電磁導(dǎo)航技術(shù)在BRT中應(yīng)用的設(shè)計范文

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［摘要］鑒于電磁導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用要求與快速公交系統(tǒng)所擁有的優(yōu)勢條件存在高度互補(bǔ)性，探討電磁導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于brt的可行性，介紹電磁導(dǎo)航技術(shù)的基本原理，并制定其應(yīng)用于BRT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過模型車模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后分析實(shí)際運(yùn)用中所需要具備的條件與操作方式，為電磁導(dǎo)航技術(shù)在BRT上的應(yīng)用建立理論基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］電磁導(dǎo)航；快速公交系統(tǒng)；智能汽車

大多數(shù)智能汽車系統(tǒng)是采用傳感器技術(shù)獲得車輛的導(dǎo)航信息來實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航功能的，主要有：初期的智能導(dǎo)航方式，即電磁導(dǎo)航技術(shù)；以及計算機(jī)視覺導(dǎo)航方式，現(xiàn)今主流的智能導(dǎo)航方式。計算機(jī)視覺導(dǎo)航方式在數(shù)據(jù)處理與車輛高速行駛同步，車輛對不同的道路環(huán)境、復(fù)雜的路面環(huán)境、變化的氣候條件等方面均具有良好的適應(yīng)性，但它對車輛設(shè)備有相當(dāng)高的要求，以致單車造價高昂，目前還難以普及。而電磁導(dǎo)航方式，雖然在常規(guī)道路交通中無法“隨機(jī)應(yīng)變”，而被貼上實(shí)用性不高的標(biāo)簽，但它在惡劣的環(huán)境和氣候以及能見度不高的情況下也能保障運(yùn)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(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

1電磁導(dǎo)航應(yīng)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(guī)公交（NormalBusTransit，NBT）之間的新型公共客運(yùn)系統(tǒng)，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(yùn)營并由專用信號控制的新型公共交通方式，具有交通運(yùn)量大、快捷、安全等特點(diǎn)，工程造價和運(yùn)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(yōu)先、現(xiàn)代化的公交車輛、人性化的車站設(shè)計、智能化的車輛管理系統(tǒng)等，在城市客運(yùn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，BRT既克服了公共交通中出行速度慢、準(zhǔn)點(diǎn)率低、舒適性差的不足，又在投資成本低、系統(tǒng)效益見效快、靈活性強(qiáng)、系統(tǒng)容易升級等方面具有軌道交通不可類比的優(yōu)勢，是一種高品質(zhì)、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(rèn)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(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定性差，路口信號和路段橫向干擾的影響嚴(yán)重［2］。隨著新型技術(shù)的引入，BRT在向智能化發(fā)展方面還有很大的提升空間。電磁導(dǎo)航技術(shù)可利用地下埋電纜的方式，通過電磁感應(yīng)對智能車輛進(jìn)行導(dǎo)航。雖然它因道路路況識別能力差和道路基礎(chǔ)設(shè)施成本高的“兩大難題”而被貼上“不實(shí)用”的標(biāo)簽，但在BRT快速公交系統(tǒng)中卻有其很好的適用性。首先，由于BRT擁有專用路權(quán)，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(tǒng)一使用智能化的運(yùn)營管理系統(tǒng)，車輛定位與行駛信息交互，當(dāng)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(yùn)營管理系統(tǒng)進(jìn)行分析管理，如果在BRT上安裝電磁導(dǎo)航系統(tǒng)，只需要對車輛進(jìn)行小幅改裝，即道路基礎(chǔ)設(shè)施在現(xiàn)有專用道上加裝引導(dǎo)導(dǎo)線和磁標(biāo)志，便可使成本大幅下降。這樣，電磁導(dǎo)航技術(shù)中的兩大難題在BRT中就迎刃而解，而且，BRT快速公交系統(tǒng)所追求的高效、穩(wěn)定和通用性的要求，與電磁導(dǎo)航技術(shù)的簡單、穩(wěn)定的特性互相呼應(yīng)，擁有相當(dāng)高的契合度。由此可見，現(xiàn)有交通技術(shù)的發(fā)展讓電磁導(dǎo)航技術(shù)再次擁有得以實(shí)用化的條件。

2電磁導(dǎo)航技術(shù)的原理與結(jié)構(gòu)

2．1電磁導(dǎo)航技術(shù)的基本原理

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

2．2電磁導(dǎo)航技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)主要由車輛計算機(jī)控制器、傳感器、導(dǎo)航信號發(fā)生裝置、引導(dǎo)導(dǎo)線、磁標(biāo)志構(gòu)成。其系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)是：首先由導(dǎo)航信號發(fā)生裝置向引導(dǎo)導(dǎo)線中輸送固定頻率的電流；然后導(dǎo)航車輛通過電磁傳感器檢測到導(dǎo)線產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場獲取道路情況信息，將其輸送到車輛計算機(jī)控制器；接著車輛控制器對道路信息進(jìn)行分析，對車輛行徑方向進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)線路跟蹤；最后車輛通過磁傳感器獲取安裝在啟停點(diǎn)的磁標(biāo)志信號，執(zhí)行啟停動作。

3電磁導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用的模擬實(shí)驗(yàn)

為了便于探討電磁導(dǎo)航技術(shù)在BRT快速公交系統(tǒng)中的應(yīng)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(zhuǎn)向控制、出入站停靠、紅綠燈啟停進(jìn)行了模擬。智能車前端左右兩側(cè)等距安裝2個電感作為電磁傳感器，使用舵機(jī)對前輪進(jìn)行方向控制，使用編碼器對電機(jī)進(jìn)行速度控制，使用K60單片機(jī)作為智能車的大腦接收、處理和發(fā)送控制命令。

3．1智能車轉(zhuǎn)向控制

引導(dǎo)導(dǎo)線為直線行駛引導(dǎo)時，智能車前端中軸對稱的2個電感的位置關(guān)于引導(dǎo)導(dǎo)線對稱，2個電感中感應(yīng)出來的電動勢大小應(yīng)相同、且方向亦相同。若智能車偏離引導(dǎo)導(dǎo)線，即2個電感關(guān)于導(dǎo)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(dǎo)導(dǎo)線較近的電感中感應(yīng)出的電動勢應(yīng)大于距引導(dǎo)導(dǎo)線較遠(yuǎn)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(jī)發(fā)送方向控制信號，調(diào)整智能車前輪的朝向，引導(dǎo)其回歸直線行駛。引導(dǎo)導(dǎo)線為彎道行駛引導(dǎo)時，即路徑為弧線，由于弧線兩側(cè)的磁力線密度不同，則當(dāng)智能車行駛至此處時，兩邊的電感感應(yīng)出的電動勢是不同的。弧線內(nèi)側(cè)電感的感應(yīng)電動勢大于弧線外側(cè)電感，據(jù)此信號可以引導(dǎo)智能車拐彎。智能車轉(zhuǎn)向控制另外有一種特殊情況，當(dāng)智能車脫離引導(dǎo)導(dǎo)線，行駛方向偏離致使兩個電感處于導(dǎo)線的同一側(cè)時，兩個電感中感應(yīng)電動勢也是不平衡的。距導(dǎo)線較近的電感中感應(yīng)出的電動勢大于距導(dǎo)線較遠(yuǎn)的電感。由此，可以引導(dǎo)小車重新回到導(dǎo)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(biāo)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(biāo)志，這樣當(dāng)智能車的磁傳感器通過磁標(biāo)志時，傳感器感應(yīng)到磁鐵的磁場，并發(fā)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(fā)送啟停控制命令，控制智能車執(zhí)行啟停動作。智能車在進(jìn)入停靠站點(diǎn)時，引導(dǎo)導(dǎo)線會有一個小幅轉(zhuǎn)向令車輛靠近站臺，引導(dǎo)車輛靠近車站邊緣。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定停靠位置的磁標(biāo)志處時，磁傳感器接收到磁信號，發(fā)送停車信號，完成智能車減速停車；停靠一段時間后磁標(biāo)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(biāo)志，并使信號燈的變更與磁標(biāo)志聯(lián)動。當(dāng)信號燈為綠燈時，智能車處于通行狀態(tài)，磁標(biāo)志斷電滅磁，磁傳感器無法接收到磁標(biāo)志信號，車輛正常行駛通過；當(dāng)信號燈轉(zhuǎn)為紅燈時，磁標(biāo)志啟用，磁傳感器接收到磁標(biāo)志信號，命令智能汽車停止行駛，等待通行。

4電磁導(dǎo)航技術(shù)在BRT上的應(yīng)用

由于電磁導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)在于引導(dǎo)導(dǎo)線、磁標(biāo)志都鋪設(shè)在地下，導(dǎo)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(shè)好引導(dǎo)線路的道路上行駛，路徑不能更改和擴(kuò)展，因而對道路基礎(chǔ)設(shè)施有極高的要求，而BRT的建設(shè)正好填補(bǔ)了這一缺陷，擁有封閉式的專用道路正是電磁導(dǎo)航運(yùn)用的絕佳基礎(chǔ)設(shè)施條件。電磁導(dǎo)航技術(shù)在BRT上的應(yīng)用主要著力于道路設(shè)施與車輛設(shè)備兩個方面。

4．1道路設(shè)施

電磁導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于BRT的道路基礎(chǔ)設(shè)施中的部分主要為引導(dǎo)導(dǎo)線、導(dǎo)航信號發(fā)生裝置與磁標(biāo)志。引導(dǎo)導(dǎo)線在車輛正常行駛時一般設(shè)置于路面正中，用于讓電磁傳感器識別電場強(qiáng)度進(jìn)行方向引導(dǎo)。導(dǎo)航信號發(fā)生裝置向引導(dǎo)導(dǎo)線輸送高頻電脈沖，車輛通過傳感器獲取脈沖電流產(chǎn)生的感應(yīng)場強(qiáng)信號進(jìn)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(jìn)行誘導(dǎo)區(qū)分。磁標(biāo)志設(shè)置在引導(dǎo)導(dǎo)線線路中需要令車輛有特殊制動的位置，例如車站啟停點(diǎn)、信號燈前。當(dāng)車輛到達(dá)磁標(biāo)志位置，車上安裝的磁傳感器就會反饋到車輛，計算機(jī)發(fā)送命令使車輛啟動或停止。另外還有一種特殊的磁標(biāo)志，即磁道釘。磁道釘埋設(shè)時將N級或者S級朝上，根據(jù)其不同的朝向可以表示一位二進(jìn)制信息（0或1），若干磁道釘組合埋設(shè)還能形成編碼區(qū)，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(jìn)入急轉(zhuǎn)彎時命令車輛減速等。

4．2車輛設(shè)備

電磁導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于BRT車輛上的控制設(shè)備主要為電磁傳感器、磁傳感器、轉(zhuǎn)向控制器、車載計算機(jī)系統(tǒng)。為了提高電感感應(yīng)精度，電磁傳感器由多個水平排列的電感構(gòu)成電磁傳感器陣列總成，安裝在車輛前端。兩側(cè)的電磁傳感器感應(yīng)到的電磁場場強(qiáng)會隨著與引導(dǎo)導(dǎo)線間的直線距離增加而減小，當(dāng)車輛右轉(zhuǎn)時，引導(dǎo)導(dǎo)線向右偏移，傳感器讀取到的右側(cè)場強(qiáng)變強(qiáng)，中間和左側(cè)場強(qiáng)變?nèi)酰銜蜍囕d計算機(jī)發(fā)送信號，車載計算機(jī)通過對信號強(qiáng)度的分析，向轉(zhuǎn)向控制器發(fā)送命令，控制車輛轉(zhuǎn)向角度與轉(zhuǎn)向時的速度，使車輛完成轉(zhuǎn)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(biāo)志發(fā)出的磁場信號。當(dāng)車輛到達(dá)磁標(biāo)志時，磁傳感器靠近磁場，接收一個或多個磁標(biāo)志的磁極信息感應(yīng)電勢，將其反饋到車載計算機(jī)，車載計算機(jī)通過磁標(biāo)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(jī)系統(tǒng)是智能汽車的大腦，它對各個傳感器傳回信號進(jìn)行分析，將其轉(zhuǎn)換為控制信號發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動器控制車輛的啟停和速度，發(fā)送給轉(zhuǎn)向執(zhí)行器控制車輛行進(jìn)方向。同時車載計算機(jī)還與ITS（IntelligentTransportSystem）智能交通系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，通過車載監(jiān)視攝像頭對車輛運(yùn)行與乘客狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對車輛進(jìn)行定位，對不同車輛的行駛狀況進(jìn)行調(diào)度。

［參考文獻(xiàn)］

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［3］黃輝．基于電磁導(dǎo)航的智能車控制系統(tǒng)研究［D］．南昌：南昌大學(xué)，2014.

作者：吳迪；丁穩(wěn)房 單位：湖北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院