机动车辆智能限制超速及防闯红灯系统设计

1、机动车辆智能限制超速及防闯红灯系统设计机动车辆智能限制超速及防闯红灯系统设计 颜士威 1王会祥 2严淞 3（1 西南交通大学机械工程学院 2西南交通大学地球科学与环境学院3 西南交通大学交通运输与物流学院四川成都 611756）摘要 :以减少交通事故为目的 ,设计了机动车辆智能限制超速 ,防闯红灯系统 .该系 统由五大模块组成,分别是 :信号发射装置 ,信号接收装置 ,信号分析处理装置 ,末端执行装置和检 测装置 .系统中用到了无线电技术 ,PLC 技术 ,传感器技术 .详细设计了无线电发射装置的铺设问题 ,编 写了分析处理装置核心部件 PLC 的梯形图程序做了系统在车辆内部的布置 .并提出了

2、充分的安全性论 证.关键词:PLC;梯形图程序；刹车系统；车栽电台；传感器 中图分类号：U46文献标识码:A 我国交通系统在日趋完善 .道路建 设及运输效率都大为改观 .但是交通事 故仍然时常发生 .依旧是一个不可忽视 的问题根据我国每年发生的交通事故 数目.可以看出仅靠现在的措施并没有 取得令人满意的成效而且 .目前不分 车型.在同一道路上对所有车辆实行统 时速上限 .显然是不合理 ,不科学的 . 针对此问题 .提出了 机动车智能限超 速,防闯红灯系统 .本系统对确保交通秩序 .提高交通流通量 .大大降低交通 事故率方面有较大的创新之处 1系统设计1.1 速度梯度与交通事故率的关系 人们凭直

3、觉认为 .车辆速度越高 . 发生交通事故数就越多 .但是 .事故数 并不是简单的和车速成线性关系 1964 年.Solomon在600km的四车道高速公 路上观测 10000 个驾驶员的车速与事 故的情况后 .对事故率进行了计算和分 析.发现车速与事故数之间是一个 U 形曲线 ,并得出了最初的车速模型 :1=10 a +2.23其中为10万车公里事故率（次/10万车公里） 1J表示速度离散度，也 称为速度梯度 .也即车速与平均车速的 差值从该函数中可以看到 .速度与平均 速度差值的绝对值越大 .事故率就越 大.也即车速接近平均车速时 .事故率 收稿日期 :2011-05 08144 科技创业月

4、刊 2011 年第 10 期 最低无论是大于还是小于平均车速 . 事故数都成增加趋势 .2002年.我国学者杜博英对车速与 事故模型进行了在研究假定了如下两 个条件:当车辆速度为 0km/h 时,事 故率为零：当运行车速为300km/h时.事故率达最大值 .为 106 次/1veh.km初始事故率模型为：l*-to其中,l为事故率(次/106veh.km);1J 是运行车速 (km/h);P 是控制参数 . 在 使用 Solomon 模型的基础上 .计算出 P 值.并进一步提出了车速与事故率模 型：l-v 一一,1-v/v)研究发现 .车速与事故严重性之间 也有严格的函数关系1993年.Jok

5、sch发现,发生交通事故时.汽车驾驶员死亡的几率与运行车 速改变值的四次方成正比关系 ,其函数 表达式为 ：y=(Av/71)40分析函数可知. 1J超过30英里/h (48km/h)后,死亡率几乎直线上升；当超过6O英里/h(96km/h)后,死亡率 达到50%左右:Av为50英里/h(80km/h)的死亡率越是 1J为25英里/h(40km/h)的15倍左右.当然，闯红灯也是造成 交通事故的一个不可忽视的原因 综上所述 ,限制超速驾驶 ,闯红灯 等违规驾驶行为 .能非常有效的减少交 通事故的发生率1.2 系统设计1.2.1 设计分析系统需要在车辆超速行驶时给出 语音提示 ,并予以限速 ,直

6、到速度降至 公路时速上限以下 .系统停止限速 .并 继续监测车辆运行速度 :对于交通信号 灯的信号要纳入到速度的考虑之中 . 即 .如果前面的十字路口是红灯 .就把 信号发送装置提供的时速上限逐渐将 至 0km/h. 实现停车的目的 .这样系统 对车辆所有的控制 .就都归纳到在对车 速的控制内 .确保在系统的干预下 ,不 会出现额外的交通事故 对于车速的限制 .把刹车深度分为 四个等级 :深度刹车 ,中深度刹车和中 度刹车和低度刹车在车辆超速较大的 时候（速度差值大于15km/h）.就采用 深度刹车 :在车辆超速不大时 （速度差 值小于15km/h大于10km/h）时.采用 中深度刹车 :车速

7、大于 5km/h 小于 10km/h 时采用中度刹车 .当速度高于 0km/h 小于 5km/h 时.采用低度刹车 : 不超速就不参与限速 .需要说明的是 , 此处的超速不是通常所说的超速对超 速定义是 .只要车辆行驶速度高于发射 装置提供的速度 .就认为车辆在超速 . 就予以限速 .比如 ,在信号灯为红灯时 , 只要车辆行驶至斑马线处 .速度不为 零.就算超速 信号指示灯的作用是 .当系统作 正常,无故障时 ,绿色 LED 灯亮.当系统 机动车辆智能限制超速及防闯红灯系统设计 出现故障时 .绿色指示灯灭 .并发出警 告声提示 .当系统对车辆限速时 .红色 LED 灯亮 .表明系统此刻正在限速

8、系 统不参与限速时 ,红色 LED 灯不亮 .鉴 于以上系统功能需求分析 .做出系统流 程图见图 1 圈 1 系统流程圈 天线及速度传感器在车辆底盘的 布置见图 2.天 线 目前大多数机动车辆地盘高度不 超过400mm（因为系统的接受装置布置 在车辆地盘上 ）.天线发送的信号呈半 圆柱形 .为了使车辆有跟多的时间 （90%）处在信号覆盖范围内 .天线在十 字路口的布置间距至少为1.836m考虑 到从刹车到车辆完全停下来需要一定 时间和距离 .天线在十字路口的布置应 越靠近十字路 I:1 越密集 .最小距离为 1.836m（见图 3）.图 3 计算图示-哑 R=90%结果可得 .R=0.918m

9、 根据上述计算的 R 在路面进行分 段铺设在距十字路口一定的距离 L 起.天 图 2 传感器在车底盘的布置 1.2.2系统组成设计(1) 信号发送装置 .系统的外部信 号发送装置 .本文采用在地面上铺设发 射天线的方式实现 .天线发送的信号 . 在有特殊情况时 .比如下雪天 .大雾天 气等 .可由交通管理局控制 .降低道路 速度上限 :平时 ,可由继电器控制实现 , 从而更好的实现对车流的管理天线要 与交通信号灯连接并实现信号同步在 左右转向车道上的天线和直行车道上 的天线不是受同一个信号控制的允许 转弯的时候 .转弯车道的时速上限就不 是 0km/h. 不允许的时候 .这个时速上 限就是 O

10、km/h 在允许执行的时候 .这 个时速上限就不为Okm/h.不允许执行 的时候 .这个值就是 Okm/h 线的布置就应该越来越 密集 .我们以等差递减数 列来铺设天线 .等差值暂 定为 1mL 的确定按如 下公式: 其中,v 一为道路的 时速上限 ,为道路与轮 胎之间的摩擦系数,g为重力加速度.摩 擦系数主要反映在车辆行驶中路面所 提供的横向或纵向制动性能 路面摩擦系数可以分为纵向摩擦 系数和横向摩擦系数 .纵向摩擦系数决 定车辆在刹车时的滑行距离 .良好的纵 向摩擦系数对避免追尾交通事故的发 生有决定作用 :横向摩擦系数影响车辆 的方向控制能力 .良好的横向摩擦系数 可减少弯道侧滑引起的交

11、通事故有关 摩擦系数的数据见表 1 表 1 摩擦系数表 路面类型干燥潮湿泥泞冰滑 水泥混凝土路面 0.70.5 一一 沥青混凝士路面 0.60.40.17 中级及低路面 0.50.30.20.1 纵向摩擦系数为qo.横向摩擦系数 与纵向摩擦系数的关系 : P0=(0.6-0.7)p 由此可知 .雨天或者其他天气异常 的情况下 .天线发送的道路最高行驶速 度相应降低是很有必要的假设在正常 干燥沥青路面 .车辆行驶的速度为 80km/h.车辆要在最短的时间内停下 来,就要行驶 500多米,所以此刻 ,L 最 少应为 500 多米 在非十字路口的一般路面 .天线铺 设的距离可以尽量大一些 f 以几千

12、米的 距离来铺设 ),这样既节约天线成本 .也 能降低总体功耗 信号发送装置 (天线)的作用 ,就是 把路面的允许的最大车行速度 .也称为 时速上限 .还有在路上是否允许转弯 (左转,右转)的信号发送给车辆的信号 接收器(2) 信号接收装置 .信号接收装置 , 用车载电台来实现车载电台的作用就 是 .把外部天线提供的信号检波处理 . 输出三个信号 :时速上限数值 ,是否允 许左转信号和是否允许右转信号 .并把 这三个信号作为分析处理装置的输入 传给分析处理装置(3) 信号分析处理装置 .信号分析 处理装置 .是该系统的核心部件 .PLC 技术成熟 .编程容易实现 .对于恶劣环 境抗干扰能力很强

13、 .不会出现死机的现 象 .广泛应用在自动控制领域 .因此选 用 PLC 来做核心模块 系统所选择的是西门子 PLCS7 224.西门子S7 200系列PLC.不仅能 实现传统的继电逻辑控制 ,计数和计时 控制 .还能实现复杂的数学运算 ,处理 模拟量信 .并可支持多种协议和形式与 其他智能设备进行数据通信S7200系 列 PLC 硬件配置方式采用整体式加积 木式结构 .分为基本单元和扩展单元 . 即主机中包含一定数量的 I/O 输入输 出点.同时还可以扩展各种功能模块 其中.S7200PLC 的 CPU224 本机 I/O 包含数值量 14 入/10 出.有 2个模 拟量接点可增加模拟量输入

14、 /输出模 块EM235.其包含4通道电流/电压输 入/1通道电流 /电压输出可满足系统 控制器接点要求采用 V4.0STEP7 MicroWINSP6软件平台在PC机上编IV D.1O2011145写梯形图程序分析处理装置与其他各 PIoNEERINGWITHSClENCE&TECHNoLOGYMONTHLY 机动车辆智能限制超速及防闯红灯系统设计 部件的物理连接示意图见图 4 系统共有 7 个输入接 1:3.四个输出 接口 .各接口所对应的作用见图 4.(5)末端执行装置 .末端执行装置 共有 4 个部分 :语音提示装置 ,刹车装 置,系统正常工作指示灯和系统参与限 速指示灯语音提

15、示装置能在车辆超 速,闯红灯或违规转弯时给出警告语音图 5 阀门图纸 图 4 物理连接示意图 提示目前轿车类车辆的刹车系统基本 都采用高压气体刹车系统 .本系统的刹 车系统没有单独做一个刹车系统刹车 . 而是恰当的利用车辆本身的刹车系统 限速 .当系统需要刹车的时候 ,就启动 微型电动机 .打开高压储气罐的阀门 需要深度刹车时 .就把阀门 13 开大一 点 ,需要中度刹车时 .就开小一点 .速度 降下来以后 .利用复 位弹簧自动关闭阀 门根据需要用 CAD 软件设计出了阀门 图纸 (见图 5). 系统共有两个 指示灯 .表明系统工 作状态绿色 LED 灯亮.表明系统无故障,正常工作 .不亮,

16、则表明系统故障 .此 时驾驶员应及时维 修系统 .红色 LED 指示灯亮 .表明系统 正在限速 .不亮 .表 明系统没有参与限 速2 推广应用价值 以改善公路交通安全状况 .降低交 通事故率为目的 .本系统论述了 机动 车智能限制速度 ,放闯红灯系统 .系统 采用无线电波技术 ,PLC 技术.传感器 技术等防止超速 ,闯红灯等违章行为 . 保证交通安全系统使车辆具有一定智 能性.是 ITS 研究的一个方向 .系统具 有很大的发展空间 ,经扩展 ,可以实现 更多功能 ,如限制超载 ,提供路面车辆 密度信息 ,监测司机是否醉酒驾驶等功 能 .而且系统具有普遍性 ,适合所有机 动车辆的安装 .3 结

17、语 在分析造成交通事故因素的基础 上 .以车辆本身为研究对象 .以降低交 通事故率为目的 .以系统工程的思想为 指导.运用系统分析的方法 .提出了 机 动车辆智能限制超速 ,限制闯红灯系 统的功能 ,总体方案和原理 .系统应用 了无线电技术 ,PLC 技术和传感器技术 的成果 .实现了安全辅助驾驶系统具 有多方面的综合功能 ,其适用性 ,实时 性强.可靠性高 ,具有很大的发展前景 . 参考文献1邓兆康 .公共交通的智能交通系统及其应用J.上海建设科技，2009（1）2陆化普.李瑞敏.朱茵.智能交通系统概论 M. 北京:中国铁路出版社 ，2Oo43 刘美俊 .西门子 S7 系列 PLC 的应用与

18、维 护 M1 .北京:机械工业出版社 ，20o8 4海心，马银忠.刘树青.西门子 PLC 开发 入门与典型事例 M. 北京 :人民邮电出 版社.20095鲁远栋,王鑫.李威等.PLC机电控制系统 应用设计技术 M .北京:电子工业出版 社.20106 肖责平 ，朱晓宁 .交通安全工程 fM. 北京 : 中国铁道出版社 .20077徐家钰，程家驹.道路工程 M. 上海:同济 大学出版社 .2004（责任编辑晓天张俊明 ）（上接第 136页） 防体系和事故应急处理系统 .就有可能 将绝大多数可能发生的问题化解掉以 华中科技大学光电子科学与工程学院20 1 0届本科生为例 .这一届毕业生在年 级辅导员和学生的共同