一種基于現有車輛限位系統的智能改造設計1

羅文祥 黃遠翔 鐘利明 彭建興 盧 堯

（貴州師范大學機械與電氣工程學院，貴州省貴陽市 550000）

0 引言

我國為防止大型運輸車輛進入市區影響正常交通秩序，在一些特殊地段、道路會根據《中華人民共和國公路法》設置車輛限位裝置[1]，但車輛限位裝置的設置引起了許多可避免的交通事故，造成了不必要的人員傷亡和財產損失。

近年來，我國各地多次出現消防車、救護車無法通過限位裝置而沒能及時進行救援，造成人員傷亡和財產損失。為了加強道路安全，提高限位裝置的可行性，目前有許多對傳統限位裝置的改進設計。在陳卓團隊的《基于道路限高桿的設計要點與應用》[2]中，設計了一種可根據安裝地點和不同時間段進行高度調整的限高桿，可以更加合理地對大型車輛進行攔截，但該設計中的限高桿是非自動的，需要人工進行高度調節。此外，在史菲帆團隊的《智能限高系統級限高架設計》[3]中，設計了一款基于超聲波測距、樹莓派OpenCV車牌識別的智能限高系統，可對來往車輛進行高度測量，若車輛超高，限高桿發出警報、升高讓其通行，并且記錄超高車輛車牌，進行違規處理。該設計可以有效地防止車輛與限高桿發生碰撞，并且可以很好得對違規車輛進行記錄，但是運用的超聲波測距模塊方向性差、發散角度大、分辨率低，可能會誤將鄰車道的車輛或路邊的物體作為測量目標，發生誤判斷；所運用的樹莓派是一種核心數據閉源的嵌入式開發板，無法用于硬件的開發；并且OpenCV進行圖像處理后所得車牌信息進行模板匹配的準確率不足。對現有的限位裝置的改進設計的學習總結，我們采用基于卷積神經網絡[4]的車牌識別，設計了一種針對救援車輛可正常通行的限位裝置，可以提高對車牌識別的準確率，實現自動化。

此外，近年來全國各地多次發生在夜間或天氣惡劣情況下，司機沒注意限位裝置而發生交通事故。為避免車輛與限位裝置碰撞事故發生，目前有許多限位裝置添加了防撞警報裝置，而大多數的裝置是基于超聲波測距[5]、紅外線測距[6]，對來往車輛進行距離、高度測量，可以對部分超高車輛進行警示，但這些技術仍然存在有較大弊端。為提高車輛測量的精確度，我們采用了調頻連續波雷達測距[7]方式，能更加準確地對來往車輛進行距離實時監測。在夜間或雨天、霧天等惡劣天氣及駕駛員疲勞的情況下，動態測量前方車輛相對距離和速度等信息，在危及安全的情況下向駕駛員發出聲光警報，提醒駕駛員注意限高裝置。

1 車輛限位系統的結構設計

本作品的設計模型如圖1所示，主要分為三個部分，分別為限高桿1、限高桿側柱2、裝夾柱3。其中齒輪傳動機構帶動限高桿側柱運動，裝夾柱由外殼和載板組成[8]。

圖1 智能限位系統3D模型圖

1.1 限高桿

限高桿與限高桿側柱連接，是限位裝置中用于限制超高車輛通行的結構。

1.2 限高桿側柱

限高桿側柱是限位裝置中重要的傳動裝置，由長直條4與直齒條5結合構成，直齒條與齒輪傳動機構相連；電機6與齒輪7相契合，齒輪與直齒條相契合，達到電機帶動齒輪轉動，齒輪帶動直齒條縱向運動，從而使限高桿上升或下降，如圖2所示。

圖2 限高桿側柱及傳動裝置

1.3 裝夾柱

裝夾柱由外殼8和載板9組成，外殼8采用立體棱柱式結構，內部設有槽口安裝限高桿側柱，限制其空間上的運動；直齒條無法脫離裝夾柱，這樣設計是為了讓限高桿側柱與外殼達到封閉最大化，可以有效地防止道路上的粉塵、石子掉入內部；載板9用于固定電動機，設有接線孔，便于接線，如圖3所示。

圖3 裝卡柱內部機構

2 車牌識別的設計

2.1 現有車牌識別方式比較

現有車牌識別方式：基于傳統OpenCV的車牌識別、基于MATLAB的車牌識別等，經資料查詢及數據分析，我們采用了基于卷積神經網絡LeNet-5[9]的車牌識別。卷積神經網絡類似于生物神經網絡的權值共享結構，可產生生物視覺中局部感受野效應，降低網絡的模型復雜度、減少了權值數量，對圖像平移、比例縮放等具有不變性，可減少由于車輛角度、外形造成的影響。相比于其他識別方式，該技術不僅可以提升對車牌的識別率，還可以縮短識別時間，如圖4所示。

圖4 基于卷積神經網絡LeNet-5的車牌識別

2.2 車牌識別的工作流程設計

我們先提取限位裝置所在地區的醫院、消防站等救援車輛車牌信息，并提前錄入系統，作為匹配模板。當來往車輛靠近限位裝置時，攝像頭會對車輛的車牌進行捕捉，提取出車牌字符再與數據集中數據進行比對，輸出相應車牌信息，再將車牌信息與系統提取錄入的車牌模板進行匹配，若匹配成功限高桿則會升高，車輛即可通行，反之車輛不可通行。工作流程如圖5所示。

圖5 限位裝置車牌識別工作流程

3 防撞報警裝置的設計

3.1 現有測量方式比較

現有測距方式有超聲波測距、紅外線測距、調頻連續波雷達測距等，通過查詢資料，調頻連續波測距方式相對于其他三種方式更具優越性，測量距離更遠，并且能在惡劣天氣條件下工作，有較高的穩定性，因此我們采用調頻連續波測距方式。

3.2 調頻連續波雷達（FMCW雷達）的原理與防撞報警裝置的設計

FMCW雷達的基本原理是通過輸入模塊發送端發射周期性的頻率調制信號，然后對反射回來的信號進行處理，得到所需要的距離和速度等數據[10][11]。利用該原理，我們設計了防撞報警裝置，在夜間及惡劣環境下啟動，FMCW雷達對來往車輛進行距離與車輛高度的測量，待來往車輛靠近至一定距離時，報警裝置會亮警示燈，讓司機注意限位裝置。若車輛高度超過安全高度，裝置會發出警報，提醒司機超高無法通過。

4 技術特點與優勢

4.1 特點

運用了車牌識別的限位系統，能夠自主的對來往車輛進行車牌信息的提取和比對，不僅實現了對大型車輛的限制，還可以使消防車、救護車等特殊車輛正常通行。防撞報警裝置能夠在夜間及惡劣環境下提醒經過車輛此處設有車輛限位裝置，降低事故發生的可能性。

4.2 優勢

a、在傳統的限位裝置的基礎上，我們的設計使限位裝置具有自主的車牌識別能力，能夠識別車輛車牌，并且能夠對限位桿的高度進行自動調整，讓指定的特殊救援車輛通行；

b、相比于基于傳統OpenCV的車牌識別，我們采用的基于卷積神經網絡的車牌識別不僅可以提升識別的準確率，還可以縮短識別時間，為大型救援車輛的通行提供顯著幫助；

c、相比于現有的大部分限位裝置，我們的設計增加了基于FMCW雷達的防撞報警裝置，增加了超高提醒功能，在夜間及惡劣環境下能更加有效地提醒司機注意限位裝置。

5 結束語

本文對現有車輛限位系統的進行了智能設計改造，通過車牌識別、FMCW雷達檢測、限高桿自動化調整等技術，完成對大型車輛的限位，又不會影響特殊車輛的通行。車牌識別設備可對消防車、救護車等指定車輛的車牌信息進行提取、識別，然后控制限高桿調整高度，特殊車輛即可正常通行，待其通過后，限高限寬裝置恢復原狀。此外，增加的防撞報警裝置，能夠在夜晚及惡劣天氣對通過的車輛起到提醒作用，增加安全度。該設計相比于傳統的限位裝置更加能體現出“以人為本”的思想，體現對廣大群眾生命安全的重視。