電磁導航技術在BRT中應用的設計范文

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［摘要］鑒于電磁導航技術的應用要求與快速公交系統所擁有的優勢條件存在高度互補性，探討電磁導航技術應用于brt的可行性，介紹電磁導航技術的基本原理，并制定其應用于BRT的系統結構，通過模型車模擬實驗進行驗證，最后分析實際運用中所需要具備的條件與操作方式，為電磁導航技術在BRT上的應用建立理論基礎。

［關鍵詞］電磁導航；快速公交系統；智能汽車

大多數智能汽車系統是采用傳感器技術獲得車輛的導航信息來實現自主導航功能的，主要有：初期的智能導航方式，即電磁導航技術；以及計算機視覺導航方式，現今主流的智能導航方式。計算機視覺導航方式在數據處理與車輛高速行駛同步，車輛對不同的道路環境、復雜的路面環境、變化的氣候條件等方面均具有良好的適應性，但它對車輛設備有相當高的要求，以致單車造價高昂，目前還難以普及。而電磁導航方式，雖然在常規道路交通中無法“隨機應變”，而被貼上實用性不高的標簽，但它在惡劣的環境和氣候以及能見度不高的情況下也能保障運行，并且專用車輛容易改造，成本低廉，易于推廣，如今也被視作高新技術廣泛應用于醫學領域。

1電磁導航應用于BRT的可行性

快速公交（BusRapidTransit，BRT）是介于快速軌道交通（RapidRailTransit，RRT）與常規公交（NormalBusTransit，NBT）之間的新型公共客運系統，被稱為“地面上的地鐵”（圖1）。它是利用大容量的專用公共交通車輛，在專用的道路空間運營并由專用信號控制的新型公共交通方式，具有交通運量大、快捷、安全等特點，工程造價和運營成本相對低廉［1］。其核心組成可歸納為：BRT專用道、路口信號優先、現代化的公交車輛、人性化的車站設計、智能化的車輛管理系統等，在城市客運結構系統中，BRT既克服了公共交通中出行速度慢、準點率低、舒適性差的不足，又在投資成本低、系統效益見效快、靈活性強、系統容易升級等方面具有軌道交通不可類比的優勢，是一種高品質、高效率、低能耗、低污染、低成本的公共交通形式，目前已成為國際公認的解決城市公共交通問題的革命性改革方案。但同時，BRT也有自身的局限性，主要體現在系統穩定性差，路口信號和路段橫向干擾的影響嚴重［2］。隨著新型技術的引入，BRT在向智能化發展方面還有很大的提升空間。電磁導航技術可利用地下埋電纜的方式，通過電磁感應對智能車輛進行導航。雖然它因道路路況識別能力差和道路基礎設施成本高的“兩大難題”而被貼上“不實用”的標簽，但在BRT快速公交系統中卻有其很好的適用性。首先，由于BRT擁有專用路權，車輛在專用道路行駛，道路路況識別的重要性大幅下降；其次，BRT所有車輛都統一使用智能化的運營管理系統，車輛定位與行駛信息交互，當前車輛行駛中對附近行駛車輛的測距識別也可由智能化運營管理系統進行分析管理，如果在BRT上安裝電磁導航系統，只需要對車輛進行小幅改裝，即道路基礎設施在現有專用道上加裝引導導線和磁標志，便可使成本大幅下降。這樣，電磁導航技術中的兩大難題在BRT中就迎刃而解，而且，BRT快速公交系統所追求的高效、穩定和通用性的要求，與電磁導航技術的簡單、穩定的特性互相呼應，擁有相當高的契合度。由此可見，現有交通技術的發展讓電磁導航技術再次擁有得以實用化的條件。

2電磁導航技術的原理與結構

2．1電磁導航技術的基本原理

麥克斯韋電磁場理論表明：導線通過交變電流時會在其周邊產生感應電磁場，而且電磁場按照一定的規律分布，距離導線越遠，感應電磁場的場強就越弱。將感應線圈安裝在導線周圍來檢測電磁場的強度，當線圈距離導體越遠，其受到的感應電磁場場強就越弱，磁場通過線圈變換為感應電流的電流值就越小。如圖2，感應磁場的分布是以導線為軸的一系列同心圓，同一圓上的磁場強度大小相同，隨著距離導線的半徑增加，區域場強成反比下降。

2．2電磁導航技術的系統結構

電磁導航技術系統主要由車輛計算機控制器、傳感器、導航信號發生裝置、引導導線、磁標志構成。其系統運行結構是：首先由導航信號發生裝置向引導導線中輸送固定頻率的電流；然后導航車輛通過電磁傳感器檢測到導線產生的感應電磁場獲取道路情況信息，將其輸送到車輛計算機控制器；接著車輛控制器對道路信息進行分析，對車輛行徑方向進行控制，實現線路跟蹤；最后車輛通過磁傳感器獲取安裝在啟停點的磁標志信號，執行啟停動作。

3電磁導航技術應用的模擬實驗

為了便于探討電磁導航技術在BRT快速公交系統中的應用與效果，本文使用了智能車模型對公交車輛主要的幾種行駛方式———轉向控制、出入站停靠、紅綠燈啟停進行了模擬。智能車前端左右兩側等距安裝2個電感作為電磁傳感器，使用舵機對前輪進行方向控制，使用編碼器對電機進行速度控制，使用K60單片機作為智能車的大腦接收、處理和發送控制命令。

3．1智能車轉向控制

引導導線為直線行駛引導時，智能車前端中軸對稱的2個電感的位置關于引導導線對稱，2個電感中感應出來的電動勢大小應相同、且方向亦相同。若智能車偏離引導導線，即2個電感關于導線不對稱時，則通過2個電感線圈的磁通量是不一樣的。這時，距引導導線較近的電感中感應出的電動勢應大于距引導導線較遠的電感。這兩個不對稱的信號的差值反饋給主控芯片，再向舵機發送方向控制信號，調整智能車前輪的朝向，引導其回歸直線行駛。引導導線為彎道行駛引導時，即路徑為弧線，由于弧線兩側的磁力線密度不同，則當智能車行駛至此處時，兩邊的電感感應出的電動勢是不同的。弧線內側電感的感應電動勢大于弧線外側電感，據此信號可以引導智能車拐彎。智能車轉向控制另外有一種特殊情況，當智能車脫離引導導線，行駛方向偏離致使兩個電感處于導線的同一側時，兩個電感中感應電動勢也是不平衡的。距導線較近的電感中感應出的電動勢大于距導線較遠的電感。由此，可以引導小車重新回到導線上。

3．2智能車入站停靠控制

啟停控制主要使用到的是磁傳感器和磁標志。在智能車前方下端安裝磁傳感器，在特殊的啟停位置安裝一個電磁鐵作為磁標志，這樣當智能車的磁傳感器通過磁標志時，傳感器感應到磁鐵的磁場，并發送一個1→0或者0→1的變化的脈沖信號給主控芯片，再由主控芯片發送啟停控制命令，控制智能車執行啟停動作。智能車在進入停靠站點時，引導導線會有一個小幅轉向令車輛靠近站臺，引導車輛靠近車站邊緣。當到達指定停靠位置的磁標志處時，磁傳感器接收到磁信號，發送停車信號，完成智能車減速停車；停靠一段時間后磁標志斷電滅磁，磁傳感器失去信號，車輛啟動加速出站，回歸正常行駛線路。

3．3智能車信號燈啟停控制

模擬車輛行駛過程中遇到信號燈需要停車與啟動的狀況，行駛道路中信號燈前方安裝磁標志，并使信號燈的變更與磁標志聯動。當信號燈為綠燈時，智能車處于通行狀態，磁標志斷電滅磁，磁傳感器無法接收到磁標志信號，車輛正常行駛通過；當信號燈轉為紅燈時，磁標志啟用，磁傳感器接收到磁標志信號，命令智能汽車停止行駛，等待通行。

4電磁導航技術在BRT上的應用

由于電磁導航技術的特點在于引導導線、磁標志都鋪設在地下，導航本身不會受到聲音和光源的影響，即無法獲取視覺信息，只能在鋪設好引導線路的道路上行駛，路徑不能更改和擴展，因而對道路基礎設施有極高的要求，而BRT的建設正好填補了這一缺陷，擁有封閉式的專用道路正是電磁導航運用的絕佳基礎設施條件。電磁導航技術在BRT上的應用主要著力于道路設施與車輛設備兩個方面。

4．1道路設施

電磁導航技術應用于BRT的道路基礎設施中的部分主要為引導導線、導航信號發生裝置與磁標志。引導導線在車輛正常行駛時一般設置于路面正中，用于讓電磁傳感器識別電場強度進行方向引導。導航信號發生裝置向引導導線輸送高頻電脈沖，車輛通過傳感器獲取脈沖電流產生的感應場強信號進行道路識別，不同線路的不同車輛也可以使用不同頻率波幅的脈沖電流進行誘導區分。磁標志設置在引導導線線路中需要令車輛有特殊制動的位置，例如車站啟停點、信號燈前。當車輛到達磁標志位置，車上安裝的磁傳感器就會反饋到車輛，計算機發送命令使車輛啟動或停止。另外還有一種特殊的磁標志，即磁道釘。磁道釘埋設時將N級或者S級朝上，根據其不同的朝向可以表示一位二進制信息（0或1），若干磁道釘組合埋設還能形成編碼區，通過車輛的磁傳感器傳遞特殊的道路情況信息，例如即將進入急轉彎時命令車輛減速等。

4．2車輛設備

電磁導航技術應用于BRT車輛上的控制設備主要為電磁傳感器、磁傳感器、轉向控制器、車載計算機系統。為了提高電感感應精度，電磁傳感器由多個水平排列的電感構成電磁傳感器陣列總成，安裝在車輛前端。兩側的電磁傳感器感應到的電磁場場強會隨著與引導導線間的直線距離增加而減小，當車輛右轉時，引導導線向右偏移，傳感器讀取到的右側場強變強，中間和左側場強變弱，便會向車載計算機發送信號，車載計算機通過對信號強度的分析，向轉向控制器發送命令，控制車輛轉向角度與轉向時的速度，使車輛完成轉向。磁傳感器同樣安裝于車輛下方靠近地面位置，便于讀取地面磁標志發出的磁場信號。當車輛到達磁標志時，磁傳感器靠近磁場，接收一個或多個磁標志的磁極信息感應電勢，將其反饋到車載計算機，車載計算機通過磁標志給予的道路信息判斷車輛的啟停與面對特殊路況的車輛制動措施。車載計算機系統是智能汽車的大腦，它對各個傳感器傳回信號進行分析，將其轉換為控制信號發送給電機驅動器控制車輛的啟停和速度，發送給轉向執行器控制車輛行進方向。同時車載計算機還與ITS（IntelligentTransportSystem）智能交通系統聯網，通過車載監視攝像頭對車輛運行與乘客狀態進行監控，對車輛進行定位，對不同車輛的行駛狀況進行調度。

［參考文獻］

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部．關于優先發展城市公共交通的意見［Z］．城建［2004］38號，2004－03－06．

［2］龍倩倩，任海濱，馬喜成，等．現代有軌電車與快速公交BRT的比較分析［J］．電力機車與城軌車輛，2014（5）：74－80．

［3］黃輝．基于電磁導航的智能車控制系統研究［D］．南昌：南昌大學，2014.

作者：吳迪；丁穩房 單位：湖北工業大學電氣工程學院