應(yīng)用于潮汐車道的自適應(yīng)移動(dòng)護(hù)欄控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文琦，徐發(fā)剛，趙彬旭

（1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；3.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

在智慧城市、智能交通的時(shí)代背景之下，提出了一種應(yīng)用于潮汐車道的自適應(yīng)移動(dòng)護(hù)欄控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有人工遠(yuǎn)程控制、根據(jù)車流量自適應(yīng)控制的功能。該系統(tǒng)通過磁阻傳感器檢測(cè)車流量，經(jīng)MCU 數(shù)據(jù)處理后與單片機(jī)建立通信，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)護(hù)欄的移動(dòng)。可移動(dòng)護(hù)欄配備攝像頭檢測(cè)模塊與超聲波傳感器，當(dāng)攝像頭模塊識(shí)別到地面導(dǎo)流線后反饋給單片機(jī)信息，控制電機(jī)鎖死停轉(zhuǎn)，超聲波傳感器用于緊急停止，保證車輛安全。系統(tǒng)設(shè)有無線收發(fā)模塊，用以實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信以及雙機(jī)通信，符合未來智慧交通中無線通信的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以城市主干道中的交通十字路口為例，利用自適應(yīng)可移動(dòng)護(hù)欄實(shí)現(xiàn)潮汐車道導(dǎo)流的功能。針對(duì)早、晚高峰時(shí)段城市主干道所呈現(xiàn)出的兩側(cè)車道擁堵程度不均衡的現(xiàn)象，該測(cè)控系統(tǒng)通過對(duì)特定路段內(nèi)車流量大小進(jìn)行檢測(cè)，并與對(duì)向車道檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后，根據(jù)車流量大小選擇護(hù)欄移動(dòng)的方向。

系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景如圖1 所示。考慮到大多數(shù)城市主干道均設(shè)有中心隔離帶，在對(duì)道路設(shè)施進(jìn)行微小改造的前提下，將距離路口停止線約20 m 處的隔離帶設(shè)置為可移動(dòng)護(hù)欄，以便潮汐車道的車輛導(dǎo)流[2]。設(shè)由南向北所開辟的一組導(dǎo)流護(hù)欄為護(hù)欄組Ⅰ，由北向南所開辟的另一組導(dǎo)流護(hù)欄為護(hù)欄組Ⅱ，每組護(hù)欄都設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)位置，即在雙向車流量較為均衡的條件下每組護(hù)欄所處位置。該系統(tǒng)車輛檢測(cè)電路由磁阻傳感檢測(cè)電路[3]組成，在道路兩端相隔約200 m 處各設(shè)置一組磁阻傳感器，得到以200 m 間距為代表的全路段車流量水平。若檢測(cè)到由南向北更為擁堵，則護(hù)欄組Ⅰ向西移動(dòng)至對(duì)向車道，道路南端子護(hù)欄引導(dǎo)車輛進(jìn)入潮汐車道，而北端子護(hù)欄提醒對(duì)向來車不可侵占該車道。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景圖

由于可移動(dòng)護(hù)欄設(shè)定為東西方向移動(dòng)，為防止護(hù)欄縱向偏離預(yù)定軌道，需要在護(hù)欄中心位置加設(shè)一條滑輪凹槽，以確保護(hù)欄滑輪能夠沿此槽東西方向移動(dòng)。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖2 所示，系統(tǒng)設(shè)置有人工控制和自適應(yīng)控制模式[4]。當(dāng)?shù)缆窊矶虑矣芯o急情況發(fā)生時(shí)，通過人工控制暫時(shí)開辟潮汐車道緊急通行。系統(tǒng)默認(rèn)工作在自適應(yīng)的監(jiān)測(cè)控制模式下，由磁阻傳感電路輸出計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)由MCU 進(jìn)行綜合處理，控制可移動(dòng)護(hù)欄組平行移動(dòng)。另外，在護(hù)欄移動(dòng)過程中，為防止出現(xiàn)護(hù)欄強(qiáng)行移動(dòng)影響交通安全的情況，增設(shè)護(hù)欄組的緊急停止功能，提高其可操作性及安全性。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)單元配置

實(shí)現(xiàn)人工控制功能時(shí)，采用PC 機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)中繼端與MCU 以及護(hù)欄內(nèi)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通信；在自適應(yīng)控制功能下，采用磁阻傳感檢測(cè)電路完成脈沖的檢測(cè)、采集與輸出，由MCU 進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將同向路段的兩組傳感器所輸出脈沖計(jì)數(shù)循環(huán)相減，即可得到路段內(nèi)車流量的大小。MCU 根據(jù)兩向車道車流量的不均衡度（設(shè)定不均衡差值閾值為N輛車）判斷需要移動(dòng)護(hù)欄組Ⅰ或Ⅱ，通過護(hù)欄內(nèi)部的單片機(jī)系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。為使護(hù)欄組具有自動(dòng)停止功能，需要在護(hù)欄底部安裝可識(shí)別導(dǎo)流線的攝像頭模塊，進(jìn)行圖像處理，反饋給單片機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。護(hù)欄移動(dòng)過程中，超聲波傳感器檢測(cè)周邊環(huán)境安全，并有警示燈閃爍提醒。系統(tǒng)模塊組成如圖3 所示。

對(duì)臭牡丹粗提物進(jìn)行正負(fù)兩種模式質(zhì)譜掃描，結(jié)果顯示負(fù)離子模式下響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)，分辨率高，因此選取負(fù)離子模式進(jìn)行質(zhì)譜分析，圖2為臭牡丹粗提物的總離子流圖.

圖3 系統(tǒng)模塊組成

2.1 無線通信模塊

相較于傳統(tǒng)的總線串口通信技術(shù)，人機(jī)之間采用無線通信方式[5]可減少交通路口的布線密度，增加傳輸距離，能夠適應(yīng)未來“智慧交通”智能化、無線化的趨勢(shì)。

為使控制終端PC 機(jī)能夠與護(hù)欄內(nèi)置單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通信，需要通過收發(fā)模塊RF418 實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)異步串行無線傳輸。RF418 模塊將數(shù)據(jù)的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成無線電信號(hào)，以一定頻率的電磁波實(shí)現(xiàn)無線通信，因其無線傳輸距離相對(duì)有限，一般可實(shí)現(xiàn)約5 km 的無線通信，此系統(tǒng)中應(yīng)在各應(yīng)用路口設(shè)置與PC 機(jī)、MCU 相配套的無線網(wǎng)絡(luò)中繼器，以將PC 機(jī)或MCU 所收發(fā)的通信信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)出。

如圖4 所示，PC 機(jī)通過無線中繼器與MCU WIFI 模塊[6]實(shí)現(xiàn)通信，MCU 通過RF418 與護(hù)欄內(nèi)部單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信；護(hù)欄內(nèi)部單片機(jī)的RXD 引腳和TXD 引腳要與RF418 的RX 引腳和TX 引腳對(duì)應(yīng)相接，達(dá)到邏輯電平一致，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

圖4 無線通信網(wǎng)絡(luò)

2.2 磁阻傳感器

車流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)護(hù)欄自適應(yīng)控制的重要環(huán)節(jié)。目前對(duì)于車流量檢測(cè)技術(shù)的探索與應(yīng)用，主要包括紅外檢測(cè)技術(shù)、電磁渦流線圈檢測(cè)技術(shù)以及視頻圖像處理技術(shù)等。現(xiàn)有的紅外檢測(cè)傳感器易受外界熱源干擾，對(duì)于車輛檢測(cè)脈沖誤差較大；渦流線圈傳感器需要埋于地下，不易安裝，且壽命短、易損耗；新興的視頻圖像處理技術(shù)易受天氣影響，尤其在霧天檢測(cè)精度大幅降低。而對(duì)于磁阻傳感器[7]而言，不需要大面積破壞路面，檢測(cè)半徑約為2 m，恰好適合各車道的車輛計(jì)數(shù)，且受天氣、熱源等干擾影響極小，具有壽命長(zhǎng)、不易損壞、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，因而選用磁阻傳感器來監(jiān)測(cè)路段車流量的情況。

磁阻傳感器電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。磁阻變化經(jīng)惠斯通電橋[8-9]調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為差分電壓的輸出，由差動(dòng)放大電路初步綜合放大，在模擬信號(hào)進(jìn)入ADC之前利用隔離放大電路濾除不必要的干擾影響，提高共模抑制比。A/D 轉(zhuǎn)換器選用ADC0832 芯片，該轉(zhuǎn)換器具有8 位分辨率，兼容性強(qiáng)、性價(jià)比高，轉(zhuǎn)換時(shí)間僅32 μs，且具有兩個(gè)模擬輸入通道，能夠同時(shí)輸入兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的模擬信號(hào)Ui0、Ui1。

圖5 磁阻傳感器電路設(shè)計(jì)

A/D 轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，因車輛經(jīng)過磁阻傳感器正上方或經(jīng)過磁阻傳感器一旁時(shí)，所轉(zhuǎn)換的電壓值不同，可通過實(shí)驗(yàn)得到兩種情況下適用的電壓輸出閾值M，保證一個(gè)磁阻傳感器僅可測(cè)定一輛車，即盡量避免一輛車被兩個(gè)磁阻傳感器同時(shí)計(jì)數(shù)的情況。MCU 將輸入的數(shù)據(jù)與電壓閾值M進(jìn)行比較，若輸入值大于M，則該端傳感器電路計(jì)數(shù)加1，將前端磁阻傳感器所計(jì)數(shù)與后端磁阻傳感器所計(jì)數(shù)循環(huán)相減，即可得到車流量水平大小。最后將此差值與所設(shè)定的兩向車道車流量不均衡的判斷差值閾值N進(jìn)行比較，判斷應(yīng)對(duì)哪組步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

2.3 護(hù)欄控制微處理器

為滿足步進(jìn)電機(jī)的存儲(chǔ)要求，與攝像頭模塊圖像存儲(chǔ)處理功能相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)與超聲波傳感器電路的交互，多I/O 口精確控制多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)或停止，并實(shí)現(xiàn)與MCU 的交互通信，護(hù)欄單片機(jī)系統(tǒng)采用MSP430FG4618 單片機(jī)[10]。該單片機(jī)配置了116 kB Flash 和8 kB RAM，具有多個(gè)晶振頻率可供選擇，相對(duì)同位數(shù)的單片機(jī)芯片成本較低，且具有多種指令，適用于數(shù)據(jù)及脈沖的計(jì)算和處理，可較好地應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的外圍終端設(shè)備。

2.4 控制電機(jī)

選用單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)[10-11]為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。實(shí)現(xiàn)多個(gè)護(hù)欄協(xié)同定向移動(dòng)時(shí)，需要對(duì)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)進(jìn)行協(xié)同控制，并在緊急停止時(shí)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

在步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，需要步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的配合，將其所接收到的控制電平與方向信號(hào)綜合，結(jié)合自身邏輯電路，確定繞組時(shí)序方向。不同的通電方向可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。為使各段護(hù)欄能夠協(xié)同前進(jìn)，需要單片機(jī)對(duì)不同電機(jī)實(shí)時(shí)輸出總線控制信號(hào)。通過MCU 或PC 機(jī)與護(hù)欄單片機(jī)系統(tǒng)間的無線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)模式和人工控制模式的切換。

在MSP430FG4618 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的程序編寫中，需要使之產(chǎn)生特定頻率的脈沖信號(hào)，并使用定時(shí)器設(shè)置中斷反應(yīng)，以控制、檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)的步數(shù)。因步數(shù)控制誤差較大，所以當(dāng)單片機(jī)判斷出攝像頭模塊已檢測(cè)到路面導(dǎo)流線邊緣時(shí)，隨即控制步進(jìn)電機(jī)鎖死停轉(zhuǎn)，步數(shù)計(jì)數(shù)清零，即到達(dá)潮汐車道引流護(hù)欄設(shè)定位置。

2.5 攝像頭模塊

通過控制步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)步數(shù)來控制護(hù)欄移動(dòng)的方法有較大的誤差，因而需要在護(hù)欄的下方加裝攝像頭模塊，當(dāng)攝像頭模塊檢測(cè)[12]到地面導(dǎo)流線邊緣時(shí)，護(hù)欄停止移動(dòng)。對(duì)于夜間等光線較暗的時(shí)段，要求攝像頭具有感受光強(qiáng)及LED 補(bǔ)光的功能。該功能的實(shí)現(xiàn)需要用到光線傳感器模塊，由單片機(jī)控制LED 燈終端的開啟狀態(tài)。

攝像頭模塊需要對(duì)圖像中的導(dǎo)流線邊緣進(jìn)行檢測(cè)，因?qū)Я骶€邊緣可近似視為直線，選用Hough 變換法[13]對(duì)圖1 中護(hù)欄組下方導(dǎo)流線進(jìn)行檢測(cè)，可以取得較好的檢測(cè)效果。因路面并非光滑平面，圖像中存在較多噪聲點(diǎn)，在進(jìn)行Hough 變換之前，需要使用中值濾波濾除高頻椒鹽噪聲。

Hough 變換的基本思想是利用兩空間的對(duì)偶關(guān)系，將待識(shí)別直線由圖像空間變換到參數(shù)空間，即將求直線問題轉(zhuǎn)化為求點(diǎn)問題。設(shè)圖像空間中的邊緣線方程為：

Hough 變換將圖像空間中的任意一點(diǎn)(xi,yi)映射到參數(shù)空間(a,b)中的一條直線上，并經(jīng)過一點(diǎn)(a0,b0)，則參數(shù)空間中一點(diǎn)(a0,b0)唯一對(duì)應(yīng)圖像空間中由式（2）表示的一條直線：

利用Hough 變換檢測(cè)出邊緣線典型方程，通過參數(shù)空間點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)算即可獲取導(dǎo)流線與護(hù)欄的相對(duì)位置。當(dāng)系統(tǒng)在參數(shù)空間檢測(cè)到相應(yīng)的坐標(biāo)值時(shí)，即判斷到達(dá)導(dǎo)流線，護(hù)欄定位成功，并由單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制指令。

2.6 超聲波傳感器

與MSP430FG4618 單片機(jī)相連的超聲波傳感器電路[14]具有感知車輛靠近的功能。當(dāng)護(hù)欄在移動(dòng)過程中有車輛經(jīng)過且距離護(hù)欄較近時(shí)，超聲波傳感器電路向單片機(jī)發(fā)出高電平信號(hào)，由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)作出緊急停止的動(dòng)作，待計(jì)時(shí)結(jié)束車輛駛離后，控制步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)控制方法

將該方法應(yīng)用于潮汐車道的可移動(dòng)護(hù)欄控制系統(tǒng)，首先根據(jù)MCU 檢測(cè)和處理上位機(jī)所發(fā)出的外部指令，選擇進(jìn)入人工控制模式、自適應(yīng)智能控制模式或強(qiáng)制關(guān)機(jī)、緊急避險(xiǎn)模式。

系統(tǒng)控制方法設(shè)計(jì)如圖6 所示。在人工控制模式下，MCU 根據(jù)外部指令，選擇護(hù)欄的定時(shí)移動(dòng)或是緊急狀態(tài)下的人工實(shí)時(shí)控制。在自適應(yīng)控制模式下，MCU 對(duì)磁阻傳感器電路所發(fā)出的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到某路段兩方向車道的實(shí)時(shí)車流量大小。設(shè)該路段由南向北車流量計(jì)數(shù)為TN，由北向南車流量計(jì)數(shù)為TS，當(dāng)TN＞TS或TS＞TN時(shí)，MCU 與護(hù)欄內(nèi)MSP430FG4618 單片機(jī)進(jìn)行雙機(jī)通信，啟動(dòng)對(duì)護(hù)欄組Ⅰ或護(hù)欄組Ⅱ的控制。

圖6 系統(tǒng)控制方法設(shè)計(jì)流程圖

單片機(jī)得到啟動(dòng)指令后，通電并控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使護(hù)欄沿滑輪凹槽向特定方向移動(dòng)。在護(hù)欄移動(dòng)過程中，由超聲波傳感器檢測(cè)是否有對(duì)向車輛侵入該潮汐車道，若有，則實(shí)施緊急停止，避讓來車，并延時(shí)10 s，繼續(xù)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；攝像頭模塊將路面圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到單片機(jī)存儲(chǔ)器中，經(jīng)圖像處理判斷某時(shí)刻護(hù)欄是否到達(dá)設(shè)定位置，若檢測(cè)到邊緣線，則單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)鎖死停轉(zhuǎn)。

可移動(dòng)護(hù)欄的每種位置狀態(tài)由護(hù)欄內(nèi)部的MSP430FG4618 單片機(jī)無線傳輸給MCU 進(jìn)行中繼匯總并傳輸給PC 機(jī)控制終端，以便及時(shí)人工調(diào)度和調(diào)整。當(dāng)護(hù)欄移動(dòng)動(dòng)作完成后，磁阻傳感器仍繼續(xù)監(jiān)測(cè)車流量，但由于潮汐車道借用了一個(gè)對(duì)向車道，即此車道上的兩個(gè)磁阻傳感器檢測(cè)到的車流量屬于與潮汐車道設(shè)定方向同向道路的車流量，需要對(duì)MCU設(shè)置計(jì)數(shù)分離功能。計(jì)數(shù)分離是指當(dāng)MCU 接收到單片機(jī)所發(fā)出的護(hù)欄位置信息時(shí)，及時(shí)調(diào)整傳感器的計(jì)數(shù)方法，將潮汐車道中的計(jì)數(shù)值并入與之同向車道的計(jì)數(shù)值中，而后程序不變。

4 仿真分析

4.1 磁阻傳感器信號(hào)放大電路仿真分析

為模擬車輛經(jīng)過時(shí)磁阻傳感器信號(hào)放大電路的輸出電壓，可以通過改變圖5 中單臂電橋上Rd阻值來模擬磁阻傳感器感應(yīng)到磁場(chǎng)時(shí)的輸出[8]。設(shè)置合適的Rd阻值，運(yùn)用Multisim 進(jìn)行仿真，把示波器兩輸入端分別接入電橋輸出，將另一輸入通道連接隔離放大器輸出端，仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以得到輸出電壓增益Kf≈20，輸出電壓始終處于1～4 V 之間，符合ADC0832 的輸入要求。

4.2 邊緣線檢測(cè)

護(hù)欄發(fā)出停止指令前，采集到原始圖像，將其轉(zhuǎn)換為灰度圖后，需要中值濾波才能將路面的輸入噪聲去除。選擇50×50 的像素區(qū)域作滑動(dòng)窗口，得到中值濾波后的圖像，如圖8 所示。

圖8 原圖及濾波后圖像

Canny 邊緣檢測(cè)算子[15-16]的輸出效果好，失誤率低，采用高斯濾波器對(duì)噪聲進(jìn)一步平滑處理，提取出邊緣線。通過對(duì)Canny 邊緣檢測(cè)輸出圖片進(jìn)行Hough 變換，得到已標(biāo)記出直線段的變換圖像。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真，系統(tǒng)由攝像頭模塊采集的數(shù)字圖像，使用中值濾波去除其尖脈沖干擾及椒鹽噪聲，經(jīng)Canny 算子邊緣檢測(cè)后，使用Hough 變換能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出邊緣線，由此可以準(zhǔn)確控制護(hù)欄運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖9 Canny 邊緣檢測(cè)及Hough 變換圖像

5 結(jié)束語

該自適應(yīng)系統(tǒng)采用磁阻傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車流量，根據(jù)道路兩側(cè)車流量的不均衡程度判控制護(hù)欄組Ⅰ或Ⅱ的移動(dòng)，并運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)檢測(cè)導(dǎo)流線邊緣，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)護(hù)欄的自動(dòng)停止。另外，系統(tǒng)設(shè)置超聲波探測(cè)器用作保護(hù)機(jī)制，采用人機(jī)無線通信以及雙機(jī)無線通信，能夠適用于未來車聯(lián)網(wǎng)的功能拓展，符合智慧交通無線、智能控制的趨勢(shì)。自適應(yīng)可移動(dòng)護(hù)欄應(yīng)用于潮汐車道，具有無線化、智能化的顯著優(yōu)勢(shì)，能夠緩解高峰時(shí)段所導(dǎo)致的單向車道擁堵的狀況，有利于促進(jìn)節(jié)能減排，構(gòu)建綠色、智能的交通系統(tǒng)。