基于地磁传感的测速方法及装置与流程

本发明涉及车辆测速技术领域，特别是一种基于地磁传感的测速方法及装置。

背景技术：

近几十年来，由于汽车工业的飞速发展，汽车数量急剧增加，交通流量增大，车辆增长速度与道路建设发展速度的比例严重失调，交通管理不善等原因，造成交通事故频繁，已成为世界性的一大公害。许多国家因道路交通事故造成的经济损失约为其国民经济总产值的1％。因此，人们称道路交通事故是“现代文明病”和“无休止的战争”。

造成道路交通事故的原因是多方面的，主要包括驾驶人因素、行人因素、道路因素和管理因素等方面，其中汽车超速行驶是最严重的道路交通违法行为之一，是引起道路交通事故的主要原因之一，研究如何鉴定车辆的行驶速度，确认其是否存在超速行驶的交通违法行为，对于查处汽车超速行驶，减少交通违法行为，防止因汽车超速行驶导致道路交通事故，保障道路交通安全与畅通，创造良好的道路交通运输环境具有十分重要的作用。

目前，国内外常见的车辆超速检测技术主要有：雷达测速、激光测速、视频测速和线圈测速等方式。这些测速技术相对比较成熟，已被广泛使用，但依然存在着很多问题，比如雷达测速需要有人值守、激光测速价格昂贵、线圈测速携带困难以及视频测速易于被司机察觉等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于地磁传感的测速方法及装置，通过两组固定的地磁传感器检测车辆通过时的磁场变化来记录汽车通过时间，求得汽车行驶速度，有效检测普通道路或高速公路上的超速现象并及时纠正。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于地磁传感的测速方法，包括以下几个步骤：

步骤1，在道路的同一车道上设置多组地磁传感器节点，每组地磁传感器节点中均包括两个距离固定且方位相同的地磁传感器；

步骤2，地磁传感器利用固定阈值法检测车辆的通过情况：设定固定的地磁场强度作为阈值，当检测到的磁场强度发生变化且连续超过该阈值时则认为车辆到来；当磁场强度发生变化且连续小于该阈值时则认为车辆离开；

步骤3，根据每组地磁传感器节点中两个地磁传感器的距离，以及车辆到来和车辆离开的时间，计算出该段时间内的车辆行驶速度，多组地磁传感器节点所计算的车辆行驶速度平均值即为最终测得的车辆行驶速度。

进一步地，步骤1所述多组地磁传感器节点中，相邻两组地磁传感器节点方位相反，且相邻两组地磁传感器节点之间的距离为18～22米。

进一步地，步骤1所述每组地磁传感器节点中两个地磁传感器的距离固定为L，L的范围为6～8米。

进一步地，步骤2所述地磁传感器利用固定阈值法检测车辆的通过情况，还包括测速信息无效，具体为：以同一车道上的一组地磁传感器节点为单位进行分析，若同一组地磁传感器中只有一个地磁传感器检测到车辆到来信号，之后的n秒内未再接收到另一地磁传感器的信息，则此次测速信息无效。

进一步地，步骤2所述设定固定的地磁场强度作为阈值，其中阈值为0.6高斯。

进一步地，步骤3所述多组地磁传感器节点所计算的车辆行驶速度平均值即为最终测得的车辆行驶速度，具体如下：

分别记录车辆到达一组地磁传感器节点中两个地磁传感器的时间，求得两次到达的时间差，算出该段时间内的车辆行驶速度；同样的记录车辆离开该组中两个地磁传感器的时间差，算出该段时间内的车辆行驶速度，由此求得上述两个速度的均值；

以同样的方法测得每一组地磁传感器节点对应的速度均值，最后求取各组地磁传感器节点所测得的车辆行驶速度均值，即为最终测得的车辆行驶速度。

一种基于地磁传感的测速装置，包括在道路的同一车道上设置的多组地磁传感器节点，所述每组地磁传感器节点中均包括两个距离固定且方位相同的地磁传感器；所述地磁传感器包括磁阻芯片、控制器模块和无线通信模块，且磁阻芯片与无线通信模块均与控制器模块连接；所述磁阻芯片检测到的车辆信息经控制器模块分析与处理后发送给无线通信模块，再经由无线通信模块发送至外部数据传输节点，然后通过数据传输节点的多跳转发传输至服务器。

进一步地，所述多组地磁传感器节点中，相邻两组地磁传感器节点方位相反，且相邻两组地磁传感器节点之间的距离为18～22米。

进一步地，所述每组地磁传感器节点中两个地磁传感器的距离固定为L，L的范围为6～8米。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)地磁传感器是通过探测车辆通过时对地球磁场产生的扰动来探测车辆的存在和通过，具有极高的灵敏度，并且采用多组传感器同时进行的方法，进一步提高了测速的准确率；(2)地磁传感器安装方便，直接布设于道路两边或埋设于道钉内部；便于定期维护，使用周期较长；无需外加电源，电池供电，易更换；(3)(3)地磁传感器测速具有功能强、价格低、无需人员值守、不易被司机觉察、方便灵活等特点。

附图说明

图1为本发明基于地磁传感的测速方法的地磁传感的磁阻效应原理图，其中(a)是无磁场时的偏置电流I与磁场方向M之间夹角θ的示意图，(b)是有磁场时的偏置电流I与磁场方向M之间夹角θ的示意图。

图2为本发明基于地磁传感的测速方法的强磁性金属阻值与夹角函数关系示意图。

图3为本发明基于地磁传感的测速方法的车辆测速节点布置示意图。

具体实施方式

地磁传感器是通过探测车辆通过时对地球磁场产生的扰动来探测车辆的存在和通过。地球的磁场在几公里之内基本上是恒定的，但大型的铁磁性物体会对地球磁场产生巨大的扰动。地磁传感器可以分辨出地球磁场6000分之1的变化，而当车辆通过时对地磁的影响将达到地磁强度的几分之一，因此利用地磁传感器来探测车辆，具有极高的灵敏度。

本发明基于地磁传感的测速方法，包括以下几个步骤：

步骤1，在道路的同一车道上设置多组地磁传感器节点，每组地磁传感器节点中均包括两个距离固定且方位相同的地磁传感器；

进一步地，所述多组地磁传感器节点中，相邻两组地磁传感器节点方位相反，且相邻两组地磁传感器节点之间的距离为18～22米。

进一步地，所述每组地磁传感器节点中两个地磁传感器的距离固定为L，L的范围为6～8米。

步骤2，地磁传感器利用固定阈值法检测车辆的通过情况：设定固定的地磁场强度作为阈值，当检测到的磁场强度发生变化且连续超过该阈值时则认为车辆到来；当磁场强度发生变化且连续小于该阈值时则认为车辆离开；

进一步地，所述地磁传感器利用固定阈值法检测车辆的通过情况，还包括测速信息无效，具体为：以同一车道上的一组地磁传感器节点为单位进行分析，若同一组地磁传感器中只有一个地磁传感器检测到车辆到来信号，之后的n秒内未再接收到另一地磁传感器的信息，则此次测速信息无效。

进一步地，所述设定固定的地磁场强度作为阈值，其中阈值为0.6高斯。

步骤3，根据每组地磁传感器节点中两个地磁传感器的距离，以及车辆到来和车辆离开的时间，计算出该段时间内的车辆行驶速度，多组地磁传感器节点所计算的车辆行驶速度平均值即为最终测得的车辆行驶速度。

进一步地，所述多组地磁传感器节点所计算的车辆行驶速度平均值即为最终测得的车辆行驶速度，具体如下：分别记录车辆到达一组地磁传感器节点中两个地磁传感器的时间，求得两次到达的时间差t11，算出该段时间内的车辆行驶速度；同样的记录车辆离开该组中两个地磁传感器的时间差t12，算出该段时间内的车辆行驶速度，由此求得上述两个速度的均值v1；为了提高测速的准确性，以同样的方法测得每一组地磁传感器节点对应的速度均值，最后求取各组地磁传感器节点所测得的车辆行驶速度均值，即为最终测得的车辆行驶速度，以两组地磁传感器节点为例：以同样的方法测得方位相反的另一组传感器对应的t21、t22，并求得速度v2，其中t21、t22、v2与t11、t12、v2具有相同的含义；最终算出v1与v2的平均值，即为最终测得的车辆行驶速度。

本发明还包括：在有多个车道的情况下，会出现车辆变道时，车辆经过每条车道每组传感器之中的一个节点。在处理时，以同一车道上的一组传感器节点为单位进行分析，若同一组传感器中只有一个节点检测到车辆信号，在上传服务器后，服务器在接收到该包所记录时间之后的n秒内如未再接收到另一节点传回来的信息，则此次测速信息无效，即若视9Km/h之下的速度为无效，同组节点相距5m，则其中一个节点检测到车辆的时间之后的2s内未收到另一节点传回的车辆信息，则此次检测无效。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明:

实施例1

如图1、2所示，地磁传感器应用了强磁性金属铁、钴、镍及其合金的磁阻效应。其中图1(a)是无磁场时的偏置电流I与磁场方向M之间夹角θ的示意图，图1(b)是有磁场时的偏置电流I与磁场方向M之间夹角θ的示意图。由图2可知，强磁性金属的电阻值随偏置电流I与磁场方向M之间夹角θ的增大而减小。

地磁传感器由惠斯通电桥组成，当磁场变化时，电桥中的电阻利用镍铁合金电阻值随磁场变化的特点，将磁场的变化转换为差分电压的输出，通过放大输出信号，并进行调理、采样，可以检测传感器周围是否有铁磁性物质通过。

地球表面存在着一个很弱的天然磁场，称为地磁场。地磁场平均强度约为0.5-0.6高斯，方向由北极指向南极，类似于磁铁的N、S极。在无外界干扰的情况下，一定范围内的地磁场强度基本恒定不变。当有铁磁性物体经过时会引起磁场的扰动，使磁场方向和磁场强度发生改变，此时利用地磁传感器感知该地点磁场信号的变化，可以判断有无铁磁性物体经过。汽车相当于一个较大的铁磁性物体，当汽车接近并且将要通过地磁传感器检测区域时，该区域的磁力线受挤压而聚合；当汽车通过时，磁力线由于受到牵拉而沿中心发散。地磁传感器通过感应车辆经过监测区域前后的磁力线的变化，对车辆进行实时检测。当磁场强度连续大于所设置的阈值时，表明有车经过。

磁阻芯片检测到的车辆信息经控制器模块分析与处理后发送给无线通信模块，再经由无线通信模块发送至外部数据传输节点，然后通过数据传输节点的多跳转发传输至服务器。

地磁传感器内包含磁阻芯片模块，控制器模块和无线通信模块，且磁阻芯片与无线通信模块都与控制器模块连接。其中，磁阻芯片选用MAG3110芯片，当没有车辆经过时，其处于休眠状态；当磁场发生变化且磁场强度连续大于所设阈值时，说明有车到达，此时芯片被唤醒，并将检测到的车辆信息经控制器模块分析与处理后发送给无线通信模块，再经由无线通信模块发送至外部数据传输节点，然后通过数据传输节点的多跳转发传输至中央服务器。中央服务器记录车辆到达所对应的时间；当磁场发生变化且磁场强度连续小于所设阈值时，说明有车离开，同样将此时的车辆离开信息发送至中央服务器，中央服务器记录车辆离开所对应的时间；车辆离开后，传感器重新转入休眠状态。

如图3所示，给出了基于地磁传感的测速方法的车辆测速节点布置示意图，其具体步骤如下：

步骤1：在道路同一车道上布置两个方位一致的终端节点，两节点间距已知为L，这样的一对节点称为一组，为了提高检测的准确率，同时在该车道上布置方位与第一组相反的第二组终端节点。

步骤2：地磁传感器利用固定阈值法来检测车辆的通过。设定一个固定的地磁场强度作为阈值，当检测到的磁场强度发生变化且连续超过该阈值时则认为车辆到来；当磁场强度发生变化且连续小于该阈值时则认为车辆离开。

步骤3：找到第一组的第一个传感器的第一个达到阈值的峰值视为车辆到来信号并记录时间为t1。以同样的方法记录第一组的第二个传感器节点检测到的车辆到达时间为t2，以这两路信号差值作为t11。找到第一组的第一个传感器节点的最后一个达到阈值的峰值视为车辆离开信息并记录时间为t3。以同样的方法记录第一组的第二个传感器节点检测到的车辆离开时间t4，以这两路信号差值作为t12。

步骤4：同样的，找到第二组的第一个传感器的第一个达到阈值的峰值视为车辆到来信号并记录时间为t5。以同样的方法记录第二组的第二个传感器节点检测到的车辆到达时间为t6，以这两路信号差值作为t21。找到第二组的第一个传感器节点的最后一个达到阈值的峰值视为车辆离开信息并记录时间为t7,。以同样的方法记录第一组的第二个传感器节点检测到的车辆离开时间t8，以这两路信号差值作为t22。

步骤5：t11为第一组节点中探测到同一辆车的时间差，t12相应为第一组节点中同一辆车离开探测区域的时间差，t21、t22与t11、t12具有相同的含义。即t11＝t2-t1，t12＝t4-t3，t21＝t6-t5，t22＝t8-t7。

$v1=\frac{(L/t11+L/t12)}{2}$

$v2=\frac{(L/t21+L/t22)}{2}$

$v=\frac{(v1+v2)}{2}$

式中v1为第一组节点测得的速度值，v2为第二组节点测得的速度值，v为第一组节点和第二组节点速度值的平均值，即为最终测得的汽车速度。