未來智能公路行車系統的模擬設計

龍興波，樊昌元，黃 敏

（1.成都信息工程學院電子工程學院，四川 成都610225；2.中國氣象局大氣探測重點實驗室，四川 成都610225）

0 引言

交通運輸是社會進步和經濟發展的先決條件和基本需要，是現代社會生產、社會活動等各環節正常進行和有序發展的前提保障，對保障經濟社會可持續健康發展、改善提高人民生活質量和促進社會現代化建設等方面具有十分重要的意義。然而，汽車交通量的劇烈增長卻帶來了一系列的交通問題，交通擁擠、交通事故頻發已成為影響公路安全運行的頭號公害，給人類生命財產帶來了巨大損失。

隨著計算機網絡、電子通信、機電一體化、自動化控制等領域的最新理論和技術的快速發展及其變化，未來智能公路行車系統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誤，對預防和避免交通事故的頻繁發生具有十分重要的作用。未來智能公路行車系統是傳統交通工程的不斷深化、拓展和完善，卻又與傳統的交通工程存在著明顯的不同。

未來智能公路行車系統是當今世界車輛工程、電子通信及自動化控制等研究領域的一個重要問題，它是以智能化公路為基礎，不違背現有道路基礎設施和車輛系統協調與合作的前提，廣泛應用現代計算機網絡、電子通信、自動化控制、傳感器等技術來實現車輛的輔助駕駛或適當條件下的自動駕駛，從而大大降低人為因素造成的交通問題或事故，對提高公路行車系統的安全性和運行效率具有重大的意義[1－4]。

針對當前研究領域的前沿熱點問題，提出未來智能公路行車系統的模擬設計，代表著未來智能公路系統的發展趨勢及方向，是探索未來智能交通系統的可持續發展的必由之路。同時，該模擬系統對電子工程設計及未來相應的科學領域研究具有較強的工程應用價值。

1 系統的工作原理及設計要求

未來智能公路行車系統可以劃分為主車部分、從車部分以及相應的行車車道組成。系統中的主、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、超聲波測距電路、速度路程測量電路、尋跡避障電路、電機驅動電路、顯示電路、報警電路等部分。

系統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，在行車道旁的適當位置處設置有超車道。

圖1 主、從車的系統框圖

主、從車啟動前都位于行車道，主車在后，從車在前，兩車以任意適當間距啟動行駛，兩車均可自動控制行車速度，并自動保持規定安全間距行駛，一旦間距小于安全距離，小車會自動報警，這時可通過減速等方式使小車之間的距離達到安全距離，這樣就有效地避免了交通追尾事故的發生。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，便可自動進入超車道加速行駛，然后再回到行車道，順利地實現超車。系統中，主、從車在到達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的設計要求。

圖2 智能公路行車車道

圖3 主、從車行駛流程圖

2 系統的硬件設計與實現

2.1 超聲波測距電路的設計

超聲波是一種能夠在彈性介質中產生的機械震蕩，由于超聲波不僅具有方向性好、穿透能力強、衰減小的特點，還具有反射能力強、能量消耗較慢、距離傳播較遠等優點，因此經常被用來測量距離；除此超聲波被用來測量距離的原理非常簡單，設計制作較方便，成本也比較低[5]。因此在系統中，利用超聲波的上述優點來實現對主、從車之間的距離進行實時準確及高精度的自動檢測。

圖4 超聲波測距原理框圖

由于超聲波在空氣中的傳播速度為已知，超聲波測距原理便是利用這一特性，只需測量出超聲波被發射后在遇到障礙物被反射回來時所經歷的時間，便可根據發射和接收到超聲波的這一時間差來計算出聲波發射點到障礙物的實際距離[6－7]。設超聲波脈沖由聲波發射器發射出直到接收到聲波所經歷的時間為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，系統中超聲波測距原理框圖如圖4所示。

2.2 電機驅動電路的設計

主、從車在行駛過程中，需要實時調節行駛速度，所以系統中選用步進電機來控制其運動及速度，但是ARM處理器的驅動能力有限，無法直接驅動步進電機，所以這就需要設計步進電機驅動電路[8]。驅動電路選用L298N驅動芯片，驅動步進電機控制主、從車的運動，并能實時對其進行PWM調速[9－10]；該步進電機驅動電路不僅具有較強的驅動能力，還有發熱量低、抗干擾能力強的特性。

電機驅動電路原理圖如圖5所示，輸入端口IN1、IN2、IN3、IN4分別控制對應的輸出端口OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，即當輸入端口為高電平時，所對應的輸出端口為驅動電壓VCC，當輸入端口為低電平時，所對應的輸出端口電壓為0。使能端口enableA和enableB分別控制輸入端口IN1、IN2和IN3、IN4，即當enableA為高電平時輸入端口IN1和IN2才能控制輸出端口OUT1和OUT2，同理，當enableB為高電平時輸入端口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，即可以實現對步進電機進行正反轉、停止等操作。

圖5 電機驅動電路

2.3 速度路程測量電路的設計

主、從車在行駛過程中，需要自動保持安全間距行駛、在必要時進行超車，這就要實時準確地獲取主、從車在不同行駛環境和狀態下的行駛速度，以便ARM處理器根據這些信息對步進電機進行相應的控制處理，從而實時調節行駛速度，進而達到相應的目的。

圖6 速度路程測量原理

系統設計了速度路程測量電路實現上述要求，電路主要采用霍爾傳感器實現實時測量速度路程的功能[11－12]，原理圖如圖6所示，霍爾傳感器采用的是單總線驅動電路，因此外圍電路非常簡單，在輸出端加一個2K的上拉電阻，可以加大輸出的驅動能力。當霍爾傳感器靠近磁鋼時，由于霍爾效應，傳感器輸出端輸出低電平，ARM處理器每接收到低電平信號就計數n，并且計時t。由于系統中，在主、從車的車輪上安裝了5個磁鋼，即車輪轉動一圈電平變化5次，所以小車行駛的路程為：S＝nC／5（C為車輪的周長），平均速度為V＝S／t。

2.4 尋跡避障電路的設計

系統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車道的邊界。系統中的主從車自動沿著車道行駛，不能越過車道的邊界，即系統中的主從車必須具備自動尋跡的功能，因此這就要設計尋跡避障電路。

尋跡避障電路原理圖如圖7所示，一對光電開關的發射管不停地發射紅外光，經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光反射的不同特性，所以正對白色路面的光電對管的接收管接收到更多的紅外光，而正對黑線的光電對管的接收管收到較少的紅外光。經過光電開關接收電路將接收到紅外光的多少轉化為正相關的電流大小，并進一步轉化成接收電路的輸出電壓（A點電壓），A點的電壓進一步與一個居中的基準電壓（B點電壓）進行比較，對應比較器的輸出端（C點）就為高低電平，并進一步將該高低電平傳輸給ARM處理器，同時對應的指示燈亮與不亮。根據所處的環境不同，尋跡避障傳感器的靈敏度可以通過調節基準電壓達到。ARM處理器以接收到的高低電平為依據實時獲取主從車的當前位置及其行駛路線，一旦小車偏離相應的車道，ARM處理器就可通過控制I／O端口的電平變化，以控制電機驅動電路的輸出實現小車的左轉、右轉、前進和后退運動，從而實現主從車的自動尋跡功能[13]。

圖7 尋跡避障電路

系統使用了3對圖7所示的光電開關，其中2對用于尋跡，另1對用于實現主從車的自動避障功能。當該傳感器逼近障礙物時，向外輸出高電平，遠離障礙物時輸出低電平，ARM處理器就可根據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，便可采取減速或停車的方法來順利地避開障礙物，從而進一步避免了交通追尾事故的發生。

2.5 顯示、報警電路的設計

系統中設計的顯示、報警電路相當簡單，在此不做詳細的介紹。主、從車在行駛過程中，需要自動保持安全間距行駛、在必要時進行超車，這就要求實時準確直觀地獲取主、從車在不同行駛環境和狀態下的間距、行駛速度、路程等相關信息，以便根據這些信息進行相應的控制處理。系統使用液晶顯示屏來實現主從車的間距、速度路程等相關信息的顯示，該顯示器具有大小適中的可視面積，畫面效果較好，足夠強的抗干擾能力等優點，特別適合應用于該系統中相關信息的顯示。

報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定的安全距離，這時小車會自動報警，警告可通過減速等相應的控制處理使主從車之間的距離達到安全距離，這樣交通追尾事故就再次被有效地避免發生。

3 系統的軟件設計與實現

uC／OS－II是一個具有免費使用、可裁減的、搶占式、源代碼開放等優點的實時多任務嵌入式操作系統內核，它提供了一系列基本功能，包括任務調度、任務管理、時間管理、內核管理和任務間通信與同步。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，特別適合應用于微處理器和控制器。因此，用戶可以根據系統設計要求添加需要的各種服務，內核是基于任務優先級的可剝奪性實時內核，通過時鐘節拍和其他硬件中斷以及任務，系統主動掛起或者等待狀態進行任務調度[16]。

根據系統的設計要求所添加的各種任務包括：超聲波測量主從車的間距、小車的自動尋跡避障、電機驅動、測量小車行駛中的速度路程、相應數據信息的顯示以及車距一旦小于安全距離時的自動報警等任務。將這些任務的代碼和可能用到的中斷服務程序編寫好后，那么應用程序便開始運行。如果需要增加系統的功能，只需要添加相應的任務和調用一定的系統服務即可達到目的。系統實現各項功能的程序流程如圖8所示。

圖8 系統程序流程圖

4 系統測試

在圖2所示的智能公路行車車道的條件下，系統設置的主從車安全間距為50cm，勻速行駛速度為10cm／s。主、從車啟動前都位于行車道，當主車在后，從車在前時，主從車在行駛過程中的測試數據如表1所示。

表1 主車在后，從車在前時的系統測試數據

當主車在前，從車在后時，主從車在行駛過程中的測試數據如表2所示。

表2 主車在前，從車在后時的系統測試數據

通過不斷反復地系統測試，兩車以任意適當間距啟動行駛，均可自動控制行車速度，并自動保持規定安全間距50cm行駛，一旦間距小于安全距離50cm，行駛在后面的小車會自動報警，這時可通過減速等方式使小車之間的距離達到安全距離。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，便可自動進入超車道加速行駛，然后再回到行車道，順利地實現超車。經過不斷地調試和改進，達到了系統預計的設計功能和要求。除此，系統的顯示功能也符合設計要求，從而能準確直觀地獲取主、從車在不同行駛環境和狀態下的間距、行駛速度、路程等相關信息，以便根據這些信息進行相應的控制處理。

5 結束語

提出的未來智能公路行車系統雖然只是模擬設計，但代表未來智能公路系統的發展趨勢及方向，對未來相應的科學領域研究具有指導意義及較強的工程應用價值，引起廣泛關注。隨著社會經濟的快速發展，電子通信、計算機網絡的廣泛應用，自動化控制等領域技術的迅猛發展及應用，未來智能公路行車系統不僅可極大地提高公路交通的運行效率和降低交通事故的發生率，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；而且將為實現智能公路系統的運輸提供更為安全舒適、高效快捷、經濟的基礎服務。

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