交运学院设控专业基于GPS和超声波回弹综合预警道路坑洼、 障碍的研究朱浩铭.doc

交运学院设控专业基于GPS和超声波回弹综合预警道路坑洼、 障碍的研究朱浩铭重庆交通大学第五届全国交通科技大赛 暨第十一届全国大学生交通 科技大赛项目名称论文作者： 朱浩铭刘紫扬付榆杨洋指导教师： 杨磊竞赛小组：交通设备与控制工程基于GPS和超声波回弹综合预警道路坑洼、障碍的研究作者：朱浩铭、刘紫扬、付榆、杨洋指导老师：杨磊（重庆交通大学交通运输学院重庆400074）摘要：交通运输业是继工业和建筑业之后的第三大排放源，城市交通 的碳排放在城市整体的碳排放结构中占据较高的比例近年来随着城市机 动化水平的提高以及交通运输业对油品的消耗较大的用能特点，城市大气 环境污染严重，城市质量每况愈下，所带来的环境问题也越来越严重怎 样缓解高速公路以及全国省道的道路拥堵、交通事故问题并且可以有效的 解决环境污染问题一直是交通运输行业的关注热点如车辆能在公路上顺 利前行，能够安全到达目的地，在一定程度上可以缓解交通拥堵、事故以 及环境污染问题而道路坑洼、破损的排水井盖、路面障碍往往会导致车 辆损坏、爆胎，甚至酿成交通事故，威胁到驾驶人员及乘客的生命经我 们小组研究讨论，发现利用超声波回弹技术结合GPS的定位功能可以冇效 的去检测道路混凝土的抗压程度以及预测路障，从而检测出道路坑洼、破 损排水井盖以及路面障碍等问题，通过语音提示，避开路障，可以缓解高 速公路以及国省道因为交通拥堵，事故发生带来尾气的超标排放，实现节 能减排，因此超声波回弹综合技术结合GPS定位的强大功能也就成为我们 小组研究方向的突破口。

考虑到驾驶员的需要，我们应用超声波回弹综合 技术的原理将其设计成外形美观、易于安装的车载设备，整套系统所使用 的技术成熟，实现方法简单，成本低廉，具有较强的可行性和良好的应用 前景关键词：回弹综合GPS定位系统道路坑洼云技术节能减排11•研究背景目前，有很多司机开车时会发现路面坑洼对汽车非常损耗，包括正在 学车的人们也会发现机动车考试中会出现，下雨天低速行驶的原因是地面 积水会把地面的坑洼掩盖住看不见，导致司机开车进入坑洼使汽车受损, 出现爆胎问题，从而带來交通堵塞等一系列问题，冇数据显示，同一辆时 速40公里机动车排污量高于时速80公里机动车排污量的30%,时速20 公里机动车排污量高出时速80公里排污量70%,由此可见，车速对汽车 排污量有着很大的影响，道路坑洼导致整体流速下降，频繁刹车和启动会 大大增加耗油量，造成的污染必然倍增，如果道路坑洼严重，车速过快, 将直接威胁驾驶员及乘客的安全为此在智能交通行业发达的欧洲、美国、 日本便致力于研究新的技术用于防止道路坑洼、障碍对汽车行驶过程中的 危险的发生，日前，英国捷豹路虎研究人员正在研究如何通过云技术，让 所有车辆都可以共享路面数据，从而及时向驾驶人员发出坑洼路面的预警 捷豹路虎与考文垂市议会开展合作项B,研究如何通过与道路主管机关的 数据共享，提高道路维护的速度和效率。

捷豹路虎正在研究一项新的车载 互联技术，该技术使得车辆能够探测出坑洼路面、破损的排水渠盖与井盖 的位置及严重程度，并通过云技术与其它车辆和道路主管部门实时分享这 些数据道路主管部门则可根据数据反馈，判断出哪些道路需要优先展开 维护工作如果能收到其它车辆发出“前方道路有严重坑洼路面或井盖破损 情况”的警示，行车驾驶员就能通过减速来避开危险一一或通过调整悬挂 设置，降低路面对车辆的影响，确保驾驶稳定性，从而减少爆胎、车轮与 车辆损坏以及道路交通事故的发生但是，“目前，最精确的数据只能来源于车辆已经通过坑洼路面或破 损井盖J Mike Bell博士补充道，“因此我们正在研究如何通过扫描前方道 路的路况，改进对坑洼路面的检测及其准确度，以便车辆提前知晓前方坑 洼的严重程度/由此，我们可以知道捷豹路虎试图通过云技术让所有汽 车达到资源共享，通过调研，结合国内外的研究现状，我们认为采用由超 声波回弹综合原理制成的车载装备结合GPS定位系统便可以实现对道路坑 洼、障碍的检测，从而预警提醒驾驶人员，此车载装备主要利用回声定位 原理，通过对数据的处理，采用A/D转换技术，使其具有精准定位导航、 规划路线、探测障碍、定位追踪、普遍便捷等诸多优点。

22. 设计原理2.1超声回弹综合技术：超声回弹综合技术是目前我国使用较广的一 种结构中混凝土强度非破损检测方法我们小组运用这个技术来检测路面 的抗压程度以及路面的井盖是否破损超声回弹综合法，将反应结构内部 质量的超声波声速值和表面硬度的冋弹值科学的融合起来，同时避免了表 面碳化对混凝土整体强度推定的影响，由此推定的混凝土抗压强度，与单 …方法比较，检测结果更为接近混凝止的真实强度图1-1这个就是超声回弹仪的样子，它大概有一下几种功能：1、超声综合 法检测混凝土抗压强度；2、混凝土结构内部缺陷；3、混凝土构件裂缝深 度；4、混凝土基桩完整性我们小组就运用这个技术來检测前方的道路是否可以允许汽车通过, 比如过一座桥时，通过这个仪器检测出来桥的承重能力是否可以接受这辆汽车的重 量如下图图1-23又比如前方的道路上井盖破损而又是晩上，司机无法看清，那么这个 仪器也起到了提醒的功能，它可以提前探测出前方道路有问题并及时提醒司机如下图图1-32.2 GPS 技术运用：全球定位系统(GPS, Global Positioning System)是 一种卫星导航系统卫星导航系统通过接受导航卫星发送的导航定位信号 并以导航卫星作为动态己知点，实时地测定运动载体的在航位置和速度, 进而完成导航。

GPS有以下儿个特点：1、全球地面连续覆盖由于GPS卫星的数目 较多，且分布合理，所以地球上任何地点均可以同时观测到至少4颗卫星， 从而保障了全球全天候连续地三维定位2、 功能多，精密高GPS可为各类用户连续地提供动态的三维位置、 速度和时间信息利用C/A码单点定位精确可达到0.3m/s,测时精度可达 到500nso利用P码单点定位可达到3m,测速精度可达到O.lm/s,测时精 度可达到100nso3、 实时定位利用GPS导航可以实吋地确定运动目标的三维位置和 速度，由此既可保障运动载体沿预定航线运行，也可实时监视和修正航行 路线，并可选择最佳路线我们小组利用GPS的特点可以实时将道路上的路况监控着，只要在汽 车行驶的道路上出现坑洼，修路，车祸等交通事故，就可以通过卫星将信 号发送给提醒司机，并规划4好另一条道路图1-42.3云技术：在前面提到GPS技术的运用，大家会很疑惑为什么卫星 能及时将信息发送到汽车上这里就要运用到云技术了，云技术(Cloud computing),分布式计算技术的一种，其最基本的概念，是透过网络将庞 大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所 组成的庞大系统经搜寻、计算分析后将处理结果传回给用户。

通过这项技 术，网络服务提供者可以在数秒之内，达成处理数以千万计甚至亿计的信 息，达成和“超级计算机”同样强大效能的网络服务管理中间件和资源 池层是云计算技术的最关键部分，SOA构建层的功能更多依靠外部设施提 供，应用提供服务运用车联网将汽车出行的消息实吋地发送出去，通过 云处理将汽车将要行驶的路段进行分析最后快速的返还给汽车做到消息 的即时传递2.4数字音频技术：数字音频计算机数据的存储是以0、1的形式存取 的，那么数字咅频就是首先将音频文件转化，接着再将这些电平信号转化 成二进制数据保存，播放的时候就把这些数据转换为模拟的电平信号再送 到喇叭播出，数字声音和一般磁带、广播、电视中的声音就存储播放方式 而言有着本质区别相比而言，它具有存储方便、存储成本低廉、存储和 传输的过程中没有声音的失真、编辑和处理非常方便等特点5我们小组就是用这个來处理汽车接受到的信号，将汽车接受的信号转 化成声音，这样可以使司机更容易、更方便的解决接下来的事件2.5 AD转换技术：AD转换就是模数转换顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字 量模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位 移、声音等非电信号。

但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必 须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号A/D转换后，输出的数字 信号可以冇8位、10位、12位、14位和16位等说白了就是可以将声音 转换成图像的一种技术因为考虑到有些情况下声咅并不能很好的描述出 事件的全貌，这时图像就可以很好的充当一个辅助理解的工具，可以加强 用户对事件作出的反应速度以及反应方法2.6设计与实现：在前面我们提到了许多设计的原理以及技术可能会 使得读者们不清晰，因为我们是分开写的在这里我们也进行了一番整理, 将整个研究的结果进行了一次连贯性的介绍首先是GPS定位已经把路况 给记录了下来并输送到大数据里面，而且会实时地更新数据当汽车在路 面上行驶时并将要路过某一段路面（有问题的道路），那么数据会及时的 通过云技术计算并传送到汽车上但是这个时候汽车接受到的只是一些信 号，那么这些信号必须通过一些处理才能转换成用户们能理解的声音和图 像这里就是数字音频技术和AD转换技术的应用，信号必须通过这些技 术的处理之后，才能将路面上的实时路况通知用户用户会根据自己所获 得的消息进行判断和作出反应然后是汽车上面的超声冋弹综合技术的运 用，汽车在行驶的过程中，汽车上面发出超声波对前方的路面进行检测, 可以检测前方道路上是否冇坑洼，是否井盖破损，或者道路内部的抗压程 度等都可以检测出来。

并及时的返还给汽车，这里也同上面一样运用数字 音频技术和AD转换技术将返还的信号处理成用户可以理解的声音和图像3.创新特色 本系统主要冇以下创新点（1） 精确定位导航：采用GPS定位系统可以精确到单点定位可达到 3m,测速精度可达到O.lm/s,测时精度可达到100nso（2） 超声波探测：首次想到将超声波探测运用到汽车上面，可以实 现许多智能的功能（3） 与英国捷豹路虎致力研究让每一台汽车达到信息共享的车联网 技术相比，本系统采用的超声回弹综合技术可以讣每一台汽车作为一个单 独的数据源，通过对数据的采集，分析，综合，从而预警前方道路情况64. 应用前景目前，随着我国城市进程化加快，解决城市交通拥堵以及城市环境污 染问题刻不容缓，国内高速公路建设突飞猛进，但是由于长期的磨损导致 出现路面状况的高低起伏，由此给驾驶员带来了习以为常的困扰长期的 不平整及车流过大，始终是存在安全隐患的，而且其拥堵带来的环境污染 更是不可估量的，据调查，捷豹路虎致力于寻找一项新的车联网技术预警 道路坑洼的研究尚在成功的路上，因此，道路坑洼的预警的研究项目在国 内外尚是空白本项目基于我国高速公路发展状况，利用超声波回弹综合的原理将英 设计成轻巧便捷、大众化产品作为车载设备，与GPS定位系统结合，形成 强大的车联网模式下的道路预警系统，从而预知路面何处有状况，提醒驾 驶员提前做好应急的准备，减少道路事故发生。

其应用前景甚为可观参考文献⑴薛珊荣、徐吉谦.城市交通工程及街道规划设计•中国建筑工业出版 社；1988:[2] 史忠科，等.交通控制系统导论.北京：科学出版社，2003[3] 刘智勇.城市交通控制理论及其应用.北京：科学出版社，2003[4] 张小京•车载导航产品的数字地图格式•全球定位系统，2004 (1)：6-9[5] 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法•北京：科学出版社，2003。