基于单地磁传感器测量车辆速度的方法和装置

摘要

本发明公开了一种基于单地磁传感器测量车辆速度的方法和装置，属于智能交通车辆检测领域。基于单地磁传感器测量车辆速度的方法包括：步骤1：获得地磁传感器实时采集的多个周期内地磁场强度，所述地磁传感器用于设置在道路底下；步骤2：计算得到地磁场强度变化率；步骤3：根据所得到的地磁场强度变化率，以及预先测定的地磁场强度变化率与车辆速度的关系，计算得出车辆速度。本发明充分利用了车辆车速对地磁场的扰动变化规律、施工量小、施工成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及智能交通车辆检测技术领域，特别是指一种基于单地磁传感器测量车辆速度的方法和装置。

背景技术

随着社会经济的高速发展与城市规模的不断扩大，城市交通问题也随着日趋严重。其中，最为突出的问题是城市的交通安全问题。而交通车辆行驶速度的准确检测是交通安全的有力保障，也是智能交通系统的重要环节。

目前，利用地磁传感器测量车速的传统方式为：将两个地磁传感器分别前后布置，埋藏于道路下面，并且两个地磁传感器之间保持一定距离d，车辆在道路上行驶时，先经过其中一个地磁传感器，经过此地磁传感器时，车辆会对地磁传感器附近发地磁场产生扰动，地磁传感器检测到这种车辆对地磁场的扰动，判断车辆经过，开始计时，车辆随之经过另一地磁传感器器时，该地磁传感器检测到车辆对地磁场的扰动时，计时结束。经过上述的检测过程可以得到车辆先后经过两个地磁传感器所用的时间t，那么可以通过公式v＝d/t，求得车辆的速度。

传统的测量车速的方法使用了两个地磁传感器，只是利用了地磁传感器测量了车辆对地磁场有无扰动判断有无车辆经过，未对车辆的车速对地磁场的扰动量的变化进行更加精确定量的分析，没有充分利用车辆对地磁场干扰的规律；并且，使用两个地磁传感器测量车速需要在道路下面埋藏两个地磁传感器，对道路破坏更严重，施工量大，增加了施工成本。

发明内容

本发明提供一种利用车辆车速对地磁场的扰动变化规律、施工量小、施工成本低的基于单地磁传感器测量车辆速度的方法和装置。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，本发明提供一种基于单地磁传感器测量车辆速度的方法，包括：

步骤1：获得地磁传感器实时采集的多个周期内地磁场强度；所述地磁传感器用于设置在道路底下；

步骤2：计算得到地磁场强度变化率；

步骤3：根据所得到的地磁场强度变化率，以及预先测定的地磁场强度变化率与车辆速度的关系，计算得出车辆速度。

进一步的，所述步骤1和步骤2之间还包括步骤11：

步骤11：根据获得的地磁场强度判断是否有车辆通过，若有，执行步骤2，若无，执行步骤1。

进一步的，所述步骤11进一步为：

将当前周期获得的地磁场强度与上一周期获得的地磁场强度进行比较，若超过设定阈值，则认定为有车辆经过，执行步骤2，否则，认定为无车辆经过，执行步骤1。

进一步的，所述地磁传感器为三轴地磁传感器，所述地磁场强度为X轴的地磁场强度，所述地磁传感器的X轴的方向与行车方向平行，所述步骤2进一步为：

判断有车辆经过时的地磁场强度为B_now，令B₁＝B_now，从获得B_now时刻开始，B_now1为最新一次采集的地磁场强度，B_pre1为数据B_now1的上一周期采集的地磁场强度，当B_pre1-B_now1>ΔB₁时，其中，ΔB₁为设定阈值，令B₂＝B_pre1，计算出从出现地磁场强度B_now开始到出现地磁场强度B_pre1这一时间段地磁传感器一共采集的地磁场强度个数N，所述地磁场强度变化率为：其中，B_s为地磁传感器X轴的地磁场强度变化率，T为地磁传感器采样的周期。

优选的，所述步骤3中，预先测定的地磁场强度变化率B_s与车辆速度v的关系为：

v＝aB_s³+bB_s²+cB_s+d(1)

其中，a、b、c、d均为常数；

公式(1)中常数a、b、c、d的确定方法如下：

以同样周期采集不同车辆速度v下的地磁场强度数据，按照所述步骤2求得地X轴的磁场强度变化率B_s，得到多组B_s-v数据，利用最小二乘法拟合曲线，得到常数a、b、c、d。

另一方面，本发明提供一种基于单地磁传感器测量车辆速度的装置，包括：

采集模块：用于获得地磁传感器实时采集的多个周期内地磁场强度；所述地磁传感器用于设置在道路底下；

第一计算模块：用于计算得到地磁场强度变化率；

第二计算模块：用于根据所得到的地磁场强度变化率，以及预先测定的地磁场强度变化率与车辆速度的关系，计算得出车辆速度。

进一步的，所述基于单地磁传感器测量车辆速度的装置还包括：

判断模块：用于根据获得的地磁场强度判断是否有车辆通过。

进一步的，所述判断模块，进一步用于：

将当前周期获得的地磁场强度与上一个周期获得的地磁场强度进行比较，若超过设定阈值，则认定为有车辆经过，否则，认定为无车辆经过。

进一步的，所述地磁传感器为三轴地磁传感器，所述地磁场强度为X轴的地磁场强度，所述地磁传感器的X轴的方向与行车方向平行，所述第一计算模块，进一步用于：

判断有车辆经过时的地磁场强度为B_now，令B₁＝B_now，从获得B_now时刻开始，B_now1为最新一次采集的地磁场强度，B_pre1为数据B_now1的上一周期采集的地磁场强度，当B_pre1-B_now1>ΔB₁时，其中，ΔB₁为设定阈值，令B₂＝B_pre1，计算出从出现地磁场强度B_now开始到出现地磁场强度B_pre1这一时间段地磁传感器一共采集的地磁场强度个数N，所述地磁场强度变化率为：其中，B_s为地磁传感器X轴的地磁场强度变化率，T为地磁传感器采样的周期。

优选的，所述第二计算模块中，预先设定的地磁场强度变化率B_s与车辆速度v的关系为：

v＝aB_s³+bB_s²+cB_s+d(2)

其中，a、b、c、d均为常数，公式(2)中常数a、b、c、d的确定方法如下：

以同样周期采集不同车辆速度v下的地磁场强度数据，按照所述第一计算模块求得地X轴的磁场强度变化率B_s，得到多组B_s-v数据，利用最小二乘法拟合曲线，得到常数a、b、c、d。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于单地磁传感器测量车辆速度的方法和装置，采用单个地磁传感器对车辆速度进行测量，利用车辆速度对地磁场的影响作用进行量化，通过地磁场强度变化率与车辆速度的关系得到车辆速度，充分利用了车辆速度对地磁场产生影响的规律，这种方法测量车辆速度对任何车型都适用，解决了不同车型对地磁场产生的影响不同的问题。

本发明的测量车辆速度方法只采用单个地磁传感器，减少了地磁传感器埋藏地下的施工量以及对道路的破坏，施工成本低。

附图说明

图1为本发明的基于单地磁传感器测量车辆速度的方法的流程图；

图2为本发明的地磁场强度变化率与车辆速度的关系示意图；

图3为本发明的地磁传感器的地磁场示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种基于单地磁传感器测量车辆速度的方法，如图1～3所示，包括：

步骤1：获得地磁传感器实时采集的多个周期内地磁场强度；地磁传感器用于设置在道路底下，设置深度可依照公知常识设置；地磁传感器以设定的周期T实时采集地磁场强度并且采集一次，单片机从地磁传感器读取一次，保证了其检测的灵敏性；

步骤2：计算得到地磁场强度变化率；计算地磁场变化率时可以采用两个相邻周期内的地磁场强度值相减再除以周期计算得到，或者采用其他方式计算获得；

步骤3：根据所得到的地磁场强度变化率，以及预先测定的地磁场强度变化率与车辆速度的关系，计算得出车辆速度。

本发明的基于单地磁传感器测量车辆速度的方法，采用单个地磁传感器对车辆速度进行测量，利用车辆速度对地磁场的影响作用进行量化，通过地磁场强度变化率与车辆速度的关系得到车辆速度，充分利用了车辆速度对地磁场产生影响的规律，这种方法测量车辆速度对任何车型都适用，解决了不同车型对地磁场产生的影响不同的问题。

本发明的测量车辆速度方法只采用单个地磁传感器，减少了地磁传感器埋藏地下的施工量以及对道路的破坏，施工成本低。

进一步的，为更好的实现本发明，步骤1和步骤2之间还包括步骤11：

步骤11：根据获得的地磁场强度判断是否有车辆通过，若有，执行步骤2，若无，执行步骤1。

进一步的，步骤11进一步为：

将当前周期获得的地磁场强度与上一周期获得的的地磁场强度进行比较，若超过设定阈值，则认定为有车辆经过，执行步骤2，否则，认定为无车辆经过，执行步骤1。具体的，在有车辆从远处行驶至地磁传感器附近时，地磁传感器以采样周期采集到的地磁场强度会有大幅增强，根据这个特点，B_now为地磁传感器最近一次采集的地磁场X轴的地磁场强度，B_pre为数据B_now的上一周期的地磁场X轴的地磁场强度，当B_now-B_pre＞ΔB时，判定为车辆经过，否则，没有车辆经过，其中ΔB为判断是否有车辆经过地磁传感器所设定的阈值，阈值大小的设定可根据当时环境的嘈杂程度等具体设定，阈值的大小均不影响本发明的实施。

如果没有车辆经过地磁传感器，那么地磁传感器继续以采样周期采集地磁传感器附近的地磁场场强并且地磁传感器每采集一次数据单片机读取一次，实时监测车辆是否有车辆经过。如果有检测到有车辆经过地磁传感器附近，则对地磁场X轴的磁场强度数据进行下面更深入的分析。

优选的，地磁传感器为三轴地磁传感器，地磁场强度为X轴的地磁场强度，地磁传感器的X轴的方向与行车方向平行，如图3所示，将地磁传感器以适当深度埋藏于道路下面，磁场强度在X、Y、Z轴上的分量示意图，假设，总磁场强度为S，X、Y、Z轴上的分量分别为X1、Y1、Z1，则满足因为，X轴的方向与行车方向平行，X轴的地磁场数据最有规律，优选的，本发明中采用的地磁场强度均为X轴的地磁场强度；

为方便测量地磁场强度变化率，以下为具体的一种计算方法：

判断有车辆经过时的地磁场强度为B_now，令B₁＝B_now，从获得B_now时刻开始，B_now1为最新一次采集的地磁场强度，B_pre1为数据B_now1的上一周期采集的地磁场强度，当B_pre1-B_now1>ΔB₁时，其中，ΔB₁为设定阈值，令B₂＝B_pre1，计算出从出现地磁场强度B_now开始到出现地磁场强度B_pre1这一时间段地磁传感器一共采集的地磁场强度个数N，所述地磁场强度变化率为：其中，B_s为地磁传感器X轴的地磁场强度变化率，T为地磁传感器采样的周期。

如果判断出有车辆经过则将车辆经过的点的地磁场强度作为计算变化率的第一个点，即B_now，在检测出有车辆经时通过满足设定阈值找出地磁传感器采集的地磁场X轴的地磁场强度在这段时间内的最大值(即B_pre1)作为第二个点，用第二个点的地磁场强度值减去第一个点的地磁场强度值除以这段时间就是变化率，此处，这段时间可以通过计数采样点数来计算，即为(N+1)T。值得注意的是，上述计算方法的计算区间为判断有车辆经过时开始到某一段时间的X轴的地磁场强度出现最大值时停止，该最大值出现的时刻为车辆未到达地磁传感器正上方的时刻，这时，需要根据待测车辆的速度范围，合理设置设定阈值ΔB₁，ΔB₁的设定可根据待测车辆的速度范围，且保证X轴的地磁场强度最大值B_pre1出现在车辆到达地磁场强度正上方之前，进行多次试验，得到合理的设定阈值。这种计算方法在兼顾简单的同时，精确率较高。

优选的，步骤3中，预先测定的地磁场强度变化率B_s与车辆速度v的关系为：

v＝aB_s³+bB_s²+cB_s+d(1)

其中，a、b、c、d均为常数；

公式(1)中常数a、b、c、d的确定方法如下：

以同样周期采集不同车辆速度v下的地磁场强度数据，按照步骤2求得X轴的地磁场强度变化率B_s，得到多组B_s-v数据，利用最小二乘法拟合曲线，得到常数a、b、c、d。

申请人经过大量试验发现，地磁场强度变化率B_s与车辆速度v的关系不会因为车型不同、车辆大小不同而发生改变，如图2所示，为试验得到的B_s-v数据曲线，横轴为车辆速度，单位km/h，横轴为地磁传感器X轴的磁场强度变化率，利用最小二乘法对B_s-v数据曲线进行拟合，得到a＝5.35×10^-6，b＝-0.00226，c＝0.6457，d＝-16.94，也就是说，采用本发明的计算方法可以屏蔽不同车型，车辆大小对地磁场扰动不同的差异，只根据磁场强度变化率即可计算出车辆速度。

在本发明中，地磁传感器实时采集地磁场强度的周期T为5-20ms；地磁传感器的外部设置有密封绝缘装置，可防止地磁传感器埋藏在地下受到雨水渗入，本发明的基于单地磁传感器测量车辆速度的方法可测量的0-240km/h的速度。

值得注意的是，地磁传感器的外围可以设置电路板等电子元件，由于通过地磁传感器测量地磁场强度为公知技术，此处对地磁传感器的内部结构及测量原理，不再赘述，可参照公知常识进行测量。

另一方面，本发明还提供一种基于单地磁传感器测量车辆速度的装置，包括：

采集模块：用于获得地磁传感器实时采集的多个周期内地磁场强度；地磁传感器用于设置在道路底下，设置深度可依照公知常识设置，地磁传感器以设定的周期T实时采集地磁场强度并且采集一次，单片机从地磁传感器读取一次；

第一计算模块：用于计算得到地磁场强度变化率；

第二计算模块：用于根据所得到的地磁场强度变化率，以及预先测定的地磁场强度变化率与车辆速度的关系，计算得出车辆速度。

本发明的基于单地磁传感器测量车辆速度的装置，采集模块采用单个地磁传感器对车辆速度进行测量，利用车辆速度对地磁场的影响作用进行量化，通过地磁场强度变化率与车辆速度的关系得到车辆速度，充分利用了车辆速度对地磁场产生影响的规律，这种方法测量车辆速度对任何车型都适用，解决了不同车型对地磁场产生的影响不同的问题。

本发明只采用单个地磁传感器，减少了地磁传感器埋藏地下的施工量以及对道路的破坏，施工成本低。

进一步的，基于单地磁传感器测量车辆速度的装置还包括：

判断模块：用于根据获得的地磁场强度判断是否有车辆通过。

进一步的，判断模块，进一步用于：

将当前周期获得的地磁场强度与上一个周期获得的地磁场强度进行比较，若超过设定阈值，则认定为有车辆经过，否则，认定为无车辆经过。具体的，在有车辆从远处行驶至地磁传感器附近时，地磁传感器以采样周期采集到的地磁场强度会有大幅增强，根据这个特点，B_now为地磁传感器最近一次采集的地磁场X轴的地磁场强度，B_pre为数据B_now的上一周期的地磁场X轴的地磁场强度，当B_now-B_pre＞ΔB时，判定为车辆经过地磁传感器附近，否则，没有车辆经过，其中ΔB为判断是否有车辆经过地磁传感器所设定的阈值，阈值大小的设定可根据当时环境的嘈杂程度等具体设定，阈值的大小均不影响本发明的实施。

如果没有车辆经过地磁传感器，那么地磁传感器继续以采样周期采集地磁传感器附近的地磁场场强并且地磁传感器每采集一次数据单片机读取一次，实时监测车辆是否有车辆经过。如果有检测到有车辆经过地磁传感器附近，则对地磁场X轴的磁场强度数据进行下面更深入的分析。

优选的，地磁传感器为三轴地磁传感器，地磁场强度为X轴的地磁场强度，地磁传感器的X轴的方向与行车方向平行，如图3所示，将地磁传感器以适当深度埋藏于道路下面，磁场强度在X、Y、Z轴上的分量示意图，假设，总磁场强度为S，X、Y、Z轴上的分量分别为X1、Y1、Z1，则满足因为，X轴的方向与行车方向平行，X轴的地磁场数据最有规律，优选的，本发明中采用的地磁场强度均为X轴的地磁场强度；

以下为具体的第一计算模块计算地磁场强度变化率一种计算方法：

判断有车辆经过时的地磁场强度为B_now，令B₁＝B_now，从获得B_now时刻开始，B_now1为最新一次采集的地磁场强度，B_pre1为数据B_now1的上一周期采集的地磁场强度，当B_pre1-B_now1>ΔB₁时，其中，ΔB₁为设定阈值，令B₂＝B_pre1，计算出从出现地磁场强度B_now开始到出现地磁场强度B_pre1这一时间段地磁传感器一共采集的地磁场强度个数N，所述地磁场强度变化率为：其中，B_s为地磁传感器X轴的地磁场强度变化率，T为地磁传感器采样的周期。

如果判断出有车辆经过则将车辆经过的点的地磁场强度作为计算变化率的第一个点，即B_now，在检测出有车辆经时通过满足设定阈值找出地磁传感器采集的地磁场X轴的地磁场强度在这段时间内的最大值(即B_pre1)作为第二个点，用第二个点的地磁场强度值减去第一个点的地磁场强度值除以这段时间就是变化率，此处，这段时间可以通过计数采样点数来计算，即为(N+1)T。值得注意的是，上述计算方法的计算区间为判断有车辆经过时开始到某一段时间的X轴的地磁场强度出现最大值时停止，该最大值出现的时刻为车辆未到达地磁传感器正上方的时刻，这时，需要根据待测车辆的速度范围，合理设置设定阈值ΔB₁，ΔB₁的设定可根据待测车辆的速度范围，且保证X轴的地磁场强度最大值B_pre1出现在车辆到达地磁场强度正上方之前，进行多次试验，得到合理的设定阈值。这种计算方法在兼顾计算简单的同时，精确率较高。

优选的，第二计算模块中，预先测定的地磁场强度变化率B_s与车辆速度v的关系为：

v＝aB_s³+bB_s²+cB_s+d(2)

其中，a、b、c、d均为常数，公式(2)中常数a、b、c、d的确定方法如下：

以同样周期采集不同车辆速度v下的地磁场强度数据，按照第一计算模块求得X轴的地磁场强度变化率B_s，得到多组B_s-v数据，利用最小二乘法拟合曲线，得到常数a、b、c、d。

申请人经过大量试验发现，地磁场强度变化率B_s与车辆速度v的关系不会因为车型不同、车辆大小不同而发生改变，如图2所示，为试验得到的B_s-v数据曲线，横轴为车辆速度，单位km/h，横轴为地磁传感器X轴的磁场强度变化率，利用最小二乘法对B_s-v数据曲线进行拟合，得到a＝5.35×10^-6，b＝-0.00226，c＝0.6457，d＝-16.94，也就是说，采用本发明的计算方法可以屏蔽不同车型，车辆大小对地磁场扰动不同的差异，只根据磁场强度变化率即可计算出车辆速度。

在本发明中，地磁传感器实时采集地磁场强度的周期T为5-20ms；地磁传感器的外部设置有密封绝缘装置，可防止地磁传感器埋藏在地下受到雨水渗入，本发明的基于单地磁传感器测量车辆速度的方法可测量的0-240km/h的速度。

值得注意的是，地磁传感器的外围可以设置电路板等电子元件，由于通过地磁传感器测量地磁场强度为公知技术，此处对地磁传感器的内部结构及测量原理，不再赘述，可参照公知常识进行测量。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。