（信号与信息处理专业论文）智能化高速道路防撞系统的研究.pdf

摘要 摘要 智能交通系统( i t s ) 是将先进的信息技术、数掘通讯传输技术、电子控制技术以 及计算机处理技术等有效地综合运用于整个交通管理体系，而建立起来的一种在大范围 内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的运输综合管理系统。经过二十多年的发展， 智能交通系统在美国、欧洲、日本等国家和地区发展极为迅速，已经取得了令人瞩目的 社会、经济效益。但在国内i t s 的发展尚处于初级阶段。 近年来，我国投入了大量资金用于交通基础设施的建设，交通基础设施一直呈现加 速发展的势头。我国经过近2 0 年的努力，高速公路建设已从无到有，取得丰硕成果。 尽管近年来高速公路发展迅速，但是日益频繁的交通事故仍然造成了众多的伤亡和巨额 的经济损失。如何减少或避免高速公路交通事故的发生，以及在事故发生后，对事故及 时地判断和快速处理是国内外智能交通运输的热点问题。 本文主要研究在高速道路或类似场合避免汽车追尾的一种防撞的智能化交通管制 系统。研究目的在于提供一种设施简单、造价低廉、容易实施的智能化高速道路防撞系 统。智能化高速道路防撞系统由基于数字标尺方案的高速道路防撞系统和基于g p r s 的 无线数据传输系统两部分组成。该系统在津蓟高速公路天津段进行了一公里的实地的单 车道单向单车、双车路面实验，实验效果良好，但仍有需要改进优化的地方。 本文论述了上述两部分系统方案的设计思想，分析了方案所涉及的理论问题，对于 硬件电路的设计和软件的编制作了详细的说明。在论文的最后一部分阐述了基于离散余 弦变换的频率域车道识别算法。 关键词：智能交通系统防撞系统数字标尺g p r s 离散余弦变换 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) i sak i n do fs y s t e m sb ec o m b i n e dw i t ht h e a d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ,i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , d a t a c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ， a u t o c o n t r o la n ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ea n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e t c ，i th a sb e e na p p l i e di n t r a f f i c - t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，h e l p st oe s t a b l i s haw i d e - e x t e n t ，w h o l e d i r e c t i o n ， a c c u r a t e ，p u n c t u a l ，e f f i c i e n tt r a f f i c t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m o v e rt h ep a s tt w o d e c a d e s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mh a se x p e r i e n c e dr a p i dd e v e l o p m e n ti nt h eu n i t e d s t a t e s ，e u r o p e a nc o u n t r i e sa n dj a p a n ，a c h i e v i n gs i g n i f i c a n te c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s n e v e r t h e l e s s ，d e v e l o p m e n to fi t s i ss t i l la tap r e l i m i n a r ys t a g ei nc h i n a i nr e c e n ty e a r s ，c h i n ah a si n v e s t e dal a r g ea m o u n to fm o n e yf o rt h ec o n s t r u c t i o no f t r a n s p o r t a t i o ni n f r a s t r u c t u r e t h e r eh a sb e e na c c e l e r a t e dd e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o n i n f r a s t m c t a r e a f t e rn e a r l y2 0y e a r so fe f f o r t s ，c h i n a se x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o nh a ss t a r t e d f r o ms c r a t c ha n dh a sy i e l d e df r u i t f u lr e s u l t s d e s p i t et h er a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s ， t h ei n c r e a s i n g l y 仃e q u e n tt r a f f i ca c c i d e n t sa r es t i l lc a u s i n gal a r g en u m b e ro fc a s u a l t i e sa n d h u g ee c o n o m i cl o s s e s h o wt or e d u c eo ra v o i dt r a f f i ca c c i d e n t so ne x p r e s s w a y sa sw e l la s m a k er a p i dj u d g m e n ta n dq u i c kr e s p o n s ea f t e rt r a f f i ca c c i d e n t sh a p p e n e dh a v e b e e nh o tt o p i c s i nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e ra i m sa tt h er e s e a r c ho fr e a r e n dc o l l i s i o na l a r ms y s t e mb a s e do ni t s t h e p u r p o s ei st op r o v i d eas i m p l ea n di n e x p e n s i v ea n t i c o l l i s i o ns y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t so f t w o p a r t s ：t h ea n t i - c o l l i s i o ns y s t e mb a s e do nd i 罾t a ls c a l e ，t h ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e d o ng p r s w eu s e dt h i ss y s t e mi nj i n j ie x p r e s s w a yf o ro n em i l ea n da c h i e v e dg o o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s b u tw e s t i l ln e e dt oi m p r o v et h el o c a lo p t i m i z a t i o n t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ea b o v et w os y s t e m s , a n a l y s e st h et h e o r y p r o b l e m si n v o l v e di no u rd e s i g n h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nf o rt h ee s t a b l i s h m e n ta r e d e s c r i b e di nd e t a i l t h el a n er e c o g n i t i o na l g o r i t h mo ft h e 打e q u e n c yd o m a i nb a s e do nt h e d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r mi sd e s c r i b e di nt h el a s tp a r t k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m a n t i - c o l l i s i o ns y s t e m d i g i t a ls c a l e g p r sd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗堡兰盘至 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：走事疋 签字日期： z w 7 年 月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗堡兰盘堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权墨盗堡兰盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以 供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文 件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：莲生军艮 导师签名： ，、一1 、 勿锄 签字日期：w 7 年 月 。日 签字日期：z 叩年月，日 第一章绪沦 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于天津理工大学徐宝强教授主持的天津市科委重大基金资助项目智能 化高速道路交通管制系统，项目编号为：0 3 3 1 8 3 2 1 1 。本文主要研究在高速道路或类 似场合避免汽车追尾的一种防撞的智能化交通管制系统。研究目的在于提供一种技术、 设施简单，造价低廉，适合我国国情，容易实施的智能化高速道路汽车防撞的智能化交 通管制系统，减少高速公路事故发生，保障生命财产安全，实现全程实时监控，节省资 源。 1 2 智能化高速道路防撞系统研究的背景及意义 随着城市化的进展和汽车的普及，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化。 交通问题不仅在发展中国家，就是在发达国家也是令人困扰的严重问题。解决交通拥挤 的直接办法是提高路网的通行能力。但可供修建道路的空间有限，建设资金筹措困难， 此外，能源和环境问题也日益为人们所重视。在这种背景下，从系统的观点出发，把车 辆和道路综合起来考虑，运用各种高技术解决交通问题的思想就应运而生了，这就是智 能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称i t s ) 。智能交通系统( i t s ) 是将 先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地综合 运用于整个交通管理体系，而建立起来的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、 准确、高效的运输综合管理系统。 i t s 系统的功能包括以下几个主要方面：信息提供、安全服务、计收使用费和减少交 通堵塞等。系统向道路管理者和用户提供的主要是道路交通情况的实时信息及相关的其 它信息，如天气等；而安全服务的内容则有危险警告、人车事故预防、行车辅助等，它 们通过不同的方式来帮助减少交通事故；费用收取主要是以电子方式自动地向用户收取 道路使用费或车辆停放费等。当然，系统还可以根据人们的需要提供更多的服务。 随着道路条件的改善，特别是高速公路的建设，要求对交通中的各项要素综合考虑。 2 0 世纪4 0 年代与5 0 年代的交通工程学研究已经开始注意人、车、路的相互影响问题。 但是，自5 0 年代“汽车化时期”以来，汽车数量的快速增长和道路的慢速建设，道路 堵塞、交通事故、环境污染、能源浪费的现象在世界范围内变得越来越严重。据美国运 输统计局的预测结果，到2 0 2 0 年，美国每天的交通事故将达到2 9 8 3 8 起，重大事故也 将达到1 8 5 起，由此造成的经济损失每年将超过1 5 0 0 亿美元。由于土地资源的严重制 约，道路建设不能无限扩展，高速路里程的增长速度仅为3 2 ，而私人车辆的旅行增 长速度为8 6 6 ，堵车拥挤的状况日益严重。而且据美国德克萨斯州运输研究所对美国 第一章绪论 3 9 个主要城市研究表明，每年冈交通拥挤造成损失约为4 1 0 亿美元，而且汽油大量的浪 费，汽车的废气排放量成倍增加，造成严重的环境污染。在h 本，交通拥挤平廿度也门趋 严重，东京高速道路堵塞严重的路段，拥挤时间长达7 小时，路长达9 3 7 k m 。每年闪交 通拥挤造成的时1 日j 损失折合约1 2 3 0 0 0 亿元。在英国，因交通拥挤导致的能源浪费每年 达1 0 亿英镑，而且未来3 0 年的政府预算将加倍，环境污染也将加剧。因此，从2 0 世 纪6 0 年代末开始，世界各国的交通工程师逐渐利用飞速发展的电子、信息、系统工程 等高科技手段来改变交通状况，将信息技术和交通系统结合起来研究交通四要素的时空 关系。因此，仅靠增加道路面积，提高路网的总体容量等传统的交通发展策略己经不能 满足交通需求。电子技术、通信技术、计算机技术和人工智能的发展为解决交通问题提 供了新的思路，即不仅应该修建更多的交通基础设施，而且更应该采用现代信息技术来 对道路网络和城市交通进行更有效的控制和管理，以提高交通的机动性、安全性，最大 限度的发挥现有道路系统的交通效率，这就是人们通常所说的智能交通系统，也就是将 先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术及计算机处理技术等有效的集成运 用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、 高效的综合交通运输管理系统大约历经了2 0 余年的时间，相继在世界范围内建立了新 型交通系统，由此产生智能交通系统的概念，相应地一些试验系统和实际应用系统己经 在世界许多国家和地区取得了良好的经济和社会效益，可以说，s 是现代交通发展到 一定阶段必然出现的产物，也是国际交通发展的大趋势。 近年来，我国投入了大量资金用于交通基础设施的建设，交通基础设施一直呈现加 速发展的势头【l l 。我国经过近2 0 年的努力，高速公路建设已从无到有，取得丰硕成果。 据不完全统计，全国高速公路通车里程超过2 5 万公里。 尽管近年来高速公路发展迅速，但是日益频繁的交通事故仍然造成了众多的伤亡和 巨额的经济损失。我国由于人口众多，道路条件比较差，每年死亡数十万余人，直接经 济损失在几十亿多人民币，不包括赔偿费、事故处理费等，否则数字还要成倍增加。近 几年交通事故损失数据统计如表1 1 所示。 表1 1 近几年交通事故损失数据统计 t a b l e l 1t h el o s sd a t ao f t r a f f i cf o rr e c e n ty e a r s 年份1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 伽1 22 0 d 3 受理事故 3 0 4 2 1 73 4 6 1 2 94 1 2 8 6 07 7 3 1 3 76 6 7 5 0 r 7 死亡人数 7 3 8 6 17 8 0 6 7 8 3 5 2 9 1 0 9 3 8 11 0 4 3 7 2 受伤人数1 9 0 1 2 8 2 0 2 6 1 1 2 8 6 0 8 0 5 6 2 0 7 4 4 9 4 1 7 4 经济损失1 8 5 亿元 1 9 3 亿元 2 1 2 4 亿元3 3 2 3 亿元3 3 7 亿元 2 0 0 4 年，中国道路交通事故死亡人数达9 4 万人，居世界第一因驾驶员因素导致 的交通事故占总数的8 9 8 ，造成的死亡人数、受伤人数分别占到了总数的8 7 4 和 9 0 6 。2 0 0 5 年，全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 9 万人死亡，造成4 6 9 9 1 1 2 第一章绪论 人受伤，直接财产损失1 8 8 亿元。 此，如何减少或避免高速公路交通事故的发生，是国内外智能交通运输【2 j ( i t s ) 的焦点问题，也是本文重点讨论的问题。如果在形成发，t 事故的环境时，用一种装置去 提前给驾驶员一个警告信号，以引起驾驶员的警觉，这样就可大大地降低事故的发生率， 同时也大大减少经济损失，保障生命财产安全，获得经济效益的最大化l “。 1 3 高速公路汽车追尾事故分析 高速公路汽车交通事故中追尾事故占相当高的比例，而且是伤亡人数最多和经济损 失最大的，所以如何避免和减少追尾事故具有重要的社会意义。追尾事故的形成原因， 归根结底就是同一车道上相邻的两辆车相对距离过小，汽车在行驶速度较高的时候，一 旦出现意外情况，是根本来不及避让的。 两辆车相对距离和本车行驶速度之间的关系为 l 一1 ，t( 1 1 ) 式中：是行驶安全距离( 所) ，t 是行驶时问( s ) ，1 ，是行驶速度( m s ) ，且有 l f l + f 2 + f 3 ( 1 - 2 ) 其中，是司机反应距离( 历) ，厶= 司机反应时间x 即时车速，l 是刹车距离( m ) ， l 是两车间预留安全带距离( 埘) 。从式( 1 - 1 ) 可看出，安全距离与车辆行驶速度v 成 正比，也就是说，行驶速度v 越大，两车安全间距l 就应该越大；行驶车速v 越小，车 安全间距应该相应越小。表1 2 所示的是行车速度与安全距离之间的关系。还应指出， 安全距离也应该和汽车重量相联系。汽车重量越大，惯性越大，安全距离就需要更长。 高速公路的行车时速主要在踟1 2 0 o n h 之间，其中小型轿车的速度较快，大多在 1 2 0 k m h 左右，不但重量轻且制动性能好：而大型车辆速度主要在8 0 1 0 n h 左右，但重量 较大。因此根据表1 2 的数据，就可以将1 0 0 米为一个通用的安全距离标准，也就是 表1 2 速度与安全距离的关系 t a b l e l 2 t h er e l a t i o n s o f s p e e da n dd i s t a n c e 汽车行驶速度 司机2 5 秒反应距刹车距离f ，预留安全带安全距离 v 0 唧曲) 离f l ( m ) ( m ) 1 3 ( m ) l ( m ) 1 2 08 3 31 611 0 0 3 1 0 0 6 9 21 20 88 2 8 05 5 61 00 66 6 2 6 04 1 880 55 0 3 4 02 7 7 560 5 3 4 3 2 01 420 5l “ 1 071帖8 5 说当两车辆间距小于1 0 0 米时，应当采取措旌避让。这也符合交管局的相关规定要求。 3 第一章绪论 同时，这种追尾事故多数发生在天气状况不好、能见度较差的情况f 以及凌晨时段司机 疲劳驾驶阶段。如果采取一些措施存前后两车距离过近的时候，提示叫机一下，就可以 减少司机的反应时问，从而可以大大减少事故的发生。目前，围内外大多数汽车追尾预 警系统都是基于上述思想设计的。 1 4 国内外研究现状 二十世纪九十年代以来，智能交通系统在全世界范围内得到了前所未有的发展，其 广泛应用也越来越受到各方面的关注。智能交通系统的理论、方法和技术是多学科和系 统工程的结合，更是先进的信息处理技术、通信技术、计算机技术和自动控制技术的产 物。 在高速道路尤其是封闭性高速道路，其事故发生率高的主要是汽车追尾事故。分析 造成高速道路事故发生的主要原因是： 1 ) 客观条件的影响，如在雾、暴雨、风沙、雪等恶劣天气里，能见度极差，路面 湿滑，驾驶员无法看到前方的车辆或障碍物。 2 ) 主观条件，驾驶员注意力不集中。如驾驶员因长时间驾车而疲劳，以及凌晨驾 车的困倦，等等。 如果在形成发生事故的环境之前，用一种装置去提前给驾驶员一个警告信号，以引 起驾驶员的警觉，这样就可大大地降低事故的发生率。 美国、日本、德国等汽车工业发达国家对汽车防撞系统的研究非常重视，投入大量 人力、物力、财力研制开发该系统，由于此系统中最重要的因素之一是距离的识别，以 高准确度和最低的错误报警概率监视汽车前方的交通区域，因此相应提出了很多方案， 诸如超声波、微波、激光、红外、g p s 等技术，其中汽车防撞雷达系统已投入到产业化 之中。但国外的这些系统由于造价和施工等方面的原因不太适合我国使用。 国内外对高速道路汽车防撞技术进行了大量研究下面列举几种方案。 1 超声波测距防撞系统 超声波发射器不断发出信号，遇到障碍物( 汽车) 后反射回来，超声波接收器接 收到信号，测出发射信号的时间差，因为超声波的速度是已知的，所以距离就很容易 求出。日本研制成功了样机，但没有投入使用。超声波速度受风速和温度的影响较大， 因此超声波测高速行驶汽车间距有一定困难。 2 激光汽车防撞雷达 利用激光雷达测距技术1 3 】，可以制成防止追尾撞车的装置。测距精度很高，车道 分辨率很高，由于光波束很窄，扫描速度比较慢，必须采取特殊的技术措施，另外受 各种光源、天气的影响比较大，比如太阳光的影响。 3 微波汽车防撞雷达1 4 l 微波汽车防撞雷达是利用发射电磁波信号，当遇到前方障碍物( 汽车) 后反射回 来，接收装置可以收到回波信号，测得发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，微处理器 可以计算出两车之问距离，可输出报警信号或通过控制电路，伺服系统控制车速或刹 4 第一章绪论 车。微波汽车防撞雷达，各国已经有成熟技术，如德固不伦瑞克工业大学研制了样机 已试验成功，但推广起来存在一蝗问题，如波束较宽易受十扰、造价也偏高，如果 目标车的材料不是金属、反射信号会很弱，给测距带柬困难。 4 红外线汽车防撞系统方案1 5 j1 6 j 红外测距的工作原理也与上述测距方案相似。红外线在它的传播路上遇到物体就反 射回来，测量从发射时刻到反射光返回到发射点所经过的时间，便可计算出物体的距离。 同样该方案也存在缺点。比如受温度的影响比较大，对雾的穿透性不强等。 5 基于图像处理技术的追尾预警系统【7 l i s l 基于视觉传感器的汽车防撞系统是近年来的一个研究热点。j u nm i u r a 提出了一种 基于灰度域值判决的测量车距的方案，图像中汽车下方的路面区域灰度值通常最小，通 过对图像灰度直方图的分析，可以找到当前车正前方汽车的位置，再根据单目视觉测距 原理测得跟车距，从而进行追尾预警判断。该方案的缺点是受天气状况影响严重，如在 光照条件较差时就不能准确判断出前方车辆的位置，而且当前后两车距离较大时，难以 判断出前方车辆的位置，所以该方案不适用于高速公路汽车追尾预警系统。 6 利用g p s 卅、和其他传感器技术定位，也存在问题，g p s 技术主要是测距时间 过长，满足不了防撞的要求。 上面提到的各种汽车防撞系统均有着造价高，易受外围环境干扰，改造高速公路路 面或改造汽车的缺点，不适于中国的汽车情况和高速道路情况。因此，提出一种技术设 施简单、造价低廉、容易实施，适合中国国情的高速道路汽车防撞的智能化交通管制系 统是非常重要的。 未来的智能交通系统应该符合技术领先、功能强大、运行稳定、易于维护、可扩充 性强以及投资低廉的原则。国外目前的热点是自动驾驶，方案种类繁多。但是中国的高 速道路况复杂，不易于改造；其次车辆档次参差不齐，车上设备不宜昂贵，因此，中国 的智能交通系统应该是要完全符合中国国情的。 1 5 本文主要研究工作 本文主要研究在高速道路或类似场合避免汽车追尾的一种防撞的智能化交通管制 系统。研究目的在于提供一种技术设施简单、造价低廉、适合我国国情、容易实施的智 能化高速道路汽车防撞的智能化交通管制系统，减少高速公路事故发生，保障生命财产 安全，实现全局实时监控，节省资源。本文的内容安排如下： ( 1 ) 本章介绍课题的来源，国内外研究现状。 ( 2 ) 第二章介绍基于数字标尺方案的高速道路防撞系统的具体设计原理和实现方 案，包括系统的硬件电路设计和软件设计流程。 ( 3 ) 第三章介绍基于g p i 略方案的智能化高速道路交通管制系统。 ( 4 ) 第四章对车道识别傲了理论性的探讨1 1 0 1 1 1 1 】0 2 1 。 5 第一章基丁数字标尺方案的高速道路防撞系统 第二章基于数字标尺方案的高速道路防撞系统 智能化高速道路防撞系统由基于数字标尺方案的高速道路防撞系统和基于g p r s 的 无线数据传输系统两部分组成。本章对基于数字标尺方案的高速道路防撞系统做详细的 介绍，并阐述每个功能模块的设计思路以及对方案整体容量安全的预计、传输协议的设 计和提出了对无线收发模块的要求。 2 1 数字标尺方案系统设计思想 高速公路汽车行驶方向 隔离带 ? 备i 无线通信 吼通信霞信肾 图2 1 系统组成原理图 f i g 2 1t h es t n l c t u r eo ft h es y a e m 基于数字标尺方案的高速道路防撞系统组成原理框图如图2 1 所示。系统主要包括： 6 第r 二章基丁数字标尺方案的高速道路防撞系统 车载台、数字标尺和数据汇总节点三个部分。系统的设计思想如下： 沿高速公路定为x 方向，垂直高速公路方向定为y 方向，在x 方向隔一定距离( 1 0 0 m ) 设黄一个无线收发装置，称之为数字标尺，每一数字标尺设定唯一的地址码，并且覆盖 一定范围的区域。当汽车驶入高速公路时，车载台向数字标尺发出表示该车的身份证号 ( 称为i d ) 和行进方向等信息的信号，即进行位置登记的过程，由数字标尺确定汽车 在x 方向的坐标。同样，在该车正前方的车辆也向相应的数字标尺登记，数字标尺之| 日j 经过数据信号处理，测出相邻车辆的间距，判断车辆的安全等级，数字标尺再向汽车发 送结果。 车载台设有三个指示灯，如果车间距大于2 0 0 m ，车载台就显示绿灯，确认为安全 状态；如果间距在1 0 0 m 至2 0 0 m 之间时显示黄灯，表示应注意保持车距；如果车距小 于1 0 0 m ，就显示红灯并伴随发出声音报警，提醒司机车距过近，应采取紧急措施避让 ( 注：安全距离根据交管局的相关规定设定) 。 通常情况下，高速公路上只有行驶在同一车道的汽车有发生追尾的可能性，所以系 统首先判断汽车行驶在哪个车道上，即判断y 方向的坐标。数字标尺结合汽车在x 方向 和y 方向的坐标，就能对相邻车辆间距做出判断。车道识别是比较难解决的问题，国外 辨别车道，有的在道路上和车上安装感应装置，这要改建高速公路，对于我国国情不适 用。本系统拟定使用图像信号处理的方法识别车道1 8 】【1 3 j l l 4 】f 1 5 1 1 1 们。在车载台上安装c c d 摄像头，对摄像头采集的图像信息进行处理，判断出汽车所在车道，再把判断结果发给 数字标尺。这样，汽车追尾预警系统所能完成的功能就是判断汽车在高速公路上的纵向 相对位置( 前后相邻两车的距离) 和横向位置( 汽车所在的车道) 。 此外，该系统还能将车载台发出的位置登记等信息通过数字标尺转发给数据汇总节 点。如图2 1 所示，将数个数字标尺连接到一个数据汇总节点，把每个数字标尺上的位 置登记等信息通过数据汇总节点转发给数据中心，这样，控制中心就可以全程实时对每 一辆在高速道路上行驶的汽车跟踪监控。 高速公路是单向行驶道路，以上是汽车沿公路一侧行驶的情况，当汽车沿另一个方 向行驶时，情况是一样的。 2 2 系统通信容量的设计 本系统中汽车与数字标尺之间的通信是点对点的通信，当汽车驶入数字标尺天线的 有效覆盖区域时，数字标尺便会收到车载台发出的位置登记信息，数字标尺收到该信息 后做数据处理，再把指示信息发给汽车。车载台向数字标尺发信息的过程称为上行通信， 数字标尺向车载台发信息的过程称为下行通信。整个系统只使用一条上行信道和一条下 行信道，每个数字标尺的天线只能够覆盖其附近地区，原则上相邻数字标尺不能发生同 频干扰，也就是说相邻的两个数字标尺之间应该有一定范围的盲区1 1 7 1 。同样，车载台的 有效通信距离也应与数字标尺天线覆盖半径相符。这些可以通过控制无线收发装置的发 射功率和接收能力实现。因为整个系统只使用一条上行信道和一条下行信道，所以当有 多辆汽车位于同一个数字标尺的天线覆盖区域内时，就会发生通信冲突。这里使用类似 7 第二章基丁数字标尺方案的高速道路防撞系统 于时分复用的方法解决此问题。 车载台丌启后，每隔一定时间t 发出一次位詈登记信息，由于每个车载台开启的时 问不同，也就是说它们的时钟是不同的，所以只要处于同一个小区的车载台不同时发出 位置登记信息，就不会互相干扰。设车载台与数字标尺的通信时i b j 为t ，当t f 时， 发生通信冲突的概率就很小了。工程上认为当t = l o t 时就可认为满足要求了，这样问 题就变为如何确定丁和t 。 假定数字标尺天线的辐射半径为r ，r 大约在4 0 至6 0 m 之间。根据相关法规规定， 高速公路上行车限速在7 0 1 2 0 k m h ，本系统考虑车速最大的情况是1 5 0 a n h ，即 v m 一4 0 r a l s 1 ) 当r = 4 0 m 时，汽车通过一个小区的时间大概是a t 。一4 0 4 0 一l s ，如果每隔 0 如发一次信息，则每个车载台在通过数字标尺覆盖范围时至少会向数字标尺发3 次登 记请求。 2 ) 当r = 6 0 m 时，汽车通过一个小区的时间大概是缸。一6 0 4 0 ；1 5 s ，如果每隔 0 孙发一次信息，则每个车载台在通过数字标尺覆盖范围时至少会向数字标尺发5 次登 记请求。 如果汽车的速度再小一些，则车载台与数字标尺之间通信次数会增加，在车载台与 数字标尺之间的多次通信中只要有一次正确通信就可以了。考虑到实际环境比较恶劣， 误码率大大提高，而数字标尺天线的辐射距离很可能小于5 0 m ，因此采用间隔0 0 5 s 发 送信息，通过多次通信以保障通信的可靠性。 车载台向数字标尺传输的信息依次是特征码、行车方向及车道号、i d 和累加校验 和，车载台向数字标尺传输的信息格式如表2 1 所示。数字标尺向车载台传输的信息依 次是特征码、安全指示、d 和累加校验和，数字标尺向车载台传输的信息格式如表2 2 所示。其中，特征码是一个特定的码字，能与其它字节相区分，接收装置只有当收到正 确的特征码后才会继续接收其它字节。行车方向只有两个，正向和逆向，分别用i 和o 表示。本系统适用于两车道的高速公路，分别用0 1 和1 0 表示内侧和外侧车道。汽车的 身份证i d 用4 位b c d 码表示，占用两个字节。安全指示有三种情况，用两位十六进制 码表示。0 0 h 表示安全，0 f i i 表示警告，0 f o h 表示严重警告。用4 位表示一种情况， 可以克服1 位的缺点，即突发误码，而且还可以具有一定的检错纠错的功能。如表2 3 所示。同时，安全指示字节可以进行安全指示功能扩充。累加校验和1 1 8 】1 1 9 j 为前面所有数 据的二进制加和的低8 位数据，用于检错。这样，信息接收就采用放弃机制，累加校验 和不正确即为错误信息，接收到错误信息就不进行处理，等待下一次通信。 表2 i 车载台传输信息格式 t a b l e 2 1t h ei n f o r m a t i o nf o r m a to ft h et r a n s m i t t e r - r e c e i v e ri nv e h i c l e 8 第二章基丁- 数字标尺方案的高速道路防撞系统 表2 2 数字标尺传输信息格式 t a b l e 2 2t h ei n f o r m a t i o nf o r m a to ft h ed i g i t a ls c a l e 表2 3 安全指示协议表 t a b l e 2 3t h et a b l eo fs a f e t yi n s t r u c t i o n sa g r e e m e n t 安全情况数学表示二进制( 8 位)十六进制 绿灯 0 0o o o o 0 0 0 0 o o h 黄灯 0 1o o ( ) 0 1 1 1 1o f h 红灯 1 01 1 1 1 0 0 0 0 o f o h 假设一个数字标尺的小区内的一条车道上最多同时有2 辆车行驶，那么一个小区内 最多同时有4 辆车( 双车道) 。车载台向数字标尺传输的数据有5 个字节4 0 位，数据传 输的码速率设定为1 9 2 1 d a p s ，则传输一次数据的时间为2 m s 。数字标尺向车载台传输的 数据也是5 个字节，传输一次数据的时间也为2 m s 。数字标尺处理数据的时间大约是4 m s ， 那么车载台与数字标尺的通信时间约为8 m s ，将0 3 s 的通信间隔时间平均分配给这4 辆 车，每一辆车的时间约是8 0 m s ，基本可以满足t = 1 0 t 的要求。 然而，当一个小区内有多辆车时，也有可能发生通信冲突。车载台在一个小区内会 与数字标尺发生多次通信，只要有一次正确的通信就可以了。如果有两个车载台的在某 次通信中时钟一致，发生冲突，那么改变车载台发送信息的时间间隔，就可以保证下次 通信不发生冲突了，具体方法是：在0 孙的时间隔基础上加上一个随机的时间变量，这 个时间变量的取值是在1 0 2 0 的随机数，单位是m s 。这样，车载台每次发送信息的时 间间隔都不相同，发生通信冲突的概率就大大减小了 2 3 系统无线收发模块 车载台与数字标尺之间采用无线数字通信方式，由于传输的是数据，所以对通信的 可靠性要求较高。由于高速道路上汽车的行驶速度较快，所以通信时间t 应较小，那么 要求通信速率较高。常用的数字通信方式有a s k 、f s k 和p s k 。在实际应用中，a s k 方式在速率较高时常发生解调输出码宽延展，从而容易产生误判的情况，而且a s k 的 抗干扰能力也较弱。f s k 方式在高速率通信时的可靠性较好，本系统采用的是f s k 方 式【3 l l 。p s k 方式在点到点的无线通信应用中并不常见。二进制频移键控已调信号的时域 表达式为 s 一- l 吣( f 一以t ) i 瞄2 砷+ l i g ( f - - n t ) i 傩拂 ( 2 1 ) l4jl4j 其中，a 是a 。的反码。由式( 2 1 ) 可知二进制频移键控己调信号的频带宽度为两 9 第| 二章鐾丁数字标尺方案的高速道路防撞系统 倍基带信号带宽与l ，2 一，1 i 之和，即 ，；2 b + i ，2 一，l i ( 2 2 ) 现在市面上见到的无线收发模块的频点主要是：3 1 5 m h z 、4 3 3 m h z 、4 3 4 m h z 、 8 6 8 m h z 、9 0 0 m h z 等。为了避开手机使用的干扰，我们不采用8 6 8 m h z 、9 0 0 m h z 这两 个频段。在设计的初期，本方案采用的是p t r 2 0 0 0 模块，该模块特点为准双工，双频 点，但这两个频点的中心频率为4 3 3 9 2 m h z 和4 3 4 3 3 m h z ，相差几百k h z ，易产生邻 频干扰，如图2 2 所示。这样上下行通信就不能正常进行，容易产生通信干扰。 拍d j 、” 珏、i j il ， j 。i im 4 3 3 04 3 3 24 3 3 a4 3 364 3 384 3 404 3 4 24 3 4 a4 3 464 3 4 | e4 3 50 图2 2p t r 2 0 0 0 工作频谱图 f i 口2t h ew o r k i n gs p c c l r l l mo fp t r 2 0 0 0 为了克服这一问题，又相应采用了单工的t x 4 9 1 5 和r x 3 9 3 0 模块，使工作频点分 别处于3 1 5 m h z 、4 3 3 m h z 上，两频点相距较远，如图2 3 所示。这样就成功的实现上 下行通信会互不干扰的问题。本系统使用的无线接收装置核心部件是r x 3 9 3 0 ，无线发 射装置核心部件是t x 4 9 1 5 。这两个核心部件采用为i s m 频段设计的真正的u h f 无线 收发芯片，采用f s k 调制技术，最高工作速率可达2 0 恸p s ，误码率可达1 0 - 3 ，发射功 率不可调，工作电压在2 7 - 5 5 v 之间，数据输出端可以直接与单片机接口，并且满足欧 洲电信工业标准( e t s i ) d 归0 02 0 0 1 v 1 2 1 例1 2 1 1 n n i | |l i f i ! v k 扎，“。饥 卜。心jq - 几j ，k 。 m a 。o h 2 明3 3 2 3枷葛73 7 4 1 4 4 为4 4 24 5 9 图2 31 x 4 9 1 5 工作频谱图 f i 9 2 3m w o r k i n gs p c g l r n m t x 4 9 1 5 1 0 埘翘枷舶拐埘m枷瑚娜 嚣| | ； e 口 韶m枷郴彤斟垅锄瑚拼 l | = ， e 皿口 第一：章荩丁数字标尺疗案的高速道路防撞系统 2 4 系统电路设计 2 4 1 系统数字标尺的设计原理 系统数字标尺被架设在高速公路的隔离带上。数字标尺主要由六个部分组成，组成 原理框图如图2 4 所示。 图2 4 数字标尺组成原理框图 r i 9 2 4t h es t r u c t u r eo ft h ed i g i t a ls c a l e 假设沿公路每隔1 0 0 米设置一个数字标尺，车间距大于2 0 0 米为安全距离，小于2 0 0 米而大于1 0 0 米为预警距离，小于1 0 0 米为告警距离。对于一个行车方向来说，每个数 字标尺需要将其当前的位置登记信息传给其后向的两个数字标尺，所以数字标尺之间的 通信是双向的。数字标尺收到车载台的位置登记信息后，把当前收到的位置登记信息和 前向数字标尺传来的数据汇总，从而判断出车间距这个过程实际上是对数字标尺地址 码的运算。数字标尺算出车问距后，判断该车的安全性，再把判断结果回发给车载台。 这个信息要连同该车的d 一同回发给车载台。数字标尺的核心是运算控制部件，本系 统使用单片机8 9 c 5 2 。数字标尺之间的数据通信是短距离低速率的有线数据传输，采用 r s 4 2 2 标准通信，每个数字标尺要接收前面两个数字标尺的数据，然后向其后的两个 数字标尺传输数据吲。 数字标尺的任务有三个：一是接收车载台发出的位置登记信息，做出判断，再把指 示信息回发给车载台；二是完成相邻数字标尺问的数据传输；三是把数据传给数据汇总 节点。这三个任务分别由三个单片机控制完成，如图2 5 所示。其中，主机的作用是控 制无线通信、数据处理和数据传递：1 # 从机的作用是接收前向数字标尺的数据和向后 向数字标尺发送数据，并向主机传递数据；2 i t 从机的作用是将主机传递的汽车登记信 息发送到数据汇总节点 第：章基丁数字标尺方窠的高速道路防撞系统 r s - 4 2 2 串口通信 r 主机 t 图2 5 数字标尺的硬件组成示意图 f i 9 2 5t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ed i g i t a ls c a l e 1 ) 主机的设计 主机的工作过程如下：当收到车载台发来的登记信息后就调入1 # 从机中存储的本 数字标尺和前向数字标尺的车辆位置登记信息，然后判断当前车的行车安全状况，把判 断结果回发给车载台，最后把收到的汽车位置登记信息传给2 # 从机。数字标尺主机的 主程序流程图如图2 6 所示。 车辆的位置登记信息保存在1 # 从机中，主机收到车辆登记信息后需调入1 # 从机 中的数据再做判断，数据是通过加口p 口传递的，单片机p 口之间采用问答方式通信。 数据传递过程如下：主机将p 2 6 置o ，表示主机向1 # 从机发出调入数据的请求；1 # 从机在p o 口置入数据后，将其p 2 3 置1 ；主机在检测到1 # 从机的p 2 3 为1 时，接收 数据，然后置p 2 4 置1 ；1 # 从机在检测到主机的p 2 4 为1 后置p 2 3 为0 ，准备发送下 一个数据；主机在检测到1 # 从机的p 2 3 为o 后将1 2 4 置o ，表示此次数据传输结束， 等待接收下一个数据；p 口按照这个时序传输数据直到数据传输完毕，主机将p 2 6 置1 单片机引脚p 2 3 和p 2 4 是问答控制位，c t u 查询这两个引脚的电平判断p 口是否做好 接收和发送数据的准备，从而逐字节的传递数据。主机和1 # 从机在主程序初始化时把 两个单片机的p 2 3 和p 2 4 引脚都置为o ，当主机