基于异向性磁阻传感器的车辆检测与车型分类

基于异向性磁阻传感器的车辆检测与车型分类 器 表 ’ . 第卷第期 仪 仪 学 报. 叭年月 基于异向性磁阻传感器的车辆检测与车型分类 杨波。尼文斌 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京 摘要:根据行驶车辆对地磁场的扰动效应,采用三轴异向性磁阻传感器设计了一种车辆检测与车型分类系统,通 过软硬件相结合的方法克服了磁阻传感器输出信号基准值漂移对车辆检测的影响,针对车辆首尾相接与大型车辆的检测矛盾, 提出了一种基于方差的多状态机自适应阈值车辆检测算法,并在检测出车辆的基础上,利用磁阻传感器三轴磁场信息提取车辆 信号特征,选择算法复杂性低、分类能力强的神经网络对城市道路车辆进行分类,实际测试结果表明,本文车辆检测与分类 算法测量精度高、鲁棒性强,可靠性及冗余度好。 关键词:车辆检测;车型分类;异向性磁阻传感器;神经网络; 中图分类号:. 文献标识码: 国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 学科分类代码:. 伽 蛐 嬲佃 塔 , 矿以,?砌 抬,珊?以厨? 疵口西痧,瑚,既彬增踟睨璐毋矿眦泌以毗眦眦 协,沉喈,饥? 翰: 叩诵 印 色 .商 《妒 似 . 唱 耐.? , 印 .?】【 珊, 哩;【 , 印? ? . 每锄 ?,, . 、阳: ; ; ; ; 维护需要凿路等原因无法推广使用;视频检测器成本高 且在夜间与恶劣天气环境下检测精度低;微波大多应用 引 言 于高速路段的车速检测,安装方便,但易受周围环境影 响,不易推广;磁阻传感器因为体积小、检测精度不受天 随着智能交通行业的迅速发展和现实需要,车辆信 息采集已大范围覆盖停车场、街道和公路。目前,国际上 气影响、安装维护 方便等优点正受到越来越多研究者的 重视‘圳。 常用的车辆信息采集方法主要有环形线圈、视频、微波和 地球磁场在几公里范围内可视为均匀分布,当较大 磁阻传感器等。环形线圈精度高、结构简单,但由于安装 : 收稿日期: 基金项目:航空科学基金资助项目 万方数据 第 卷 仪器仪表学报 的铁磁物质如车辆穿过磁场时会对周围的磁场产生 测矛盾,在时域内提出 了一种基于方差的多状态机自适 应阈值车辆检测算法;根据个轴的磁场特征,利用 扰动,异向性磁阻传感器仰 印 , 可以根据这个原理检测车辆,、、 神经网络设计了一种车型分类算法,实验测 试结果验证 等旧钊对磁阻传感器检测车辆的原理以 了算法的有效性。 及相关算法进行了研究,这些研究都是基于地磁场强度 垂直分量垂直地面向上展开的,已提出的车辆检测算 磁阻传感器检测分类车辆原理 法有阈值算法、状态机阈值算法和基于能量的自适应状 态机阈值算法等;其中阈值算法和状态机阈值算法受 传感器的基础器件是惠斯通电桥,如图所 传感器输出信号基准值漂移影响,检测精度不高,? 示,组成电桥的电阻由镍铁合金材料制成,该电阻的阻值 在一定范围内与磁场矢量变化呈线性关系??。当含铁 大学等人提出的基于能量的自适应状态机阈 值算法哺缓解了传感器输出信号基准值漂移的影响,但 磁物质的物体如车辆经过传感器时,会对传感 是此算法对均值变化小的高频信号以及变化缓慢的信号 器周围的地磁场造成扰动,由此产生的地磁场变化可以 不敏感,对慢速车辆容易造成漏检,并且判断车辆离开的 由传感器检测出来,不同类型的车辆包含的铁磁性 材料大小、形状不同,对地磁场产生的扰动也不同,依据 窗口长度参数是定值,导致算法对车辆首尾相接和大型 车辆如公交车的检测存在矛盾;上海交通大学的韩博 这个原理可以对车辆进一步分类,如图所示。 传感器 慧、中国科学院上海微系统与信息技术研究所的郑春雷 等人已经通过理论推导证明了这种方法的缺陷,并且提 出了自适应窗口距离法旧,但是此方法有个参数,参 数值的确定及相互问协调比较困难,算法复杂性高。现 有算法?’虮”均没有考虑大型车辆被判为多辆车与车 辆漏检的情况对最终车辆检测数量的相互弥补,而本文 要在车辆检测的基础上对车型进行分类,需要对上述情 况加以考虑。 图 传感器 国内外现有的研究多数是基于单轴或双轴磁场信号. 实现车辆的检测与分类,没有充分利用空间磁场信息,不 能全面体现车辆的扰动,导致车辆检测分类精度不高、车 型划分种类少?’?。国内外常用的车型分类算法有峰值 模式算法、平均值条算法、概率神经网络算法 耐、 最近邻算法 唰,?,支以及 持向量机算法 神经网络算法 等?’ 。前 两种算法简单易实现,但是车型分类数量少,分类精度不 高。后四种算法分类精度较高,但都存在计算量大、计算 图不同类型的车辆对地磁场扰动示意图 时间长的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,相对而言,支持向量机算法和神经网 虢 粕. 印 络算法计算量小、分类精度高,但是支持向量机算法对信 号的差异化特征要求比较高,不适合磁场环境嘈杂的 路边。 系统硬件设计 针对车辆检测分类的需求,本文首先介绍了传 感器检测分类车辆的基本原理,采用公司新型 .传感器与处理器 三轴数字传感器以及基于 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 的无线 考虑到地球磁场强度数值大小为.高斯南美地 传感器网络技术研制了一种车辆检测分类系统;利用硬 区和南非到.高斯加拿大的磁北极附近,澳大利亚 件复位和软件算法相结合的方式解决了传感器输出信号 南部和一部分西伯利亚地区。本文选择公司 基准值漂移对车辆检测的影响;测试了车辆经过节点时 最新研制的一种三轴数字式传感器,该 的磁场变化情况,分析了传感器、、 个轴以及合成 传感器可以实现、、三轴磁场同时测量,能在?高 的磁场强度的特点,针对车辆首尾相接和大型车辆的检 万方数据第期 杨波等:基于异向性磁阻传感器的车辆检测与车型分类 斯的磁场中实现.毫高斯的分辨率,测量精度高、测 数据采集地点为北京市海淀区学院路双向八车道,由于 ×. ×. 量范围广,体积小. ,集成度 摩托车和公交车不允许在一个车道行驶,所以分两个地 高只需添加一个微处理器接口,外加两个外部电 点采集数据,分别是从外向里数第二层车道花坛岩上采 容?。传感器在测量过程中,产生一次置位脉冲进行 集公交车信号,最外层单行车道路岩上采集其他车辆 一次测量,产生一次复位脉冲后再次测量,两次测量差值 信号,两次传感器节点距离地面高度均为 左右, 的一半放置在输出寄存器上,这样不仅可以消除内部偏 传感器节点摆放指向相同,均为轴正向垂直指向车道 差以及温度漂移,还从源头上削弱了传感器输出基准值 东,轴正向平行于车道指向车辆来的方向北,轴 的漂移。 垂直向上,车辆自北向南行驶,图所示为采集公交车数 本文选择,公司生产的支持协议的处理器芯 据时的系统摆放位置,车辆经过传感器节点时,距离传感 片完成无线传感器网络设计以实现无线数据采 器节点~ ,测试时间是年月日,天气 集,是一款片上系统芯片,具有增强的 晴,温度约为?,微风。 内核以及 的闪存,集成了符合?..标准 的. 】七的无线电收发机,最高可达 /的传 输速率以及? 的传输距离?。 .传感器节点 传感器节点如图所示,由磁阻传感器、 个红外传感器、声音传感器、处理器、磁阻传感 器组成。针对车辆检测和车型分类仅使用了节点上的磁 阻传感器,具有低功耗特性,工作在测量模式时平均电流 功耗仅为斗,节点最大能量消耗主要是在无线发送 图测试环境 与接收数据中,平均电流功耗约为 ,所以应尽可能. 减少发送和接收数据的频率,节点采用两节电池 供电。 个地点采集的环境磁场数据存在微小差异,为便 于分析,本文将第二个地点采集的数据都进行了一个平 外传感嚣 移,使其环境磁场各个轴数值大小与第一个地点采集的 传感器 环境磁场数据一致,这个操作不影响后续算法。 软件设计 车辆检测与车型分类如图所示,包括:噪声消除、 车辆检测、信号分隔、特征提取以及车型分类步。 图传感器节点. ..................... 、........、、、.... ......... 图车辆检测分类流程图 数据采集 舳 . 本论文数据采集系统拓扑结构如图所示:传感器节点 .噪声消除 采集车辆磁场信号,通过协议将数据发送给汇聚节 由于环境磁场的波动,电磁波的干扰以及传感器芯 点,汇聚节点通过串口将数据发送给上位机。 片外围电路的电磁干扰等因素,传感器节点采集的车辆 磁场信号会存在噪声干扰,增加了信号处理的难度,影响 车辆检测分类精度。本论文通过数字低通滤波器对传感 图系统拓扑结构 器采集的信号进行滤波,消除噪声干扰,滤波前后效果如 培. 舀 图所示。 万方数据第 卷 仪器仪表学报 ? 样时刻,更新。,如果口。一平滑系数 ,令 ? ?一,否贝口一/ ,令矗一 时刻阈值,如此往复; 系统由状态转为状态的时刻,表示车辆 曩 此时进入传感器检测范围,系统由状态转为状态 昌 枷 籁 ??,趔瓤 的时刻他,表示车辆此时离开传感器检测范围,最终 舶 和他的确定需要各加一个超前补偿,根据这两个时刻可 珊 以对信号进行分割,分离出车辆信号剔除背景信号; 上限阈值.,。阈值宽度系数,下线阈 瑚 值,。。。阈值宽度系数; 时间, 时间, 方差倍数、平滑系数孽和阈值宽度系数与数据采 原始信号 滤波信号 印集地点的环境磁场噪声密切相关,噪声变大,方差倍数 应适当调小,平滑系数孽和阈值宽度系数都相应的 图传感器轴输出数据 】【 调大。 . 该算法利用历史数据方差,考虑了方差的滞后性,能 够实时感知数据波动,然后用历史数据均值预测未来信 .车辆检测 号阈值,实时性好、准确度高;算法考虑了阈值的相对平 影响车辆检测精度进一步提高的因素主要有:节 滑性,引入了平滑系数,并且尽可能地将噪声、干扰信号 点长时间运行时,传感器输出信号基准值会产生漂移; 包络在阈值内,将车辆信号裸露在阈值外,引入了衰减因 车辆首尾相接与大型车辆如公交车的检测存在矛盾, 子朋,很好地解决了传感器输出信号基准值漂移对车辆 前者易判为一辆后者易判为多辆,常规方法很难协调二 检测的影响,图为基于方差的自适应阈值算法效果, 者之间的检测矛盾。 高、低阈值可以很好地跟随环境磁场的变化,将环境磁场 现有的车辆检测算法是宏观统计系统检测出的车辆 信号包络在阈值范围内,并且尽可能多的将车辆信号裸 数和实际经过的车辆数,没有考虑车辆首尾相接的漏检 露在阈值范围外,鲁棒性高、可靠性强。 以及大型车辆误判为多辆车的相互弥补,因此易得出较高的检测精度?’’ , 而本文需要在检测出车辆的基础上 ? 对车型进行分类,而车辆漏检以及多检会直接影响后续 的车型特征提取与车型分类,对车辆检测提出了更高的要求,需要考虑上述 情况。 之 ??一画豁 针对上述问题,本文在旧。等人提出的多中间状 态机算法的基础上,提出了一种基于方差的多状态机自适应阈值车辆检测算 法,具体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是:传感器轴或者合成磁场强度,滤波以后作为被 时间, 测信号为了差异化车辆信号和背景信号,也可以进行简 图基于方差的自适应阈值算法效果图 单处理,比如求其/次方等; 能 撕 . 求出无车辆经过时被测信号的平均值。、方差%,当前采样时刻记为.; 一时刻至后时刻的方差”%×倍数 多中间状态机包括个状态:、、、 时,记为状态,此时表示没有车辆经过,令一时 及们。输人为七,中间状态为、 刻阈值‰,如果此状态持续超过个采样时刻,则 ,输出为、。如果被测信号不在上述基于 新的.一时刻至时刻的平均值。,且令一时 方差的自适应阈值算法求出的上下阈值.,。和.,。范围 刻阈值,如此往复; 内,则令.,否则“。设置状态机中的有车 .一时刻至南时刻的方差%×倍数 计数器阈值为?、干扰计数器和车辆离开 时,记为状态,此时表示有车辆经过传感器节点,更新 计数器阈值为肘,当计数小于肘时为干扰,大于 。,如果口瓠一平滑系数粤,令。。口如。一 时表示车辆离开,同时将所有计数器的值均置,?和 ‰,否则。。?夙。一‖‖为衰减因子,令 肘是经验值,本论文?肘,改进后的状态机算法如 而一时刻阈值,如果此状态持续超过个采 万方数据第期 杨波等:基于异向性磁阻传感器的车辆检测与车型分类 图所示,多状态的存在不仅提高了检测精度,而且提高 适应阈值算法,可以 较准确地获得车辆经过传感器节点 了算法的鲁棒性以及可靠性。 的起始时刻,从而只保留车辆磁场信号,效果如图 所示。 曩 囊 输入:“女 输出:口 图车辆信号 培. 印 图多状态机算法. .特征提取 图所示为基于方差的多状态机自适应阈值车辆 不同类型的车辆铁磁性材料以及结构不同,对地磁 检测算法效果,输入信号为未经过差异化处理的原始空 场产生的扰动也会不同,传感器检测到的车辆磁场波形 间磁场强度信号,一共有辆车,其中第三辆和第四辆为 也不同,而同一类型的车辆对地磁场的扰动大致相同,因 车辆首尾相接情况,两车之间前后相距大约. ,第 此不同波形的特征间接表现了车辆的类型,如图 辆为公交车,由图可见,该算法可以很好地解决上述种 所示。 相互矛盾的情况,既能检测出首尾相接的车辆,也不会将 微型轿车 中高级轿车 公交车判为多辆车,同时可以解决传感器输出基准值漂 移的问题,防止小范围磁场干扰被误判为车辆。 公交车 易 瘩 瓤 图基于方差的多状态机自适应阈值算法效果 雎 撕锄 眦 ..信号分割 本论文将处理后的车辆磁场信号直接作为神经 网络的输入对车型进行分类,在车型分类前需要从传感 器输出信号中分离出车辆信号,而传感器节点输出的磁 场信号只有当车辆经过时才是有用信号,其余的信号几 图不同类型车辆三轴磁场波形 乎是稳定的背景信号,因此可以剔除背景信号仅仅保留 ?】【 . 印 车辆信号?,而且这样处理还可以大大节省传感器节点 & 的传输功耗。通过.节提到的基于方差的多状态机自 万方数据 第 卷 仪器仪表学报 波形特征提取的优劣直接影响车型分类精度,良好 等间隔采样方法:上述车 辆信号长度正常情况下 的特征应具有个特点:可区别性不同类特征值有明显 都大于,并且很大概率 不是的倍数,此时选择合适 差异、可靠性重复性好、独立性各特征之间应彼此 的采样间隔使最终特征 向量长度为小于等于并且最 不相干、数量少特征向量的维数决定了模式检测系统 接近的整数,因为上述特征向量最后的元素几乎为环 的复杂程度。常用的车型分类算法提取的波峰波 境磁场的数值,几乎不体现车辆特征,所以可以用上述特 ’ 谷、峰值、波形宽度以及波的能量等特征?’ 具备可区 征向量的最后一个值向后补充该向量长度,使最终的特 别性、独立性以及数量少的优点,但是可靠性不高,并且 征向量长度为;如果出现信号长度小于的特殊情 这些特征不能全面体现车辆信号特征,导致分类精度低 况,直接用该信号最后一个值向后补充该向量,使长度为 或者分类数量少。 ,这样处理几乎不影响车辆信号的特征,并且处理方法 针对上述问题,本文在贾宁?等人提出的将原始车 简单快捷; 辆磁场强度矢量信号处理后直接作为特征向量的特征提 三轴信号拼接:经过上述处理,对于一辆车可以得 取方法基础上,简化了向量维数归一化算法,并且待分析 到个维特征向量,分别代表轴、轴和轴,为便 信号选择信息量更丰富的、、三轴磁场信号,具体方 于分析将个向量按的顺序拼接成一个维的特 案是: 征向量; 幅值归一化:考虑到特征向量为神经网络的 确定待分析信号:传感器节点采集的三轴磁场信 号经过上述.节“噪声消除”以及.节“信号分隔” 输入,为了加快神经网络的收敛速度,对特征向量的 后的车辆信号为待分析信号; 幅值作归一化处理,找出特征向量的最大值元素,然后 分析车辆信号长度:本文传感器节点采样频率为 该特征向量所有元素都衰 减肘倍。 ,而城市道路上常见的车辆长度为~ ,速度在 .车型分类 ~ /,则传感器可以检测到的车辆对地磁场的扰动 无疑车辆类型分的越多越好,但分类过细会严重影 在.~ ,于是原始数据长度在~,通常 响分类效果。本文采用聚类算法?钊来确定分类 为?; 数量,流程如下: 确定归一化长度:为便于车型分类,需要将上述车 从个数据对象任意选择个对象作为初始聚类 辆信号归一化为一个比较小的统一长度,因为经过. 中心; 节“噪声消除”处理的车辆信号足够光滑,所以对信号直 根据每个聚类对象的均值中心对象,计算每个 接进行等间隔采样,只要确保采样点足够多,即可保留信 对象与这些中心对象的距离,并根据最小距离重新对相 号波形的关键特性,实验表明当统一维数取为时,既 应对象进行划分; 能够保留波形的关键特性,又具有较短的长度。图所 重新计算每个有变化聚类的均值中心对象; 示为最复杂的公交车磁场信号处理前后对比; 计算标准测度 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 ,当满足一定条件,如函数收敛 时,则算法终止;如果条件不满足则回到步骤。 对采集的原始数据进行分析,确定最佳分类数量为 ,参考中国汽车分类标准 得知这五类分 别代表了微型轿车、中高型轿车、公交车、摩托车以及城 市测试地点没有卡车、大卡车、牵引车、挂车等, 莹 这五类车辆的三轴磁场波形如图所示。 嚣 车型分类算法选用应用最广的分类器神经网 络?来完成图,训练数据使用第节采集的数据: 微型轿车、中高型轿车和公交车各有个训练样本,摩 托车和城市各个训练样本,一共个训练样本, 神经网络的输入为维向量,通过试凑法确定隐层 为层时达到较好效果,输出设置为维向量微型轿 图原始数据左与处理后数据右对比 车一,,;中高型轿车一,,;公交车一,,. ;摩托车一,,;城市一,,,训练结果 佻 如图所示,最小二乘法误差可以达到. 。 万方数据第期 杨波等:基于异向性磁阻传感器的车辆检测与车型分类 对比实际观察数据:摩托车检测出的数量多于实 际数量,而微型轿车检测出来的数量少于实际数量,这主 小型汽车 要是由距离传感器节点较远 以上的微型轿车误认 为是摩托车导致;其他的分类误差主要是将车辆判定 中高型汽 为除上述五种车型之外的其他类型车辆。 城市、 由于测试地点没有卡车、大卡车等车辆,所以本文与现 摩托车 有文献的主流分类结构分为:小轿车、小卡车、公交车、大卡 公交车 车和摩托车旧。’”相比,分类精度更细,适用性更强。 结 论 隐层 输出层 使用新型异向性磁阻传感器对车辆进行检 图 神经网络结构示意图 测和分类,获得了传感器三轴磁场数据,设计了一种基于 ? ? . 方差的多状态机自适应阈值车辆检测算法,可以有效解决 传感器输出信号基准值漂移对车辆检测精度的影响,很好 验证性能最优值.地处理了车辆首尾相接与大型车辆如公交车检测之间 旧 一训练 存在的矛盾,能够较准确地剔除背景信号分离出车辆信 ?验证 一测试 号,利用三轴磁场数据重新提取车辆磁场信号特征,采用 一最优值 ? 算法复杂度低、分类能力强的神经网络算法,对车型进 吣,,一;一。. 行分类,实验结果表明本文算法测量精度高、鲁棒性强,可 俨 \ 靠性及冗余度好。由于本文车辆检测分类系统传感器节 稍嗤椒霸瞟?、,嚼 点小、成本低、无需布线、车辆检测分类精度高,可广泛用 \ 于军事侦察及智能交通等领域的车辆检测及分类。 参考文献 时问 杨波,邹富强.异向性磁阻传感器检测车流量的新方 图最小二乘法训练误差 法.浙江大学学报:工学版,,: . 嘣 ..? , . 印 . 实验结果与分析 啪 粕 :舀 , ,:. 最终实验数据采集地点以及节点摆放方式与第章 ., , 相同,测试时间是年月日,天气阴到多云,温 粕 印 . 度约为?,微风。在大约 内,一共有辆车 . 砌,. 从节点旁边经过,实际检测出辆,车辆离节点距离过 贾宁,马寿峰,陈华.一种基于地磁感应的车型分类算 远 以上漏检了辆微型较车。检测率/× 法.计算机应用研究,叭,:. %.%,误检率为.%。车型分类结果如表. , , ? 所示。婚 . 表车型分类结果“ ,,: 碰洛石 鞠 .. 张玉华,贾利民.新型智能车辆检测仪灵敏度自修复 与自校准技术研究.仪器仪表学报,,: .. .柞 , . ,叭,: 万方数据第 卷 仪器仪表学报 ..?? 。 , , . 肌 『. , . :,,:.. ,:.., , ,? , ,髂 . 印 曲 『. .鹊,,,. . , 面/ 印 , , 粕 册,: : ... 潘霓,骆乐,闻育.基于磁阻传感器的车辆检测算法综 ,,:. 述.计算机工程与应用,,:. 张金龙,徐慧,刘京南,等.基于模糊神经网络的 精密 . ? ,耵 , 角度定位控制.仪器仪表学报,,: 踮 ...舀 ,,:?. , , , , , , . ? . 叫 . ,,: . ?’飘州? ,:. 作者简介., , , . ,,:一. .娟 , , . ? &.:,:?. . .一 . , ., :.. , . 印 . ,,:. . . .: 印 ,. .髂 尚群立,殷玲玲.基于磁阻原理非接触式位移测量的 ? 非线性方法.仪器仪表学报,,:. . 万方数据