【文章內(nèi)容簡介】 有智能公交系 統(tǒng) （ 簡稱 ITS） 的實施才能夠從根本上解決這些問題 ，其中智能公交車是智能交通系統(tǒng) （ Intelligent Transport System，以下簡稱 ITS） 的一個重要組成部分，是研究的重中之重 [1]。 國外的研究現(xiàn)狀 目前，世界上已形成了美國、 日本、歐盟三太 ITS 研究開發(fā)基地，除此之外，亞洲的韓國、畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 新加坡和我國的香港特區(qū) ITS 發(fā)展水平也較高 [3]。 60 年代末期，美國的 ERGS(Electronic Road Guidance System)項目開始了世界上最早的 ITS 開發(fā)研究。之后美國集中了國內(nèi)各種力量，并在政府和國會的參與下，成立了 ITS 的領(lǐng)導(dǎo)和協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，于 1991 年制訂了綜合陸上運輸效率化法 (即所謂的冰茶法案， IsTEA)，并擬訂了 20 年發(fā)展計劃，總投資預(yù)算 400 億美元。目前，美國在智能公共交通領(lǐng)域獨樹一幟，已建立起相對完善的車隊管理 (通訊系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、車輛自動定位系統(tǒng)、乘客自動計數(shù)系統(tǒng)、公交運營軟件系統(tǒng)、交通信號優(yōu)先系統(tǒng) )、公交出行信息 (出行前公交信息系統(tǒng)、車站／路邊的公交信息系統(tǒng)、車上公交信息系統(tǒng)、綜合乘客信息系統(tǒng) )、電子收費和交通需求管理技術(shù)等四大系統(tǒng)及多個子系統(tǒng)及技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) [4]。 日本的智能交通系統(tǒng)起步較晚，但由于政府重視，其發(fā)展和推進(jìn)速度卻相當(dāng)快。日本城市公共交通系統(tǒng)智能化的發(fā)展過程經(jīng)歷了 3 個階段： 70 年代末開始應(yīng)用的公共汽車定位系統(tǒng)，即公共汽車接近顯示系統(tǒng)； 80 年代初開始應(yīng)用的運行管理系統(tǒng)，其中包括乘客 的 自動統(tǒng)計 、運行監(jiān)視和運行控制； 90 年代初開始應(yīng)用的綜合管理系統(tǒng)，其中包括后勤業(yè)務(wù)改進(jìn)和經(jīng)營支援系統(tǒng)。日本組成了由四省一廳參加的全國統(tǒng)一智能交通系統(tǒng)開發(fā)組織 （ VERTIS） ，并于 1996 年制定了“推進(jìn) ITS總體構(gòu)想”。并推出了一個投資運算 兆億日元，為期長達(dá) 20 年的發(fā)展計劃，包含了智能子系統(tǒng)部分應(yīng)用、改善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及系統(tǒng)和產(chǎn)品的研究開發(fā)。同時 ， 日本國內(nèi)豐田、三菱、東芝等100 多家企業(yè)也聯(lián)合設(shè)立智能運輸系統(tǒng)的開發(fā)和經(jīng)營機(jī)構(gòu)，加大智能交通產(chǎn)品開發(fā)的力度。近年，日本投入了 15 億日元開發(fā)了全國公路電子地圖系統(tǒng)，打開了車 輛電子導(dǎo)航市場 [5,6]。 歐盟對 ITS 的研究、開發(fā)也不甘落后， 1985 年，歐共體 19 個成員國為主的政府與民間企業(yè)組織合并后，共同推進(jìn)智能運輸系統(tǒng)的發(fā)展，并更名為歐洲道路運輸信息技術(shù)實施組織 （ TRICO)，總開發(fā)投入 50 億美元，實施智能道路和車載設(shè)備的研究發(fā)展計劃。 1986 年歐洲民間聯(lián)合操作了歐洲高效安全交通系統(tǒng)計劃 (PROMETHEUS)，之后在政府介入下 1995年啟動了 PROMOTE計劃，1996 年 2 月底，歐共體事務(wù)總局 13 局第一次公布了 TTAP 征集的具體 74 個子項目。至今，已有相當(dāng)一部分的研究成果 投入到實際的應(yīng)用當(dāng)中，并為使用者帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益 [7]。 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 由于我國的智能公交系統(tǒng)起步較晚，我國的智能公交事業(yè)還是比較落后，但 ITS 作為跨世紀(jì)經(jīng)濟(jì)增長點和交通系統(tǒng)建設(shè)必然選擇的重要性已得到國家相關(guān)部門的高度重視。近幾年，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和政府對公交投人力度的加大，我國智能公共交通系統(tǒng)已初現(xiàn)端倪，一些地區(qū)的公交現(xiàn)狀很好的體現(xiàn)了我國目前的公交水平。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 在上海，每輛公交車都安裝了 GPS 終端系統(tǒng)，每隔 30 秒鐘通過衛(wèi)星發(fā)送一次信息，為公交站臺提供公交車的目前車速、到站時間等消息。 福州 市結(jié)合世行投資項目，建立智能化公交系統(tǒng)，逐步推廣 GPS、 GIS 等智能化運營管理技術(shù)，提高公交車科學(xué)調(diào)度水平。目前已有 多 輛公交車裝配了 GPS 調(diào)度系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了超速報警、間距保持、車輛定位、故障報修、及時調(diào)度等五大功能。實施公交智能化管理系統(tǒng)后，衛(wèi)星定位儀跟蹤每輛運營公交車，實時傳遞公交運行信息。工作人員通過調(diào)度中心屏幕，只需輕點鼠標(biāo)就能知曉某輛公交車是否超速、是否正 常 到達(dá)等情況。智能化管理將為福州市公交車帶來“電子站牌為乘客提供信息、 GPS 定位報站、電腦調(diào)度公交運營”三大變化 [8]。 在杭州，杭州公交集團(tuán)公 司正在試運營裝有硬盤錄像機(jī)的公交車，硬盤錄像機(jī)可以對車上的狀況進(jìn)行了全方位的記錄和監(jiān)控，并提供了報警功能，解決了警察破案的一系列難題。如效果良好，可以有效減少杭州地區(qū)被扒手行竊的效率，為人們的財產(chǎn)安全提供更好的保障。而且在新投入運營的公交車上都配備了車載移動電視，方便乘客更好的了解各方面的消息，緩解了乘坐公交車時無聊的處境。 公交車發(fā)展趨勢 公交車電子智能化的目標(biāo)是將先進(jìn)的信息技術(shù)數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)電子控制技術(shù)以及計算機(jī)處理技術(shù)等有效地運用到公交車輛的運營和管理上使公交車輛達(dá)到快捷安全準(zhǔn)點舒適的服務(wù) 要求。21 世紀(jì)我國智能公交車系統(tǒng)發(fā)展的重點是在各地城市普及以下 3 個系統(tǒng) [9]： 1）公共交通車輛自動調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用現(xiàn)代通信系統(tǒng)和先進(jìn)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)在公交車輛上裝備從國外引進(jìn)的 GPS 定位系統(tǒng)和 GSM 通訊傳輸系統(tǒng)或無線傳輸系統(tǒng)對公交車輛進(jìn)行計算機(jī)調(diào)度使車輛達(dá)到最大的運力和最好的服務(wù)。 2）公交電子收費系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括 IC 卡 、 車載 POS 機(jī) 、 硬件設(shè)備 、 計算機(jī)中央處理系統(tǒng)軟件等 ， 采用了現(xiàn)代通信技術(shù)計算機(jī)技術(shù) 、 自動控制技術(shù)等高新技術(shù) 。 它既可自動準(zhǔn)確地收費 、 結(jié)算 ， 方便乘客又可利用 IC 卡當(dāng)作電子錢包應(yīng)用在售貨亭 、 停車 場 、 加油站 和 道路收費處。用于公交車輛上的 IC 卡均為無接觸 IC 卡 （ 或感應(yīng)卡聰明卡 ）， 具有攜帶方便交易快捷安全保密等特點。 3）公交乘客信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)所提供的服務(wù)空間環(huán)境的不同可分為出行前乘客信息、車內(nèi)乘客信息和路邊乘客信息等 3 個子系統(tǒng)。它采用了電子控制技術(shù)、車輛自動定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可為乘客提供實時信息包括車輛的到達(dá)時間、離開時間以及換乘信息等，乘客通過車上的顯示屏、電腦報站器等電子智能化設(shè)備和車外的電子路牌、公交觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)查詢等來得知綜合交畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 通信息，從根本上改善乘客出行獲得信息難的狀況。 隨著科技的 不斷進(jìn)步，以及考慮到現(xiàn)今世界全球能源緊缺的現(xiàn)狀，加大在智能公交車和節(jié)能公交車系統(tǒng)研發(fā)上的投資將會是未來一段時間內(nèi)的基本策略。 小結(jié) 本結(jié)扼要的闡述了公交車起 源以及它的發(fā)展歷程，并介紹了現(xiàn)階段國內(nèi)外的公交車系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并對公交的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體框圖 本系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊控制電機(jī)驅(qū)動模塊、自動循跡模塊、車速測量模塊、語音報站模塊、無線傳輸模塊有序的運行，來實現(xiàn)所需要的各個功能。系統(tǒng)總體框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)總 體設(shè)計思路 單片機(jī)控制模塊采集自動循跡模塊上的信號，對信號進(jìn)行判斷分析后，通過控制電機(jī)驅(qū)動模塊的輸出電壓來達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的，以使公交小車能沿著黑線循跡行駛； 單片機(jī)控制模塊能檢測車速測量模塊上一小段時間間隔里的信號數(shù)量，來計算出車輛當(dāng)前的行駛速度； 單片機(jī)控制模塊通過無線傳輸模塊來實現(xiàn)和外部的公交站臺的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)主要包括小車當(dāng)前速度、到站時間、到站距離； 當(dāng)?shù)秸揪嚯x小于一個設(shè)定值時，單片機(jī)控制模塊控制語音報站模塊進(jìn)行報站。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 系統(tǒng)方案論證 單片機(jī)控制模塊的選擇 方案一：采用 DSP 最小系統(tǒng)。采用專用的數(shù)字信號處理器，可高速地處理系統(tǒng)中的各個控制信號，使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。但本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且 DSP 系統(tǒng)成本較高。 方案二：采用新型 AVR 單片機(jī) —— Atmega16，其自帶四通道 PWM，通過修改相應(yīng)的寄存器，可方便的實現(xiàn)對輸出脈沖寬度的控制。由于 AVR 采用 RISC 結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn) 1MIPS/Mhz，使用較低頻率的晶振，也能實現(xiàn)高速的運算與控制。不僅可以進(jìn)一步降低功耗，而且可以減少高頻脈沖干擾波對電機(jī)驅(qū)動電路的影響。采用該種方案能有效降低系統(tǒng)功耗，延長電池的使用時間。 鑒 于對 PWM 的實現(xiàn)難度、設(shè)計成本及系統(tǒng)功耗的綜合考慮，這里我們選擇方案二。 電機(jī)的選擇 方案一：采用玩具車用的直流電機(jī)。該種電機(jī)較容易獲得，但此種 電機(jī)轉(zhuǎn)速過快，慣性較大，轉(zhuǎn)矩過小，很難利用單片機(jī)進(jìn)行精確的控制 ，故不選擇采用此種直流電機(jī)。 方案二：采用直流減速電機(jī)。該種電機(jī)，在直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了減速齒輪，增加了電機(jī)的扭矩，從而大大增加了電機(jī)的驅(qū)動能力。減速電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢，便 于 單片機(jī)進(jìn)行控制。 方案三：采用步進(jìn)電機(jī)。利用單片機(jī)產(chǎn)生脈沖，改變脈沖頻率可實現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速，改變相序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。此方 案可以輕松實現(xiàn)對小車前進(jìn)后退，轉(zhuǎn)向角度控制。但兩個電機(jī)參數(shù)不易匹配，加大了系統(tǒng)的復(fù)雜度。 根據(jù)本系統(tǒng)小車運行速度較快及慣性小易剎車的要求，故選擇方案二。由于要求小車能在 2分鐘行駛 S0=25m，且小車車輪的直徑為 D=55mm，故車速 V=S0*1000/(2**D)=(轉(zhuǎn) /分 )，因而最終選擇轉(zhuǎn)速為 90 轉(zhuǎn) /分的減速電機(jī)。 電機(jī)驅(qū)動模塊的選擇 方案一：采用電機(jī)專用驅(qū)動芯片 L298N。采用該種方案， L298N 芯片集成度高，外圍電路簡單，工作穩(wěn)定，控制容易。 方案二：使用由功率三極管構(gòu)成的 H 橋控制直流電機(jī)。該電路可實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。但當(dāng)負(fù)載電機(jī)流過的電流較大時（如發(fā)生堵轉(zhuǎn)時），三極管發(fā)熱嚴(yán)重，損耗大。而功率三極管響應(yīng)速度慢，無法利用較高頻率的 PWM 波進(jìn)行調(diào)速，而低頻率的 PWM 波會使電機(jī)產(chǎn)生較大的共振噪聲，對使用者造成損害。 本系統(tǒng)對小車的速度， 滯動 ，轉(zhuǎn)向要求較高，故選擇方案一。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 自動循跡模塊的選擇 方案一：采用反射式紅外發(fā)射 — 接受對管，檢測路面的黑色引導(dǎo)線。紅外對管對黑線識別成功率較高，且不易受外界光線的影響，能可靠的實現(xiàn)線路檢測。 方案二：采用光 敏電阻實現(xiàn)對黑線引導(dǎo)線的識別。此方案電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低 ， 但光敏電阻極易受外界光線的影響，容易造成誤判，使得小車失去控制。 鑒于以上原因，我們選擇方案一。 車速測量模塊的選擇 方案一：采用霍爾元件集成片，該器件內(nèi)部由三片霍爾元件組成，當(dāng)磁鐵正對金屬板時，由于霍爾反應(yīng)，可以產(chǎn)生電流的變化，對此加以判斷，但需要在車輪上安裝磁片，將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進(jìn)行對車速的測量。 方案二：采用 紅外光電傳感器 進(jìn)行檢測。 車輪軸 轉(zhuǎn)動，帶動碼盤轉(zhuǎn)動，碼盤 邊緣 上刻有許多圓孔 ，碼盤轉(zhuǎn)動時發(fā)射光透過狹 縫被接受元件接受。用計數(shù)器對接受到的信號進(jìn)行計數(shù)。用這種方案能很精確的算出小車已經(jīng)走過的距離。 兩種方案都是比較好的方案，但考慮到安裝工藝的問題 ，最終選擇方案二。 語音報站模塊的選擇 方案一：采用 ISD4004 語音芯片。 ISD4004 系列單片錄放時間為 8 至 16 分鐘 ， 音質(zhì)好 ， 適用于移動電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中，它采用 SPI 和按鍵控制兩種控制方式，但它價格較貴。 方案二：采用 ISD1700 語音芯片。 ISD1700 系列錄放芯片是一種高集成度，高性能的芯片。它可以多段錄音，采樣率可在 4K 至 12K 間調(diào)節(jié)，供電范圍可以在 至 之間。 ISD1700 系列錄放芯片可工作于獨立按鍵模式和 SPI 控制模式。芯片內(nèi)有存儲管理系統(tǒng)來管理多段語音，這樣在獨立按鍵模式下也能進(jìn)行多段語音錄放，而且它價格也較低廉。 考慮到成本以及錄音時間方面的問題，在此選擇方案二。 無線傳輸模塊的選擇 方案一：采用 模擬信號 通訊。通過無線電的遙控來發(fā)送高低電平，接收器根據(jù)接收到的信號，來響應(yīng)發(fā)送的信息，但它有受環(huán)境干擾大的缺點。 方案二：采用 RFC1100B 無線傳輸模塊通訊。 RFC1100B 模塊 采用單片射頻 集成電路及單片機(jī) MCU 的無線模塊，外圍電路小，但可靠性高、故障率低，方便模組，應(yīng)用廣泛 。 鑒于此，我們選擇方案二。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 小結(jié) 本結(jié)提出了系統(tǒng)的總體框圖，簡單闡述了系統(tǒng)設(shè)計的思量，并對智能小車系統(tǒng)中要用到得各個模塊進(jìn)行方案論證。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 3 主 控模塊設(shè)計 控制電路由 ATmega16 單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路組成?？刂颇K框圖如圖 31 所示。 圖 31 控制模塊框圖 圖 32 ATmega16 引腳圖 單片機(jī) ATmega16[10] AVR 單片機(jī) ATmega16 是高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器，采用先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)，有131 條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期（工作于 16 MHz 時性能高達(dá) 16 MIPS），它擁有只需兩個時鐘周期的硬件乘法器，能極大的提升運算速度。 ATmega16 引腳圖如圖 32 所示。 它有兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器 /計數(shù)器，一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 /計數(shù)器，這能良好的實現(xiàn)小車在站臺停 5 秒 的定時，也能對從車速測量模塊上得到的信號計數(shù)，從而計算得到所需的小車行駛速度。 它還自帶四路 PWM 輸出：在本設(shè)計中利用其中兩路 PWM 輸出來實現(xiàn)對兩電機(jī)速度的控制。而且它的功耗極低（在