基于自动循迹的智能公交车系统—硬件设计

基于自动循迹的智能公交车系统—硬件设计内容摘要：

有智能公交系 统 （ 简称 ITS） 的实施才能够从根本上解决这些问题 ，其中智能公交车是智能交通系统 （ Intelligent Transport System，以下简称 ITS） 的一个重要组成部分，是研究的重中之重 [1]。 国外的研究现状 目前，世界上已形成了美国、 日本、欧盟三太 ITS 研究开发基地，除此之外，亚洲的韩国、毕业设计（论文） 4 新加坡和我国的香港特区 ITS 发展水平也较高 [3]。 60 年代末期，美国的 ERGS(Electronic Road Guidance System)项目开始了世界上最早的 ITS 开发研究。 之后美国集中了国内各种力量，并在政府和国会的参与下，成立了 ITS 的领导和协调机构，于 1991 年制订了综合陆上运输效率化法 (即所谓的冰茶法案， IsTEA)，并拟订了 20 年发展计划，总投资预算 400 亿美元。 目前，美国在智能公共交通领域独树一帜，已建立起相对完善的车队管理 (通讯系统、地理信息系统、车辆自动定位系统、乘客自动计数系统、公交运营软件系统、交通信号优先系统 )、公交出行信息 (出行前公交信息系统、车站／路边的公交信息系统、车上公交信息系统、综合乘客信息系统 )、电子收费和交通需求管理技术等四大系统及多个子系统及技术规范标准 [4]。 日本的智能交通系统起步较晚，但由于政府重视，其发展和推进速度却相当快。 日本城市公共交通系统智能化的发展过程经历了 3 个阶段： 70 年代末开始应用的公共汽车定位系统，即公共汽车接近显示系统； 80 年代初开始应用的运行管理系统，其中包括乘客 的 自动统计 、运行监视和运行控制； 90 年代初开始应用的综合管理系统，其中包括后勤业务改进和经营支援系统。 日本组成了由四省一厅参加的全国统一智能交通系统开发组织 （ VERTIS） ，并于 1996 年制定了“推进 ITS总体构想”。 并推出了一个投资运算 兆亿日元，为期长达 20 年的发展计划，包含了智能子系统部分应用、改善基础设施建设及系统和产品的研究开发。 同时 ， 日本国内丰田、三菱、东芝等100 多家企业也联合设立智能运输系统的开发和经营机构，加大智能交通产品开发的力度。 近年，日本投入了 15 亿日元开发了全国公路电子地图系统，打开了车 辆电子导航市场 [5,6]。 欧盟对 ITS 的研究、开发也不甘落后， 1985 年，欧共体 19 个成员国为主的政府与民间企业组织合并后，共同推进智能运输系统的发展，并更名为欧洲道路运输信息技术实施组织 （ TRICO)，总开发投入 50 亿美元，实施智能道路和车载设备的研究发展计划。 1986 年欧洲民间联合操作了欧洲高效安全交通系统计划 (PROMETHEUS)，之后在政府介入下 1995年启动了 PROMOTE计划，1996 年 2 月底，欧共体事务总局 13 局第一次公布了 TTAP 征集的具体 74 个子项目。 至今，已有相当一部分的研究成果 投入到实际的应用当中，并为使用者带来了可观的经济效益 [7]。 国内的研究现状 由于我国的智能公交系统起步较晚，我国的智能公交事业还是比较落后，但 ITS 作为跨世纪经济增长点和交通系统建设必然选择的重要性已得到国家相关部门的高度重视。 近几年，由于科学技术的进步和政府对公交投人力度的加大，我国智能公共交通系统已初现端倪，一些地区的公交现状很好的体现了我国目前的公交水平。 毕业设计（论文） 5 在上海，每辆公交车都安装了 GPS 终端系统，每隔 30 秒钟通过卫星发送一次信息，为公交站台提供公交车的目前车速、到站时间等消息。 福州 市结合世行投资项目，建立智能化公交系统，逐步推广 GPS、 GIS 等智能化运营管理技术，提高公交车科学调度水平。 目前已有 多 辆公交车装配了 GPS 调度系统，基本实现了超速报警、间距保持、车辆定位、故障报修、及时调度等五大功能。 实施公交智能化管理系统后，卫星定位仪跟踪每辆运营公交车，实时传递公交运行信息。 工作人员通过调度中心屏幕，只需轻点鼠标就能知晓某辆公交车是否超速、是否正 常 到达等情况。 智能化管理将为福州市公交车带来“电子站牌为乘客提供信息、 GPS 定位报站、电脑调度公交运营”三大变化 [8]。 在杭州，杭州公交集团公 司正在试运营装有硬盘录像机的公交车，硬盘录像机可以对车上的状况进行了全方位的记录和监控，并提供了报警功能，解决了警察破案的一系列难题。 如效果良好，可以有效减少杭州地区被扒手行窃的效率，为人们的财产安全提供更好的保障。 而且在新投入运营的公交车上都配备了车载移动电视，方便乘客更好的了解各方面的消息，缓解了乘坐公交车时无聊的处境。 公交车发展趋势 公交车电子智能化的目标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运用到公交车辆的运营和管理上使公交车辆达到快捷安全准点舒适的服务 要求。 21 世纪我国智能公交车系统发展的重点是在各地城市普及以下 3 个系统 [9]： 1）公共交通车辆自动调度系统。 该系统采用现代通信系统和先进的卫星定位系统在公交车辆上装备从国外引进的 GPS 定位系统和 GSM 通讯传输系统或无线传输系统对公交车辆进行计算机调度使车辆达到最大的运力和最好的服务。 2）公交电子收费系统。 该系统包括 IC 卡 、 车载 POS 机 、 硬件设备 、 计算机中央处理系统软件等 ， 采用了现代通信技术计算机技术 、 自动控制技术等高新技术。 它既可自动准确地收费 、 结算 ， 方便乘客又可利用 IC 卡当作电子钱包应用在售货亭 、 停车 场 、 加油站 和 道路收费处。 用于公交车辆上的 IC 卡均为无接触 IC 卡 （ 或感应卡聪明卡 ）， 具有携带方便交易快捷安全保密等特点。 3）公交乘客信息系统。 该系统根据所提供的服务空间环境的不同可分为出行前乘客信息、车内乘客信息和路边乘客信息等 3 个子系统。 它采用了电子控制技术、车辆自动定位技术、网络技术，可为乘客提供实时信息包括车辆的到达时间、离开时间以及换乘信息等，乘客通过车上的显示屏、电脑报站器等电子智能化设备和车外的电子路牌、公交触摸屏、网络查询等来得知综合交毕业设计（论文） 6 通信息，从根本上改善乘客出行获得信息难的状况。 随着科技的 不断进步，以及考虑到现今世界全球能源紧缺的现状，加大在智能公交车和节能公交车系统研发上的投资将会是未来一段时间内的基本策略。 小结 本结扼要的阐述了公交车起 源以及它的发展历程，并介绍了现阶段国内外的公交车系统的研究现状，并对公交的发展趋势进行了预测。 毕业设计（论文） 7 2 系统总体设计 系统总体框图 本系统由单片机控制模块控制电机驱动模块、自动循迹模块、车速测量模块、语音报站模块、无线传输模块有序的运行，来实现所需要的各个功能。 系统总体框图如图 21 所示。 图 21 系统总体框图 系统总 体设计思路 单片机控制模块采集自动循迹模块上的信号，对信号进行判断分析后，通过控制电机驱动模块的输出电压来达到控制电机的转速的目的，以使公交小车能沿着黑线循迹行驶； 单片机控制模块能检测车速测量模块上一小段时间间隔里的信号数量，来计算出车辆当前的行驶速度； 单片机控制模块通过无线传输模块来实现和外部的公交站台的数据传输，数据主要包括小车当前速度、到站时间、到站距离； 当到站距离小于一个设定值时，单片机控制模块控制语音报站模块进行报站。 毕业设计（论文） 8 系统方案论证 单片机控制模块的选择 方案一：采用 DSP 最小系统。 采用专用的数字信号处理器，可高速地处理系统中的各个控制信号，使系统具有较高的稳定性。 但本系统结构复杂，并且 DSP 系统成本较高。 方案二：采用新型 AVR 单片机 —— Atmega16，其自带四通道 PWM，通过修改相应的寄存器，可方便的实现对输出脉冲宽度的控制。 由于 AVR 采用 RISC 结构，能实现 1MIPS/Mhz，使用较低频率的晶振，也能实现高速的运算与控制。 不仅可以进一步降低功耗，而且可以减少高频脉冲干扰波对电机驱动电路的影响。 采用该种方案能有效降低系统功耗，延长电池的使用时间。 鉴 于对 PWM 的实现难度、设计成本及系统功耗的综合考虑，这里我们选择方案二。 电机的选择 方案一：采用玩具车用的直流电机。 该种电机较容易获得，但此种 电机转速过快，惯性较大，转矩过小，很难利用单片机进行精确的控制 ，故不选择采用此种直流电机。 方案二：采用直流减速电机。 该种电机，在直流电机的基础上，增加了减速齿轮，增加了电机的扭矩，从而大大增加了电机的驱动能力。 减速电机转速较慢，便 于 单片机进行控制。 方案三：采用步进电机。 利用单片机产生脉冲，改变脉冲频率可实现对电机的调速，改变相序实现电机的正反转。 此方 案可以轻松实现对小车前进后退，转向角度控制。 但两个电机参数不易匹配，加大了系统的复杂度。 根据本系统小车运行速度较快及惯性小易刹车的要求，故选择方案二。 由于要求小车能在 2分钟行驶 S0=25m，且小车车轮的直径为 D=55mm，故车速 V=S0*1000/(2**D)=(转 /分 )，因而最终选择转速为 90 转 /分的减速电机。 电机驱动模块的选择 方案一：采用电机专用驱动芯片 L298N。 采用该种方案， L298N 芯片集成度高，外围电路简单，工作稳定，控制容易。 方案二：使用由功率三极管构成的 H 桥控制直流电机。 该电路可实现电机的正反转。 但当负载电机流过的电流较大时（如发生堵转时），三极管发热严重，损耗大。 而功率三极管响应速度慢，无法利用较高频率的 PWM 波进行调速，而低频率的 PWM 波会使电机产生较大的共振噪声，对使用者造成损害。 本系统对小车的速度， 滞动 ，转向要求较高，故选择方案一。 毕业设计（论文） 9 自动循迹模块的选择 方案一：采用反射式红外发射 — 接受对管，检测路面的黑色引导线。 红外对管对黑线识别成功率较高，且不易受外界光线的影响，能可靠的实现线路检测。 方案二：采用光 敏电阻实现对黑线引导线的识别。 此方案电路结构简单，成本较低 ， 但光敏电阻极易受外界光线的影响，容易造成误判，使得小车失去控制。 鉴于以上原因，我们选择方案一。 车速测量模块的选择 方案一：采用霍尔元件集成片，该器件内部由三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速的测量。 方案二：采用 红外光电传感器 进行检测。 车轮轴 转动，带动码盘转动，码盘 边缘 上刻有许多圆孔 ，码盘转动时发射光透过狭 缝被接受元件接受。 用计数器对接受到的信号进行计数。 用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离。 两种方案都是比较好的方案，但考虑到安装工艺的问题 ，最终选择方案二。 语音报站模块的选择 方案一：采用 ISD4004 语音芯片。 ISD4004 系列单片录放时间为 8 至 16 分钟 ， 音质好 ， 适用于移动电话及其他便携式电子产品中，它采用 SPI 和按键控制两种控制方式，但它价格较贵。 方案二：采用 ISD1700 语音芯片。 ISD1700 系列录放芯片是一种高集成度，高性能的芯片。 它可以多段录音，采样率可在 4K 至 12K 间调节，供电范围可以在 至 之间。 ISD1700 系列录放芯片可工作于独立按键模式和 SPI 控制模式。 芯片内有存储管理系统来管理多段语音，这样在独立按键模式下也能进行多段语音录放，而且它价格也较低廉。 考虑到成本以及录音时间方面的问题，在此选择方案二。 无线传输模块的选择 方案一：采用 模拟信号 通讯。 通过无线电的遥控来发送高低电平，接收器根据接收到的信号，来响应发送的信息，但它有受环境干扰大的缺点。 方案二：采用 RFC1100B 无线传输模块通讯。 RFC1100B 模块 采用单片射频 集成电路及单片机 MCU 的无线模块，外围电路小，但可靠性高、故障率低，方便模组，应用广泛。 鉴于此，我们选择方案二。 毕业设计（论文） 10 小结 本结提出了系统的总体框图，简单阐述了系统设计的思量，并对智能小车系统中要用到得各个模块进行方案论证。 毕业设计（论文） 11 3 主 控模块设计 控制电路由 ATmega16 单片机、时钟电路、复位电路组成。 控制模块框图如图 31 所示。 图 31 控制模块框图 图 32 ATmega16 引脚图 单片机 ATmega16[10] AVR 单片机 ATmega16 是高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处理器，采用先进的 RISC 结构，有131 条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期（工作于 16 MHz 时性能高达 16 MIPS），它拥有只需两个时钟周期的硬件乘法器，能极大的提升运算速度。 ATmega16 引脚图如图 32 所示。 它有两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 /计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 /计数器，这能良好的实现小车在站台停 5 秒 的定时，也能对从车速测量模块上得到的信号计数，从而计算得到所需的小车行驶速度。 它还自带四路 PWM 输出：在本设计中利用其中两路 PWM 输出来实现对两电机速度的控制。 而且它的功耗极低（在。