基于雷達的道閘控制系統設計與實現

何桂蘭 張春陽 趙世麗

(重慶電子工程職業學院 重慶 401331)

隨著智能識別技術的發展，現有停車道閘系統在生活中的應用已經非常普遍。各大小區及停車場均安裝有道閘。該停車道閘系統的工作過程為：當有車輛需要通過道閘入場時，與道閘連接的攝像頭會抓取車輛的圖像，接著利用圖像識別技術對該圖像進行識別，自動完成車輛的入場信息登記，即車輛的牌照信息、車輛入場時間和入場車輛圖像等信息，在完成之后道閘便會控制欄桿抬起，讓車輛入場[1]。

當車輛需要通過道閘出場時，停車道閘系統一般采用地感線圈或雷達來判斷車輛是否已經通過欄桿，以此控制欄桿的下降。不過，地感線圈不能有效檢測車輛外的其他非金屬物體是否經過欄桿，缺乏一定的可靠性且安裝時需要將地感線圈埋于地下，會破壞路面。因此，本文提出一種采用雷達檢測來判斷障礙物（如車輛、人員）是否離開進而控制道閘下降的控制系統。采用雷達檢測可以檢測到能夠返回雷達波的障礙物，相對地感線圈的檢測方式，檢測范圍廣。與紅外雷達相比，成本低廉。

一、雷達技術概述

雷達，是英文Radar的音譯，源于radio detection and ranging的縮寫，意思為“無線電探測和測距”，即用無線電的方法發現目標并測定它們的空間位置。因此，雷達也被稱為“無線電定位”。雷達是利用電磁波探測目標的電子設備。雷達發射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發射點的距離信息[2]。

本文采用44KHZ的雷達，發射電磁波后開始計時，直到接收到電磁波返回或超過一定時長后停止計時。通過所記時長與電磁波速度相乘即可測得障礙物的距離。

二、雷達道閘系統組成

雷達道閘系統主要包括六個部分：電源轉換模塊，雷達檢測模塊，讀寫控制模塊，外部信號電壓穩定模塊，道閘電機控制模塊，聲音報警模塊。通過電源轉換模塊來為整個控制系統提供穩定的電源，使用雷達檢測模塊和讀寫控制模塊檢測和存儲讀取距離數據，外部信號穩壓模塊用來對外部信號進行濾波處理，使得獲取的狀態信息穩定可靠，通過道閘電機控制模塊實現欄桿的下降和防砸控制。

（一）硬件電路設計

雷達道閘系統硬件設計主要包括六個部分：電源轉換模塊，雷達檢測模塊，讀寫控制模塊，外部信號電壓穩定模塊，道閘電機控制模塊，聲音報警模塊。

圖1 讀寫控制模塊

讀寫控制模塊是整個系統的核心，是由PIC16 F721芯片構成，擁有高性能的RISC CPU，可達4K*14字的Flash程序內存，以及多達256字節的數據儲存器（RAM），同時有較多的IO口提供給系統使用。PIC16 F721芯模塊可對道閘進行障礙物的距離計算，并對雷達檢測模塊、讀寫控制模塊、外部信號電源穩定模塊、道閘電機控制模塊、信號報警模塊起控制作用。

圖2 電源轉換模塊

電源轉換模塊采用MP2451DT穩壓器模塊，MP2451DT是一個高頻（2MHz）降壓開關調節器與集成內部高側高電壓MOSFET功率。它提供單一的0.6A（或更少）高效輸出與電流模式控制的快速循環響應寬3.3V到36V輸入范圍適應各種降壓應用輸入環境。將輸入的12V的電壓轉化為5V電路工作電壓。

圖3 道閘電機控制模塊

道閘電機控制模塊：讀取控制模塊將從雷達讀取判斷障礙物的信號轉化為高低電平傳輸給電磁繼電器，道閘電機控制模塊根據高低電平信號來控制桿起桿落。

圖4 外部信號傳入模塊

外部信號傳入模塊：將外部傳輸的兩個霍爾信號和桿上升的信號傳輸給PIC16 F721讀寫控制芯片，由于外部電壓具有不穩定性，該模塊的設計就是掉電多余的電壓，使外部信號的電壓以5V的穩定電壓輸入給芯片。

圖5 雷達檢測模塊

雷達檢測模塊將雷達感受到的障礙物信號反饋到芯片，讀取控制模塊根據雷達反饋的信號計算障礙物的距離，距離值越大就代表沒有障礙物，值越小就代表有障礙物，讀取控制模塊就根據距離值判斷有無障礙物，并根據距離值的大小發送控制桿起桿落的信號給道閘控制模塊。

整個道閘系統的電路設計設計了兩個雷達，能更高效更準確地接受外界的信號。雷達檢測模塊的Trigl信號控制雷達工作，ECHO1是雷達傳輸給讀取控制模塊的信號。

圖6 聲音報警模塊

聲音警報模塊設計為一個三極管和蜂鳴器，在道閘工作的時候發出蜂鳴提醒。

（二）軟件設計

雷達道閘系統軟件由三部分組成，分別是距離標定模塊，時長標定模塊和雷達道閘控制模塊。

距離標定模塊用于標定雷達判斷障礙物是否存在的使用距離。標定時，抬起道閘欄桿以免造成干擾，將欄桿誤判斷為障礙物。在雷達前方N米位置擺放一個障礙物，開啟雷達發送電磁波，同時打開計時器。雷達接收到返回的電磁波后，關閉計時器。記錄此時前后的時長，即可表示為N米的距離。在使用時，若檢測到的距離大于N米，雷達道閘系統判斷為N米位置內不存在障礙物，小于N米時，存在障礙物，返回信號。此模塊的使用距離可由使用者任意標定。

時長標定模塊用于標定欄桿抬起到不影響雷達判斷的起桿時長和下落到影響雷達判斷的落桿時長。由于部分道閘欄桿帶有廣告牌或柵欄等，因此在欄桿抬升的過程中，打開雷達，雷達的電磁波會遇到柵欄后返回，使得雷達誤判斷為障礙物存在。因此，需要在欄桿抬升到不會影響雷達電磁波的時候才開啟雷達檢測，下降過程同理。

欄桿開始抬升時，打開計時器，開啟雷達檢測，此時雷達會檢測到存在有障礙物。欄桿繼續抬升至某一位置時，雷達檢測到障礙物消失。關閉計時器，記錄此過程的時長，即為起桿時長。

欄桿開始下降時，打開計時器，開啟雷達檢測，此時雷達檢測到不存在障礙物。欄桿繼續下降至某一位置時，雷達檢測到障礙物，關閉計時器，記錄此過程時長，即為落桿時長。

上述兩個過程進行時長標定時，需在無干擾的情況下進行，若在欄桿上升或下降的過程中有車輛經過，此時標定時長無法正常使用。

雷達道閘控制模塊用于控制欄桿抬起后，檢測到障礙物經過并離開后，使得欄桿下降。接收到外部的欄桿抬桿信號后，經過起桿時長，打開雷達開始進行檢測障礙物是否進來，若沒有檢測到障礙物，控制繼電器輸出低電平，返回上一步驟，繼續檢測障礙物是否進來。檢測到障礙物后，控制繼電器輸出高電平，然后檢測障礙物是否離開。若障礙物沒有離開，繼續控制繼電器輸出高電平，返回上一步驟檢測障礙物是否離開。若障礙物離開，控制繼電器輸出低電平，此時會產生一個由高電平變為低電平的下降沿脈沖信號，會使得欄桿開始下落[3]。

在下落過程中，繼續使用雷達檢測障礙物是否進來，若檢測到障礙物，控制繼電器輸出高電平，此時又會產生一個由低到高的上升沿脈沖信號，會控制欄桿上升，以免繼續下落出現砸車或砸人現象，起保護作用，之后再重復下落過程中檢測障礙物的步驟。若沒有檢測到障礙物進來，經過落桿時長后，關閉雷達，停止檢測。欄桿下降到底后結束一個工作周期，等待下一工作周期的開始。

圖7 雷達道閘工作流程圖

三、結束語

本文提出的雷達道閘系統通過獲取道閘欄桿的狀態信息，并在該狀態信息發生變化時獲取障礙物檢測的雷達信號，然后利用雷達信號檢測道閘欄桿在升降過程中是否存在障礙物，據此向控制道閘欄桿升降的繼電器發送控制信號，從而可以在不影響現有停車道閘系統正常功能的情況下，實現對道閘欄桿升降控制的升級，具有與現有產品較好的兼容性與低成本性。