电磁导航技术在BRT中应用的设计范文

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［摘要］鉴于电磁导航技术的应用要求与快速公交系统所拥有的优势条件存在高度互补性，探讨电磁导航技术应用于brt的可行性，介绍电磁导航技术的基本原理，并制定其应用于BRT的系统结构，通过模型车模拟实验进行验证，最后分析实际运用中所需要具备的条件与操作方式，为电磁导航技术在BRT上的应用建立理论基础。

［关键词］电磁导航；快速公交系统；智能汽车

大多数智能汽车系统是采用传感器技术获得车辆的导航信息来实现自主导航功能的，主要有：初期的智能导航方式，即电磁导航技术；以及计算机视觉导航方式，现今主流的智能导航方式。计算机视觉导航方式在数据处理与车辆高速行驶同步，车辆对不同的道路环境、复杂的路面环境、变化的气候条件等方面均具有良好的适应性，但它对车辆设备有相当高的要求，以致单车造价高昂，目前还难以普及。而电磁导航方式，虽然在常规道路交通中无法“随机应变”，而被贴上实用性不高的标签，但它在恶劣的环境和气候以及能见度不高的情况下也能保障运行，并且专用车辆容易改造，成本低廉，易于推广，如今也被视作高新技术广泛应用于医学领域。

1电磁导航应用于BRT的可行性

快速公交（BusRapidTransit，BRT）是介于快速轨道交通（RapidRailTransit，RRT）与常规公交（NormalBusTransit，NBT）之间的新型公共客运系统，被称为“地面上的地铁”（图1）。它是利用大容量的专用公共交通车辆，在专用的道路空间运营并由专用信号控制的新型公共交通方式，具有交通运量大、快捷、安全等特点，工程造价和运营成本相对低廉［1］。其核心组成可归纳为：BRT专用道、路口信号优先、现代化的公交车辆、人性化的车站设计、智能化的车辆管理系统等，在城市客运结构系统中，BRT既克服了公共交通中出行速度慢、准点率低、舒适性差的不足，又在投资成本低、系统效益见效快、灵活性强、系统容易升级等方面具有轨道交通不可类比的优势，是一种高品质、高效率、低能耗、低污染、低成本的公共交通形式，目前已成为国际公认的解决城市公共交通问题的革命性改革方案。但同时，BRT也有自身的局限性，主要体现在系统稳定性差，路口信号和路段横向干扰的影响严重［2］。随着新型技术的引入，BRT在向智能化发展方面还有很大的提升空间。电磁导航技术可利用地下埋电缆的方式，通过电磁感应对智能车辆进行导航。虽然它因道路路况识别能力差和道路基础设施成本高的“两大难题”而被贴上“不实用”的标签，但在BRT快速公交系统中却有其很好的适用性。首先，由于BRT拥有专用路权，车辆在专用道路行驶，道路路况识别的重要性大幅下降；其次，BRT所有车辆都统一使用智能化的运营管理系统，车辆定位与行驶信息交互，当前车辆行驶中对附近行驶车辆的测距识别也可由智能化运营管理系统进行分析管理，如果在BRT上安装电磁导航系统，只需要对车辆进行小幅改装，即道路基础设施在现有专用道上加装引导导线和磁标志，便可使成本大幅下降。这样，电磁导航技术中的两大难题在BRT中就迎刃而解，而且，BRT快速公交系统所追求的高效、稳定和通用性的要求，与电磁导航技术的简单、稳定的特性互相呼应，拥有相当高的契合度。由此可见，现有交通技术的发展让电磁导航技术再次拥有得以实用化的条件。

2电磁导航技术的原理与结构

2．1电磁导航技术的基本原理

麦克斯韦电磁场理论表明：导线通过交变电流时会在其周边产生感应电磁场，而且电磁场按照一定的规律分布，距离导线越远，感应电磁场的场强就越弱。将感应线圈安装在导线周围来检测电磁场的强度，当线圈距离导体越远，其受到的感应电磁场场强就越弱，磁场通过线圈变换为感应电流的电流值就越小。如图2，感应磁场的分布是以导线为轴的一系列同心圆，同一圆上的磁场强度大小相同，随着距离导线的半径增加，区域场强成反比下降。

2．2电磁导航技术的系统结构

电磁导航技术系统主要由车辆计算机控制器、传感器、导航信号发生装置、引导导线、磁标志构成。其系统运行结构是：首先由导航信号发生装置向引导导线中输送固定频率的电流；然后导航车辆通过电磁传感器检测到导线产生的感应电磁场获取道路情况信息，将其输送到车辆计算机控制器；接着车辆控制器对道路信息进行分析，对车辆行径方向进行控制，实现线路跟踪；最后车辆通过磁传感器获取安装在启停点的磁标志信号，执行启停动作。

3电磁导航技术应用的模拟实验

为了便于探讨电磁导航技术在BRT快速公交系统中的应用与效果，本文使用了智能车模型对公交车辆主要的几种行驶方式———转向控制、出入站停靠、红绿灯启停进行了模拟。智能车前端左右两侧等距安装2个电感作为电磁传感器，使用舵机对前轮进行方向控制，使用编码器对电机进行速度控制，使用K60单片机作为智能车的大脑接收、处理和发送控制命令。

3．1智能车转向控制

引导导线为直线行驶引导时，智能车前端中轴对称的2个电感的位置关于引导导线对称，2个电感中感应出来的电动势大小应相同、且方向亦相同。若智能车偏离引导导线，即2个电感关于导线不对称时，则通过2个电感线圈的磁通量是不一样的。这时，距引导导线较近的电感中感应出的电动势应大于距引导导线较远的电感。这两个不对称的信号的差值反馈给主控芯片，再向舵机发送方向控制信号，调整智能车前轮的朝向，引导其回归直线行驶。引导导线为弯道行驶引导时，即路径为弧线，由于弧线两侧的磁力线密度不同，则当智能车行驶至此处时，两边的电感感应出的电动势是不同的。弧线内侧电感的感应电动势大于弧线外侧电感，据此信号可以引导智能车拐弯。智能车转向控制另外有一种特殊情况，当智能车脱离引导导线，行驶方向偏离致使两个电感处于导线的同一侧时，两个电感中感应电动势也是不平衡的。距导线较近的电感中感应出的电动势大于距导线较远的电感。由此，可以引导小车重新回到导线上。

3．2智能车入站停靠控制

启停控制主要使用到的是磁传感器和磁标志。在智能车前方下端安装磁传感器，在特殊的启停位置安装一个电磁铁作为磁标志，这样当智能车的磁传感器通过磁标志时，传感器感应到磁铁的磁场，并发送一个1→0或者0→1的变化的脉冲信号给主控芯片，再由主控芯片发送启停控制命令，控制智能车执行启停动作。智能车在进入停靠站点时，引导导线会有一个小幅转向令车辆靠近站台，引导车辆靠近车站边缘。当到达指定停靠位置的磁标志处时，磁传感器接收到磁信号，发送停车信号，完成智能车减速停车；停靠一段时间后磁标志断电灭磁，磁传感器失去信号，车辆启动加速出站，回归正常行驶线路。

3．3智能车信号灯启停控制

模拟车辆行驶过程中遇到信号灯需要停车与启动的状况，行驶道路中信号灯前方安装磁标志，并使信号灯的变更与磁标志联动。当信号灯为绿灯时，智能车处于通行状态，磁标志断电灭磁，磁传感器无法接收到磁标志信号，车辆正常行驶通过；当信号灯转为红灯时，磁标志启用，磁传感器接收到磁标志信号，命令智能汽车停止行驶，等待通行。

4电磁导航技术在BRT上的应用

由于电磁导航技术的特点在于引导导线、磁标志都铺设在地下，导航本身不会受到声音和光源的影响，即无法获取视觉信息，只能在铺设好引导线路的道路上行驶，路径不能更改和扩展，因而对道路基础设施有极高的要求，而BRT的建设正好填补了这一缺陷，拥有封闭式的专用道路正是电磁导航运用的绝佳基础设施条件。电磁导航技术在BRT上的应用主要着力于道路设施与车辆设备两个方面。

4．1道路设施

电磁导航技术应用于BRT的道路基础设施中的部分主要为引导导线、导航信号发生装置与磁标志。引导导线在车辆正常行驶时一般设置于路面正中，用于让电磁传感器识别电场强度进行方向引导。导航信号发生装置向引导导线输送高频电脉冲，车辆通过传感器获取脉冲电流产生的感应场强信号进行道路识别，不同线路的不同车辆也可以使用不同频率波幅的脉冲电流进行诱导区分。磁标志设置在引导导线线路中需要令车辆有特殊制动的位置，例如车站启停点、信号灯前。当车辆到达磁标志位置，车上安装的磁传感器就会反馈到车辆，计算机发送命令使车辆启动或停止。另外还有一种特殊的磁标志，即磁道钉。磁道钉埋设时将N级或者S级朝上，根据其不同的朝向可以表示一位二进制信息（0或1），若干磁道钉组合埋设还能形成编码区，通过车辆的磁传感器传递特殊的道路情况信息，例如即将进入急转弯时命令车辆减速等。

4．2车辆设备

电磁导航技术应用于BRT车辆上的控制设备主要为电磁传感器、磁传感器、转向控制器、车载计算机系统。为了提高电感感应精度，电磁传感器由多个水平排列的电感构成电磁传感器阵列总成，安装在车辆前端。两侧的电磁传感器感应到的电磁场场强会随着与引导导线间的直线距离增加而减小，当车辆右转时，引导导线向右偏移，传感器读取到的右侧场强变强，中间和左侧场强变弱，便会向车载计算机发送信号，车载计算机通过对信号强度的分析，向转向控制器发送命令，控制车辆转向角度与转向时的速度，使车辆完成转向。磁传感器同样安装于车辆下方靠近地面位置，便于读取地面磁标志发出的磁场信号。当车辆到达磁标志时，磁传感器靠近磁场，接收一个或多个磁标志的磁极信息感应电势，将其反馈到车载计算机，车载计算机通过磁标志给予的道路信息判断车辆的启停与面对特殊路况的车辆制动措施。车载计算机系统是智能汽车的大脑，它对各个传感器传回信号进行分析，将其转换为控制信号发送给电机驱动器控制车辆的启停和速度，发送给转向执行器控制车辆行进方向。同时车载计算机还与ITS（IntelligentTransportSystem）智能交通系统联网，通过车载监视摄像头对车辆运行与乘客状态进行监控，对车辆进行定位，对不同车辆的行驶状况进行调度。

［参考文献］

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部．关于优先发展城市公共交通的意见［Z］．城建［2004］38号，2004－03－06．

［2］龙倩倩，任海滨，马喜成，等．现代有轨电车与快速公交BRT的比较分析［J］．电力机车与城轨车辆，2014（5）：74－80．

［3］黄辉．基于电磁导航的智能车控制系统研究［D］．南昌：南昌大学，2014.

作者：吴迪；丁稳房 单位：湖北工业大学电气工程学院