汽车场地教考智能监控系统的研制

李红涛

(湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

1 项目背景

公安部七十一号令的规定，汽车驾驶人考试科目分为道路交通安全法律、法规和相关知识考试科目(“科目一”)、场地驾驶技能考试科目(“科目二”)和道路驾驶技能考试科目(“科目三”)。传统的科目二考试采用人工方法判别考试结果，由于监考人员主观因素的参与，使得考试结果的公平性、精确性和严谨程度都大打折扣。

现代电子技术的飞速发展，计算机自动化和机电一体化的普及应用，使得场地考试结果自动化判别成为可能，正是基于这种背景之下，湖南省交通科学研究院展开了汽车场地教考智能监控系统的研制。

2 模型建立

场地驾驶技能考试的场地布置如图1所示，根据考试车型的不同，车库的大小和边线的位置可根据相关规定由汽车的长和宽计算得到。

汽车场地驾驶技能考试的流程为:考生驾驶汽车从起始位置倒车，进入车库二，移库进入车库一，然后从车库一将车行驶至起始位置的对侧，停稳后再次倒车进入车库一，倒车完成后最终将车辆行驶至起始位置，完成一次考试流程。整个考试过程中不允许因考生误操作导致车辆熄火，不允许车辆违规触碰车库边线，不允许车辆触碰任何一个桩杆，不允许在倒车和前进过程中两次以上停车，否则视为考试不及格。

图1 汽车场地驾驶考试场地布置图

从考试流程的要求可以找到判断考试结果的四个关键信息:

1)车辆的行驶状态:前进、后退和停车;

2)车库边线的状态:车辆行驶过程中是否违规触及到车库边线;

3)桩杆的状态:车辆行驶过程中是否碰撞到任何桩杆;

4)发动机运行状态:正常运转和熄火。

下面将详细介绍系统是如何监控这几种状态的:

首先，在汽车轮胎上安装车轮传感器监控汽车运动状态。汽车行驶过程中带动车轮传感器转动，根据转动的方向不同，判断车辆的前进、后退和停止的运动状态。系统研发的初期，采用的是发电机式的车轮传感器，这种较为经济型的传感器在测试的阶段能够满足系统的需求，但在实际使用的过程中却出现了种种的小问题，比如:倒车车速较低时无法准确判断为倒车状态，汽车起步瞬间运动状态判断不稳定等，影响了系统整体的稳定性。为了准确判断汽车运动状态这个对本系统最为关键的参数，采用了更为先进的光电式轮轴编码器作为车轮传感器，它可在低速状态时产生稳定的脉冲信号，消除了汽车低速行驶时状态不稳定的干扰。光电式轮轴编码器随车轮转动的过程中产生二进制编码，安装在汽车上的车载控制器接收编码进行计数，能够精确计算得到汽车前进或者后退的距离，距离达不到一定要求的运动状态，视为不稳定运动状态，在车载控制器的单片机软件中对不稳定运动状态进行消除，最终能够精确的对车辆运动状态进行判断。

其次是车库的边线状态，它是判断车辆在场地位置的重要信息。车库的边线状态判断较为简单，系统采用的是对射式红外开关来模拟车库的边线，边线的一端安装红外线发射器，另一端安装红外线接收器，单个考试场地采用六对红外开关勾勒出车库的六条对应边线。根据车辆是否遮挡来自红外线发射器发出的光线，在红外接收器的输出信号触点可以采集到不同的电压状态。本系统根据采集到的信号，判断车辆位置。由于红外线属于不可见光，肉眼不方便直接观察，所以在红外接收器的一端，加装高亮度红色LED指示灯，方便安装调试人员判断当前红外线发射器是对准正接收器，如LED灯常亮，说明已经对准;否则需要继续校正对准。

接下来说明的是桩杆的状态。检测桩杆状态的桩杆传感器由强磁铁和磁敏开关两部分组成，强磁铁固定于场地水泥地面，略突出地表。磁敏开关选用普通的开关型霍尔传感器，安装于桩杆底部，当桩杆处于复位位置时，霍尔传感器处于磁场内，受磁场的作用，霍尔传感器导通;反之，当桩杆被撞远离磁铁时，霍尔传感器断路。系统通过判断桩杆传感器的通断状态，判断汽车是否在行驶过程中碰到桩杆。

最后一个需要的信息是发动机的运行状态。通常都知道，发动机正常转动时候会带动车上的发电机发电，供给全车电器的用电和电池充电，所以只需要检测发电机的输出点的电压就能够正确判断发动机的运行状态。然而车载发电机直接输出的电压有较大的高频不稳定毛刺，所以需要在检测触点的前段加装继电器来消除干扰而得到所需要的正确信号。

通过上述各种传感器采集到系统所需要的所有关键信息后，本项目建立了如图2所示的系统模型。

图2 汽车场地教考智能监控系统构成图

系统的大脑是监控工作站，它是一台安装有场地教考监控系统软件的计算机，实际使用时由交警监考员直接操作，可以发布考场指令、监控考试过程、查询考试成绩和打印考试结果等，所有考试相关信息存储在数据库中，可实时查询。监控工作站接收场地控制器上传的数据，对数据进行处理。

场地控制器收集场地内红外传感器和桩杆传感器的信息，与监控工作站通过RS485数据口进行通信，传输距离可达到1 km，能够满足实际场地的需求。场地控制器还通过无线传输的方式与车载控制器进行通信，在系统中起到数据传输上传下达的作用，是整个系统的心脏。

车载控制器采集车辆运行状态和发动机运行状态信息，并将信息以无线传输的方式发送给场地控制器。车载控制器是系统与考生之间的人机交互界面，内置语音芯片和扬声器，提示考生开始考试和播报考试结果。

在一次正常的考试过程中，考试准备就绪后，交警监考员通过监控工作站向场地控制器发送开始考试命令，场地控制器将开始考试命令转发给车载控制器，车载控制器用语音提示车内考生开始考试。

考生考试过程中，车载控制器收集发动机运动状态和车轮传感器检测得到的车辆运动状态，以无线传输的形式与场地控制器进行信息交换。场地控制器收集检测到的车库边线状态和桩杆状态，并将场地状态与车辆状态打包发送给监控工作站，由监控工作站对上传的数据进行分析，判断考试过程中是否出现违规情况或者正常完成考试，并将考试结果发送至车载控制器，打印考试成绩，完成一次考试过程。

本系统应用于驾校训练与考试过程类似，只是考生得到的语音提示为“开始训练”，结果判断与正常考试过程相同。

3 方案实施

系统通过模型的建立，提供了一套可行的汽车场地教考智能监控系统方案。但是考虑到实际应用的过程中，考试场地有限，可能会有大车考场和小车考场嵌套使用的需求，本系统在场地控制中配置两套单片机分别采集大车库和小车库的状态信息。由于单片机的工作电压与红外传感器和桩杆传感器的信号电压不同，通过反相缓冲器改变电压使之匹配。这样，场地控制器就能成功的采集到正确的场地状态信息，然后通过板载的RS485协议转换器将单片机采集的传感器数据传送给监控工作站。

系统还需要考虑的一个问题是，同一考试场地将会有多个车库同时进行考试，无线信号之间可能相互干扰。为了避免这种干扰，在同一考场不同车库采用不同的无线频率进行信号传输，避免互相干扰。但是由于民用无线传输频率相近，有可能会接收到相邻频率发送的信号，为了完全杜绝互相干扰的情况，对所有车载控制器进行编号，场地控制器将收到对应的车载控制器发送来的数据，验证后才将数据进行上传，避免了不同车库相邻频率的干扰。

另外，考虑到考试的严谨性，任何一个错误的数据可能导致误判考试结果，直接影响考试的公平公正，所以还需要对所有传输数据进行加密和校验，校验结果不符的数据视为无效数据。本系统数据校验采用的是串行通信中常用的CRC校验，经校验后被系统接受的数据都是真实有效的数据信息。

考虑了以上几点因素的汽车场地教考智能监控系统，已经成为一套完整的方案。经过在长沙、株洲、湘潭和益阳等地的实际应用证明，是一套经济、高效并且可靠的系统。

4 结束语

汽车场地教考智能监控系统是一套较为简单的系统，但它的开发具有典型的意义，是一套典型的计算机自动化应用案例，运用到了最新的计算机编程、机电一体化和嵌入式系统开发技术。它所采用的传感器信息采集、数模转换、数据传输和计算机数据处理等，是当前机电自动化系统普遍采用的产品研发模式。

［1］李传军.单片机原理及应用［M］.郑州:河南科学技术出版社，2007.

［2］阎 石.数字电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［3］王卫东.模拟电子技术基础(第2版)［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［4］谭浩强.C程序设计(第4版)［M］.北京:清华大学出版社，2012.

［5］明日科技.Visual C++从入门到精通(第3版)［M］.北京:清华大学出版社，2012.

［6］李全利.单片机原理及应用 C51编程［M］.北京:高等教育出版社，2012.