CN104835326A - 基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，属于车辆信息检测和交通控制领域。本发明包括三维各向异性磁阻传感器阵列，数据采集模块，中央信息处理控制模块，数据存储与数据传输模块，电源控制模块；三维各向异性磁阻传感器阵列与数据采集模块连接，数据采集模块与中央信息处理控制模块连接，中央信息处理控制模块与数据存储模块和数据传输模块连接,电源控制模块与车辆探测器的各个模块相连；该三维各向异性磁阻传感器阵列设置在坐标轴X、Y、Z方向上，每个方向均各有至少三个传感单元以一定间隔的方式放置。本发明实现实时车辆探测，车速，加速度和运行方向的测量。且具有智能化的控制与数据传输，设备的小型化和低功耗优化的特点。

Description

基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器

技术领域

本发明属于道路车辆检测与控制用领域，具体涉及一种基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器。

背景技术

近年城市的汽车数量越来越多，带来了车辆管理，交通拥堵问题。车辆探测设备可以为智能交通控制系统提供车辆的运行信息，从而实现交通优化控制及道路保护等功能。

现有的车辆探测设备，如交通摄像头，雷达，环形线圈感应器等，成本高，体积大，功耗大，不易施工，探测准确率受天气和环境影响大。

基于磁阻传感器的车辆检测技术因其检测灵敏度高，不易受气候影响，可小型化而得到快速发展。但单一的磁阻传感器在准确探测车辆及其行驶速度，方向上还有局限性。通常的解决方案是布设多个磁阻传感器。利用车辆到达不同磁阻传感器的时间差和先后顺序来测量速度和方向。此方案需要安装多个磁阻传感器，成本高，施工量大。而且因为各磁阻传感器之间通常间距较大，车辆可以在两个磁阻传感器之间换到另外一条车道上，就会发生前一个磁阻传感器探测到车辆但下一个磁阻传感器没有探测到车辆，从而不能测量车的速度和方向。另外，磁场的变化是三维的。现有的测量方法通过测量磁场在和车道平行方向上的变化来探测车辆及其速度，忽略了其他方向的变化。此方法假设车辆行驶方向与车道完全平行。如果车辆在通过磁阻传感器时与车道不平行，就会引起误差。在测量车速时，如果磁阻传感器之间距离短，此误差会明显影响测量结果。

发明内容

本发明的目的是针对现有车辆探测技术中的准确性和成本问题，提供一种基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，用三个三维各向异性磁阻传感器实现实时车辆探测，车速，加速度和运行方向的测量。且具有智能化的控制与数据传输，设备的小型化和低功耗优化的特点。

本发明采用的技术方案是：基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，其特征在于，该车辆探测器包括三维各向异性磁阻传感器阵列，数据采集模块，中央信息处理控制模块，数据存储与传输模块，电源控制模块；三维各向异性磁阻传感器阵列与数据采集模块连接，数据采集模块与中央信息处理控制模块连接，中央信息处理控制模块与数据存储模块和传输模块连接,电源控制模块与车辆探测器的各个模块相连；所述三维各向异性磁阻传感器阵列用于探测车辆。该三维各向异性磁阻传感器阵列设置在坐标轴X、Y、Z方向上，每个方向均各有至少三个传感单元以一定间隔的方式放置，三个三维各向异性磁阻传感器分别在不同时间在坐标轴X、Y、Z方向上探测到地球磁场产生的扰动，从而探测到车辆的存在，计算出车辆在X、Y、Z方向上的速度，加速度，以此得出车辆行驶速度，运行方向，是否在加速或减速，是否在换车道。

作为上述方案的优选，所述的三维各向异性磁阻传感器阵列包括三个三维各向异性磁阻传感器，每个三维各向异性磁阻传感器包括三个传感单元；三个传感单元分别平行于对应空间坐标系的三条立体相交的坐标轴X、Y、Z；三个三维各向异性磁阻传感器以之间间隔一定距离的方式放置在与坐标轴X、Y、Z方向成一定角度的直线上并集成在一个车辆探测器之内。

作为上述方案的优选，所述的数据存储模块包括存储有探测器运行状态和参数和安全加密信息的闪存存储单元，以及存储有原始数据和探测结果的安全数码卡存储单元。

作为上述方案的优选，所述的中央信息处理控制模块采用MSP430低功耗处理器，包括多通道高速处理单元，低功耗工作单元，输出控制接口。

作为上述方案的优选，所述的数据传输模块包括有线串行传输单元和无线射频传输单元，通过编程实现有线通信或无线通信，或同时进行有线和无线通信。

作为上述方案的优选，所述电源控制模块由大容量12V锂亚电池、电压转换电路和电源控制开关组成；所述的电源控制模块与各模块通过控制开关连接，中央处理器控制各模块的电源开关使设备进入低功耗运行状态。

本发明的有益效果是：车辆经过所述基于各向异性磁阻传感器阵列的探测器时，三个三维各向异性磁阻传感器分别在不同时间在坐标轴X、Y、Z方向上探测到地球磁场产生的扰动，从而探测到车辆的存在，计算出车辆在X、Y、Z方向上的速度，加速度，以此得出车辆行驶速度，运行方向，是否在加速或减速，是否在换车道。本发明采用一个探测器实现所述功能，降低了成本。准确度高，低功耗，持续工作时间长。体积小，施工方便，减少对道路的破坏，降低了维修成本，不易受环境影响。

附图说明

图1是基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器的结构原理框图；

图2是图1中各向异性磁阻传感器阵列20的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器结合附图及实施例进一步说明如下：

本发明提出的一基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，通过探测车辆通过所述探测器时地球磁场产生的扰动来检测车辆的存在，行驶速度和方向。

所述基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器的组成如图1所示，包括中央信息处理控制模块10，三维各向异性磁阻传感器阵列20,数据采集模块30，数据存储模块50与数据传输模块40，电源控制模块60；三维各向异性磁阻传感器阵列20与数据采集模块30连接，数据采集模块30与中央信息处理控制模块10连接，中央信息处理控制模块10分别与数据存储模块50和传输模块40连接,电源控制模块60与其他各个模块相连。三维各向异性磁阻传感器阵列20用于探测车辆。该三维各向异性磁阻传感器阵列在坐标轴X、Y、Z方向上，均各有至少三个传感单元以一定间隔的方式放置。

其中，本发明的工作原理：当车辆经过各向异性磁阻传感器阵列20区域时，对地球磁场信号产生扰动，磁阻传感器阵列检测到这种变化并将磁扰动转换成电压的波动。数据采集模块30对磁阻传感器输出电压进行滤波，降低噪声；信号被动态差分放大；中央信息处理控制模块10对放大后的信号进行多通道同步高速采样。中央信息处理控制模块10对采集到的三维各向异性磁阻传感器阵列20在不同时间不同方向上的信号进行处理，检测到车辆经过三维各向异性磁阻传感器阵列20时对地球磁场产生的扰动所引起的信号变化和相应的时间信息，从而探测到车辆的存在和运行信息。

本发明的各模块的具体实现方式及功能分别说明如下：

数据采集模块30包括匹配滤波单元、可编程动态差分放大单元与多通道同步高速采样单元；其中，匹配滤波单元采用电阻电容匹配滤波电路，可编程动态差分放大单元与多通道同步高速采样单元采用德州仪器(Texas Instruments)的16位Delta-Sigma模数转换器及其可编程动态差分放大电路。电阻电容匹配滤波电路与磁阻传感器相连，滤除磁阻传感器输出的噪音信号。可编程动态差分放大电路与滤波单元连接，对磁阻传感器输出输信号放大，输入信号可以放大1至32倍。可编程动态差分放大单元连接16位Delta-Sigma模数转换器实现多通道同步采用，采样频率达到16kHz。

数据存储模块50中闪存存储单元和安全数码卡存储单元与中央信息处理控制模块通过高速串行总线相连。可以同时进行数据存储和传输。闪存存储单元用于存储探测器的运行状态和参数，安全加密信息，安全数码卡存储单元存储原始数据和处理结果。

数据传输模块40，用于传输数据和检测结果，更新设备设置和处理程序，实现车辆探测器和其他设备的通信。本实施例的传输模块可采用通用的有线串行传输器件或无线射频传输器件，有线串行传输器件可以通过串行线和其他设备通信。无线射频传输器件采用Digi International的Xbee Pro模块，提供紫蜂(ZigBee)传输接口，可以和其他设备实现无线远程通信。传输模块通过编程实现有线通信或无线通信，也可以同时进行有线和无线通信。

电源控制模块60由大容量12V锂亚电池、电压转换电路和电源控制开关组成；其中大容量12V锂亚电池和电压转换电路连接。电压转换电路与电源控制开关连接。电源控制开关连接到各个模块以提供电能。中央处理器10可以控制各模块的电源开关使设备进入低功耗运行状态。

本实施例的三维各向异性磁阻传感器阵列20结构如图2所示，由三个相同的三维各向异性磁阻传感器201，三维各向异性磁阻传感器202和三维各向异性磁阻传感器203组成。每个三维各向异性磁阻传感器均采用霍尼维尔(Honeywell)的单轴各向异性磁阻传感器HMC1001和双轴各向异性磁阻传感器HMC1002组成的三个传感单元。三个各向异性磁阻传感器之间间隔一定距离放置在与坐标轴X、Y、Z方向成一定角度的直线上而组成传感器阵列。角度可根据需要选择0到90度。本实施例的一种放置方式是以间隔10厘米距离放置在与X轴成45度，与Y、Z轴成0度的直线上。三维各向异性磁阻传感器中，单轴各向异性磁阻传感器HMC1001包含一个传感单元，双轴各向异性磁阻传感器HMC1002包括两个传感单元。三个传感单元分别平行于对应空间坐标系的三条立体相交的坐标轴X、Y、Z。当车辆依次经过磁阻传感器201，磁阻传感器202，磁阻传感器203时，各个磁阻传感器的三个传感单元分别感应车辆引起的地球磁场在X、Y、Z方向上的扰动并将磁扰动转换成电压的波动。

本实施例采用的三维各向异性磁阻传感器体积小，三维各向异性磁阻传感器阵列20可以全部集成在一个电路板上。所述的三维各向异性磁阻传感器阵列20还可以采用其他方式。例如，可以增加各向异性磁阻传感器的数量。比如放置九个三维各向异性磁阻传感器成方形阵列。这样成本要高一些，但会简化计算。

本实施例的中央信息处理控制模块10采用德州仪器(Texas Instruments)的MSP430低功耗处理器，包括多通道高速处理单元，低功耗工作单元，输出控制接口。

中央信息处理控制模块10的工作过程为：记录车辆经过磁阻传感器201，磁阻传感器202，磁阻传感器203时采集到的电压值，同时记录相应的采集时间信息。根据检测到的磁阻传感器201，磁阻传感器202，磁阻传感器203在不同时间不同坐标轴X、Y、Z方向上的电压波动大小，中央信息处理控制模块10判断车辆的存在。根据车辆到达磁阻传感器201，磁阻传感器202，磁阻传感器203的不同时间以及已知的传感器之间的距离，中央信息处理控制模块10以距离除以时间计算出车辆在X、Y、Z方向上的速度。比较车辆在经过磁阻传感器201和磁阻传感器202之间的速度以及车辆在经过磁阻传感器201和磁阻传感器202之间的速度，中央信息处理控制模块10计算速度差，得到车辆在经过三维各向异性磁阻传感器阵列20的加速度。根据记录到的车辆到达磁阻传感器201，磁阻传感器202，磁阻传感器203的先后顺序，中央信息处理控制模块10判断出车辆行驶的方向。中央信息处理控制模块10以此得出车辆运行状态信息，包括行驶速度，运行方向，是否在加速或减速，是否在换车道。

中央信息处理控制模块10控制各模块。各模块一般处于低功耗状态。中央信息处理控制模块10只在需要传输处理数据，控制其他模块的时候脱离低功耗状态。在需要实现数据采集，传输，存储的时候，中央信息处理控制模块10才激活相应的数据采集模块30，数据存储模块50与传输模块40。

中央信息处理控制模块的上述处理过程可通过常规编程技术编制成处理程序预先存储在中央信息处理控制模块中。

以上所述仅为本发明的优选实施例，不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，其特征在于,该车辆探测器包括三维各向异性磁阻传感器阵列，数据采集模块，中央信息处理控制模块，数据存储与数据传输模块，电源控制模块；三维各向异性磁阻传感器阵列与数据采集模块连接，数据采集模块与中央信息处理控制模块连接，中央信息处理控制模块与数据存储模块和数据传输模块连接,电源控制模块与车辆探测器的各个模块相连；所述三维各向异性磁阻传感器阵列用于探测车辆；该三维各向异性磁阻传感器阵列设置在坐标轴X、Y、Z方向上，每个方向均各有至少三个传感单元以一定间隔的方式放置，三个三维各向异性磁阻传感器分别在不同时间在坐标轴X、Y、Z方向上探测到地球磁场产生的扰动，从而探测到车辆的存在，计算出车辆在X、Y、Z方向上的速度，加速度，以此得出车辆行驶速度，运行方向，是否在加速或减速，是否在换车道。

2.根据权利要求1所述的基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，其特征在于，所述的三维各向异性磁阻传感器阵列包括三个三维各向异性磁阻传感器，每个三维各向异性磁阻传感器包括三个传感单元；三个传感单元分别平行于对应空间坐标系的三条立体相交的坐标轴X、Y、Z；三个三维各向异性磁阻传感器以之间间隔一定距离的方式放置在与坐标轴X方向成一角度的直线上并集成在一个车辆探测器之内。

3.根据权利要求1所述的基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，其特征在于，所述的数据采集模块包括匹配滤波单元、可编程动态差分放大单元与多通道同步高速采样单元；其中，匹配滤波单元输出端与磁阻传感器相连，滤波单元输出端连接可编程动态差分放大单元输入端，可编程动态差分放大单元输出端与多通道同步高速采样单元输入端连接。

4.根据权利要求1所述的基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，其特征在于，所述的中央信息处理控制模块采用MSP430低功耗处理器，包括多通道高速处理单元，低功耗工作单元，输出控制接口。

5.根据权利要求1所述的基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，其特征在于，所述的数据存储模块包括存储有探测器运行状态和参数和安全加密信息的闪存存储单元，以及存储有原始数据和探测结果的安全数码卡存储单元。

6.根据权利要求1所述的基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，其特征在于，所述的数据传输模块包括有线串行传输单元和无线射频传输单元，通过编程实现有线通信或无线通信，或同时进行有线和无线通信。

7.根据权利要求1所述的基于各向异性磁阻传感器阵列的车辆探测器，其特征在于，所述电源控制模块由大容量12V锂亚电池、电压转换电路和电源控制开关组成；所述的电源控制模块与各模块通过控制开关连接，中央处理器控制各模块的电源开关使设备进入低功耗运行状态。