楊潔 宋艷生 王超

摘要：阻車釘是當(dāng)前大規(guī)模應(yīng)用于武警部隊執(zhí)勤的裝備，是官兵在執(zhí)行武裝設(shè)卡任務(wù)時有效攔截違法沖闖車輛的利器。但當(dāng)前裝備的阻車器材比較笨重，操作靈活性差，拆裝不方便[1]。本文設(shè)計的是一種新型防沖闖系統(tǒng)，利用多普勒效應(yīng)對汽車的速度進(jìn)行測算，當(dāng)車輛超速時，將啟動聲光報警裝置，同時自動彈起阻車釘，阻止車輛繼續(xù)行駛。該設(shè)備具有自動識別，有效控制，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)；單片機(jī)；速度傳感器；阻車釘

處在執(zhí)勤一線的武警官兵以及反恐一線的特戰(zhàn)分隊迫切需要一種高效、可靠、攜帶方便的車輛攔截裝置，用以安裝在通往金庫、監(jiān)獄、核電站、軍事基地、政府要害部門等營門和道路檢查站上。該阻車裝置通過對車輛有效攔截，從而防止違法犯罪分子駕車逃竄，強(qiáng)行沖卡、沖撞等行為的發(fā)生。將危害源阻擋在遠(yuǎn)離重要設(shè)施的位置。降低執(zhí)勤官兵的困難和風(fēng)險，為圓滿完成執(zhí)勤任務(wù)提供了堅實(shí)保障。因此研究設(shè)計一個自動化、輕便化的智能新型防沖闖系統(tǒng)將為執(zhí)勤官兵在執(zhí)行設(shè)卡任務(wù)和營區(qū)防沖闖中有十分重要的作用。

1＼系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計將利用模擬電路和數(shù)字電路以及C語言知識，以單片機(jī)作為主控制器，利用超聲波模塊計算通行車輛的行駛速度，當(dāng)行駛車輛超過設(shè)定速度時，立即判斷車輛處于闖卡狀態(tài)，此時立即啟動聲光報警裝置并彈起減速帶中的阻車釘，對通過的車輛輪胎進(jìn)行物理穿刺，使其失去繼續(xù)前進(jìn)的動力，達(dá)到阻停目的。當(dāng)使用者按下復(fù)位鍵時停止報警，同時自動回收阻車釘。系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示：

2、測速模塊構(gòu)建

防沖闖系統(tǒng)用于監(jiān)測運(yùn)動的車輛是否超速對應(yīng)的模塊即為測速模塊，本文采用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行測速。

2.1測速方案設(shè)計

測速模塊用于監(jiān)測營門外和車道上的車輛是否超速，設(shè)計方案有如下幾種：一：采用對射式光電傳感器測量運(yùn)動物體的速度。當(dāng)不透光的物體擋住發(fā)射與接收之間的間隙時，開關(guān)斷開，反之打開，當(dāng)有車輛通過時，光電開關(guān)將會產(chǎn)生負(fù)脈沖信號。通過前后兩組對射式的光電模塊，就可以由時間差來計算車輛的運(yùn)動速度。由于遮光式傳感器對物體十分敏感，如果不是車輛通過而是其他物體進(jìn)入時也會報警，這就容易造成誤報的情況且氣象條件等等都會對識別采集有很大的影響。二：采用超聲波傳感器，是一種實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置。這種裝置可以發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。系統(tǒng)采用分體式單晶直探頭。

綜合比較，本設(shè)計采用超聲波傳感器來進(jìn)行測速從而判斷是否超速并攔截。

2.2運(yùn)動車輛測速模型

車輛在運(yùn)動時超聲波發(fā)向某一方向發(fā)射超聲波，發(fā)射同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。具體使用時差法測速。圖2為時差法測速示意圖。

時差法測速適用于低速運(yùn)動物體，設(shè)第一次從超聲波發(fā)射到接收的時間為 ，收到回波信號后再發(fā)一次超聲波信號，第二次的收發(fā)間隔時間為 。則第一次超聲波信號到達(dá)物體時發(fā)射探頭與物體之間距離為 ，第二次超聲波信號到達(dá)物體時發(fā)射探頭與物體之間距離為 ，則物體的運(yùn)動速度 可由下式得到[5]

3、車輛攔阻結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)識別車輛處于超速狀態(tài)后，聲光報警的同時，道路中減速帶內(nèi)置的阻車釘彈起，通過針刺將汽車輪胎迅速刺穿，使其迅速泄氣失去繼續(xù)前進(jìn)的動力，達(dá)到阻停目的。備勤人員和友鄰分隊可以聽到報警聲迅速增援現(xiàn)場處置情況。

阻車裝置主要有刺釘、聯(lián)動桿、減速帶、從動輪、驅(qū)動輪組成。其側(cè)面剖視圖如圖3所示。

其中，阻車釘?shù)膯卧芍Ъ?、刺釘、轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，刺釘用圓錐型針刺，對于大部分的汽車輪胎，25mm是最佳刺破長度，選型時以此長度為有效穿刺部分。通常刺釘?shù)撞坑兄Ъ埽谲囕v往下壓的同時，會給釘子很大的壓力，容易使其彎曲變形。本設(shè)計中，釘子底部與地面直接接觸，不容易被運(yùn)動的車輛損壞。釘子結(jié)構(gòu)如圖4所示：

我國道路上行駛的機(jī)動車的輪胎寬度一般為185mm-215mm，為了保證攔截的有效性，在減速帶間隙中每隔180mm中就布置一列釘子，每列設(shè)3-4個釘子，其中第一枚放置在減速帶的斜面下，與斜面成45度，更易將釘子刺破車胎，其余放置在頂部水平面上，放置方式與前面保持一致。如圖5為布置道路上的減速帶內(nèi)阻車釘排布示意圖。

每排釘子用一根定軸連接各排位置相同的釘子，使之牽一發(fā)而動全身，提高攔阻率，確保成功攔阻目標(biāo)。同時為了方便拆裝，每段減速帶各截都可以分離，各段連接著釘子的軸用螺釘連接在內(nèi)置于減速帶內(nèi)的螺口處，便于統(tǒng)一收放，既確保了阻車帶的有效控制，又便于使用。如圖6為道路阻車帶布置模型。

4、系統(tǒng)硬件選擇和方案設(shè)計

當(dāng)檢測到有車輛企圖超速沖闖時，或者在檢查點(diǎn)突然加速沖闖時，聲光提醒直接有效。本設(shè)計使用蜂鳴器報警以及LED燈作為報警裝置。為了保證報警的有效性，當(dāng)用戶按下確認(rèn)鍵則報警裝置停止報警。設(shè)計具體采用液晶LCD1602作為顯示設(shè)備，能同時顯示多個字符；使用有源蜂鳴器作為信息提示器件；關(guān)于阻車方案選擇，因為車道上和出入營門的車流量較大，考慮到通行方便，選用平時處于非工作狀態(tài)的阻車結(jié)構(gòu)[2]，即發(fā)現(xiàn)緊急情況后立即升起，因此對反應(yīng)時間的要求很高。系統(tǒng)具有以下重要功能：

1、具有定時檢測通行車速的功能；

2、具有聲光報警功能；

3、具有按鍵確認(rèn)功能；

4、具有速度區(qū)間設(shè)置功能；

5、具有聯(lián)動牽引功能；

6、具有自動復(fù)位功能；

5、系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)是用單片機(jī)作為主控制電路，因此需要軟件編程來實(shí)現(xiàn)設(shè)計的功能，本設(shè)計將使用keil軟件作為軟件編程工具，圖7為軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。

單片機(jī)程序從主程序開始執(zhí)行，系統(tǒng)進(jìn)入主程序后先進(jìn)行定時器初始化，液晶初始化和超聲波傳感器初始化，然后利用超聲波傳感器測量車速，將當(dāng)前車輛行駛速度顯示在液晶顯示器上。并判斷測量的速度是否超過設(shè)定值，當(dāng)超出設(shè)定值則啟動蜂鳴器和LED燈報警，同時彈起阻車釘。然后對按鍵進(jìn)行掃描，當(dāng)檢測到確認(rèn)按鍵按下時，報警停止，阻車釘復(fù)位。

6、總結(jié)

本文所設(shè)計的智能防沖闖系統(tǒng)采用超聲波測速傳感器來判斷車輛是否超速，若超過設(shè)定速度則啟動報警裝置并使車輛攔阻結(jié)構(gòu)進(jìn)入工作狀態(tài)，其中阻車模塊設(shè)計新穎，使用方便，可以降低阻車結(jié)構(gòu)在使用過程中的損壞率。該系統(tǒng)相對已有阻車設(shè)備而言具有輕便和智能等優(yōu)點(diǎn)。因此是官兵在執(zhí)行武裝設(shè)卡任務(wù)時有效攔截違法沖闖車輛的利器，能適應(yīng)任務(wù)需求且不影響道路通行效率。另外，在速度的測量精度以及容錯機(jī)制[3]方面有待完善，以減少其失誤率，從而減少警力資源的浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張華坤，馬春生，張帆等.提高阻擋大型機(jī)動車輛路障效率的研究[J].汽車技術(shù)，2006（s1）：81-84

[3]祝敏. 超聲波測距誤差分析及修正方法[J].計量與測試計術(shù)，2009，36（2），21-24.