汽車場(chǎng)地教考智能監(jiān)控系統(tǒng)的研制

李紅濤

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015)

1 項(xiàng)目背景

公安部七十一號(hào)令的規(guī)定，汽車駕駛?cè)丝荚嚳颇糠譃榈缆方煌ò踩伞⒎ㄒ?guī)和相關(guān)知識(shí)考試科目(“科目一”)、場(chǎng)地駕駛技能考試科目(“科目二”)和道路駕駛技能考試科目(“科目三”)。傳統(tǒng)的科目二考試采用人工方法判別考試結(jié)果，由于監(jiān)考人員主觀因素的參與，使得考試結(jié)果的公平性、精確性和嚴(yán)謹(jǐn)程度都大打折扣。

現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)自動(dòng)化和機(jī)電一體化的普及應(yīng)用，使得場(chǎng)地考試結(jié)果自動(dòng)化判別成為可能，正是基于這種背景之下，湖南省交通科學(xué)研究院展開(kāi)了汽車場(chǎng)地教考智能監(jiān)控系統(tǒng)的研制。

2 模型建立

場(chǎng)地駕駛技能考試的場(chǎng)地布置如圖1所示，根據(jù)考試車型的不同，車庫(kù)的大小和邊線的位置可根據(jù)相關(guān)規(guī)定由汽車的長(zhǎng)和寬計(jì)算得到。

汽車場(chǎng)地駕駛技能考試的流程為:考生駕駛汽車從起始位置倒車，進(jìn)入車庫(kù)二，移庫(kù)進(jìn)入車庫(kù)一，然后從車庫(kù)一將車行駛至起始位置的對(duì)側(cè)，停穩(wěn)后再次倒車進(jìn)入車庫(kù)一，倒車完成后最終將車輛行駛至起始位置，完成一次考試流程。整個(gè)考試過(guò)程中不允許因考生誤操作導(dǎo)致車輛熄火，不允許車輛違規(guī)觸碰車庫(kù)邊線，不允許車輛觸碰任何一個(gè)樁桿，不允許在倒車和前進(jìn)過(guò)程中兩次以上停車，否則視為考試不及格。

圖1 汽車場(chǎng)地駕駛考試場(chǎng)地布置圖

從考試流程的要求可以找到判斷考試結(jié)果的四個(gè)關(guān)鍵信息:

1)車輛的行駛狀態(tài):前進(jìn)、后退和停車;

2)車庫(kù)邊線的狀態(tài):車輛行駛過(guò)程中是否違規(guī)觸及到車庫(kù)邊線;

3)樁桿的狀態(tài):車輛行駛過(guò)程中是否碰撞到任何樁桿;

4)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài):正常運(yùn)轉(zhuǎn)和熄火。

下面將詳細(xì)介紹系統(tǒng)是如何監(jiān)控這幾種狀態(tài)的:

首先，在汽車輪胎上安裝車輪傳感器監(jiān)控汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。汽車行駛過(guò)程中帶動(dòng)車輪傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向不同，判斷車輛的前進(jìn)、后退和停止的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)研發(fā)的初期，采用的是發(fā)電機(jī)式的車輪傳感器，這種較為經(jīng)濟(jì)型的傳感器在測(cè)試的階段能夠滿足系統(tǒng)的需求，但在實(shí)際使用的過(guò)程中卻出現(xiàn)了種種的小問(wèn)題，比如:倒車車速較低時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判斷為倒車狀態(tài)，汽車起步瞬間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷不穩(wěn)定等，影響了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。為了準(zhǔn)確判斷汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)這個(gè)對(duì)本系統(tǒng)最為關(guān)鍵的參數(shù)，采用了更為先進(jìn)的光電式輪軸編碼器作為車輪傳感器，它可在低速狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，消除了汽車低速行駛時(shí)狀態(tài)不穩(wěn)定的干擾。光電式輪軸編碼器隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生二進(jìn)制編碼，安裝在汽車上的車載控制器接收編碼進(jìn)行計(jì)數(shù)，能夠精確計(jì)算得到汽車前進(jìn)或者后退的距離，距離達(dá)不到一定要求的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，視為不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在車載控制器的單片機(jī)軟件中對(duì)不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行消除，最終能夠精確的對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷。

其次是車庫(kù)的邊線狀態(tài)，它是判斷車輛在場(chǎng)地位置的重要信息。車庫(kù)的邊線狀態(tài)判斷較為簡(jiǎn)單，系統(tǒng)采用的是對(duì)射式紅外開(kāi)關(guān)來(lái)模擬車庫(kù)的邊線，邊線的一端安裝紅外線發(fā)射器，另一端安裝紅外線接收器，單個(gè)考試場(chǎng)地采用六對(duì)紅外開(kāi)關(guān)勾勒出車庫(kù)的六條對(duì)應(yīng)邊線。根據(jù)車輛是否遮擋來(lái)自紅外線發(fā)射器發(fā)出的光線，在紅外接收器的輸出信號(hào)觸點(diǎn)可以采集到不同的電壓狀態(tài)。本系統(tǒng)根據(jù)采集到的信號(hào)，判斷車輛位置。由于紅外線屬于不可見(jiàn)光，肉眼不方便直接觀察，所以在紅外接收器的一端，加裝高亮度紅色LED指示燈，方便安裝調(diào)試人員判斷當(dāng)前紅外線發(fā)射器是對(duì)準(zhǔn)正接收器，如LED燈常亮，說(shuō)明已經(jīng)對(duì)準(zhǔn);否則需要繼續(xù)校正對(duì)準(zhǔn)。

接下來(lái)說(shuō)明的是樁桿的狀態(tài)。檢測(cè)樁桿狀態(tài)的樁桿傳感器由強(qiáng)磁鐵和磁敏開(kāi)關(guān)兩部分組成，強(qiáng)磁鐵固定于場(chǎng)地水泥地面，略突出地表。磁敏開(kāi)關(guān)選用普通的開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器，安裝于樁桿底部，當(dāng)樁桿處于復(fù)位位置時(shí)，霍爾傳感器處于磁場(chǎng)內(nèi)，受磁場(chǎng)的作用，霍爾傳感器導(dǎo)通;反之，當(dāng)樁桿被撞遠(yuǎn)離磁鐵時(shí)，霍爾傳感器斷路。系統(tǒng)通過(guò)判斷樁桿傳感器的通斷狀態(tài)，判斷汽車是否在行駛過(guò)程中碰到樁桿。

最后一個(gè)需要的信息是發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通常都知道，發(fā)動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候會(huì)帶動(dòng)車上的發(fā)電機(jī)發(fā)電，供給全車電器的用電和電池充電，所以只需要檢測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出點(diǎn)的電壓就能夠正確判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。然而車載發(fā)電機(jī)直接輸出的電壓有較大的高頻不穩(wěn)定毛刺，所以需要在檢測(cè)觸點(diǎn)的前段加裝繼電器來(lái)消除干擾而得到所需要的正確信號(hào)。

通過(guò)上述各種傳感器采集到系統(tǒng)所需要的所有關(guān)鍵信息后，本項(xiàng)目建立了如圖2所示的系統(tǒng)模型。

圖2 汽車場(chǎng)地教考智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成圖

系統(tǒng)的大腦是監(jiān)控工作站，它是一臺(tái)安裝有場(chǎng)地教考監(jiān)控系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)，實(shí)際使用時(shí)由交警監(jiān)考員直接操作，可以發(fā)布考場(chǎng)指令、監(jiān)控考試過(guò)程、查詢考試成績(jī)和打印考試結(jié)果等，所有考試相關(guān)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可實(shí)時(shí)查詢。監(jiān)控工作站接收?qǐng)龅乜刂破魃蟼鞯臄?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

場(chǎng)地控制器收集場(chǎng)地內(nèi)紅外傳感器和樁桿傳感器的信息，與監(jiān)控工作站通過(guò)RS485數(shù)據(jù)口進(jìn)行通信，傳輸距離可達(dá)到1 km，能夠滿足實(shí)際場(chǎng)地的需求。場(chǎng)地控制器還通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞脚c車載控制器進(jìn)行通信，在系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)傳輸上傳下達(dá)的作用，是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。

車載控制器采集車輛運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，并將信息以無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給場(chǎng)地控制器。車載控制器是系統(tǒng)與考生之間的人機(jī)交互界面，內(nèi)置語(yǔ)音芯片和揚(yáng)聲器，提示考生開(kāi)始考試和播報(bào)考試結(jié)果。

在一次正常的考試過(guò)程中，考試準(zhǔn)備就緒后，交警監(jiān)考員通過(guò)監(jiān)控工作站向場(chǎng)地控制器發(fā)送開(kāi)始考試命令，場(chǎng)地控制器將開(kāi)始考試命令轉(zhuǎn)發(fā)給車載控制器，車載控制器用語(yǔ)音提示車內(nèi)考生開(kāi)始考試。

考生考試過(guò)程中，車載控制器收集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和車輪傳感器檢測(cè)得到的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以無(wú)線傳輸?shù)男问脚c場(chǎng)地控制器進(jìn)行信息交換。場(chǎng)地控制器收集檢測(cè)到的車庫(kù)邊線狀態(tài)和樁桿狀態(tài)，并將場(chǎng)地狀態(tài)與車輛狀態(tài)打包發(fā)送給監(jiān)控工作站，由監(jiān)控工作站對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷考試過(guò)程中是否出現(xiàn)違規(guī)情況或者正常完成考試，并將考試結(jié)果發(fā)送至車載控制器，打印考試成績(jī)，完成一次考試過(guò)程。

本系統(tǒng)應(yīng)用于駕校訓(xùn)練與考試過(guò)程類似，只是考生得到的語(yǔ)音提示為“開(kāi)始訓(xùn)練”，結(jié)果判斷與正常考試過(guò)程相同。

3 方案實(shí)施

系統(tǒng)通過(guò)模型的建立，提供了一套可行的汽車場(chǎng)地教考智能監(jiān)控系統(tǒng)方案。但是考慮到實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，考試場(chǎng)地有限，可能會(huì)有大車考場(chǎng)和小車考場(chǎng)嵌套使用的需求，本系統(tǒng)在場(chǎng)地控制中配置兩套單片機(jī)分別采集大車庫(kù)和小車庫(kù)的狀態(tài)信息。由于單片機(jī)的工作電壓與紅外傳感器和樁桿傳感器的信號(hào)電壓不同，通過(guò)反相緩沖器改變電壓使之匹配。這樣，場(chǎng)地控制器就能成功的采集到正確的場(chǎng)地狀態(tài)信息，然后通過(guò)板載的RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器將單片機(jī)采集的傳感器數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控工作站。

系統(tǒng)還需要考慮的一個(gè)問(wèn)題是，同一考試場(chǎng)地將會(huì)有多個(gè)車庫(kù)同時(shí)進(jìn)行考試，無(wú)線信號(hào)之間可能相互干擾。為了避免這種干擾，在同一考場(chǎng)不同車庫(kù)采用不同的無(wú)線頻率進(jìn)行信號(hào)傳輸，避免互相干擾。但是由于民用無(wú)線傳輸頻率相近，有可能會(huì)接收到相鄰頻率發(fā)送的信號(hào)，為了完全杜絕互相干擾的情況，對(duì)所有車載控制器進(jìn)行編號(hào)，場(chǎng)地控制器將收到對(duì)應(yīng)的車載控制器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證后才將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，避免了不同車庫(kù)相鄰頻率的干擾。

另外，考慮到考試的嚴(yán)謹(jǐn)性，任何一個(gè)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致誤判考試結(jié)果，直接影響考試的公平公正，所以還需要對(duì)所有傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果不符的數(shù)據(jù)視為無(wú)效數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用的是串行通信中常用的CRC校驗(yàn)，經(jīng)校驗(yàn)后被系統(tǒng)接受的數(shù)據(jù)都是真實(shí)有效的數(shù)據(jù)信息。

考慮了以上幾點(diǎn)因素的汽車場(chǎng)地教考智能監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)成為一套完整的方案。經(jīng)過(guò)在長(zhǎng)沙、株洲、湘潭和益陽(yáng)等地的實(shí)際應(yīng)用證明，是一套經(jīng)濟(jì)、高效并且可靠的系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車場(chǎng)地教考智能監(jiān)控系統(tǒng)是一套較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，但它的開(kāi)發(fā)具有典型的意義，是一套典型的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化應(yīng)用案例，運(yùn)用到了最新的計(jì)算機(jī)編程、機(jī)電一體化和嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)。它所采用的傳感器信息采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等，是當(dāng)前機(jī)電自動(dòng)化系統(tǒng)普遍采用的產(chǎn)品研發(fā)模式。

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