质量，使社 会能够高效地使用现有交通设施，从而获得巨大的社会经济效益。 从信息处理的角度，智能交通系统包括数据采集、数据处理、信息发布和信 息利用，从而构成了智能交通系统信息链。【3 】如图1 - 1 所示， 图1 - 1 智能交通系统信息链 1 2 车辆检测器在智能交通系统中的作用 在智能交通系统中，交通信息是最核心的内容，其各项功能都是以交通信息 应用为中心展开的。信息的采集、传输、存储、分析处理及应用实现了交通管理 从简单的静态到智能的动态的转变。因此，交通信息采集作为智能交通系统的一 个重要组成部分，是城市交通规划、路网设计、交通管理的最重要的基础和前提。 通过获得全面、实时、可靠的交通信息不但可以掌握当前交通现状，还可以预测 未来交通状况，为交通管理控制提供科学的决策依据。【4 】尤其是近几年，伴随着 智能交通系统的加速发展，对交通信息采集不断提出了更高的要求。 第一章绪论 交通信息采集是指利用各种交通检测器对整个交通领域中所需求的动态和 静态交通信息进行获取的过程。静态交通信息是指交通系统中一段时间内稳定不 变的信息。静态交通信息采集技术包括交通地理信息系统、调查法、其他系统接 入。动态交通信息是指实时道路交通流信息、交通控制状态信息以及实时交通环 境信息等在时间和空间上相对变化着的信息。动态交通信息采集技术包括交通检 测器技术、浮动车法、车辆识别法和车辆定位法。全面、可靠地采集动态交通信 息是提高交通管理与交通出行决策的关键。 5 1 车辆检测器的主要作用是采集交通量、车型、车速、占有率等重要交通参数， 是交通动态信息采集的主要手段。它通过数据采集和设备监视等方式，向监控系 统中的信息处理和信息发布单元提供各种交通参数。这些交通参数是计算机优化 配时方案的输入数据，是监控中心分析、判断、发出信息和提出控制方案的主要 依据。因此，可以说车辆检测器是交通控制系统的耳目，交通控制系统的工作效 率决定于检测器对车辆的检测能力。由此可见，车辆检测器及其检测技术水平的 高低直接影响到公路交通监控系统的整体运行管理水平。【6 j 随着电子技术和交通监控技术的发展，车辆检测器日趋系统化和光机电一体 化，采用了大规模集成电路和微处理机等技术，检测水平不断提高，检测器的种 类也不断增多。 1 3 车辆检测器的分类及特点 随着各种感应技术、电子技术的发展，以及人们对车辆检测的重视，车辆检 测技术迅速发展。车辆检测器由早期的雷达检测器发展到磁性检测器、图像检测 器、红外检测器等多种形式。其工作原理截然不同，检测性能也有所差别。按照 基本功能划分，车辆检测器可以分为存在型检测器、通过型检测器和复合型检测 器。按照工作原理可分为：检测能闭合开关触点的外力信息的检测器，如压力式 检测器，按钮式检测器；检测因车辆的通过或存在而引起能量变化信息的检测器， 如环形线圈检测器、地磁检测器等。按照安装地点可以分为地下型和地上型。下 文将按照这种分类形式来介绍几种常用的车辆检测器。1 7 j 一、地上型检测器 l 感应线圈检测器哺j 感应线圈检测器是当前最常用的车辆检测器。它通常由感应线圈、传输馈线、 检测处理单元三部分组成。其工作原理是检测单元同感应线圈与馈线线路组成一 个电感电容调谐电路。电流通过线圈时，在其附近形成一个电磁场，当车辆进入 这个电磁场时，车身金属中感应出涡流电流，涡流电流使磁场的磁力线减少，线 第一章绪论 圈电感量随着降低，引起电路调谐频率的上升。此频率的改变或相位的偏移成为 了检测器检测车辆的信号。 感应线圈检测器可测参数较多，感应灵敏度高、适应性强，安装不复杂。但 在实际使用中，需要根据线圈切割路面将线圈埋入，因而道路施工、路面变形等 因素会使线圈损坏，更换和维护时要进入公路主体，影响交通运输，同时破坏路 面，使得成本升高，维护工作量增大。 2 地磁车辆检测器【9 1 地磁车辆检测器近几年开始受到重视。其工作原理是利用磁铁性物质的磁阻 效应测量检测器检测区域内的磁场，当有车辆经过检测区域时，会对磁场造成扰 动，通过检测磁场的变化，可以判断车辆信息。本文将在第二章详细介绍a m r 地磁感应检测器的工作原理。 与感应线圈类似，它同样可以检测多种交通参数。但是其安装和维护都比较 容易、不会影响交通运输，且不易损坏、价格便宜。但是其对快速车辆容易造成 漏检，且材料容易老化，灵敏度会逐年降低。 二、地上型车辆检测器 1 超声波车辆检测裂1 0 】 超声波车辆检测器是由超声波发生器和检测单元组成。其工作原理是由超声 波发生器发射一束超声波，再接收从车辆或地面的反射波，根据反射波返回时间 的差别，判断有无车辆通过。 超声波车辆检测器安装时可不必中断交通，且使用寿命比较长，维修方便。 但是这种检测器价格昂贵，其检测范围受车型、车高的影响较大，检测精度较差， 特别是在车辆严重拥堵的情况下。同时检测精度还受到大风、暴雨等环境因素的 影响。 2 声响车辆检测器 声响车辆检测器的工作原理是利用一种特制的扩音器，在检测范围内收集机 动车在发动、行驶时发出的声响，并区别其不同声波以鉴别车辆通过或存在。当 车辆进入检测区域时，声响能量增加，当车辆离开时，声响水平回到原水平，因 而检测车辆通过。 声响车辆检测器悬挂在道路上方、安装方便、安装维修都不影响交通。但是 与超声波车辆检测器类此，其检测精度受环境影响比较大。 3 雷达车辆检测器l l i 】 雷达车辆检测器按照多普勒效应( d o p p l e re f f e c t ) 原理工作，它由发射天线 和发射接收器组成。架在门架上或路边立柱上的发射天线向路面检测区域发射微 波波束，当车辆通过时，反射波束以不同的频率返回天线，检测器的发射接收器 第一章绪论 测出由于车辆运动而引起的频移，即可产生一个车辆感应输出信号，从而测定车 辆的通过或存在。 雷达车辆检测器可检测交通量，车速，占有率等多项交通流信息，目前在交 通检测方面具有很大的优势。它的缺点与超声波车辆检测器相同。 4 红外线车辆检测裂1 2 j 红外线车辆检测器的功能类似雷达车辆检测器，在电磁波谱的近红外区内传 送能量。有主动式和被动式两种基本类型。主动式红外检测器使用半导体红外线 发生器作为感应器，自带指向测量车道的红外线光源，驶进检测区域的车辆将红 外光反射回检测器处，产生感应信号。被动式红外检测器其原理是利用无车辆的 路面的红外线辐射强度与路上有汽车通过时的红外线辐射强度的变化，由红外 线接受器检测出来。 红外线车辆检测器具有快速准确、轮廓清晰的检测能力，其缺点是工作现场 的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。 5 视频车辆检测器【l 3 】 视频车辆检测器系统是在传统电视监视系统基础上发展起来的，是以车辆 检测技术、摄像机和计算机图像处理技术为基础，大范围地对车辆施行检测和识 别。其基本原理是：在很短时间间隔内，由半导体电荷耦合器件( c c d ) 摄像机连 续摄得两幅图像，而这种图像本身就是数字图像，很容易对这两幅图像的全部或 部分区域进行比较，有差异说明有运动物体。 视频车辆检测器可以与其它类型的车辆检测器( 如雷达车辆检测器) 相连， 应用灵活，具有多点布设和无线检测的能力，而且还能获得车流密度、排队规模 以及常规车辆检测器很难测到的停车次数和车辆尺寸等重要交通参数、装卸方 便、不须破坏路面，不影响交通。但是图像处理的实时性较差，车辆的检测精度 受整个系统的软、硬件的限制。并且视频车辆检测器受外环境影响较大，在大雾， 黑夜等不适宜摄像的环境下，几乎无法工作。 1 4 本论文的研究内容及结构 上一节分析了几种常用的车辆检测器的工作原理及其特点。在具体应用时， 要根据检测环境的重要和所要检测的参数的特点，比较分析各种车辆检测器的优 缺点，做出最佳的选择，以发挥车辆检测器的最大功效。 当前为了更好的实施智能交通控制，实现对其的宏观管理，需要获得路网的 多数节点的交通流信息，即大范围的铺设车辆检测器，以获得实时的范围更广的 交通参数，从而对路面交通进行全面协调。地磁车辆检测器以其灵敏度高、价格 低廉、安装维修方便、不易损坏、不受气候影响等优点，更符合目前对车辆检测 第一章绪论 器的要求。 本文选择a m r 地磁感应检测器作为车辆检测工具。首先本文详细的介绍的 a m r 地磁感应检测器的硬件结构及检测原理，在对检测信号进行深入分析之后， 设计出基于动态基准值的阈值算法，对车辆进行实时检测。通过上路试验证明该 算法具有较高的准确性。在单磁钉算法的基础上，讨论了利用双磁钉获得精确车 长、车速的计算方法。进一步利用车辆检测信号和获得的车辆参数，分别利用k 近邻算法和b p 神经网络算法对检测车辆进行分类识别。最后本文详细给出了地 磁感应检测器的软件设计架构和软件模块。 本论文结构如下： 第一章简要介绍了智能交通系统，并进一步分析了车辆检测器在智能交通系 统中的作用，车辆检测器的分类和特点以及本文的主要研究内容和结构。 第二章主要介绍了a m r 地磁感应检测器的硬件结构及检测原理，详细的分 析了a m r 地磁感应检测器的检测信号，从而了解车辆信号和各种干扰信号的特 征，为车辆检测识别算法的设计打下基础。 第三章主要介绍了基于动态基准值的车辆检测算法，同时在该算法基础上， 介绍了基于双磁钉的车长、车速的计算方法。并进一步分析了在磁钉存在差异的 情况下的车长、车速的计算方法。最后通过上路试验，证实了本算法对道路车辆 的检测有较高的准确度。 第四章首先详细介绍了车辆信号的提取、车型特征的提取、常见的车辆类型。 进而对己提取的车辆特征，分别利用k 近邻算法和b p 神经网络算法进行分类识 别。文中简单的介绍了k 近邻算法和b p 神经网络算法的原理以及主要设计思 路。并阐述了基于车辆分类识别的k 近邻算法的具体步骤和b p 神经网络的构建、 训练以及对待识别车辆的分类识别的步骤。最后本文给出了利用已采集的样本车 辆信号，分别通过k 近邻算法和b p 神经网络算法对待检测车辆进行识别的实验 结果。 第五章详细介绍了地磁感应检测器的软件体系结构以及软件各个模块的具 体实现。 第六章是对本文的总结与展望，提出了本文研究存在的不足和进一步的研究 方向。 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 随着智能交通系统的不断深入发展，能够实时、精确的采集车辆信息，并且 适用于大范围设置的车辆检测器成为了当前研究的重点。目前，常用的车辆检测 器有感应线圈车辆检测器，超声波车辆检测器，红外车辆检测器，视频车辆检测 器等。感应线圈车辆检测器需直接埋入车道，随路面的变形而变形，检测效果和 使用寿命受路面的影响很大，同时铺设、检测、维修都要破坏路面，会对交通造 成影响。而且铺设时容易将其切断，导致无法使用。另外三种车辆检测器受环境 影响较大，在较恶劣的天气下无法正常工作，尤其是遇到大风、暴雨时精度很差， 同时检测精度还受到车型的影响。而且像超声波车辆检测器、视频车辆检测器的 价格比较昂贵，大量设置会使得管理经费过多。 在未来的智能交通系统中，车辆检测器需要大规模的在公路上使用，全天候 的运转。高精确、高适应性、低成本、易安装成为了目前对车辆检测器的需求。 对比传统车辆检测器，地磁车辆检测器以其安装容易、不易损坏、价格低廉、灵 敏度高、寿命较长，路面破坏小等优点得到了人们的关注。本章节将要介绍基于 a m r 的地磁检测器的原理并对其检测信号特点做详细分析。 2 1a m r 地磁感应检测器简介 对地球磁场的利用已有几千年的历史，早期的应用主要为定向和导航。中国 古代四大发明之指南针就是其中一个典型的例子。随着科技的不断发展， 各种新型的感应器被用来测量磁场，对于这些感应器的使用目的也有了新的突 破。 基于集成电路的异向磁阻感应器( a n i s o t r o p i cm a g n e t or e s i s t i v e ，以下简称 a m r 感应器) 是一种新型的地磁感应器。a m r 感应器非常适合工作于地球磁场 范围内，并且具有灵敏度高、体积小、功耗低、兼容性强、抗干扰能力强等特点。 本节将介绍基于a m r 地磁感应检测器的工作原理。 2 1 1a m r 地磁感应检测器的硬件结构 一套a m r 地磁感应检测器由若干磁钉，1 8 个接收板，以及一个控制器组成。 【1 4 1 每个接收板可以接收四个磁钉的数据，整套装置最多能够连接3 2 个磁钉，按 每条车道使用两个磁钉计算，一套该装置足以覆盖一个大型路口。检测器硬件体 系结构如图2 - 1 所示。 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 雹_ 图2 - 1a m r 地磁感应检测器硬件体系结构 图2 2 为a m r 地磁感应检测器安装示意图， 罐钉- r 接收嚣 图2 _ 2a 帆地磁感应检测器安装示意圈 磁钉是基于磁媾应原理研制的车辆检测最基本的装置，埋设于车道下，对车 辆的经过产生反应，并通过无线方式将数据传送到接收板。每个磁钉由a m r 感 应器、微型处理器、识别软件、通讯模块、电池和外层保护盒组成。m 1 同时， 磁钉拥有两种模式，即休眠模式，和工作模式，两种模式可由磁钉自己或者信号 机控制切换，当信号机工作在定周期控制方式下或夜间，即不需要磁钉采集的车 道数据时，可发送无线命令使磁钉切换到休眠模式下工作，此时整个磁钉的功耗 将降低8 0 以上，大大减少了耗电，理论上内置72 v 锂电池可工作】年以上。 图2 - 3 磁钉实物图 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 a m r 感应器就是将磁场的物理量转换成电信号，从而可以进一步由磁钉内 部的微型处理器处理成为数字信号，作为车辆检测识别的依据。感应器以组为单 位将电信号传给微型处理器。本文所用检测器的感应器的采样周期为2 6 0 毫秒每 组每分钟4 次。a m r 感应检测器的工作原理将在下节作详细介绍。 微型处理器主要是用于数字信号的处理。它将来自于a m r 感应器的电信号， 转化成具有一定格式的数字信号。本文所使用的检柳4 器的数字信号格式如表21 所示考虑到成本以及耗电量，这里的微处理器的设计比较简单，存储较小。 接接磁检检检检检检检检检检信 收收钉测测测测测测测测测测号 板板号信信信信信信信信信 信组 号号号号号号号号号号号号号 通信系统是磁钉比较重要的部分之一，它消耗了磁钉的大部分能源。因此在 有限的电池电量下，通讯系统的设计要在满足检测需要的同时，尽量减小电量的 消耗，从而尽量延长磁钉的寿命。本文试验所用磁钉的信号传送速率为1 9 2 0 0 波特率。 接收板负责磁钉数据的接收，放大与转发，通过s p i 总线与控制器连接，依 据需要磁钉数量的不同，可以选择相应数量的接收扳。并且通过更换接收板就 可队应对数据源设备的变化。接收器通过无线通信接收来此磁钉检坝惜号其所 接收到的信号并不一定连续都是同一磁钉的信号，它是根据接收范围内所有磁钉 信号交替接收的。接收板接收原始数据并放大后通过4 8 5 总线送至控制器。 阿 图2 - 4 接收板实物圈 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 控制器通过对检测信号的处理，将其转化为车辆通过标识、车长、车速、车 头时距等有用的交通信息并将其传给其他交通控制设备，如信号控制机等。“控 制器”的引入，使得检测装置可以利用控制器的数据处理能力，进行数据分析， 下位设备监控等功能，大大减小了信号控制机的压力，提高交通控制系统的效率。 这种体系结构将数据提供者与方案决策者独立，以达到减小耦合，提高效率，快 速应对需求变化的目的。对于利用检测信号进行车辆检测识别的算法将在第三、 四章作详细介绍。 本文所用检测器的控制器的核心为三星$ 3 c 2 4 1 0 处理器，主频2 0 3 m h z ，操 作系统为l i n u x 。车辆数据检测软件运行于其上，对数据进行分析并计算相关参 数，计算结果通过串口发送到上位机。 2 1 2a m r 感应器原理 图2 - 5 磁钉接收端原理图 18 5 7 年w i l l i a mt h o m p s o n 发现了铁磁金属中的磁阻效应。但是由于材料的磁 阻变化率太小，一直没有获得实际的应用，直到1 0 0 多年以后，真空技术改进了 材料磁阻的纯度，获得了更高的磁阻变化率，使得磁阻效应的实际应用成为可能。 【1 6 】 磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。目 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 前，磁阻效应广泛应用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度感应器、g p s 导航、磁存储等领域。l 】磁阻感应器有异向磁阻感应器( a n i s o t r o p i cm a g n e t o r e s i s t i v e ，a m r ) 和巨型磁阻感应器( g i a n tm a g n e t or e s i s t i v e ，g m r ) 两种形式。 由于a m r 仅提供其敏感轴方向磁场的振幅特性曲线，所以在干扰因素较多( 主 要是相邻车道的车辆干扰) 的情况下，a m r 感应器更适合用作路面车辆检测器 的感应设备。图2 - 6 为a m r 感应器的电路图， a m r 感应器 图2 - - 6a m r 感应器电路图 蝓出 电压 a m r 感应器利用标准半导体技术将铁一镍合金薄膜沉积在硅片上，形成电 阻条。当磁场通过电阻条时，根据磁阻效应，其阻抗会发生变化。该磁阻以c o s 2 口 的关系改变电阻，其中口是其内部电流方向和磁矩矢量的夹角。 在设计a m r 感应器时，将4 个a m r 电阻布置成金刚石形状，并通过金属化 将它们首尾彼此连接在一起，以形成惠斯通电桥。【l8 】对四个首尾连接的相同电 阻施加形的直流电压，剩余的两个节点输出一个由供电电压，磁阻效率，电流与 磁矩矢量夹角口决定的差分电压a v 。图2 - 7 给出了a m r 电桥结构， 磁阻内电流方向： 外加磁场方向： 图2 - 7 a m r 电桥结构 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 假定给定5 v 的供电电压，感应器将在2 5 v 的偏置电压上提供约1 2 0 m v 的 摆动。选择适当的放大器，最多可达8 5 0 m y 。这个信号电平适合于大多数a d 转换器，使用a m r 感应器和放大器，可提供磁场强度和方向信息等精确的磁场 信息。 同时在设计感应器时，为了建立一个非常灵敏的磁感应器子系统，还采取了 一些特殊的技术，来消除各种干扰。例如通过简单地切换铁镍薄膜的磁属性，消 除感应器的偏置电压，同时消除感应器和放大器的温漂。在感应器芯片上设置偏 置条用来在平时工作中自动修正a m r 感应器。使用闭环反馈技术减少输出增益 随温度的变化，使感应器一直工作在零磁场环境下。图2 - 8 为a m r 感应器的输出 曲线， 喜 i g 鉴 脚 二i 一。i 一 一 ； 应用磁场t o e ) 图2 - 8a m r 感应器的输出曲线 2 1 3a m r 感应器特点 a m r 感应器提供了一个极好的方法来测量在地球磁场内的线位置位移和角 位置位移。它最适于工作在地球磁场范围，并且能够较好的在复杂的道路环境 中抑制噪音。相比于机械的或其它电子式的感应器，有如下优点l l 9 】： l 尺寸小； 2 灵敏度高； 3 因其阻抗小，对电磁噪声、干扰不敏感； 4 固态器件，无转动部件，可靠性高； 5 可以在硅片上大量生产，封装成集成商业集成电路的形式，使得可以和其它电 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 路和系统元件自动组合在一起，制作成本降低； 6 在半导体器件生产中能有效进行精密控制保证在大批量生产中的统一质量 从而大大降低生产成年，使在日常生活中大规模应用成为可能。 综合比较上述优点，以及当前对于车辆检测器的需求，a m r 感应器最适合 作为地磁车辆检测器的感应元件，构成a m r 地磁感应检测器。 2 1 4a m r 地磁感应检测器的检测原理 地球的磁场在个很大的区域内( 约几公里) 是均匀分布的当有磁铁性物 质存在时，会对其造成局部扰动。汽车属于较大的磁铁物体可以看作由多个积 极性磁铁组成的模型。这些双极性磁铁具有北- 南的极化方向，从而因此对地球 磁场的扰动。汽车对地球磁场的扰动情况受发动机、车轴等内部磁铁物质的影响。 图2 - 9 显示汽车所在地的磁场磁力线的扭曲情况。1 2 0 1 图2 - 9 地磁场的车辆扰动 a m r 地磁感应检测器就是通过分析这种磁场变化，来对通过车辆进行检测。 a m r 感应器周期性的将磁场信号转化为电信号并经过磁钉内部处理器将其转 化为便于分析的数字信号，通过无线通信传给接收器，最后利用控制器中的数据 分析程序获得车辆信息。1 圈2 1 0 为a m r 地磁感应检测器的工作流程图： 匝亟p 煞匝熏p 堂乜亟 - 岖匦堕卜麓 图2 - 1 0 检测器工作流程图 a m r 地磁感应检铡器可咀检测到与磁场相关的x 轴、y 轴和z 轴的数据， 如图2 - 1 1 所示， 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 车辆行驶方向 - - - - - - - - l 卜 自兹幸丁 图2 - 1 1 检测器信号方向示意图 其中x 轴的数据为与车辆行驶方向相同的磁场值，y 轴的数据为与车辆行 驶方向相垂直的磁场值，z 轴的数据为与地平面垂直方向的磁场值。经过分析， x 轴的数据容易受到检测器内部磁阻方向和车辆行驶角度的影响，y 轴数据容易 受到并行车道的影响而产生干扰信号。可见，x 、y 轴的数据对环境因素较敏感， 相反地，z 轴数据较稳定，不易受到周边环境的影响，干扰因素较少，便于检测 和识别。本文车辆检测和识别算法的试验结果均是在z 轴数据上的基础之上分析 得出的。 2 2 a m r 地磁感应检测器信号分析 为了进一步了解a m r 地磁感应检测器的信号以及干扰信号的特点，本文作 者将磁钉长时间置入天津市某公路中，对检测信号进行观测。图2 - 1 2 为一典型 的车辆通过磁钉的检测数据。 】铲 ! ! g 嚣 剿 图2 - 1 2 车辆检测信号 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 由上图可以看出当车辆经过时，检测信号会出现明显的波动。由于这个明显 的波动考虑利用阈值算法检测车辆。该波动的波形受汽车本身结构的影响，如地 盘高度、发动机、轮轴等，波宽与汽车长度、汽车经过磁钉时的速度和磁钉敏感 度有关。同时，检测信号不仅包括车辆信号，还包括多种干扰信号。 经过观测，磁钉受到外界环境的干扰，主要有下面三种干扰信号： l 基线漂移 上文已经指出a m r 感应器的感应信号受温度影响较大，虽然通过闭环反馈 技术在很大程度上已将其削弱，但影响依旧存在。图2 - 1 3 为同一检测器在同一 地点不同时刻无车经过的信号波形。 图2 - 1 3 检测器基准线对比 显然，左右两图在无车辆经过时的平稳信号时不同的。在考虑利用阈值算法 检测车辆时，固定的基准值是不行的，会造成车辆误检甚至检测程序瘫痪。但是 基线漂移的周期远远大于车辆经过磁钉时所引起波动的持续时间，也就是说，从 局部看，基准线是相对稳定的。所以在适当选取基准值之后，基准线漂移是不会 造成车辆误检的。 2 毛刺 从图2 一1 3 可以看出，检测信号具有明显的毛刺现象。这种高频的毛刺现象 是由感应器在传送电信号给处理器时电位干扰造成的。与基线漂移不同，毛刺的 频率较高，且幅度较大，影响到了车辆的检测，必须利用一定的数字滤波手段将 其削弱甚至消除。 3 相邻道路车辆干扰 当车辆从磁钉正上方通过时，其信号波动最强烈，但是磁钉具有一定的检测 区域，相邻道路的车辆从磁钉旁边经过，车身虽未在磁钉上经过，但距磁钉距离 若没有超过检测域同样会产生信号波动。与从磁钉正上方经过的车辆产生的信号 第二章a m r 地磁感应检测器的原理 波动相比，这种波动振幅较小，持续的时间较短。如图2 - 1 4 所示， 】i 、 i 磐 蘸 掣 图2 - 1 4 相邻道路车辆干扰信号 本章详细介绍了a m r 检测器的检测原理，并对其检测信号进行分析。通过 上述对磁钉信号分析，本文设计出基于动态基准线的车辆检测算法，该算法将在 下一章做详细介绍。 第三章基于a m r 地磁感应检测器的车辆检测 第三章基于a m r 地磁感应检测器的车辆检测 当前的智能交通系统需要将车辆检测器大量设置在路口，以配合控制系统获 取所需参数，车辆检测器需要长时间不间断的工作。路口的道路状况复杂，在这 种工作环境下，要求车辆检测算法具有较高的鲁棒性，可以应对不同状况。同时， a m r 地磁感应检测器内部控制器的处理器的计算能力有限，若要获得实时的车 辆信息，车辆检测算法必须计算简单。在这两个前提以及前文所分析的a m r 检 测器信号特点的基础上，本文设计了基于动态基准值的车辆检测算法。 本章将详细介绍基于动态基准值的车辆检测算法，包括算法的具体流程，每 一部分的功能、实现方法以及本算法的实验结果。在该算法的基础上，本章给出 了基于双磁钉的车长、车速计算方法，并进一步给出了当磁钉存在差异时的计算 方法。 3 1 基于动态基准值的车辆检测算法 动态基准值算法是在固定阈值算法的基础上，考虑到检测器本身的特点而设 计的。与固定阈值相比，动态基准值算法有更强的自适应性，能够更好的应对环 境变化，使车辆检测精度进一步提高。 3 1 1 检测算法设计概述 当车辆经过磁钉时，检测器信号会出现明显的波动，根据这一特点，可以利 用阈值算法来进行车辆检测。一方面，阈值算法比较适合这种具有明显波动的信 号检测；另一方面，其计算简单，对于检测器内的处理器而言，具有较好的实时 性。但是，受到温度、光照、磁铁性物质等周边环境或内部电路的影响，地磁检 测器在无车辆通过情况下的信号并不一定是个稳定值，会出现整体的基线漂移和 局部毛刺现象。对于基线漂移问题，显然，固定阈值是不可行的，会造成车辆的 误检，同时算法鲁棒性很低。本文将固定阈值算法加以改进，通过动态的计算基 准值来解决此问题。对于毛刺现象，本文在检测算法中添加了数据处理一步，以 将其剔除或削弱。图3 - 1 为基于动态基准值的车辆检测算法的流程图。 第三章基于a m r 地磁感应检测器的车辆检测 3 1 2 数据处理 图3 - 1 算法流程图 由于在传送信号时的电路干扰，检测信号会出现高频的毛刺现象，大约每 l o 个数据会出现一个噪音信号，如图3 - 2 所示。这种噪声是由固件原因引起的， 无法避免。 】l r 坦 聪 掣 图3 - 2 检测器原始信号 经过观察，这种毛刺的幅度较大，如果不提前去除或削弱，很难利用阈值算 法对原始数据进行车辆检测。因为如果为了超过噪音范围将阈值设置较大，就会 使得对于车辆进入和离开磁钉检测域的时间判断不准确甚至漏检车辆；相反的， 若不考虑噪音，就会使得算法始终处于有车状态，无法正常工作。 考虑到实时性和处理器的计算能力，本文采用均值平滑滤波算法来处理原始 的检测器信号，此方法适用于动态信号的处理，不仅能很好的削弱毛刺噪音，而 且计算简单。均值平滑滤波的计算公式如下， 第三章基于a m r 地磁感应检测器的车辆检测 陋! 坐! ：型当f 一7 io否则。 此处b ( i 1 s 分别为磁钉信号的上、下阈值，当信号超过此阈值时，即 l x ( k ) - b ( i ) i 占时，则认为存在强烈的信号波动。占的取值可根据磁钉的敏感性 而定。通过上、下阈值的限制，振幅较小的波形被过滤掉。但是超过阈值的信号 是否为车辆信号，需要在下一步磁钉状态分析中进一步判断。 3 1 4 磁钉状态分析 当原始数据通过数据处理、动态基准值计算进而转化成0 、1 布尔数之后， 便成为磁钉状态分析的输入参数。在这一步，根据输入0 、l 数据采判断当前磁 钉所处的状态。此处，磁钉状态( c a s e ) 定义为无车( n ) 、车辆经过( v ) 、车 辆结束( v e ) 三个状态，图3 - 4 为磁钉状态判断流程图。 第三章基于a m r 地磁感应检测器的车辆检测 0 0 c o u n t1 + + 图3 - 4 磁钉状态判断流程图 此处，通过对磁钉状态的分析，排除非车辆经过引起的信号波动，确定车辆 信息，并获得车辆到达和离开磁钉检测域的时间f 1 、乞，为二级车辆信息提供计 算变量。c o u n t 0 、c o u n t l 分别为车辆经过和离开磁钉的数据计数器。下文将对磁 钉状态分析的基本流程进行说明。 磁钉状态参数初始化 磁钉的初始状态为无车( n ) ，c o u n t 0 为0 ，c o u n t l 为0 。每当一段波形判断 完成之后，都要将其初始化。 无车状态( n ) 当磁钉处于无车状态时，若输入为0 ，