羅文祥 黃遠(yuǎn)翔 鐘利明 彭建興 盧 堯

（貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州省貴陽(yáng)市 550000）

0 引言

我國(guó)為防止大型運(yùn)輸車輛進(jìn)入市區(qū)影響正常交通秩序，在一些特殊地段、道路會(huì)根據(jù)《中華人民共和國(guó)公路法》設(shè)置車輛限位裝置[1]，但車輛限位裝置的設(shè)置引起了許多可避免的交通事故，造成了不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

近年來(lái)，我國(guó)各地多次出現(xiàn)消防車、救護(hù)車無(wú)法通過(guò)限位裝置而沒(méi)能及時(shí)進(jìn)行救援，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了加強(qiáng)道路安全，提高限位裝置的可行性，目前有許多對(duì)傳統(tǒng)限位裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)。在陳卓團(tuán)隊(duì)的《基于道路限高桿的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與應(yīng)用》[2]中，設(shè)計(jì)了一種可根據(jù)安裝地點(diǎn)和不同時(shí)間段進(jìn)行高度調(diào)整的限高桿，可以更加合理地對(duì)大型車輛進(jìn)行攔截，但該設(shè)計(jì)中的限高桿是非自動(dòng)的，需要人工進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。此外，在史菲帆團(tuán)隊(duì)的《智能限高系統(tǒng)級(jí)限高架設(shè)計(jì)》[3]中，設(shè)計(jì)了一款基于超聲波測(cè)距、樹(shù)莓派OpenCV車牌識(shí)別的智能限高系統(tǒng)，可對(duì)來(lái)往車輛進(jìn)行高度測(cè)量，若車輛超高，限高桿發(fā)出警報(bào)、升高讓其通行，并且記錄超高車輛車牌，進(jìn)行違規(guī)處理。該設(shè)計(jì)可以有效地防止車輛與限高桿發(fā)生碰撞，并且可以很好得對(duì)違規(guī)車輛進(jìn)行記錄，但是運(yùn)用的超聲波測(cè)距模塊方向性差、發(fā)散角度大、分辨率低，可能會(huì)誤將鄰車道的車輛或路邊的物體作為測(cè)量目標(biāo)，發(fā)生誤判斷；所運(yùn)用的樹(shù)莓派是一種核心數(shù)據(jù)閉源的嵌入式開(kāi)發(fā)板，無(wú)法用于硬件的開(kāi)發(fā)；并且OpenCV進(jìn)行圖像處理后所得車牌信息進(jìn)行模板匹配的準(zhǔn)確率不足。對(duì)現(xiàn)有的限位裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)總結(jié)，我們采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]的車牌識(shí)別，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)救援車輛可正常通行的限位裝置，可以提高對(duì)車牌識(shí)別的準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

此外，近年來(lái)全國(guó)各地多次發(fā)生在夜間或天氣惡劣情況下，司機(jī)沒(méi)注意限位裝置而發(fā)生交通事故。為避免車輛與限位裝置碰撞事故發(fā)生，目前有許多限位裝置添加了防撞警報(bào)裝置，而大多數(shù)的裝置是基于超聲波測(cè)距[5]、紅外線測(cè)距[6]，對(duì)來(lái)往車輛進(jìn)行距離、高度測(cè)量，可以對(duì)部分超高車輛進(jìn)行警示，但這些技術(shù)仍然存在有較大弊端。為提高車輛測(cè)量的精確度，我們采用了調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距[7]方式，能更加準(zhǔn)確地對(duì)來(lái)往車輛進(jìn)行距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在夜間或雨天、霧天等惡劣天氣及駕駛員疲勞的情況下，動(dòng)態(tài)測(cè)量前方車輛相對(duì)距離和速度等信息，在危及安全的情況下向駕駛員發(fā)出聲光警報(bào)，提醒駕駛員注意限高裝置。

1 車輛限位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本作品的設(shè)計(jì)模型如圖1所示，主要分為三個(gè)部分，分別為限高桿1、限高桿側(cè)柱2、裝夾柱3。其中齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)限高桿側(cè)柱運(yùn)動(dòng)，裝夾柱由外殼和載板組成[8]。

圖1 智能限位系統(tǒng)3D模型圖

1.1 限高桿

限高桿與限高桿側(cè)柱連接，是限位裝置中用于限制超高車輛通行的結(jié)構(gòu)。

1.2 限高桿側(cè)柱

限高桿側(cè)柱是限位裝置中重要的傳動(dòng)裝置，由長(zhǎng)直條4與直齒條5結(jié)合構(gòu)成，直齒條與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連；電機(jī)6與齒輪7相契合，齒輪與直齒條相契合，達(dá)到電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)直齒條縱向運(yùn)動(dòng)，從而使限高桿上升或下降，如圖2所示。

圖2 限高桿側(cè)柱及傳動(dòng)裝置

1.3 裝夾柱

裝夾柱由外殼8和載板9組成，外殼8采用立體棱柱式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有槽口安裝限高桿側(cè)柱，限制其空間上的運(yùn)動(dòng)；直齒條無(wú)法脫離裝夾柱，這樣設(shè)計(jì)是為了讓限高桿側(cè)柱與外殼達(dá)到封閉最大化，可以有效地防止道路上的粉塵、石子掉入內(nèi)部；載板9用于固定電動(dòng)機(jī)，設(shè)有接線孔，便于接線，如圖3所示。

圖3 裝卡柱內(nèi)部機(jī)構(gòu)

2 車牌識(shí)別的設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)有車牌識(shí)別方式比較

現(xiàn)有車牌識(shí)別方式：基于傳統(tǒng)OpenCV的車牌識(shí)別、基于MATLAB的車牌識(shí)別等，經(jīng)資料查詢及數(shù)據(jù)分析，我們采用了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LeNet-5[9]的車牌識(shí)別。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值共享結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生生物視覺(jué)中局部感受野效應(yīng)，降低網(wǎng)絡(luò)的模型復(fù)雜度、減少了權(quán)值數(shù)量，對(duì)圖像平移、比例縮放等具有不變性，可減少由于車輛角度、外形造成的影響。相比于其他識(shí)別方式，該技術(shù)不僅可以提升對(duì)車牌的識(shí)別率，還可以縮短識(shí)別時(shí)間，如圖4所示。

圖4 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LeNet-5的車牌識(shí)別

2.2 車牌識(shí)別的工作流程設(shè)計(jì)

我們先提取限位裝置所在地區(qū)的醫(yī)院、消防站等救援車輛車牌信息，并提前錄入系統(tǒng)，作為匹配模板。當(dāng)來(lái)往車輛靠近限位裝置時(shí)，攝像頭會(huì)對(duì)車輛的車牌進(jìn)行捕捉，提取出車牌字符再與數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，輸出相應(yīng)車牌信息，再將車牌信息與系統(tǒng)提取錄入的車牌模板進(jìn)行匹配，若匹配成功限高桿則會(huì)升高，車輛即可通行，反之車輛不可通行。工作流程如圖5所示。

圖5 限位裝置車牌識(shí)別工作流程

3 防撞報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)有測(cè)量方式比較

現(xiàn)有測(cè)距方式有超聲波測(cè)距、紅外線測(cè)距、調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距等，通過(guò)查詢資料，調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距方式相對(duì)于其他三種方式更具優(yōu)越性，測(cè)量距離更遠(yuǎn)，并且能在惡劣天氣條件下工作，有較高的穩(wěn)定性，因此我們采用調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距方式。

3.2 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（FMCW雷達(dá)）的原理與防撞報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

FMCW雷達(dá)的基本原理是通過(guò)輸入模塊發(fā)送端發(fā)射周期性的頻率調(diào)制信號(hào)，然后對(duì)反射回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，得到所需要的距離和速度等數(shù)據(jù)[10][11]。利用該原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了防撞報(bào)警裝置，在夜間及惡劣環(huán)境下啟動(dòng)，F(xiàn)MCW雷達(dá)對(duì)來(lái)往車輛進(jìn)行距離與車輛高度的測(cè)量，待來(lái)往車輛靠近至一定距離時(shí)，報(bào)警裝置會(huì)亮警示燈，讓司機(jī)注意限位裝置。若車輛高度超過(guò)安全高度，裝置會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒司機(jī)超高無(wú)法通過(guò)。

4 技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

4.1 特點(diǎn)

運(yùn)用了車牌識(shí)別的限位系統(tǒng)，能夠自主的對(duì)來(lái)往車輛進(jìn)行車牌信息的提取和比對(duì)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型車輛的限制，還可以使消防車、救護(hù)車等特殊車輛正常通行。防撞報(bào)警裝置能夠在夜間及惡劣環(huán)境下提醒經(jīng)過(guò)車輛此處設(shè)有車輛限位裝置，降低事故發(fā)生的可能性。

4.2 優(yōu)勢(shì)

a、在傳統(tǒng)的限位裝置的基礎(chǔ)上，我們的設(shè)計(jì)使限位裝置具有自主的車牌識(shí)別能力，能夠識(shí)別車輛車牌，并且能夠?qū)ο尬粭U的高度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，讓指定的特殊救援車輛通行；

b、相比于基于傳統(tǒng)OpenCV的車牌識(shí)別，我們采用的基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車牌識(shí)別不僅可以提升識(shí)別的準(zhǔn)確率，還可以縮短識(shí)別時(shí)間，為大型救援車輛的通行提供顯著幫助；

c、相比于現(xiàn)有的大部分限位裝置，我們的設(shè)計(jì)增加了基于FMCW雷達(dá)的防撞報(bào)警裝置，增加了超高提醒功能，在夜間及惡劣環(huán)境下能更加有效地提醒司機(jī)注意限位裝置。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有車輛限位系統(tǒng)的進(jìn)行了智能設(shè)計(jì)改造，通過(guò)車牌識(shí)別、FMCW雷達(dá)檢測(cè)、限高桿自動(dòng)化調(diào)整等技術(shù)，完成對(duì)大型車輛的限位，又不會(huì)影響特殊車輛的通行。車牌識(shí)別設(shè)備可對(duì)消防車、救護(hù)車等指定車輛的車牌信息進(jìn)行提取、識(shí)別，然后控制限高桿調(diào)整高度，特殊車輛即可正常通行，待其通過(guò)后，限高限寬裝置恢復(fù)原狀。此外，增加的防撞報(bào)警裝置，能夠在夜晚及惡劣天氣對(duì)通過(guò)的車輛起到提醒作用，增加安全度。該設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)的限位裝置更加能體現(xiàn)出“以人為本”的思想，體現(xiàn)對(duì)廣大群眾生命安全的重視。