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  • 【技术】揭秘如何提高地磁车检准确率

    2018-07-26 09:24:55 来源:www.its114.com 作者:田勇 评论:
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    背景

    市面上不少地磁车检器都自称停车准确率达到99%,甚至99.99%,其实这只是宣传,大多数实际使用时的停车准确率很难超过95%,这已经是一个行业大瓶颈。那如何可以有效提高地磁车检准确率呢?本文从技术层面来揭晓如何提高地磁车辆检测的准确率,同时也把相关硬件、软件技术以及集成与操作的秘籍,分享给各位设计者们。

    地磁车检原理

    利用地磁传感器进行车辆检测,检测汽车对地球磁场的扰动,判断车辆的到位及通过,从而实现车辆信息的分析、控制及管理,具有安装简便、抗干扰能力强、集成化程度高等优点,是室外应用的首选。

    几乎所有的道路车辆的底盘都含有一定数量的黑色金属(铁、钢、镍、钴等),具有磁信号的特殊标志,所以磁传感器很适合于检 测车辆。如今大多数磁传感器尺寸都非常小,加上半导体集成技术,使产品体积和电气接口得以改进,从而简化了集成过程也带来了成本上的优势。

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    图 1-穿过车辆的地球磁场

    不是所有的磁传感器都能检测到车辆引起的磁场变化,例如常用的霍尔效应磁传感器就不能探测到这些细微的变化。大自然赐给我们的磁场,可以穿透从南极到北极之间的任何东西。地球磁场在磁通密度上接近半高斯,所以“弱磁场”磁传感器是最适合用来收集该磁场以及附近车辆产生的磁场干扰。图 1 清晰地绘出了地球磁极之间的磁通量线,以及当它们穿透带黑色金属的典型车辆时所呈现出的弯曲度。

    当磁通量线聚集到一起(集中)或向四方展开(分散), 附近的磁传感器可以感受到车辆所产生的磁场变化的影响,以及与地球磁场的不相同。由于传感器与车辆的表面或内部不直接接触,所以传感器所获得的集中或分散度有一定的差别。离车辆距离越远,磁通量密度变化越小,其下降与距离成指数变化。至于这是有利还是有害,则取决于设计的着眼点。如果检测距离最重要,那么通量密度急剧下降就不利。然而,如果不希望错误地检测临车道或在停车点临近的车辆,通量密度急剧变化则有利。

    使用磁传感器和地球磁场检测典型车辆的应用是:

    l 停车位计时

    l 自动门/大门打开

    l 交通监测(速度、方向)

    l 道路空间(有/无)停车检测

    l 铁路交叉口控制(用于列车)

    磁传感器硬件

    弱磁场传感器有两种,磁阻电桥和线圈。线圈能够制成磁感 应线圈和通量门磁传感器,一般来说体积较大,需要有源振荡 器电路来确定影响线圈的磁通量数量。磁阻传感器有三种,分别被称为各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)。各向异性磁阻(AMR)传感器信噪比非常高,能有效的实现对穿过传感器磁场的二或三向测量,其线 性度极好。 

    巨磁阻传感器(GMR)和隧道磁阻(TMR)也可以用于弱磁场传感,对磁场强度的检测灵敏度高,但是对方向检测较弱。对于车辆检测,GMR和TMR传感器需要使用偏置的磁体来提高线性度,实用价值不高。在下面的讨 论中,我们将着重讨论车辆检测应用中使用的各向异性磁 阻(AMR)传感器。

    对于各向异性磁阻(AMR)传感器,传感器阻性元件组成惠斯通电桥,其电阻会随着磁场在每个桥臂上的变化而变化。阻性元件由坡莫合金薄膜制成。如果不存在磁场,桥臂之间的精确度匹配度为0.1%以内。图 2 标出的是典型的各向异性磁阻传感器惠斯通电桥示意图。               

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    图 2- 各向异性磁阻(AMR)传感器电桥

    每个电桥有四个阻性元件,位置相对的阻性元件相同。例如: 如果电桥接收到正向磁场或感应轴上的磁通量,”输出+”端 至 “Vb”端的阻性元件 和 “GND” 端至”输出-“端的阻性元件的磁阻将稍微降低,而其他的两个元件的磁阻将上升。结果为在”输出+”端的电压上升到Vb/2 以上,”输出-“端的电压下降到Vb/2 以下。当电桥电压或 Vb 等于 5V,施加的磁通密度为 0.5 高斯,”输出+”端的电压为 2.5012V,”输出-“端的电压为 2.4988V。

    各向异性磁阻传感器的输出电压是从”输出+”端到”输出-“端测量得出,是传感器灵敏度的函数,或:

    输出+ - 输出- = S *Vb * Bs 其中,

    S=灵敏度(单位:mV/V/高斯) 

    Vb=电桥供电电压,单位:V

    Bs=电桥施加的磁通密度,单位:高斯

    在上面例子中,供电电压为 5V的电桥,在感应轴的磁通密度为 0.5 高斯时,产生 2.4mV的电桥输出电压。

    通过将三个各向异性磁阻传感器集成在一起,使该部件成为 3 轴传感器,将其安装后,能够将空间任何方向的磁场分成 X,Y,Z三轴向量分量输出(见图3)。

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     图 3-三轴磁场感应

    微传科技(VTran)的AMR磁传感器集成电路中将磁场分成X、Y和 Z方向的向量分量。这样X、Y和Z三轴磁场分量就既能体现磁场Bs的方向,也能体现磁场Bs的强度。对于车辆检测,当车辆接近停车检测器中的传感器时,磁场的方向和强度就 会 发 生 变 化 。 当一个各向 异 性 磁 阻 传 感 器 能够检测到一个轴的磁场变化,那么三轴的磁传感器能够在检测范围边缘上更加可靠的检测车辆,为检测提供更可靠的保障。通过对AMR传感器简单的设置,可以有效而可靠地检测车辆的存在。

    磁传感器接口电路

    由于地球磁场强度造成各向异性磁阻传感器输出信号为毫伏量级,这些惠斯通电桥传感器需要后续放大,以使由车辆造成的磁场变化更加易于检测。每个传感器都需 要进行数据放大、数据补偿和数字化输出。 图 4 为微传科技VTran的QMC5883L的传感器接口电路示意图。所有需要的数据处理都已经在ASIC里面实现了,通过I2C接口,可以读到已经处理好的三轴信号,这些信号通过了温度补偿、零点补偿和灵敏度校准。

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    图 4-各向异性磁阻传感器电路示意图

    车辆检测信号

    使用地球磁场能够提供磁性背景或“基准”点,传感器安装固定后,保持恒定。地球磁场强度约为 0.5 高斯,可以体现在单轴上,也可能为三轴。每个传感器的信号可能在自然界地磁场信号动态范围内,能从接近 0  高斯到±0.7 高斯变化。当车辆接近传感器时,从地球磁场的偏移可来自于车辆上的软铁和硬铁。软铁为黑色金属材料, 可集中磁通于材料中,但材料内部没有剩磁。硬铁具有集中磁通的能力,并且同时具备剩磁。硬铁的磁通密度可达上百高斯,但由于底盘金属经过冲压成型,带有硬铁的大多数车辆的剩余磁通密度一般不超过±2 高斯。

    软铁将会集中地球的磁通,但是通常在传感器位置上,磁通密度的增加不会超过残留的施加磁场强度的一半。如果磁场集中在 软铁上,那么在垂直于磁场的方向上磁通就会分散, 如图 5所示。当统计上的典型车辆接近传感器时,磁传 感器可能会在几十到几百毫高斯的地球磁场背景值上有高达±3 高斯的尖峰输出。车辆检测产品设计者不大可能关心车辆感应磁信号的动态峰值,但是很可能在±1 高斯的动态范围内进行设计,把从磁背景值的突然偏移作为测量检测标准。                   

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    上图绿色框代表路基附近传感器可能放置的位置以及它们可能感测到的 磁通集中的相对量。紧接着的图形标出了当卡车行驶经过传感器时,其中一组传感器电桥能够看到什么。由于自然地球磁场用稍低 的负向电压输出作为传感器的背景值,磁通密度增加会进一步降低 电压,磁通密度降低则会使电压升高。另外两组传感器电桥也很可能 在车辆经过时发生偏移,但是磁背景值和信号偏移是不同的。 在大多数应用中,电压变化的幅值和方向是不重要的,但是 检测到输出电压的巨大变化才是最重要的。对于有车辆存在 的应用,检测偏移地球磁场的向量大小的变化是最可靠的方法。放大后使用数字化测量三轴传感器输出,向量幅值大小为:   

    A=SQRT(X²+Y²+Z²)

    当车辆停在磁传感器位置附近或上面时,此向量幅值大小就会从地球磁背景(无车辆)时的大小发生偏移。这种方式最适合用于停车 计时器、停车位占据、开门器和开车通过服务提示。

    应该注意的是,传感器输出的变化量在很大程度上取决于传感器距离车辆的远近。当车辆到传感器的距离在十厘米之内, 例如在地面路基线中间,信号会接收到很多的细节以及 车辆底盘上的黑色金属构造的详细情况。再远一点,比 如说 1m,车辆信号根据车辆的大小,量值就可能是原来的十分之一,此时,与其说信号带宽是曲线状,不如说是磁通的收缩和突起。当距离增加时,信号从磁通的集中和分散直到 返回到基线。表 1 显示了车辆磁通密度大小和传感器安装距离的关系。

    距离

    磁通密度变化

    0.3米

    270 毫高斯

    0.9米

    75 毫高斯

    1.5米

    10 毫高斯

    3.0米

    2 毫高斯

    3.6米

    <1 毫高斯

    表 1

    车辆检测的假象

    车辆检测器的设计者最关心的是接收到车辆存在的伪信息或者“假象”。虽然故意破坏者可能会将磁体施加到您的传感器区域,但是大部分假象问题是由于自然激励或相邻车道上的车辆干扰造成的。

    从本文中的表 1 可以看出,临近道路假象可能仅仅是由于将磁场偏移阈值设定到最佳数量的毫高斯,并选择将磁传感器安装在路面中间的位置。最糟糕的交通检测问题之一是临近道路上的大卡车产生的磁通弯曲很大,从而使并没有车辆的车道上的磁传感器发生传感假象。图 6 描绘了该情况。

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    图 6-相邻车道的假象

    如果道路是两车道,可以将传感器装置安装到稍微靠近道路外部边缘的地方,这样可以防止一定的传感假象。设置磁场偏移阈值的另一个难题是当阈值过大时,可能检测不到想要检测的车辆,例如摩托车和带有各种复合材 料底盘的小汽车。

    另一个假象问题是由于大自然地球磁场幅值每天、每分钟都会发生微小地变化。对于用作指南针的磁传感器来 说,数个毫高斯的偏移不会有什么问题,但是如果车辆检测系统不能识别自然变化,那么就有可能发生错误触发。 应该通过模拟信号处理或检测运算软件,排除地球磁场值微小的、缓慢的变化。软件运算法则应该能够连续更新磁场背景值,保证扣除每个轴的磁背景值之后,磁场偏移阈值都保 持正确。在车辆检测比较器信号处理中,模拟电路可以使用慢时间恒定阈值,这样可以排除缓慢的信号改变,只在信号迅速变化时才进行触发。

    第三种传感故障是由于各向异性磁阻传感器温度迅速变化而造成的。最糟糕的情况是夏天多云天气时,当太阳从云层中钻出来,突然开始照射装有传感器的容器。 适当的外壳热设计可以起到一定的作用,其他的电气技 术也可以起到辅助作用,防止传感假象。 

    当传感器坡莫合金薄膜温度发生变化时,各向异性磁阻传感器电桥的零点偏移也随之发生改变,进而就会发生温度传感假象。如果电桥在 25℃时的零点偏移是1.5 mV,那么在30℃时的零点偏移就变成 1.48mV。虽然 5℃发生 20μV 改变不是一个大问题,但是可能会在 3V 电桥供电电压内造成等于 20 毫高斯的改变。如果放大器部分增益为 200,该温度变化在模拟输出电压中就可能发生 4mV 的变化。

    在很多情况下您可以使用设置/重置功能。分别在重置脉冲(反向极性)和设置脉冲(正向极性)之后测量磁场,测量的总和排除外部磁场影响,使电桥的零点偏移电压翻倍,然后再除以 2 就可以得出当前温度的电桥零点偏移。每隔几秒钟进行一次设置/重置脉冲,可以检测到并更正对传感器电桥 零点偏移的骤热和骤冷效应。图 7 为该情况的典型示意图。

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     图 7-热假象效应

    在智能化交通系统(ITS)和相关应用中需要更灵敏的地磁传感器,所以各向异性磁阻传感器成为车辆存在、速度和方向数据收集的最佳选择。与光学、超声波和感应线圈等解决方案相比,地磁传感器能够以小型化的方式在道路结构内部或上面安装并提供可靠的检测,从而更为实用。在铁路交叉口应用中,各向异性磁阻传感器从20m之外就可以很容易地检测到火车,这就意味着能从铁轨路基位置进行非常可靠地检测。各向异性磁阻传感器还可以用在车辆检测和追踪,图 8为用来追踪客户车辆从点餐到付款到交货的一种典型路基传感器位置检测应用。

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      图 8-快餐车辆检测实例

    通过用各向异性磁阻传感器记录背景磁场和控制车辆等待和车辆停车的逻辑决定,自动门和看门可以变得更加简单,成本更低。经典的例子就是上升门提升,以备工厂升降机通过门口。对于交通监测,车辆检测可以从简单的感应线圈替代到 ITS 网络的多道速度和方向传感。在该应用中,可以使用有线和 无线传感器装置。停车位和停车计时器用途也具有成本低和固定车辆可靠的 检测存在/不存在并计时收费。图 9 为微传VTRAN设计的典型城市 路边停车计时收费系统应用。

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     图 9-路边停车应用

    结束语

    在智能交通系统(ITS)方面,车辆检测是智能交通系统最为基础的,也是最为重要的环节。当今国际上常用的车辆检测技术主要有环形线圈、视频、微波和各向异性磁阻(AMR)传感器等。各种检测技术都有其优劣,目前,基于AMR传感器比较成熟的算法主要有固定阈值算法、状态机算法、自适应阈值算法。但这几类算法都存在一个共同问题:基线漂移、阈值选取等因素对算法的检测精度影响很大。为了解决这些问题,微传VTRAN的智能地磁车检器VSP200就是在采用AMR传感器基础上巧妙搭配另外一种定制化传感器,通过融合优化算法和周密的逻辑判定,突破了单地磁AMR传感器在受环境干扰和基线的漂移等因素影响,大大提高了准确率,具有很好的鲁棒性,对于不同检测地点,无论车位分布是横向、斜向还是垂直状况,都可以保持足够高的检测精度,值得借鉴。

    作者简介

    田勇:微传智能科技(常州)有限公司


  • 关键字: 地磁车检 准确率
  •    责任编辑:梁兰春
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