CN108898849A - 一种基于地磁扰动探测的车辆检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于地磁扰动探测的车辆检测方法及系统，能够实现运动车辆的存在检测及车辆类型的识别。检测系统主要包括主控模块、用于对车辆的存在和距离进行检测的超声波探测模块和在车辆通过时发出触发信号的地磁扰动探测模块；所述主控机与所述超声波探测模块和所述地磁扰动探测模块通信，并在接收到所述触发信号时，唤醒所述超声波探测模块。利用地磁扰动探测模块在检测到车辆通过时向带有唤醒功能的主控机发出触发信号，使所述主控机唤醒超声波探测模块，然后所述超声波探测模块对车辆的存在进行检测。本发明的有益效果：体积小、功耗低、成本低、安装简易、不破坏路面且精度高。

Description

一种基于地磁扰动探测的车辆检测方法及系统

技术领域

本发明涉及车辆监控技术领域，尤其涉及一种基于地磁扰动探测的车辆检测方法及系统。

背景技术

从军事方面来讲，路面监控设备可以在一些军事管制路段或是设伏路段有效的控制敌方设备车辆或是履带车，在单兵作战的负重量有限的情况下，监控系统的体积越小、重量越轻，越方便携带，实用性也就越好，同时还要兼顾监控的准确性。传统的路面检测设备大多体积较大，成本高，很难在一些环境恶劣的情况下保持高精度测量，并不适合单兵携带。因此，一个便捷、高效的车辆检测系统对于军事作战方面有着重要的意义。

目前现有的车辆检测系统大多采用视频检测、激光检测与地磁线圈检测，如名称为专利车辆闯红灯检测系统、一种车辆检测系统以及一种智能环行线圈车辆检测器的专利文件，它们的检测原理都是通过优化现有的检测系统、更换识别算法来提高监测的精度，或通过增加外部设备增强系统的鲁棒性。在实际的应用中依然无法满足便携、隐藏性好等要求。

在车辆检测中使用的传感器有两种类型：主动式(active sensors)和被动式(passive sensors)。例如激光测距仪、毫米微波雷达等为主动式传感器， CCD摄像机以及目前在军事、民事领域广泛使用的地磁线圈探测仪、超声以及红外传感器则属于被动式传感器。

红外检测可以精确的检测静止车辆的位置，多红外传感器装置还可以检测运动中的车辆的行驶速度，适用于多车道路段。红外检测的缺点就是传感器灵敏度受环境因素影响较大，雾霾、雨雪等天气都会大大降低检测灵敏度。

路面上常见的视频检测设备可以同时监测多个路段的车流情况，分析视频画面可以得到大量的车辆参数，而多个视频检测设备可以进行大范围路面检测。视频检测的缺点与红外检测设备大致相同，在雾霾、雨雪天气下很难保证检测精度，而且安装难度大、成本高，不适合一些有快速安装要求的情况。

微波检测在一般的大风、大雾情况下可以正常运行，并可以保持测量精度，适用于多车道检测，能够快速反应道路上的车辆行驶速度，但是无法检测静止不动的车辆，对于不同的检测要求，天线的传输宽度与传输波形也不一样。

传统地磁车辆检测系统中，感应线圈法是技术最成熟、应用最广泛的路面车辆检测技术，其高频激励模型还可以提供车辆分类功能，但是这种检测方法的弊端就是安装、维护不够方便，必须要停止道路的使用并破坏路面，而且一个完整的感应线圈检测系统需要多个感应线圈同时检测，便捷性不够强。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于地磁扰动探测的车辆检测系统，体积小、成本低、不破坏路面且精度高。

本发明的实施例提供一种基于地磁扰动探测的车辆检测系统，包括主控机、用于对车辆的存在进行检测的超声波探测模块和在车辆通过时发出触发信号的地磁扰动探测模块；所述主控机与所述超声波探测模块和所述地磁扰动探测模块通信，并在接收到所述触发信号时，唤醒所述超声波探测模块。

进一步地，所述地磁扰动探测模块具有两个，沿马路的延伸方向分设于所述超声波探测模块的前后两侧。

进一步地，所述地磁扰动探测模块包括AMR传感器和地磁扰动探测器，所述AMR传感器通过IIC总线与所述地磁扰动探测器连接，所述地磁扰动探测器与所述主控机通信。

进一步地，所述AMR传感器为三轴地磁传感器，包括由四个磁阻组成的能够检测磁场强度变化的惠斯通电桥，所述主控机的处理器为型号为MSP430f149 的单片机，所述超声波探测模块为ME007-ULS V1超声波控制器。

本发明的实施例还提供一种基于地磁扰动探测的车辆检测方法，利用地磁扰动探测模块在检测到车辆通过时向带有唤醒功能的主控机发出触发信号，使所述主控机唤醒超声波探测模块，然后所述超声波探测模块对车辆的存在进行检测。

进一步地，所述地磁扰动探测模块包括，

AMR传感器，用于检测车辆通过时引起的磁场强度的变化；

地磁扰动探测器，通过IIC总线与所述AMR传感器连接，其内存储有多种阈值，每一所述阈值对应一种车辆类型的车辆经过时引起的磁场强度变化的变化范围，所述地磁扰动探测器与所述主控机通信。

进一步地，根据车辆规格将车辆类型划分为多种类型，并预先将所述多种车辆类型存储于所述主控机的车辆类型判定表中，在所述车辆类型判定表中使车辆类型与相应的所述阈值关联；车辆通过时，所述AMR传感器将其检测的磁场强度变化传至所述地磁扰动探测器中进行比对分析，若所述车辆通过时引起的磁场强度变化落入其中一所述阈值时，则所述地磁扰动探测器将该阈值传至所述主控机，该阈值即所述触发信号；所述主控机遍历所述车辆类型判定表，获取与其接收的该阈值相关联的车辆类型来作为判定所述车辆的车辆类型的依据。

进一步地，车辆类型的判定依据还包括所述超声波探测模块被唤醒时所述车辆与所述超声波探测模块之间的直线距离。

进一步地，预先在所述车辆类型判定表中存储所述超声波探测模块被唤醒时所述超声波探测模块与多种车辆之间一一对应的多种标准直线距离，并使所述标准直线距离与所述车辆类型判定表中的车辆类型和阈值相互关联；所述超声波探测模块与所述主控机双向通信，所述超声波探测模块被唤醒后，所述超声波探测模块检测其与车辆之间的实际直线距离，并将该实际直线距离传至所述主控机，所述主控机遍历所述车辆类型判定表，依据车辆通过时引起的磁场强度的变化和所述超声波探测模块被唤醒时所检测出的实际直线距离来判定通过的所述车辆的车辆类型。

进一步地，车辆类型包括大型车辆、中型车辆和小型车辆，车辆类型的判定结果包括大型车辆、中型车辆、小型车辆以及电磁干扰。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：由于许多装甲车辆采用的隐身技术大多为在其表面涂覆隐身涂料，包括雷达隐身涂料、红外隐身涂料、可见光隐身涂料、激光隐身涂料等。本发明所述的基于地磁扰动探测的车辆检测系统中，所述主控机通过利用所述地磁扰动探测模块来检测车辆通过时引起的磁场强度变化，并通过利用所述超声波探测模块来检测所述超声波探测模块被唤醒时车辆与所述超声波探测模块之间的直线距离，来判定通过的车辆的存在和车辆的车辆类型，从而能够效避开了这些隐身技术，满足了反隐身的需要。

且所述地磁扰动探测模块在有车辆通过时才会向所述主控机发出触发信号，所述主控机根据所述触发信号来唤醒所述超声波探测模块。即所述超声波探测模块的工作状态默认设定为待机模式。当所述地磁扰动探测模块检测到目标车辆出现时，通过无线通信模块发送所述触发信号至所述主控机，所述主控机接收到所述触发信号后唤醒所述超声波探测模块来检测车辆存在，从而在降低系统功耗的同时还能提高检测的准确性，防止所述地磁扰动探测模块受电磁干扰误检。

附图说明

图1是本发明基于地磁扰动探测的车辆检测系统的地磁扰动探测的原理图；

图2是基于地磁扰动探测的车辆检测数学模型；

图3是AMR传感器的结构示意图；

图4是本发明基于地磁扰动探测的车辆检测系统；

图5为滑动滤波后，基准值更新的具体流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

地磁扰动探测的原理:地磁场磁场强度在两极最大，约0.6mgauss，分布在地球赤道附近的地磁场磁场强度最小，最小约0.3mgauss。因而可以认为几公里范围内的磁场是一致的，即在几公里范围内的地磁场分布的大小、方向是恒定的。由于车辆是一种铁磁性物质，无论出于行驶过程中还是车辆静止，它都会对其周围的地磁场产生扰动，如图1所示。

车辆对地磁场的扰动会导致地磁场强度的变化，因此，为实现对行驶中的车辆的类型进行甄别，需要检测该车辆对地磁场的扰动强度。根据铁磁金属的磁阻效应就可以检测地磁场强度的变化，从而达到区分车辆类型的目的。

基于地磁扰动探测的车辆检测数学模型:如果将车辆视为一个双极性磁铁的模型，当车辆进入地磁场时，车辆自身磁场与地磁场会产生相互作用，这种作用会使车辆周围磁场有规律的发生变化。将车辆周围的混合磁场建立成一个磁偶极子模型，并以一个载有电流的环形回路作为这个磁偶极子的模型，如图2 所示。

假设车辆在原点处，以恒定的速度沿y方向行驶，观测点所在位置为P(0,0,z) 点。根据毕奥—萨伐尔定律(Biot-Savart law)，当恒定电流I流经微分长度为的导线时，其产生的微分磁场为：

经计算，在P(0,0,z)点的磁场强度为：

当回路的半径无限小，即z＞＞a时，式(3)可近似为：

根据电流回路的磁矩的定义，图2所示的位于x-y平面上的单匝载流回路，其磁矩为：

其中：

m＝Iπa² (5)

因此，在|z|＞＞a条件下，式(3)可以表示成：

从式(6)可以看出观测点P远离回路，但仍在回路轴线上。如果将球坐标中任一点P′(R′,θ′,φ′)作为观测点，R′为回路中心到原点的距离，且R′＞＞a，则P′的磁场强度为：

由式(7)可知，磁偶极子在P点的磁场强度会随着其所在位置的不同而不同，且不同的磁偶极子，其产生的磁矩不同，在P点的磁场强度也不同。根据这一原理，通过检测车辆行驶时的磁场强度变化就可以获得车辆信息。

本发明的具体实施例:

请参考图4，本发明的实施例提供了一种基于地磁扰动探测的车辆检测系统，该系统包括主控机3、用于对车辆1的存在进行检测的超声波探测模块4和在车辆1通过时发出触发信号的地磁扰动探测模块2。

所述磁扰动探测模块2具有两个，且型号规格完全相同，沿马路的延伸方向分设于所述超声波探测模块4的前后两侧，用于检测来自两个方向的车辆。

所述磁扰动探测模2包括AMR传感器和地磁扰动探测器，所述AMR传感器即各向异性传感器(Anisotropic Magneto Resistive，AMR)，为三轴地磁传感器，包括由四个磁阻组成的能够检测磁场强度变化的惠斯通电桥，如图3所示，其中所述惠斯通电桥供电电源为Vin，电流流经电阻。这些电阻或者磁阻在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化，本实施例中的所述外加磁场包括扰动前地磁场，由上文中的分析可知，几公里范围内的地磁场分布的大小、方向是恒定的。当施加一个偏置磁场在所述惠斯通电桥上时(由于车辆是一种铁磁性物质，车辆通过时，它都会对其周围的地磁场产生扰动从而产生所述偏置磁场)，两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动，这两个电阻的阻值R会增加ΔR；而另外两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向转动，该两个电阻的阻值R则减少ΔR。通过根据输出差分电压的不同就可以检测磁场强度的变化。

从而AMR传感器能够检测出车辆通过时引起的磁场强度的变化。所述AMR 传感器通过IIC总线与所述地磁扰动探测器连接，所述地磁扰动探测器与所述主控机3通信。所述地磁扰动探测器内存储有多种阈值，每一所述阈值对应一种车辆类型的车辆1经过时引起的磁场强度变化的变化范围，本实施例中，以将车辆类型划分为大型车辆、中型车辆和小型车辆为例进行说明，但不以此为限。根据对符合上述车辆类型的车辆进行的反复多次试验，将不同车俩类型的车辆1通过时地磁扰动变化的阈值初步划分为0～3mgauss、3～7mgauss、7～ 20mgauss与20mgauss以上四个个范围。同理，对符合上述车辆类型的车俩1进行的反复多次试验，将所述超声波探测模块4被唤醒时所述超声波探测模块4 与多种车辆1之间一一对应的多种标准直线距离初步划分为0.5～3.5m和3.5～ 6.0m两个范围。所述超声波探测模块4与多种车辆1之间的直线距离是所述超声波探测模块4在其检测范围5内检测出的。

车辆1通过时，所述AMR传感器将其检测的磁场强度变化传至所述地磁扰动探测器中进行比对分析，若所述车辆1通过时引起的磁场强度变化落入其中一所述阈值时，则所述地磁扰动探测器将该阈值传至所述主控机3，该阈值即所述触发信号。所述主控机3获取所述触发信号后唤醒所述超声波探测模块4，所述超声波探测模块4运行并发出超声信号来检测所述超声波探测模块4与该车辆1之间的实际直线距离。优选所述超声波探测模块为ME007-ULS V1超声波控制器。

所述主控机3的处理器为型号为MSP430f149的单片机，所述主控机3内存储有车辆类型判定表，预先将多种所述车辆类型存储于所述主控机3的所述车辆类型判定表中，并预先在所述车辆类型判定表中存储多种所述标准直线距离和多种所述阈值，并使所述标准直线距离与所述车辆类型判定表中的车辆类型和阈值相互关联。

所述主控机3遍历所述车辆类型判定表，获取与其接收的该阈值相关联的车辆类型来作为判定所述车辆的车辆类型的依据，所述超声波探测模块4与所述主控机1双向通信，所述超声波探测模块4被唤醒后，所述超声波探测模块4 检测其与车辆1之间的实际直线距离，并将该实际直线距离传至所述主控机3，所述主控机3遍历所述车辆类型判定表，依据车辆1通过时引起的磁场强度的变化和所述超声波探测模块3被唤醒时所检测出的所述实际直线距离来判定通过的所述车辆的车辆类型。即车辆类型的判定依据包括车辆通过时引起的磁场强度变化所落入的阈值，还包括所述超声波探测模块3被唤醒时所述车辆与所述超声波探测模块之间的实际直线距离。

车辆类型的判定结果包括大型车辆、中型车辆、小型车辆以及电磁干扰。当地磁扰动变化范围在0～3mgauss内、实际直线距离在0.5～3.5m范围内时，所述主控机3将该车辆1判定为电磁干扰；当地磁扰动变化范围在0～3mgauss 内、实际直线距离在3.5～6m范围内时，所述主控机3将该车辆1判定为小型车辆；当地磁扰动变化范围在3～20mgauss内、实际直线距离在0.5～3.5m范围内时，所述主控机3将该车辆1判定为小型车辆；当地磁扰动变化范围在3～ 7mgauss内、实际直线距离在3.5～6m范围内时，所述主控机3将该车辆1判定为中型车辆；当地磁扰动变化范围在7～20mgauss内、实际直线距离在0.5～2m 范围内时，所述主控机3将该车辆1判定为中型车辆；当地磁扰动变化范围在7～ 20mgauss内、实际直线距离在3.5～6m范围内时，所述主控机3将该车辆1判定为大型车辆；当地磁扰动变化范围在20mgauss以上、实际直线距离在0.5～ 3.5m范围内时，所述主控机3将该车辆1判定为大型车辆。如下所示的所述车辆类型判定表。

车辆类型判定表

当所述地磁扰动探测模块2发出触发信号后，所述超声波探测模块4检测得到的实际直线距离大于马路的宽度或者没有检测到有车通过时，则所述主控器3判定为电磁干扰。

使用本发明所述的基于地磁扰动探测的车辆检测系统时：

(1)在待测路段安装所述基于地磁扰动探测的车辆检测系统。

(2)基于所述AMR传感器(三轴地磁传感器)的三个坐标轴构建坐标系，获取无车地磁背景时三个坐标轴上的磁场强度基准值Baseline，对三个坐标轴上的磁场强度基准值Baseline进行运算处理，获取无车地磁背景时总的磁场强度 Singal：

上式中的x、y、z分别代表x轴、y轴、z轴(三个坐标轴)上的磁场强度基准值Baseline。从而，可以很大程度上降低AMR传感器的摆放位置对检测结果带来的波动(即通过类似求平均值的方式来取代单以某一坐标轴上的磁场强度来判断总的磁场强度Singal)。

(3)所述AMR传感器在采集有效地磁信号(Es(t))时会受到周围噪声信号的干扰，干扰信号主要来自于周围环境信号(Bs(t))和系统本身噪声信号 (Ns(t))。所以所述地磁扰动探测模块采集到的最终的地磁信号(Hs(t))如公式 (2.12)所示：

Hs(t)＝Bs(t)+Ns(t)+Es(t) (2.12)

由于外界的环境信号主要是高斯白噪声，可以采用自适应阈值的方法，在无车的时候检测地磁场强度值，并进行更新，采用滑动滤波的方法对采集到的信号进行处理，降低高斯白噪声带来的影响。

公式(3.12)中，N是滤波因子，即滑动滤波窗口的长度。N越大，波形越平滑，但是波形的滞后现象也会更加严重，通过多次实验，找出最合适的滤波窗口的宽度，在满足对采集到的信号进行平滑处理的同时，降低检测到信号时的时滞，保证在采集信号过程中不丢失有效信息。对信号进行滑动滤波处理，可以满足上述的要求。当采集的数据个数k小于N时，对采集到的数据取均值，当k大于N时，只对前面N个数据取均值。

数据经过滑动滤波处理后可以得到一个基准值，在无车的情况或是系统未检测到大幅度的波动时，基准值可按公式(4.12)进行调整：

α为加权系数，检测系统的反应速度的快慢与α的大小成正比；α越大，基准值调整幅度越大，基准值调整速度越快，但容易受扰动影响。图5所示为滑动滤波后，基准值更新的具体流程(N＝50为例)。

(4)通过所述地磁扰动探测模块2获取有车地磁背景时三个坐标轴上的磁场强度基准值Baseline，对三个坐标轴上的磁场强度基准值Baseline进行运算处理，获取有车地磁背景时总的磁场强度Signal′，在Signal′和Signal之间差的绝对值即车辆1经过时引起的磁场强度变化的变化值。

(5)若所述车辆1通过时引起的磁场强度变化落入其中一所述阈值时，则所述地磁扰动探测器将该阈值传至所述主控机3，该阈值即所述触发信号；所述主控机3遍历所述车辆类型判定表，获取与其接收的该阈值相关联的车辆类型来作为判定所述车辆1的车辆类型的依据。

(6)所述主控机3接收所述触发信号后唤醒处于待机状态的所述超声波探测模块4，所述超声波探测模块4启动并检测其与车辆1之间的实际直线距离，并将该实际直线距离传至所述主控机3，所述主控机3遍历所述车辆类型判定表，依据车辆1通过时引起的磁场强度的变化和所述超声波探测模块4被唤醒所检测出的实际直线距离来判定通过的所述车辆1的车辆类型。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于地磁扰动探测的车辆检测系统，其特征在于：包括主控机、用于对车辆的存在进行检测的超声波探测模块和在车辆通过时发出触发信号的地磁扰动探测模块；所述主控机与所述超声波探测模块和所述地磁扰动探测模块通信，并在接收到所述触发信号时，唤醒所述超声波探测模块。

2.如权利要求1所述的基于地磁扰动探测的车辆检测系统，其特征在于：所述磁扰动探测模块具有两个，沿马路的延伸方向分设于所述超声波探测模块的前后两侧。

3.如权利要求1所述的基于地磁扰动探测的车辆检测系统，其特征在于：所述磁扰动探测模块包括AMR传感器和地磁扰动探测器，所述AMR传感器通过IIC总线与所述地磁扰动探测器连接，所述地磁扰动探测器与所述主控机通信。

4.如权利要求3所述的基于地磁扰动探测的车辆检测系统，其特征在于：所述AMR传感器为三轴地磁传感器，包括由四个磁阻组成的能够检测磁场强度变化的惠斯通电桥，所述主控机的处理器为型号为MSP430f149的单片机，所述超声波探测模块为ME007-ULS V1超声波控制器。

5.一种基于地磁扰动探测的车辆检测方法，其特征在于：利用地磁扰动探测模块在检测到车辆通过时向带有唤醒功能的主控机发出触发信号，使所述主控机唤醒超声波探测模块，然后所述超声波探测模块对车辆的存在进行检测。

6.如权利要求5所述的基于地磁扰动探测的车辆检测方法，其特征在于：所述地磁扰动探测模块包括，AMR传感器，用于检测车辆通过时引起的磁场强度的变化；地磁扰动探测器，通过IIC总线与所述AMR传感器连接，其内存储有多种阈值，每一所述阈值对应一种车辆类型的车辆经过时引起的磁场强度变化的变化范围，所述地磁扰动探测器与所述主控机通信。

7.如权利要求6所述的基于地磁扰动探测的车辆检测方法，其特征在于：根据车辆规格将车辆类型划分为多种类型，并预先将所述多种车辆类型存储于所述主控机的车辆类型判定表中，在所述车辆类型判定表中使车辆类型与相应的所述阈值关联；车辆通过时，所述AMR传感器将其检测的磁场强度变化传至所述地磁扰动探测器中进行比对分析，若所述车辆通过时引起的磁场强度变化落入其中一所述阈值时，则所述地磁扰动探测器将该阈值传至所述主控机，该阈值即所述触发信号；所述主控机遍历所述车辆类型判定表，获取与其接收的该阈值相关联的车辆类型来作为判定所述车辆的车辆类型的依据。

8.如权利要求7所述的基于地磁扰动探测的车辆检测方法，其特征在于：车辆类型的判定依据还包括所述超声波探测模块被唤醒时所述车辆与所述超声波探测模块之间的直线距离。

9.如权利要求8所述的基于地磁扰动探测的车辆检测方法，其特征在于：预先在所述车辆类型判定表中存储所述超声波探测模块被唤醒时所述超声波探测模块与多种车辆之间一一对应的多种标准直线距离，并使所述标准直线距离与所述车辆类型判定表中的车辆类型和阈值相互关联；所述超声波探测模块与所述主控机双向通信，所述超声波探测模块被唤醒后，所述超声波探测模块检测其与车辆之间的实际直线距离，并将该实际直线距离传至所述主控机，所述主控机遍历所述车辆类型判定表，依据车辆通过时引起的磁场强度的变化和所述超声波探测模块被唤醒时所检测出的实际直线距离来判定通过的所述车辆的车辆类型。

10.如权利要求9所述的基于地磁扰动探测的车辆检测系统，其特征在于：车辆类型包括大型车辆、中型车辆和小型车辆，车辆类型的判定结果包括大型车辆、中型车辆、小型车辆以及电磁干扰。