未來智能公路行車系統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)

龍興波，樊昌元，黃 敏

（1.成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院，四川 成都610225；2.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610225）

0 引言

交通運(yùn)輸是社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先決條件和基本需要，是現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)、社會(huì)活動(dòng)等各環(huán)節(jié)正常進(jìn)行和有序發(fā)展的前提保障，對(duì)保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)健康發(fā)展、改善提高人民生活質(zhì)量和促進(jìn)社會(huì)現(xiàn)代化建設(shè)等方面具有十分重要的意義。然而，汽車交通量的劇烈增長(zhǎng)卻帶來了一系列的交通問題，交通擁擠、交通事故頻發(fā)已成為影響公路安全運(yùn)行的頭號(hào)公害，給人類生命財(cái)產(chǎn)帶來了巨大損失。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電子通信、機(jī)電一體化、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域的最新理論和技術(shù)的快速發(fā)展及其變化，未來智能公路行車系統(tǒng)在提高交通效率和安全上起著愈加重要的作用，可以大大降低并排除人為錯(cuò)誤，對(duì)預(yù)防和避免交通事故的頻繁發(fā)生具有十分重要的作用。未來智能公路行車系統(tǒng)是傳統(tǒng)交通工程的不斷深化、拓展和完善，卻又與傳統(tǒng)的交通工程存在著明顯的不同。

未來智能公路行車系統(tǒng)是當(dāng)今世界車輛工程、電子通信及自動(dòng)化控制等研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問題，它是以智能化公路為基礎(chǔ)，不違背現(xiàn)有道路基礎(chǔ)設(shè)施和車輛系統(tǒng)協(xié)調(diào)與合作的前提，廣泛應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電子通信、自動(dòng)化控制、傳感器等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)車輛的輔助駕駛或適當(dāng)條件下的自動(dòng)駕駛，從而大大降低人為因素造成的交通問題或事故，對(duì)提高公路行車系統(tǒng)的安全性和運(yùn)行效率具有重大的意義[1－4]。

針對(duì)當(dāng)前研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)問題，提出未來智能公路行車系統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)，代表著未來智能公路系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)及方向，是探索未來智能交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展的必由之路。同時(shí)，該模擬系統(tǒng)對(duì)電子工程設(shè)計(jì)及未來相應(yīng)的科學(xué)領(lǐng)域研究具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計(jì)要求

未來智能公路行車系統(tǒng)可以劃分為主車部分、從車部分以及相應(yīng)的行車車道組成。系統(tǒng)中的主、從車部分的原理框圖如圖1所示，主要包括：Advanced RISC Machines（ARM）處理器、超聲波測(cè)距電路、速度路程測(cè)量電路、尋跡避障電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、報(bào)警電路等部分。

系統(tǒng)的智能公路行車車道如圖2所示，這只是行車車道上的一小段，行車車道主要由行車道和超車道組成，兩車道均是單向車道，在行車道旁的適當(dāng)位置處設(shè)置有超車道。

圖1 主、從車的系統(tǒng)框圖

主、從車啟動(dòng)前都位于行車道，主車在后，從車在前，兩車以任意適當(dāng)間距啟動(dòng)行駛，兩車均可自動(dòng)控制行車速度，并自動(dòng)保持規(guī)定安全間距行駛，一旦間距小于安全距離，小車會(huì)自動(dòng)報(bào)警，這時(shí)可通過減速等方式使小車之間的距離達(dá)到安全距離，這樣就有效地避免了交通追尾事故的發(fā)生。兩車在行駛過程中，若有任何一小車想超越前面的小車，只要在行駛到有超車道的位置時(shí)，便可自動(dòng)進(jìn)入超車道加速行駛，然后再回到行車道，順利地實(shí)現(xiàn)超車。系統(tǒng)中，主、從車在到達(dá)目的地之前的行駛過程可用圖3的流程圖表示，這樣便可以更形象直觀地了解到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖2 智能公路行車車道

圖3 主、從車行駛流程圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 超聲波測(cè)距電路的設(shè)計(jì)

超聲波是一種能夠在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的機(jī)械震蕩，由于超聲波不僅具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、衰減小的特點(diǎn)，還具有反射能力強(qiáng)、能量消耗較慢、距離傳播較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此經(jīng)常被用來測(cè)量距離；除此超聲波被用來測(cè)量距離的原理非常簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)制作較方便，成本也比較低[5]。因此在系統(tǒng)中，利用超聲波的上述優(yōu)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)主、從車之間的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確及高精度的自動(dòng)檢測(cè)。

圖4 超聲波測(cè)距原理框圖

由于超聲波在空氣中的傳播速度為已知，超聲波測(cè)距原理便是利用這一特性，只需測(cè)量出超聲波被發(fā)射后在遇到障礙物被反射回來時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，便可根據(jù)發(fā)射和接收到超聲波的這一時(shí)間差來計(jì)算出聲波發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離[6－7]。設(shè)超聲波脈沖由聲波發(fā)射器發(fā)射出直到接收到聲波所經(jīng)歷的時(shí)間為t，在空氣中超聲波的傳播速度為c，則超聲波傳感器距離障礙物的間距D＝ct／2，系統(tǒng)中超聲波測(cè)距原理框圖如圖4所示。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

主、從車在行駛過程中，需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)行駛速度，所以系統(tǒng)中選用步進(jìn)電機(jī)來控制其運(yùn)動(dòng)及速度，但是ARM處理器的驅(qū)動(dòng)能力有限，無法直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，所以這就需要設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路[8]。驅(qū)動(dòng)電路選用L298N驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制主、從車的運(yùn)動(dòng)，并能實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行PWM調(diào)速[9－10]；該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路不僅具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，還有發(fā)熱量低、抗干擾能力強(qiáng)的特性。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示，輸入端口IN1、IN2、IN3、IN4分別控制對(duì)應(yīng)的輸出端口OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，即當(dāng)輸入端口為高電平時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出端口為驅(qū)動(dòng)電壓VCC，當(dāng)輸入端口為低電平時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出端口電壓為0。使能端口enableA和enableB分別控制輸入端口IN1、IN2和IN3、IN4，即當(dāng)enableA為高電平時(shí)輸入端口IN1和IN2才能控制輸出端口OUT1和OUT2，同理，當(dāng)enableB為高電平時(shí)輸入端口IN3和IN4才能控制輸出端口OUT3和OUT4。ARM處理器的I／O端口與輸入端口IN1、IN2、IN3、IN4相連接，通過控制I／O端口的電平變化，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止等操作。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 速度路程測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

主、從車在行駛過程中，需要自動(dòng)保持安全間距行駛、在必要時(shí)進(jìn)行超車，這就要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取主、從車在不同行駛環(huán)境和狀態(tài)下的行駛速度，以便ARM處理器根據(jù)這些信息對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制處理，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)行駛速度，進(jìn)而達(dá)到相應(yīng)的目的。

圖6 速度路程測(cè)量原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了速度路程測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)上述要求，電路主要采用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量速度路程的功能[11－12]，原理圖如圖6所示，霍爾傳感器采用的是單總線驅(qū)動(dòng)電路，因此外圍電路非常簡(jiǎn)單，在輸出端加一個(gè)2K的上拉電阻，可以加大輸出的驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)霍爾傳感器靠近磁鋼時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，傳感器輸出端輸出低電平，ARM處理器每接收到低電平信號(hào)就計(jì)數(shù)n，并且計(jì)時(shí)t。由于系統(tǒng)中，在主、從車的車輪上安裝了5個(gè)磁鋼，即車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈電平變化5次，所以小車行駛的路程為：S＝nC／5（C為車輪的周長(zhǎng)），平均速度為V＝S／t。

2.4 尋跡避障電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的智能公路行車車道如圖2所示，圖中的黑色線條便是各個(gè)車道的邊界。系統(tǒng)中的主從車自動(dòng)沿著車道行駛，不能越過車道的邊界，即系統(tǒng)中的主從車必須具備自動(dòng)尋跡的功能，因此這就要設(shè)計(jì)尋跡避障電路。

尋跡避障電路原理圖如圖7所示，一對(duì)光電開關(guān)的發(fā)射管不停地發(fā)射紅外光，經(jīng)過路面反射后被接收管接收，由于白色路面和黑色邊界線對(duì)光反射的不同特性，所以正對(duì)白色路面的光電對(duì)管的接收管接收到更多的紅外光，而正對(duì)黑線的光電對(duì)管的接收管收到較少的紅外光。經(jīng)過光電開關(guān)接收電路將接收到紅外光的多少轉(zhuǎn)化為正相關(guān)的電流大小，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成接收電路的輸出電壓（A點(diǎn)電壓），A點(diǎn)的電壓進(jìn)一步與一個(gè)居中的基準(zhǔn)電壓（B點(diǎn)電壓）進(jìn)行比較，對(duì)應(yīng)比較器的輸出端（C點(diǎn)）就為高低電平，并進(jìn)一步將該高低電平傳輸給ARM處理器，同時(shí)對(duì)應(yīng)的指示燈亮與不亮。根據(jù)所處的環(huán)境不同，尋跡避障傳感器的靈敏度可以通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓達(dá)到。ARM處理器以接收到的高低電平為依據(jù)實(shí)時(shí)獲取主從車的當(dāng)前位置及其行駛路線，一旦小車偏離相應(yīng)的車道，ARM處理器就可通過控制I／O端口的電平變化，以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的輸出實(shí)現(xiàn)小車的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主從車的自動(dòng)尋跡功能[13]。

圖7 尋跡避障電路

系統(tǒng)使用了3對(duì)圖7所示的光電開關(guān)，其中2對(duì)用于尋跡，另1對(duì)用于實(shí)現(xiàn)主從車的自動(dòng)避障功能。當(dāng)該傳感器逼近障礙物時(shí)，向外輸出高電平，遠(yuǎn)離障礙物時(shí)輸出低電平，ARM處理器就可根據(jù)獲取的高低電平來控制小車的行駛方向[14－15]。一旦行駛中的小車遇到障礙物或接近前方行駛中的車輛時(shí)，便可采取減速或停車的方法來順利地避開障礙物，從而進(jìn)一步避免了交通追尾事故的發(fā)生。

2.5 顯示、報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的顯示、報(bào)警電路相當(dāng)簡(jiǎn)單，在此不做詳細(xì)的介紹。主、從車在行駛過程中，需要自動(dòng)保持安全間距行駛、在必要時(shí)進(jìn)行超車，這就要求實(shí)時(shí)準(zhǔn)確直觀地獲取主、從車在不同行駛環(huán)境和狀態(tài)下的間距、行駛速度、路程等相關(guān)信息，以便根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的控制處理。系統(tǒng)使用液晶顯示屏來實(shí)現(xiàn)主從車的間距、速度路程等相關(guān)信息的顯示，該顯示器具有大小適中的可視面積，畫面效果較好，足夠強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于該系統(tǒng)中相關(guān)信息的顯示。

報(bào)警電路主要采用的是蜂鳴器來模擬，主、從車在行駛的過程中，一旦主從車的行駛間距小于規(guī)定的安全距離，這時(shí)小車會(huì)自動(dòng)報(bào)警，警告可通過減速等相應(yīng)的控制處理使主從車之間的距離達(dá)到安全距離，這樣交通追尾事故就再次被有效地避免發(fā)生。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

uC／OS－II是一個(gè)具有免費(fèi)使用、可裁減的、搶占式、源代碼開放等優(yōu)點(diǎn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，它提供了一系列基本功能，包括任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)核管理和任務(wù)間通信與同步。由于uC／OS－II擁有高度可靠性、可移植性、可裁減性、安全性和開放性等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于微處理器和控制器。因此，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求添加需要的各種服務(wù)，內(nèi)核是基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的可剝奪性實(shí)時(shí)內(nèi)核，通過時(shí)鐘節(jié)拍和其他硬件中斷以及任務(wù)，系統(tǒng)主動(dòng)掛起或者等待狀態(tài)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度[16]。

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求所添加的各種任務(wù)包括：超聲波測(cè)量主從車的間距、小車的自動(dòng)尋跡避障、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測(cè)量小車行駛中的速度路程、相應(yīng)數(shù)據(jù)信息的顯示以及車距一旦小于安全距離時(shí)的自動(dòng)報(bào)警等任務(wù)。將這些任務(wù)的代碼和可能用到的中斷服務(wù)程序編寫好后，那么應(yīng)用程序便開始運(yùn)行。如果需要增加系統(tǒng)的功能，只需要添加相應(yīng)的任務(wù)和調(diào)用一定的系統(tǒng)服務(wù)即可達(dá)到目的。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的程序流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

在圖2所示的智能公路行車車道的條件下，系統(tǒng)設(shè)置的主從車安全間距為50cm，勻速行駛速度為10cm／s。主、從車啟動(dòng)前都位于行車道，當(dāng)主車在后，從車在前時(shí)，主從車在行駛過程中的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 主車在后，從車在前時(shí)的系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

當(dāng)主車在前，從車在后時(shí)，主從車在行駛過程中的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 主車在前，從車在后時(shí)的系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

通過不斷反復(fù)地系統(tǒng)測(cè)試，兩車以任意適當(dāng)間距啟動(dòng)行駛，均可自動(dòng)控制行車速度，并自動(dòng)保持規(guī)定安全間距50cm行駛，一旦間距小于安全距離50cm，行駛在后面的小車會(huì)自動(dòng)報(bào)警，這時(shí)可通過減速等方式使小車之間的距離達(dá)到安全距離。兩車在行駛過程中，若有任何一小車想超越前面的小車，只要在行駛到有超車道的位置時(shí)，便可自動(dòng)進(jìn)入超車道加速行駛，然后再回到行車道，順利地實(shí)現(xiàn)超車。經(jīng)過不斷地調(diào)試和改進(jìn)，達(dá)到了系統(tǒng)預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)功能和要求。除此，系統(tǒng)的顯示功能也符合設(shè)計(jì)要求，從而能準(zhǔn)確直觀地獲取主、從車在不同行駛環(huán)境和狀態(tài)下的間距、行駛速度、路程等相關(guān)信息，以便根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的控制處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出的未來智能公路行車系統(tǒng)雖然只是模擬設(shè)計(jì)，但代表未來智能公路系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)及方向，對(duì)未來相應(yīng)的科學(xué)領(lǐng)域研究具有指導(dǎo)意義及較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值，引起廣泛關(guān)注。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電子通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化控制等領(lǐng)域技術(shù)的迅猛發(fā)展及應(yīng)用，未來智能公路行車系統(tǒng)不僅可極大地提高公路交通的運(yùn)行效率和降低交通事故的發(fā)生率，以及在提高交通道路使用者的舒適度和滿意度等方面必將扮演著越來越重要的角色；而且將為實(shí)現(xiàn)智能公路系統(tǒng)的運(yùn)輸提供更為安全舒適、高效快捷、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)服務(wù)。

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