一種基于現(xiàn)有車輛限位系統(tǒng)的智能改造設(shè)計1

羅文祥 黃遠翔 鐘利明 彭建興 盧 堯

（貴州師范大學(xué)機械與電氣工程學(xué)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(qū)影響正常交通秩序，在一些特殊地段、道路會根據(jù)《中華人民共和國公路法》設(shè)置車輛限位裝置[1]，但車輛限位裝置的設(shè)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(chǎn)損失。

近年來，我國各地多次出現(xiàn)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(chǎn)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(tǒng)限位裝置的改進設(shè)計。在陳卓團隊的《基于道路限高桿的設(shè)計要點與應(yīng)用》[2]中，設(shè)計了一種可根據(jù)安裝地點和不同時間段進行高度調(diào)整的限高桿，可以更加合理地對大型車輛進行攔截，但該設(shè)計中的限高桿是非自動的，需要人工進行高度調(diào)節(jié)。此外，在史菲帆團隊的《智能限高系統(tǒng)級限高架設(shè)計》[3]中，設(shè)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(tǒng)，可對來往車輛進行高度測量，若車輛超高，限高桿發(fā)出警報、升高讓其通行，并且記錄超高車輛車牌，進行違規(guī)處理。該設(shè)計可以有效地防止車輛與限高桿發(fā)生碰撞，并且可以很好得對違規(guī)車輛進行記錄，但是運用的超聲波測距模塊方向性差、發(fā)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(biāo)，發(fā)生誤判斷；所運用的樹莓派是一種核心數(shù)據(jù)閉源的嵌入式開發(fā)板，無法用于硬件的開發(fā)；并且OpenCV進行圖像處理后所得車牌信息進行模板匹配的準(zhǔn)確率不足。對現(xiàn)有的限位裝置的改進設(shè)計的學(xué)習(xí)總結(jié)，我們采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]的車牌識別，設(shè)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(zhǔn)確率，實現(xiàn)自動化。

此外，近年來全國各地多次發(fā)生在夜間或天氣惡劣情況下，司機沒注意限位裝置而發(fā)生交通事故。為避免車輛與限位裝置碰撞事故發(fā)生，目前有許多限位裝置添加了防撞警報裝置，而大多數(shù)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(shù)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(diào)頻連續(xù)波雷達測距[7]方式，能更加準(zhǔn)確地對來往車輛進行距離實時監(jiān)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(tài)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(fā)出聲光警報，提醒駕駛員注意限高裝置。

1 車輛限位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本作品的設(shè)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(cè)柱2、裝夾柱3。其中齒輪傳動機構(gòu)帶動限高桿側(cè)柱運動，裝夾柱由外殼和載板組成[8]。

圖1 智能限位系統(tǒng)3D模型圖

1.1 限高桿

限高桿與限高桿側(cè)柱連接，是限位裝置中用于限制超高車輛通行的結(jié)構(gòu)。

1.2 限高桿側(cè)柱

限高桿側(cè)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(jié)合構(gòu)成，直齒條與齒輪傳動機構(gòu)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(zhuǎn)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(cè)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(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有槽口安裝限高桿側(cè)柱，限制其空間上的運動；直齒條無法脫離裝夾柱，這樣設(shè)計是為了讓限高桿側(cè)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(nèi)部；載板9用于固定電動機，設(shè)有接線孔，便于接線，如圖3所示。

圖3 裝卡柱內(nèi)部機構(gòu)

2 車牌識別的設(shè)計

2.1 現(xiàn)有車牌識別方式比較

現(xiàn)有車牌識別方式：基于傳統(tǒng)OpenCV的車牌識別、基于MATLAB的車牌識別等，經(jīng)資料查詢及數(shù)據(jù)分析，我們采用了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LeNet-5[9]的車牌識別。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值共享結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生生物視覺中局部感受野效應(yīng)，降低網(wǎng)絡(luò)的模型復(fù)雜度、減少了權(quán)值數(shù)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(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)LeNet-5的車牌識別

2.2 車牌識別的工作流程設(shè)計

我們先提取限位裝置所在地區(qū)的醫(yī)院、消防站等救援車輛車牌信息，并提前錄入系統(tǒng)，作為匹配模板。當(dāng)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(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)進行比對，輸出相應(yīng)車牌信息，再將車牌信息與系統(tǒng)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(shè)計

3.1 現(xiàn)有測量方式比較

現(xiàn)有測距方式有超聲波測距、紅外線測距、調(diào)頻連續(xù)波雷達測距等，通過查詢資料，調(diào)頻連續(xù)波測距方式相對于其他三種方式更具優(yōu)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(wěn)定性，因此我們采用調(diào)頻連續(xù)波測距方式。

3.2 調(diào)頻連續(xù)波雷達（FMCW雷達）的原理與防撞報警裝置的設(shè)計

FMCW雷達的基本原理是通過輸入模塊發(fā)送端發(fā)射周期性的頻率調(diào)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(shù)據(jù)[10][11]。利用該原理，我們設(shè)計了防撞報警裝置，在夜間及惡劣環(huán)境下啟動，F(xiàn)MCW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(fā)出警報，提醒司機超高無法通過。

4 技術(shù)特點與優(yōu)勢

4.1 特點

運用了車牌識別的限位系統(tǒng)，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(xiàn)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(huán)境下提醒經(jīng)過車輛此處設(shè)有車輛限位裝置，降低事故發(fā)生的可能性。

4.2 優(yōu)勢

a、在傳統(tǒng)的限位裝置的基礎(chǔ)上，我們的設(shè)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?qū)ο尬粭U的高度進行自動調(diào)整，讓指定的特殊救援車輛通行；

b、相比于基于傳統(tǒng)OpenCV的車牌識別，我們采用的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車牌識別不僅可以提升識別的準(zhǔn)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(xiàn)有的大部分限位裝置，我們的設(shè)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(huán)境下能更加有效地提醒司機注意限位裝置。

5 結(jié)束語

本文對現(xiàn)有車輛限位系統(tǒng)的進行了智能設(shè)計改造，通過車牌識別、FMCW雷達檢測、限高桿自動化調(diào)整等技術(shù)，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(shè)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(diào)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(fù)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(shè)計相比于傳統(tǒng)的限位裝置更加能體現(xiàn)出“以人為本”的思想，體現(xiàn)對廣大群眾生命安全的重視。