【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有智能公交系 統(tǒng) （ 簡(jiǎn)稱 ITS） 的實(shí)施才能夠從根本上解決這些問(wèn)題 ，其中智能公交車(chē)是智能交通系統(tǒng) （ Intelligent Transport System，以下簡(jiǎn)稱 ITS） 的一個(gè)重要組成部分，是研究的重中之重 [1]。 國(guó)外的研究現(xiàn)狀 目前，世界上已形成了美國(guó)、 日本、歐盟三太 ITS 研究開(kāi)發(fā)基地，除此之外，亞洲的韓國(guó)、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 新加坡和我國(guó)的香港特區(qū) ITS 發(fā)展水平也較高 [3]。 60 年代末期，美國(guó)的 ERGS(Electronic Road Guidance System)項(xiàng)目開(kāi)始了世界上最早的 ITS 開(kāi)發(fā)研究。之后美國(guó)集中了國(guó)內(nèi)各種力量，并在政府和國(guó)會(huì)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(yùn)輸效率化法 (即所謂的冰茶法案， IsTEA)，并擬訂了 20 年發(fā)展計(jì)劃，總投資預(yù)算 400 億美元。目前，美國(guó)在智能公共交通領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟，已建立起相對(duì)完善的車(chē)隊(duì)管理 (通訊系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、車(chē)輛自動(dòng)定位系統(tǒng)、乘客自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)、公交運(yùn)營(yíng)軟件系統(tǒng)、交通信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng) )、公交出行信息 (出行前公交信息系統(tǒng)、車(chē)站／路邊的公交信息系統(tǒng)、車(chē)上公交信息系統(tǒng)、綜合乘客信息系統(tǒng) )、電子收費(fèi)和交通需求管理技術(shù)等四大系統(tǒng)及多個(gè)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(guò)程經(jīng)歷了 3 個(gè)階段： 70 年代末開(kāi)始應(yīng)用的公共汽車(chē)定位系統(tǒng)，即公共汽車(chē)接近顯示系統(tǒng)； 80 年代初開(kāi)始應(yīng)用的運(yùn)行管理系統(tǒng)，其中包括乘客 的 自動(dòng)統(tǒng)計(jì) 、運(yùn)行監(jiān)視和運(yùn)行控制； 90 年代初開(kāi)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(yíng)支援系統(tǒng)。日本組成了由四省一廳參加的全國(guó)統(tǒng)一智能交通系統(tǒng)開(kāi)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(gè)投資運(yùn)算 兆億日元，為期長(zhǎng)達(dá) 20 年的發(fā)展計(jì)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(kāi)發(fā)。同時(shí) ， 日本國(guó)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(yùn)輸系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和經(jīng)營(yíng)機(jī)構(gòu)，加大智能交通產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的力度。近年，日本投入了 15 億日元開(kāi)發(fā)了全國(guó)公路電子地圖系統(tǒng)，打開(kāi)了車(chē) 輛電子導(dǎo)航市場(chǎng) [5,6]。 歐盟對(duì) ITS 的研究、開(kāi)發(fā)也不甘落后， 1985 年，歐共體 19 個(gè)成員國(guó)為主的政府與民間企業(yè)組織合并后，共同推進(jìn)智能運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展，并更名為歐洲道路運(yùn)輸信息技術(shù)實(shí)施組織 （ TRICO)，總開(kāi)發(fā)投入 50 億美元，實(shí)施智能道路和車(chē)載設(shè)備的研究發(fā)展計(jì)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(jì)劃 (PROMETHEUS)，之后在政府介入下 1995年啟動(dòng)了 PROMOTE計(jì)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(gè)子項(xiàng)目。至今，已有相當(dāng)一部分的研究成果 投入到實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，并為使用者帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益 [7]。 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 由于我國(guó)的智能公交系統(tǒng)起步較晚，我國(guó)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(zhǎng)點(diǎn)和交通系統(tǒng)建設(shè)必然選擇的重要性已得到國(guó)家相關(guān)部門(mén)的高度重視。近幾年，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和政府對(duì)公交投人力度的加大，我國(guó)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(guó)目前的公交水平。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 在上海，每輛公交車(chē)都安裝了 GPS 終端系統(tǒng)，每隔 30 秒鐘通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送一次信息，為公交站臺(tái)提供公交車(chē)的目前車(chē)速、到站時(shí)間等消息。 福州 市結(jié)合世行投資項(xiàng)目，建立智能化公交系統(tǒng)，逐步推廣 GPS、 GIS 等智能化運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)，提高公交車(chē)科學(xué)調(diào)度水平。目前已有 多 輛公交車(chē)裝配了 GPS 調(diào)度系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了超速報(bào)警、間距保持、車(chē)輛定位、故障報(bào)修、及時(shí)調(diào)度等五大功能。實(shí)施公交智能化管理系統(tǒng)后，衛(wèi)星定位儀跟蹤每輛運(yùn)營(yíng)公交車(chē)，實(shí)時(shí)傳遞公交運(yùn)行信息。工作人員通過(guò)調(diào)度中心屏幕，只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)就能知曉某輛公交車(chē)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(chē)帶來(lái)“電子站牌為乘客提供信息、 GPS 定位報(bào)站、電腦調(diào)度公交運(yùn)營(yíng)”三大變化 [8]。 在杭州，杭州公交集團(tuán)公 司正在試運(yùn)營(yíng)裝有硬盤(pán)錄像機(jī)的公交車(chē)，硬盤(pán)錄像機(jī)可以對(duì)車(chē)上的狀況進(jìn)行了全方位的記錄和監(jiān)控，并提供了報(bào)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(cái)產(chǎn)安全提供更好的保障。而且在新投入運(yùn)營(yíng)的公交車(chē)上都配備了車(chē)載移動(dòng)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(chē)時(shí)無(wú)聊的處境。 公交車(chē)發(fā)展趨勢(shì) 公交車(chē)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(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地運(yùn)用到公交車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)和管理上使公交車(chē)輛達(dá)到快捷安全準(zhǔn)點(diǎn)舒適的服務(wù) 要求。21 世紀(jì)我國(guó)智能公交車(chē)系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)是在各地城市普及以下 3 個(gè)系統(tǒng) [9]： 1）公共交通車(chē)輛自動(dòng)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(chē)輛上裝備從國(guó)外引進(jìn)的 GPS 定位系統(tǒng)和 GSM 通訊傳輸系統(tǒng)或無(wú)線傳輸系統(tǒng)對(duì)公交車(chē)輛進(jìn)行計(jì)算機(jī)調(diào)度使車(chē)輛達(dá)到最大的運(yùn)力和最好的服務(wù)。 2）公交電子收費(fèi)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括 IC 卡 、 車(chē)載 POS 機(jī) 、 硬件設(shè)備 、 計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù) 、 自動(dòng)控制技術(shù)等高新技術(shù) 。 它既可自動(dòng)準(zhǔn)確地收費(fèi) 、 結(jié)算 ， 方便乘客又可利用 IC 卡當(dāng)作電子錢(qián)包應(yīng)用在售貨亭 、 停車(chē) 場(chǎng) 、 加油站 和 道路收費(fèi)處。用于公交車(chē)輛上的 IC 卡均為無(wú)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(diǎn)。 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(chē)內(nèi)乘客信息和路邊乘客信息等 3 個(gè)子系統(tǒng)。它采用了電子控制技術(shù)、車(chē)輛自動(dòng)定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可為乘客提供實(shí)時(shí)信息包括車(chē)輛的到達(dá)時(shí)間、離開(kāi)時(shí)間以及換乘信息等，乘客通過(guò)車(chē)上的顯示屏、電腦報(bào)站器等電子智能化設(shè)備和車(chē)外的電子路牌、公交觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)查詢等來(lái)得知綜合交畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(chē)和節(jié)能公交車(chē)系統(tǒng)研發(fā)上的投資將會(huì)是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的基本策略。 小結(jié) 本結(jié)扼要的闡述了公交車(chē)起 源以及它的發(fā)展歷程，并介紹了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的公交車(chē)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)公交的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 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(dòng)模塊、自動(dòng)循跡模塊、車(chē)速測(cè)量模塊、語(yǔ)音報(bào)站模塊、無(wú)線傳輸模塊有序的運(yùn)行，來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的各個(gè)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(jì)思路 單片機(jī)控制模塊采集自動(dòng)循跡模塊上的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷分析后，通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出電壓來(lái)達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的，以使公交小車(chē)能沿著黑線循跡行駛； 單片機(jī)控制模塊能檢測(cè)車(chē)速測(cè)量模塊上一小段時(shí)間間隔里的信號(hào)數(shù)量，來(lái)計(jì)算出車(chē)輛當(dāng)前的行駛速度； 單片機(jī)控制模塊通過(guò)無(wú)線傳輸模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)和外部的公交站臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)主要包括小車(chē)當(dāng)前速度、到站時(shí)間、到站距離； 當(dāng)?shù)秸揪嚯x小于一個(gè)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制模塊控制語(yǔ)音報(bào)站模塊進(jìn)行報(bào)站。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(hào)處理器，可高速地處理系統(tǒng)中的各個(gè)控制信號(hào)，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(guò)修改相應(yīng)的寄存器，可方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖寬度的控制。由于 AVR 采用 RISC 結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn) 1MIPS/Mhz，使用較低頻率的晶振，也能實(shí)現(xiàn)高速的運(yùn)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(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的影響。采用該種方案能有效降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。 鑒 于對(duì) PWM 的實(shí)現(xiàn)難度、設(shè)計(jì)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(chē)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(guò)快，慣性較大，轉(zhuǎn)矩過(guò)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)前進(jìn)后退，轉(zhuǎn)向角度控制。但兩個(gè)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(chē)運(yùn)行速度較快及慣性小易剎車(chē)的要求，故選擇方案二。由于要求小車(chē)能在 2分鐘行駛 S0=25m，且小車(chē)車(chē)輪的直徑為 D=55mm，故車(chē)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(dòng)模塊的選擇 方案一：采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 L298N。采用該種方案， L298N 芯片集成度高，外圍電路簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。但當(dāng)負(fù)載電機(jī)流過(guò)的電流較大時(shí)（如發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)），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(wú)法利用較高頻率的 PWM 波進(jìn)行調(diào)速，而低頻率的 PWM 波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生較大的共振噪聲，對(duì)使用者造成損害。 本系統(tǒng)對(duì)小車(chē)的速度， 滯動(dòng) ，轉(zhuǎn)向要求較高，故選擇方案一。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 自動(dòng)循跡模塊的選擇 方案一：采用反射式紅外發(fā)射 — 接受對(duì)管，檢測(cè)路面的黑色引導(dǎo)線。紅外對(duì)管對(duì)黑線識(shí)別成功率較高，且不易受外界光線的影響，能可靠的實(shí)現(xiàn)線路檢測(cè)。 方案二：采用光 敏電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)黑線引導(dǎo)線的識(shí)別。此方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chē)失去控制。 鑒于以上原因，我們選擇方案一。 車(chē)速測(cè)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(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾反應(yīng)，可以產(chǎn)生電流的變化，對(duì)此加以判斷，但需要在車(chē)輪上安裝磁片，將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行對(duì)車(chē)速的測(cè)量。 方案二：采用 紅外光電傳感器 進(jìn)行檢測(cè)。 車(chē)輪軸 轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤(pán) 邊緣 上刻有許多圓孔 ，碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)射光透過(guò)狹 縫被接受元件接受。用計(jì)數(shù)器對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。用這種方案能很精確的算出小車(chē)已經(jīng)走過(guò)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(wèn)題 ，最終選擇方案二。 語(yǔ)音報(bào)站模塊的選擇 方案一：采用 ISD4004 語(yǔ)音芯片。 ISD4004 系列單片錄放時(shí)間為 8 至 16 分鐘 ， 音質(zhì)好 ， 適用于移動(dòng)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(jià)格較貴。 方案二：采用 ISD1700 語(yǔ)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(dú)立按鍵模式和 SPI 控制模式。芯片內(nèi)有存儲(chǔ)管理系統(tǒng)來(lái)管理多段語(yǔ)音，這樣在獨(dú)立按鍵模式下也能進(jìn)行多段語(yǔ)音錄放，而且它價(jià)格也較低廉。 考慮到成本以及錄音時(shí)間方面的問(wèn)題，在此選擇方案二。 無(wú)線傳輸模塊的選擇 方案一：采用 模擬信號(hào) 通訊。通過(guò)無(wú)線電的遙控來(lái)發(fā)送高低電平，接收器根據(jù)接收到的信號(hào)，來(lái)響應(yīng)發(fā)送的信息，但它有受環(huán)境干擾大的缺點(diǎn)。 方案二：采用 RFC1100B 無(wú)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(wú)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(jì)（論文） 10 小結(jié) 本結(jié)提出了系統(tǒng)的總體框圖，簡(jiǎn)單闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思量，并對(duì)智能小車(chē)系統(tǒng)中要用到得各個(gè)模塊進(jìn)行方案論證。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 3 主 控模塊設(shè)計(jì) 控制電路由 ATmega16 單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成。控制模塊框圖如圖 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(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期（工作于 16 MHz 時(shí)性能高達(dá) 16 MIPS），它擁有只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器，能極大的提升運(yùn)算速度。 ATmega16 引腳圖如圖 32 所示。 它有兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，這能良好的實(shí)現(xiàn)小車(chē)在站臺(tái)停 5 秒 的定時(shí)，也能對(duì)從車(chē)速測(cè)量模塊上得到的信號(hào)計(jì)數(shù)，從而計(jì)算得到所需的小車(chē)行駛速度。 它還自帶四路 PWM 輸出：在本設(shè)計(jì)中利用其中兩路 PWM 輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩電機(jī)速度的控制。而且它的功耗極低（在