一種雙波源車輛行車方向識別方法*

秦 攀,張奔牛,張明輝

(1.重慶交通大學 信息科學與工程學院,重慶 400074; 2.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074;3.重慶石定科技有限責任公司,重慶 400074)

0 引言

隨著我國現代化的發展，汽車擁有量不斷攀升，交通壓力不斷增大，并且有些地方(如施工或交通瓶頸路段)會采用可變車道的方式解決交通擁堵問題，但是在狹窄的路段或是發生交通事故的路段就會造成嚴重的擁堵。因此有必要加強狹窄道路的行車安全，給駕駛員提供可靠信息，降低交通事故發生率，從而提升車輛的通行率。

對于車輛檢測的研究有很多，主要包括感應線圈檢測器、地磁檢測器、超聲波檢測器、紅外線檢測器、視頻檢測器、微波檢測器，六類交通檢測技術性能比較[1]如表1所示。

張佳賀、董偉等人[2]申請的專利采用的是由上蓋板、框架、壓力傳感器、基礎護邊組成的裝置，需要將壓力傳感器安裝在路面上，會破壞路面的結構，影響道路使用壽命。A·哈格羅特等人[3]申請的專利需要知曉車輪轉速，使用車輪轉速傳感器判斷該車輛的行車方向。彭科舉、陳新、周東翔等人[4]是基于單目攝像頭利用機器視覺與幾何的方法完成對車輛行駛方向與道路之間夾角的檢測。文獻[5-8]是對可變車道進行研究，在交通流不對稱的情況下通過誘導策略提升車輛的通行率。而吳建勛[9]只是對現在設置的單行道的方向性問題進行研究。

現有的研究成果主要集中在對車輛的檢測技術和可變車道控制方法的研究，但是車少路窄的時候只是需要給予駕駛員足夠的提示信息就可以提高駕駛員的安全性以及通行效率，并且針對現有的車輛行車方向識別方法安裝復雜、對道路造成破壞、影響道路壽命等問題，提出一種識別道路車輛行駛方向的方法，并通過指示燈給予駕駛員提示，達到安全通行、快速通過結點路段的目的。

表1 六類交通檢測技術性能比較

1 車輛行車方向識別方法設計

1.1 車輛行車方向識別方法總體設計

本文提出的車輛行駛方向識別方法根據傳感器信號傳輸到控制器的時間差判斷信息源的方向，而本方法運用車輛檢測技術檢測車輛的通過，微波傳感器經數字化處理后只有高低兩種情況。對于一個傳感器，如果外界有行車，那么信號源將發生跳變，如果將兩路微波傳感器安裝在道路的不同位置，那么兩路微波觸發就會產生一個時間差，如圖1所示，根據產生的時間差來識別車輛的行車方向。在區域1中，信源A比信源B先產生低電平，信源A模塊先觸發；同理，區域2是信源B先觸發。

圖1 車輛行車方向識別方法的原理

車輛行車方向識別法實現了車輛行車方向的識別、指示燈提示以及通過串口上傳該路段車輛的行車方向信息。車輛行車方向識別方法框架主要是由兩路微波傳感器、74LS04反向器、STC12LE5A60S2單片機、指示燈、STC Auto programmer USB-TTL及PC機構成。微波傳感器是一個獨立的模塊，固定在路肩對車輛進行檢測，輸出的電信號經過反向器反向后接入到單片機，單片機對接收到的信號進行中斷處理，根據檢測到兩路微波信號的時間先后來判斷車輛的行駛方向。并通過STC Auto programmer USB-TTL將行車方向識別結果上傳至PC以及對不同行車方向指示燈進行控制，給出不同提示信息?？傮w設計如圖2所示。

圖2 車輛行車方向識別方法總體框架

本設計方法采用QY-12V-20Ah鋰電池進行供電，方便攜帶，使用時間長，使用LM2596 DC-DC電壓轉換模塊將鋰電池12 V電壓轉換成能給單片機、74LS04、微波傳感器模塊供電的3.3 V電壓。

1.2 車輛行車方向識別方法硬件設計

整體硬件電路設計仿真由晶振電路、復位電路、串行通信電路、微波信號生成電路和LED警示燈組成。晶振電路由電容C1、C2和晶振X1構成，X1選用11.059 2 MHz的頻率。本設計的復位電路為低電平復位電路，由電阻R1和極向電容C3構成，通過復位電路將電路恢復到起始狀態。串行通信電路通過VIRTUAL TERMINAL虛擬器進行仿真，使用RXD和TXD兩個接口進行數據的傳輸。微波信號生成電路使用兩路方波信號進行模擬，然后通過反向器74LS04進行反向處理。方波B和方波D模擬微波傳感器1和微波傳感器2，方波B和方波D的高電平都設置為5 V，通過設置兩路方波周期的不同實現電平觸發時間上的差異，利用OSCILLOSCOPE示波器進行觀察產生的波形。而LED警示燈根據單片機接收微波信號判斷所屬類別來控制警示燈。整個硬件電路如圖3所示。

圖4(a)將方波B的周期設置為1.5 s，方波D的周期設置為1 s。白色波形是方波B的波形圖，灰色波形是方波D的波形圖，從兩個波形對比得出是方波D(灰色)先產生低電平而觸發，經過單片機控制器處理得出的結論是“the car opens to the left”，指示燈D1點亮。而圖4(b)剛好和圖4(a)相反。需要說明的是產生的方波并不是理想的高低電平，它有一個傾斜程度，但是單片機只是檢測高低電平的變化，同樣能夠達到模擬的目的。

圖4 電路仿真效果

本設計需要使用串口進行數據的傳輸，因此需要將單片機時鐘頻率、程序波特率以及VIRTUAL TERMINAL模擬器波特率進行同步，都設置為11.059 2 MHz。

1.3 車輛行車方向識別方法軟件設計

軟件設計主要是通過單片機采用兩路外部中斷方式處理接收的兩路微波信號。單片機將處理的結果通過串口中斷的方式上傳至PC。總體實現大致流程圖如圖5所示。

圖5 總體實現大致流程圖

兩路微波信號采用單片機的兩路外部中斷接口進行控制，一旦觸發中斷，執行相應的程序段，標記相應的傳感器。單片機外部中斷可以采用下降沿觸發或是低電平觸發，考慮下降沿抖動問題，本設計采用低電平觸發。計數兩次以上將會初始化變量，重新標記，當有一個傳感器已經觸發時，產生一個標志位flag=1；當另外一個傳感器也觸發時，就可以判斷車輛是離第一個傳感器較近的位置行駛而來，因此可以判斷出行駛方向。

2 實驗與分析

利用上面設計的方法，在室內和室外都做了相關的實驗，利用示波器進行驗證分析。方法測試如圖6、圖7所示。

圖6(a)和(b)是室內外測試場景圖，不論是在室內還是室外都采用了示波器進行驗證分析，分析方法得出的結果與真實結果是否相符。圖7(a)和7(b)是示波器上兩路信號波形圖，圖7(a)白色波形先發生突變，PC機上接收到“the car open to the right!!!”，指示燈綠燈點亮。而圖7(b)是灰色波形先發生突變，PC機上接收到“the car open to the left!!!”，指示燈紅燈點亮。當沒有車輛通過時向PC發送“no car!!!”消息，如圖7(c)和7(d)所示，和實際結果相符。

圖6 室內外場景調試

圖7 測試結果

3 結束語

本文提出一種雙波源車輛行車方向識別方法，通過車輛經過路段時會觸發雙路微波傳感器產生突變的電信號，突變的電信號經過74LS04反向器反向，將反向的電壓接入到單片機3.2和3.3兩個外部中斷端口，而單片機一旦接收到外部中斷就會執行相應的中斷程序，標記傳感器發生的時間先后標記次數，從而根據觸發時間差識別車輛行車方向的方法。單片機通過3.0(RXD)和3.1(TXD)端口與USB-TTL進行連接，將行車方向識別信息發送到PC上，并且點亮警示燈以提醒駕駛員，防止交通事故的發生，增強道路的通暢性。在實驗中使用了LM2596電壓轉換模塊、QY-12V-20Ah鋰電池、示波器、PC等輔助工具。通過室內外實驗研究驗證，該方法能夠對道路的車輛行車方向做出正確的判斷。

本文提出了一種簡單有效的車輛行車方向識別方法，但是實際復雜的道路環境會出現很多干擾因素，如行人、自行車、小鳥等。在實際工程應用中首先是在安裝位置上選取干擾條件較少的道路進行安裝；對于道路以外的干擾通過金屬對信號發射做方向性屏蔽；對行人、自行車利用觸發波形寬度、波峰等做進一步研究來排除干擾；增加道路音頻數據，和微波信號進行融合處理，得出更準確的結果。這些問題需要在今后進行深入研究，來提升車輛行車方向識別的抗干擾性和魯棒性。