一种基于双矢量磁传感器的车辆信息采集及处理系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于双矢量磁传感器的车辆信息采集及处理系统，其特征在于包括：前端双矢量磁传感器部分，包括两个矢量磁阻传感器S1和S2，用于把车辆运动产生的磁场信号转换成模拟电信号；信号采集部分，用于把前端双矢量磁传感器部分输出的模拟电信号转换为数字信号；车辆信息确定部分，用于对来自信号采集部分的数字信号进行特征量的确定，找到适合处理的数值，并确定包括车辆的有无、车辆行驶方向、车速、车长的车辆信息；结果输出部分，用于输出所述车辆信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于双矢量磁传感器的车辆信息采集及处理系统和方法，属于智能交通及信号处理领域。
技术介绍
随着我国经济中高速发展，人民经济不断提高，汽车化进程加快，车多路少的局面给城市的交通带来了巨大挑战。为了解决现有问题，人们把发展目光聚焦到了智能交通领域。而在智能交通领域，车辆检测是智能交通领域最为基础的，也是最重要的环节。当今国际上常用的车辆检测技术主要有环形线圈、视频、微波和磁阻传感器等。环形线圈技术大多应用于城市交通路口、高速路口，它检测精度高，可靠性好，但安装维护复杂，破坏路面。视频检测主要应用于路口，可清楚地看到交通现状，但检测精度受天气、光线的影响较大，镜头容易受路面灰尘的影响。微波大多应用于高速路段的车速测量，安装方便、寿命长，但容易受周围环境的影响。磁阻传感器，它具有体积小、成本低、安装维修方便等特点，由此磁阻传感器更加适合用作现今的车辆识别前端传感器。目前，常见的磁阻传感器车辆检测算法主要有固定阈值算法、自适应阈值算法、状态机检测算法等。检测车辆是否存在需要使用一或两个传感器对车辆进行识别，然后对车速进行估计，最后使用模式识别或阈值分类算法识别车型。但在判决的依据方面多使用单一判据，处理的准确度较差。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于双矢量磁传感器的车辆信息采集及处理系统，其特征在于包括：前端双矢量磁传感器部分，包括两个矢量磁阻传感器S1和S2，用于把车辆运动产生的磁场信号转换成模拟电信号，信号采集部分，用于把前端双矢量磁传感器部分输出的模拟电信号转换为数字信号，车辆信息确定部分，用于对来自信号采集部分的数字信号进行特征量的确定，找到适合处理的数值，并确定包括车辆的有无、车辆行驶方向、车速、车长的车辆信息，结果输出部分，用于输出所述车辆信息。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种基于双矢量磁传感器的车辆信息采集及处理方法，其特征在于包括以下步骤：A)用包括两个矢量磁阻传感器S1和S2的前端双矢量磁传感器部分，把车辆运动产生的磁场信号转换成模拟电信号，B)把前端双矢量磁传感器部分输出的模拟电信号转换为数字信号，C)对来自信号采集部分的数字信号进行特征量的确定，找到适合处理的数值，并确定确定包括车辆的有无、车辆行驶方向、车速、车长的车辆信息，D)通过结果输出部分，输出所述车辆信息。附图说明图1是本专利技术的系统示意图。图2是本专利技术的传感器阵列的安装示意图。图3是本专利技术的算法的流程框图。具体实施方式本专利技术采用双矢量磁传感器，并提出了多判据的处理方法，从系统复杂度和性能方面做了比较好的折衷，并提出一种新的车辆信息处理方法，具备较好鲁棒性好及较低的复杂度。根据本专利技术的一种基于双矢量磁传感器的车辆信息采集及处理系统包括双矢量磁传感器的车辆信息采集部分及处理部分。其中，车辆信息采集系统包括前端双矢量磁传感器部分、信号采集部分、处理器部分及结果输出采集部分。处理部分包括车辆信息确定部分。以下分别进行说明。1车辆信息采集采集部分(1)前端双矢量磁传感器部分该部分包括相距一定距离的两个三维磁传感器及必要的信号放大、滤波及驱动电路，用于完成磁场信号到电信号的转换。基于磁阻传感器的车辆信息处理系统的基本原理是利用磁阻传感器采集车辆经过前后的地球磁场的变化量，进行进一步分析得到车辆信息。其物理机理在于一般车辆的含有铁磁性物质在行驶过程中会切割地球已有的磁场分布，会造成磁场的变化。车辆经过引起的磁场扰动为低频信号，其强度多在nT到uT级别，适合采用磁阻传感器。磁阻传感器有三种选择，分别是AMR(Anisotropic magnetoresistance，各向异性磁敏电阻)、GMR(Giant magnetoresistance，巨型磁敏电阻)和TMR(Tunnel magnetoresistance，隧道磁敏电阻)。其中，相对而言，AMR由于其方向性明确、灵敏度适中和较高的性价比更适合本专利技术的方法。由于磁敏电阻的原始输出电信号都比较微弱，所以需要对信号进行放大处理。由于车辆经过的磁场为低频交变磁场，所以滤波处理也是必要的，以去除环境磁场的干扰信息。最后，该部分的输出信号经过驱动电路的处理以传送到下级的信号采集部分。(2)信号采集部分信号采集部分完成模拟数字转换功能，用于实现前端传感器输出的模拟信号转换为处理器部分所需要的数字信号。根据本专利技术的一个实施例，信号采集部分包括数据采集卡；根据本专利技术的另一个实施例，信号采集部分包括ADC(Analog-Digital Convertor，模拟数字转换器)电路。信号采集部分满足低噪声和转换精度的要求，降低自身带来的电气噪声。(3)车辆信息确定部分根据本专利技术的一个实施例，车辆信息确定部分包括加载有相应的处理应用的。在根据本专利技术的实施例中，采用电脑或者其他嵌入式平台。当考虑到实时性要求时，一般选用DSP(数字信号处理器)类具备较强运算功能和数据吞吐量的执行硬件平台。对车辆信息确定部分的更详细描述见下文。(4)结果输出部分结果输出部分为车辆信息的输出指示部分和/或数据传送部分。输出部分涵盖车辆信息的一般内容，包括有无车辆、车辆行驶方向、车速、车长等。当作为输出指示部分时，结果输出部分还具备显示功能和指示功能的设备。当作为数据传送部分时，结果输出部分将车辆信息的一般内容通过通信接口和协议传送给另一端。实际中，另一端为交通指挥中心或者数据汇总中心。2车辆信息确定部分车辆信息采集及处理系统对采集到的数据进行特征量的确定，找到适合计算的数值。并进行车辆信息的确定，确定出车辆的相关信息，包括车辆的有无、车辆行驶方向、车速、车长等。车辆信息确定部分包括如下数据预处理部分、车辆有无判别部分、车辆方向判别部分、平均车速测量部分和车长测量部分。下面分别进行说明。(1)数据预处理部分根据前端的两个矢量磁阻传感器的安装，原始数据为6路，为两个传感器在固定XYZ轴的磁场信号，分别记为S1.X、S1.Y、S1.Z、S2.X、S2.Y和S2.Z(S1代表其中一个磁敏传感器，S2代表另外一个)。首先将信号进行滤波处理，以排除突发性的干扰信号。然后将滤波后的信号进一步进行运算，将数据量的直流成分去除，分别得到6个交变量ΔS1.X、ΔS1.Y、ΔS1.Z、ΔS2.X、ΔS2.Y和ΔS2.Z。再进一步处理，得到6个派生量分别是ΔS1.TMI、ΔS2.TMI、ΔS12.TMI、Grad.X、Grad.Y和Grad.Z，其数学定义如公式(1)-(6)所示。ΔS12.TMI＝ΔS1.TMI-ΔS2.TMI 公式(3)从物理概念上看，ΔS1.TMI和ΔS2.TMI反应了两个传感器测出磁场中交变场的总强度，为向量(ΔS1.X,ΔS1.Y,ΔS1.Z)和(ΔS2.X,ΔS2.Y,ΔS2.Z)的二范数；ΔS12.TMI反应了两个传感器的交变场的总强度的差值；Grad.X、Grad.Y和Grad.Z反应了XYZ坐标方向上两个传感器的磁场随距离的变化量，一般称为梯度值。实际判断中，需要找到上述6个派生量中变换比较大的量，作为判断的主依据。比较XYZ轴上的TMI值，找到TMI值最大的作为敏感轴，从而对敏感轴做数据计算。(2)车辆有无判别部分在判别有无车辆上，采用多依据加权判别的方法。上一步中，计算得到6个本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于双矢量磁传感器的车辆信息采集及处理系统，其特征在于包括：前端双矢量磁传感器部分，包括两个矢量磁阻传感器S1和S2，用于把车辆运动产生的磁场信号转换成模拟电信号，信号采集部分，用于把前端双矢量磁传感器部分输出的模拟电信号转换为数字信号，车辆信息确定部分，用于对来自信号采集部分的数字信号进行特征量的确定，找到适合处理的数值，并确定包括车辆的有无、车辆行驶方向、车速、车长的车辆信息，结果输出部分，用于输出所述车辆信息。

【技术特征摘要】
1.基于双矢量磁传感器的车辆信息采集及处理系统，其特征在于包括：前端双矢量磁传感器部分，包括两个矢量磁阻传感器S1和S2，用于把车辆运动产生的磁场信号转换成模拟电信号，信号采集部分，用于把前端双矢量磁传感器部分输出的模拟电信号转换为数字信号，车辆信息确定部分，用于对来自信号采集部分的数字信号进行特征量的确定，找到适合处理的数值，并确定包括车辆的有无、车辆行驶方向、车速、车长的车辆信息，结果输出部分，用于输出所述车辆信息。2.根据权利要求1所述的车辆信息采集及处理系统，其特征在于车辆信息确定部分包括：-数据预处理部分，用于把所述两个矢量磁阻传感器在固定XYZ轴的坐标下的6路磁场信号S1.X、S1.Y、S1.Z、S2.X、S2.Y和S2.Z进行滤波处理以排除突发性的干扰信号，然后将滤波后的6路磁场信号的直流成分去除，分别得到6个交变量ΔS1.X、ΔS1.Y、ΔS1.Z、ΔS2.X、ΔS2.Y和ΔS2.Z，再进一步得到6个派生量分别是ΔS1.TMI、ΔS2.TMI、ΔS12.TMI、Grad.X、Grad.Y和Grad.Z： ΔS 1 . T M I = ( ΔS 1 . X ) 2 + ( ΔS 1 . Y ) 2 + ( ΔS 1 . X ) 2 - - - ( 1 ) ]]> ΔS 2 . T M I = ( ΔS 2 . X ) 2 + ( ΔS 2 . Y ) 2 + ( ΔS 2 . X ) 2 - - - ( 2 ) ]]>ΔS12.TMI＝ΔS1.TMI-ΔS2.TMI (3) G r a d . X = ΔS 1 . X - ΔS 2 . X Δ X - - - ( 4 ) ]]> G r a d . Y = ΔS 1 . Y - ΔS 2 . Y Δ Y - - - ( 5 ) ]]> G r a d . Z = ΔS 1 . Z - ΔS 2 . Z Δ Z - - - ( 6 ) ]]>其中，ΔS1.TMI和ΔS2.TMI表征了两个传感器测出磁场中交变场的总强度，为向量(ΔS1.X,ΔS1.Y,ΔS1.Z)和(ΔS2.X,ΔS2.Y,ΔS2.Z)的二范数；ΔS12.TMI表征了两个传感器的交变场的总强度的差值；Grad.X、Grad.Y和Grad.Z表征了XYZ坐标方向上两个传感器的磁场随距离的变化量即梯度值，且数据预处理部分找到上述6个派生量中变换比较大的量，作为判断的主依据，并比较XYZ轴上的TMI值，找到TMI值最大的作为敏感轴，从而对敏感轴做数据进行确定，-车辆有无判别部分，用于采用多依据加权判别法判别有无车辆，包括：用加权系数λ1-λ6，按照： p a s s _ s c o r e = λ 1 * ΔS 1 . T M I + λ 2 * ΔS 2 . T M I + λ 3 * ΔS 12 . T M I + λ 4 * G r a d . X + λ 5 * G r a d . Y + λ 6 * G r a d . Z - - - ( 7 ) ]]>对ΔS1.TMI、ΔS2.TMI、ΔS12.TMI、Grad.X、Grad.Y和Grad.Z进行加权处理，得到量pass_score，把pass_score的数值与预设的阈值比较，当大于阈值时判定有车通过，否则判定无车通过，其中所述阈值通过经验确定，-车辆方向判别部分，用于用Grad.X、Grad.Y和Grad.Z作为判据，依据三个量的变化斜率确定车辆的行驶方向，如果Grad.X的斜率为正，则确定对应行驶方向为X轴正向；反之，则确定对应行驶方向为X轴负向；以同样方式依据Grad.Y和Grad.Z确定Y轴和Z轴向的行驶方向，再将三个坐标轴的行驶方向进行综合判断；从滤波之后的数据，分别确定两个传感器XYZ每一个坐标轴的差值，再用该差值判别出车辆行驶方向，-平均车速测量部分，用于进行以下操作：对传感器输出滤波之后的信号S1.X、S1.Y、S1.Z、S2.X、S2.Y和S2.Z中变换比较大的量，即判断的主依据，进行二值化处理以去掉数据中一些无效的数据点，选择判断的主依据判断阈值St，，将波形转换为归一化的方波(1,0)，其中归一化方波中敏感轴上第N个采样点处值的选取方法为:式中：Sn为采样点N处的值；St为设置的波形阈值，其中，保持判断所依据的数据方向为同一个方向，选择某一个传感器的同一个方向的变化较大数据二值化后的数据，并计算相邻01变化的点数之差，并结合采样率，计算出车辆经过两个传感器的时间差T，T＝(N2-N1)/S (7)其中，N2和N1分别是传感器2和1出现电平01变化的点数，S为采样率计算车辆经过两个传感器之间的时间，按照：V＝L/T (8)传感器之间相对距离得到车辆的平均速度，其中L为双传感器在敏感方向的距离，为已知量，T在公式(7)中计算得到，-车长测量部分，用于根据第一个传感器检测到车辆存在的的时刻T1、第一个传感器检测到车辆离开的时刻T2、第二个传感器检测到车辆存在的时刻T3、第二个传感器检测到车辆离开的时刻T4、上述平均车速，按照：T＝((T2－T1)+(T4－T3))/2 (9)length＝V*T (10)得出则该车辆通过一个传感器的平均时间T和该车辆的长度length。3.根据权利要求1或2所述的车辆信息采集及处理系统，其特征在于：两个矢量磁阻传感器S1和S2是从各向异性磁敏电阻、巨型磁敏电阻、隧道磁敏电阻中选出的一种。4.根据权利要求1或2所述的车辆信息采集及处理系统，其特征在于：信号采集部分包括从数据采集卡、模拟数字转换器电路中选出的一种，车辆信息确定部分包括从以下装置中选出的一种：加载有相应的处理应用的电脑，加载有相应的处理应用的数字信号处理器。5.根据权利要求1或2所述的车辆信息采集及处理系统，其特征在于：结果输出部分包括以下装置中的至少一种：具备显示功能和指示功能的输出指示部分，将车辆信息通过通信接口和/或协议传送到至少一个接收方的数据传送部分，其中，所述至少一个接收方包括交通指挥中心和...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡希昌，白扬帆，马鸿斌，田常正，魏志鹏，姜嘉浩，袁金洋，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11