一種可改變潮汐車道寬度的智能隔離墩的控制方案

王欽北　忻宇　張志雄　張靜之

摘要：本文采用Arduino單片機來處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對隔離墩的機械裝置給出控制信號，具有實現(xiàn)隔離墩自動移動，重新劃分往來車道寬度的功能。根據(jù)功能要求，利用Arduino單片機實現(xiàn)對紅外傳感器信號的采集，對隔離墩履帶式移動輪電機啟停和運轉(zhuǎn)方向的邏輯控制，對鎖止桿舵機的起停控制。

關(guān)鍵詞：Arduino單片機；紅外傳感器；控制方法

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0013-03

1 引言

隨著我國汽車保有量的上升，在道路發(fā)展和汽車數(shù)量之間出現(xiàn)了難以調(diào)和的矛盾，尤其在大中型城市。當(dāng)前城市道路劃分結(jié)構(gòu)多以固定式隔離護欄為主，難以滿足在特定出行時間對車道數(shù)量的靈活控制，尤其是在出行高峰期，這就容易導(dǎo)致交通擁堵，影響行程時間和交通安全。因此，本申請?zhí)峁┝艘环N新型的、包含自走位劃分雙向車道寬度的控制方法。

2 智能隔離墩的控制要求

根據(jù)設(shè)計思路，智能隔離墩將具有以下幾個功能：

（1）隔離墩之間實現(xiàn)無線連接，每個隔離墩的移動由紅外傳感器采集到的信號來控制。

（2）隔離墩能做跟隨運動，當(dāng)?shù)谝粋€隔離墩接受到移動信號后，第二個以及之后的隔離墩能跟隨前一個隔離墩移動，并且在第一個隔離墩停止后，后面的隔離墩也能及時停止，停止時所有隔離墩在車輛前進方向上保持對齊（如圖1）。

（3）保證前后相鄰隔離墩的移動具有合理的時間間隔，并且在完成對齊后，相鄰隔離墩的間距保持在合理的范圍內(nèi)。

（4）每個隔離墩上裝有鎖止桿，采取前一個隔離墩鎖止后一個隔離墩的鎖定方式，并且能在隔離墩開始移動前完成解鎖，隔離墩停止移動后，在設(shè)定的時間間隔內(nèi)鎖定。

3 智能隔離墩的控制方法

3.1 隔離墩橫向移動的控制方案

隔離墩的橫向移動能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰隔離墩的跟隨移動與停止，并且自動判斷移動方向。隔離墩的底盤上裝有一對帶有電機的履帶式車輪，采用由單片機控制的電機驅(qū)動模塊來驅(qū)動電機的運動，以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，如圖2所示。

在隔離墩上裝載有一對紅外傳感器，用以判斷離墩的運動狀態(tài)（如圖3）。以第一個和第二個隔離墩為例，傳感器A和B的信號輸出端口分別與單片機IO口的D3和D4連接。在系統(tǒng)初始狀態(tài)下，每個隔離墩靜止，以一定間距成一條直線排列，前隔離墩對后隔離墩的A、B傳感器形成障礙，使A、B發(fā)出的信號由于遇到阻礙而反射回來。此時A和B的信號輸出端分別向單片機的D3、D4口輸出數(shù)字信號1。當(dāng)前隔離墩接受到向右移動的信號后，先將鎖定后隔離墩的鎖止桿打開，然后開始向右移動。而第二個隔離墩不會立即運動，直到傳感器A發(fā)出的信號因沒有阻礙而無法反射回來時，傳感器A的信號輸出端口會向單片機D3口輸出數(shù)字信號0，而傳感器B仍然能接受到反射回來的信號，所以B的信號輸出端仍然向單片機D4口輸出數(shù)字信號1。由此可以使前后隔離墩的移動具有時間上的延遲，完成隔離墩的跟隨移動。當(dāng)單片機接受到傳感器的輸入信號狀態(tài)改變后，將控制電機驅(qū)動模塊，使電機具有一定的速度和正確的轉(zhuǎn)向。同理，當(dāng)?shù)谝粋€隔離墩向左移動的時候，傳感器B的信號輸出端因無法接受反射回來的信號而向單片機D4口輸入數(shù)字信號0。傳感器A仍然保持輸出為1，以控制隔離墩向左運動。

當(dāng)?shù)谝粋€向右運動的隔離墩接受到駐車信號停止運動后，由于兩個隔離墩在移動上存在時間間隔，所以第二個隔離墩仍然會保持運動狀態(tài)，直到傳感器A發(fā)出的信號被再次遮擋而接受到反射信號，此時傳感器A向OUT端輸入信號1，單片機檢測此種狀態(tài)變化后就會控制相應(yīng)的電機驅(qū)動模塊使其停止運動。向左運動的停車與此同理。

控制隔離墩移動的電機驅(qū)動模塊具有有四個控制電機轉(zhuǎn)向的使能端，成兩組同時控制電機的左右轉(zhuǎn)向。設(shè)控制左輪電機的使能端為1號和2號控制端，控制右輪電機的使能端為3號和4號控制端。1號和2號控制端通過信號通道A和單片機的D5、D6口連接。3號和4號控制端通過信號通道B和單片機的D7、D8口連接。其中隔離墩運動狀態(tài)與傳感器輸入信號和電機驅(qū)動模塊的控制信號變化關(guān)系如表1所示。

3.2 智能隔離墩鎖止桿的運動控制方案

隔離墩的鎖止桿能夠防止隔離墩在靜止?fàn)顟B(tài)時出現(xiàn)不必要的滑移。鎖止桿需要在隔離墩移動前打開，并且在隔離墩完全停止后才鎖止。鎖止桿的關(guān)閉采取延遲鎖定、由前隔離墩鎖定后隔離墩的控制方案。

如圖3所示，由于前隔離墩先于后隔離墩運動，如果前隔離墩的兩個傳感器檢測到移動信號之后，前隔離墩上的鎖止桿會立即打開，然后開始移動；當(dāng)前隔離墩的傳感器接受到停止信號后，鎖止桿會緩慢地放下，由于做跟隨運動，此時后隔離墩會繼續(xù)移動直到傳感器監(jiān)測到停車信號，由于兩個隔離墩的運動間隔時間較短，并且設(shè)定控制鎖止桿關(guān)閉時的電機轉(zhuǎn)速在合理范圍內(nèi)，以保證后隔離墩停止運動后鎖止桿才開始進入鎖止槽。

3.3 開發(fā)環(huán)境簡介

裝置的實驗室模型如圖4所示，裝置采用Arduino單片機作為控制機構(gòu)，其核心是ATmega328，它具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕。它的開發(fā)環(huán)境使用Arduino IDE界面直接書寫控制代碼。可在Windows/IOS等諸多環(huán)境中運行，使用非常方便。本次設(shè)計中，接受傳感器信號和控制電機的程序如圖5所示。

4 結(jié)語

“一種潮汐車道自走位劃分車道寬度的隔離墩控制方法”能夠使用Arduino單片機輕松實現(xiàn)，且控制代碼編寫簡潔，易于維護，經(jīng)實物檢測移動效果良好。

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