一種嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置的設(shè)計(jì)

胡春梅, 明 揚(yáng)

(南昌航空大學(xué), 南昌 330063)

0 引言

隨著機(jī)動車量的急劇增加,交通事故屢屢發(fā)生導(dǎo)致交通問題越來越嚴(yán)峻. 據(jù)有關(guān)部門數(shù)據(jù)顯示,因交通事故引發(fā)的死亡人數(shù),我國多年居全球第一[1],這給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失. 其中交通違章行為是導(dǎo)致交通事故頻發(fā)的主要原因之一,因此,如何治理交通違章行為已引起了社會各界的廣泛關(guān)注. 車輛的違章行為主要包括位置違章、路線違章和速度違章. 其中,路線違章行為又稱為越線違章行為,通常是指車輛違規(guī)跨越不同車道線,如違章掉頭、變道時跨越實(shí)線等. 在實(shí)際交通場景中,這類違規(guī)行為不僅常見而且不易被發(fā)現(xiàn),而且由于路況繁雜,車速較高等原因,此類行為很容易導(dǎo)致交通意外,如車輛相撞、刮蹭、追尾等事故,并對安全造成更大威脅[2]. 因此,治理這類車輛違規(guī)行為既是難點(diǎn),也是重點(diǎn).

近年來,為解決越線違章問題,我國對車輛越線行為的檢測進(jìn)行了眾多研究. 傳統(tǒng)的手段大多是在特定路段安裝固定攝像頭進(jìn)行拍攝,然后利用識別算法檢測車輛的越線違章行為,常用的識別算法有車輛中心檢測法[3]、線邊緣結(jié)構(gòu)檢測法[4]、灰度掃描法和一種基于小波變化的越線檢測算法[5]. 熊金艷[6]運(yùn)用算法預(yù)測跟蹤車輛運(yùn)動軌跡,結(jié)合車輛中心檢測法與黃線的位置關(guān)系,再判斷越線行為是否發(fā)生. 李江[7]提出了基于區(qū)域生長的關(guān)鍵點(diǎn)提取和基于HSI顏色模型的自適應(yīng)閾值監(jiān)測方法,結(jié)合實(shí)際中的車輛越界監(jiān)測應(yīng)用,不需要對視頻中的車輛進(jìn)行跟蹤. 針對傳統(tǒng)固定式越線違章行為監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控范圍受限和容易被駕駛員故意躲避等問題,文獻(xiàn)[8-9]中圍繞車載視頻的車輛越線行為自動監(jiān)測技術(shù)開展來了相關(guān)研究,基于車載視頻的監(jiān)測技術(shù)較固定監(jiān)測系統(tǒng)適當(dāng)擴(kuò)大了監(jiān)測范圍. 但現(xiàn)有的越線行為監(jiān)測技術(shù)存在投入成本較高、機(jī)動性差、無法實(shí)現(xiàn)全路網(wǎng)覆蓋等問題. 除此之外,越線行為監(jiān)測技術(shù)只能判斷車輛是否發(fā)生越線違章行為,不能對違章駕駛員進(jìn)行及時的警示.

針對現(xiàn)有的越線行為監(jiān)測技術(shù)存在的問題,設(shè)計(jì)1種嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置,該裝置輕巧便攜、成本低廉、便于裝卸且適用于各種路段. 當(dāng)駕駛員發(fā)生越線違章行為時,該裝置可檢測到越線行為,并對越線車輛進(jìn)行及時的警示,使違章駕駛員第1時間發(fā)現(xiàn)自己的越線行為并及時調(diào)整規(guī)避危險. 推廣嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置,對治理城市越線違章行為和改善城市道路交通情況有一定的促進(jìn)作用.

1 裝置總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)對道路警示裝置現(xiàn)狀的研究,嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置能有效防止違規(guī)越線,并適用于各種路段. 該裝置將成為未來道路警示裝置的主流. 因此,本研究采用了創(chuàng)新性的方法,設(shè)計(jì)出 1種成本低廉且易于安裝的車輛越線警示裝置,將其嵌入于道路表面. 通過確保車輛始終“車成線”,可降低安全隱患和交通事故的發(fā)生率.

1.2 裝置整體結(jié)構(gòu)布局

嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置由結(jié)構(gòu)支撐骨架、外罩殼、儲能蓄電池、蜂鳴警示器、壓力應(yīng)變片傳感器、LED警示燈帶、光伏太陽能電池板和主控集成電路板組成,裝置組成如圖1所示. 結(jié)構(gòu)支撐骨架作為整個裝置的支撐結(jié)構(gòu),為裝置各模塊提供連接,承載來自道路車輛的荷載和沖擊力,內(nèi)部骨架由縱梁和數(shù)根橫梁、頭蓋板組成,使用高強(qiáng)度的金屬或合成材料. 外罩殼的作用是保護(hù)整個裝置,由透明材料制作,為光伏太陽能電池板吸收光源提供便利. 儲能蓄電池和光伏太陽能電池板一同為整個裝置的運(yùn)作提供電源,均設(shè)置在外罩殼體內(nèi)底部.

圖1 嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置組成

1.3 裝置工作原理

嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置的工作步驟為:①當(dāng)有車輛荷載施加于裝置上部時,薄膜式壓力傳感器檢測其壓力值;②主控電路板上的單片機(jī)通過讀取并處理壓力傳感器檢測到的壓力值,從而判斷后續(xù)的動作和響應(yīng);③當(dāng)?shù)缆飞嫌熊囕v出現(xiàn)壓線行駛行為時,該警示裝置會通過警示燈光、高頻蜂鳴以及震動的方式提醒駕駛員壓線行駛,一直到駕駛員行駛至正常車道內(nèi),該警示裝置才會停止響應(yīng).

裝置的基本工作原理為主控電路板上的單片機(jī)通過讀取并處理壓力傳感器檢測到的壓力值,從而判斷后續(xù)的動作和響應(yīng). 若壓力傳感器檢測到的壓力值達(dá)到預(yù)先設(shè)定的應(yīng)力閾值,單片機(jī)采集到這種信號后,控制相應(yīng)的IO接口,從而使控制LED燈帶和蜂鳴警示器的開關(guān)閉合,此時LED燈帶和蜂鳴警示器會同時啟動,一直到壓力傳感器檢測到的壓力值沒有達(dá)到閾值,LED燈帶和蜂鳴警示器才會停止工作.

2 裝置的主要組成模塊介紹

嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置的主要組成模塊包括信息采集模塊、控制器模塊、視覺與聽覺警示模塊和電源模塊. 信息采集模塊功能為采集道路上車輛越線行駛信息;控制器模塊功能為及時處理采集的信息;視覺與聽覺模塊功能為實(shí)現(xiàn)裝置的警示功能;電源模塊功能為提供電源給其他3個模塊. 裝置在使用時,最開始運(yùn)作的模塊即是信息采集模塊,接著是控制器模塊,最后是視覺與聽覺警示模塊,而電源模塊在裝置使用中一直處于運(yùn)作狀態(tài). 裝置使用時各模塊運(yùn)作過程如圖2所示.

1.信息采集模塊 2.控制器模塊 3.視覺與聽覺警示模塊 4.薄膜式壓力傳感器 5.主控電路板 6.單片機(jī) 7.蜂鳴警示器 8.LED警示燈帶 9.電源模塊 10.太陽能電池板 11.穩(wěn)壓模塊 12.儲能蓄電池

2.1 信息采集模塊

信息采集模塊主要是指壓力應(yīng)變傳感器,使用的是薄膜式壓力傳感器,主要由薄膜式應(yīng)變片、數(shù)模轉(zhuǎn)化器(AD芯片)組成. 其工作原理是:當(dāng)車輛碾壓裝置時,應(yīng)力會通過骨架結(jié)構(gòu)傳遞至應(yīng)變片上,對其造成壓力,壓力的改變會使其內(nèi)部的壓敏電阻的阻值發(fā)生改變,利用AD芯片,將阻值變化引起的分壓變化所形成的連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,發(fā)往主控電路板上單片機(jī)的數(shù)字IO口進(jìn)行讀取并處理.

2.2 視覺與聽覺警示模塊

視覺和聽覺警示模塊主要指LED警示燈帶和蜂鳴警示器,用于警示和提醒越線車輛駕駛員. LED警示燈帶是由紅色LED燈組成的,是1種低功耗,高效能,壽命長的發(fā)光源. 蜂鳴警示器使用的是高頻無源蜂鳴警示器,其在車輛碾壓警示裝置時將會發(fā)出具有區(qū)分度的高頻聲波.

2.3 電源模塊

電源模塊主要包括太陽能電池板、穩(wěn)壓模塊和儲能蓄電池. 其中太陽能電池板與穩(wěn)壓模塊連接,穩(wěn)壓模塊與儲能蓄電池連接. 電源模塊采用LM317加雙重濾波的方式,當(dāng)蓄電池電能不足時,太陽能電池板會使用光能進(jìn)行發(fā)電,經(jīng)電壓轉(zhuǎn)化模塊,過高的電壓會被降低至合適的電壓范圍,過低的電壓也會被提升至合適的電壓值域.

2.4 控制系統(tǒng)模塊

控制系統(tǒng)模塊一般指主控電路板,由主控芯片及其周邊電路、傳感器模塊、外接響應(yīng)警示模塊等組成. 該模塊是整個裝置的核心部分,主要作用為接收壓力傳感器的壓力信號并進(jìn)行處理,通過控制繼電器來操控響應(yīng)模塊的通斷,對從機(jī)和主機(jī)群進(jìn)行通訊以達(dá)到一發(fā)多響的目的. 主控電路板上設(shè)置有單片機(jī),選用的是TI公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)ATMEAG328,該單片機(jī)具有超低功耗、處理功能強(qiáng)大、內(nèi)部集成AD、開發(fā)容易等優(yōu)點(diǎn). 它的主要控制對象包括信息采集模塊和視覺與聽覺警示模塊.

3 裝置控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件裝置需通過軟件構(gòu)架實(shí)現(xiàn)其根本功能和特性,例如嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置的感應(yīng)警示功能均需通過軟件構(gòu)架實(shí)現(xiàn). 該裝置的軟件構(gòu)架是采用死循環(huán)查詢的方式,這種構(gòu)架是嵌入式計(jì)算機(jī)程序的常見解構(gòu)之一,與操作系統(tǒng)無關(guān). 當(dāng)裝置在道路設(shè)置好之后,單片機(jī)內(nèi)部程序開始執(zhí)行,不斷循環(huán)檢測壓力傳感器采集到的數(shù)據(jù),并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,與此同時,被碾壓到的裝置,會向前方與之相配對的從機(jī)群進(jìn)行通訊,并發(fā)送啟動信號,從機(jī)群接收到啟動信號后,也會如同被碾壓到的主機(jī)一樣,做出亮燈和鳴響的操作. 以此類推,當(dāng)車輛若繼續(xù)碾壓,操作仍然保持繼續(xù),直至車輛不再越線碾壓. 裝置程序系統(tǒng)流程如圖3所示.

圖3 裝置的程序系統(tǒng)流程

4 裝置樣機(jī)及可行性分析

根據(jù)裝置整體結(jié)構(gòu)布局和控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì),對該嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置相關(guān)零件進(jìn)行加工并組裝,裝置的實(shí)物圖如圖4所示.

圖4 嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置實(shí)物

4.1 技術(shù)可行性分析

該警示裝置以主控電路板上的單片機(jī)為核心,接收處理信息采集模塊的信息,進(jìn)而控制裝置的視覺與聽覺警示模塊. 借助于內(nèi)置太陽能光伏板驅(qū)動設(shè)備,保護(hù)環(huán)境;另外帶有儲能蓄電池,在綠色環(huán)保的同時供電可靠性也有所保障. 從裝置的運(yùn)用技術(shù)分析,該警示裝置的技術(shù)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了智能交通的思想,利用電子信息技術(shù)解決目前普遍存在且極具安全隱患的交通問題,符合當(dāng)前所推崇的智能交通的理念. 因此該裝置技術(shù)具有可行性.

4.2 操作可行性分析

該裝置既能在直線路段布置,也能在曲線路段布置,無需專業(yè)人員即可完成全面部署,在完成路段部署后,裝置可立即投入使用. 裝置在路段的部署只需在路面上開鑿出2個一定尺寸的方孔用于埋藏裝置下部結(jié)構(gòu),并使用螺栓固定. 從裝置路段布置分析,該裝置相較于傳統(tǒng)的警示裝置成本低廉且便于布置拆裝. 因此該裝置的操作具有可行性.

4.3 應(yīng)用效果可行性分析

1)車輛在行駛過程中,經(jīng)常無意識地發(fā)生壓線行為,其中某些壓線行為是嚴(yán)重的交通違法行為. 對本文設(shè)計(jì)的警示裝置進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)有車輛發(fā)生越線行為時,該裝置對越線車輛能進(jìn)行及時的警示,使違規(guī)駕駛員第1時間能看到警示信息,及時規(guī)避危險.

2)目前國內(nèi)對于道路行車壓線提示采取的措施主要是視頻采集壓線車輛或紅外感應(yīng)進(jìn)行提示及備案,其缺點(diǎn)是投入資金大,普及范圍不廣. 相比之下,該警示裝置投入資金小,整個裝置輕巧便攜,功能齊全,可應(yīng)用于各種路段.

5 結(jié)束語

1)根據(jù)設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)了嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置,分析了其工作原理. 對裝置的信息采集模塊、視覺與聽覺警示模塊等相關(guān)模塊進(jìn)行介紹分析,完成了嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置的設(shè)計(jì).

2)遵循生產(chǎn)質(zhì)量好、運(yùn)行質(zhì)量和性能好、有一定的安全保護(hù)措施、兼容性強(qiáng)的基本原則,對裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),并完成了裝置的主程序設(shè)計(jì).

3)通過對嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置的可操作性以及操作效果分析,結(jié)果表明:該裝置輕巧便攜、成本低廉、便于裝卸且適用于各種路段.

4)該裝置可檢測到越線行為,并對越線車輛進(jìn)行及時警示,使違章駕駛員第1時間發(fā)現(xiàn)自己的越線行為及時調(diào)整規(guī)避危險. 推廣嵌入于道路表面的車輛越線警示裝置,對治理城市越線違章行為和改善城市道路交通情況有一定的促進(jìn)作用.