一种新型防冲闯系统设计

摘要：阻车钉是当前大规模应用于武警部队执勤的装备，是官兵在执行武装设卡任务时有效拦截违法冲闯车辆的利器。但当前装备的阻车器材比较笨重，操作灵活性差，拆装不方便[1]。本文设计的是一种新型防冲闯系统，利用多普勒效应对汽车的速度进行测算，当车辆超速时，将启动声光报警装置，同时自动弹起阻车钉，阻止车辆继续行驶。该设备具有自动识别，有效控制，可靠性高等优点。

关键词：多普勒效应；单片机；速度传感器；阻车钉

处在执勤一线的武警官兵以及反恐一线的特战分队迫切需要一种高效、可靠、携带方便的车辆拦截装置，用以安装在通往金库、监狱、核电站、军事基地、政府要害部门等营门和道路检查站上。该阻车装置通过对车辆有效拦截，从而防止违法犯罪分子驾车逃窜，强行冲卡、冲撞等行为的发生。将危害源阻挡在远离重要设施的位置。降低执勤官兵的困难和风险，为圆满完成执勤任务提供了坚实保障。因此研究设计一个自动化、轻便化的智能新型防冲闯系统将为执勤官兵在执行设卡任务和营区防冲闯中有十分重要的作用。

1＼系统整体结构设计

本设计将利用模拟电路和数字电路以及C语言知识，以单片机作为主控制器，利用超声波模块计算通行车辆的行驶速度，当行驶车辆超过设定速度时，立即判断车辆处于闯卡状态，此时立即启动声光报警装置并弹起减速带中的阻车钉，对通过的车辆轮胎进行物理穿刺，使其失去继续前进的动力，达到阻停目的。当使用者按下复位键时停止报警，同时自动回收阻车钉。系统设计如图1所示：

2、測速模块构建

防冲闯系统用于监测运动的车辆是否超速对应的模块即为测速模块，本文采用多普勒效应原理进行测速。

2.1测速方案设计

测速模块用于监测营门外和车道上的车辆是否超速，设计方案有如下几种：一：采用对射式光电传感器测量运动物体的速度。当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关断开，反之打开，当有车辆通过时，光电开关将会产生负脉冲信号。通过前后两组对射式的光电模块，就可以由时间差来计算车辆的运动速度。由于遮光式传感器对物体十分敏感，如果不是车辆通过而是其他物体进入时也会报警，这就容易造成误报的情况且气象条件等等都会对识别采集有很大的影响。二：采用超声波传感器，是一种实现声、电转换的装置。这种装置可以发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应的电信号。系统采用分体式单晶直探头。

综合比较，本设计采用超声波传感器来进行测速从而判断是否超速并拦截。

2.2运动车辆测速模型

车辆在运动时超声波发向某一方向发射超声波，发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。具体使用时差法测速。图2为时差法测速示意图。

时差法测速适用于低速运动物体，设第一次从超声波发射到接收的时间为 ，收到回波信号后再发一次超声波信号，第二次的收发间隔时间为 。则第一次超声波信号到达物体时发射探头与物体之间距离为 ，第二次超声波信号到达物体时发射探头与物体之间距离为 ，则物体的运动速度 可由下式得到[5]

3、车辆拦阻结构设计

系统识别车辆处于超速状态后，声光报警的同时，道路中减速带内置的阻车钉弹起，通过针刺将汽车轮胎迅速刺穿，使其迅速泄气失去继续前进的动力，达到阻停目的。备勤人员和友邻分队可以听到报警声迅速增援现场处置情况。

阻车装置主要有刺钉、联动杆、减速带、从动轮、驱动轮组成。其侧面剖视图如图3所示。

其中，阻车钉的单元由支架、刺钉、转轴构成，刺钉用圆锥型针刺，对于大部分的汽车轮胎，25mm是最佳刺破长度，选型时以此长度为有效穿刺部分。通常刺钉底部有支架，在车辆往下压的同时，会给钉子很大的压力，容易使其弯曲变形。本设计中，钉子底部与地面直接接触，不容易被运动的车辆损坏。钉子结构如图4所示：

我国道路上行驶的机动车的轮胎宽度一般为185mm-215mm，为了保证拦截的有效性，在减速带间隙中每隔180mm中就布置一列钉子，每列设3-4个钉子，其中第一枚放置在减速带的斜面下，与斜面成45度，更易将钉子刺破车胎，其余放置在顶部水平面上，放置方式与前面保持一致。如图5为布置道路上的减速带内阻车钉排布示意图。

每排钉子用一根定轴连接各排位置相同的钉子，使之牵一发而动全身，提高拦阻率，确保成功拦阻目标。同时为了方便拆装，每段减速带各截都可以分离，各段连接着钉子的轴用螺钉连接在内置于减速带内的螺口处，便于统一收放，既确保了阻车带的有效控制，又便于使用。如图6为道路阻车带布置模型。

4、系统硬件选择和方案设计

当检测到有车辆企图超速冲闯时，或者在检查点突然加速冲闯时，声光提醒直接有效。本设计使用蜂鸣器报警以及LED灯作为报警装置。为了保证报警的有效性，当用户按下确认键则报警装置停止报警。设计具体采用液晶LCD1602作为显示设备，能同时显示多个字符；使用有源蜂鸣器作为信息提示器件；关于阻车方案选择，因为车道上和出入营门的车流量较大，考虑到通行方便，选用平时处于非工作状态的阻车结构[2]，即发现紧急情况后立即升起，因此对反应时间的要求很高。系统具有以下重要功能：

1、具有定时检测通行车速的功能；

2、具有声光报警功能；

3、具有按键确认功能；

4、具有速度区间设置功能；

5、具有联动牵引功能；

6、具有自动复位功能；

5、系统软件设计

该系统是用单片机作为主控制电路，因此需要软件编程来实现设计的功能，本设计将使用keil软件作为软件编程工具，图7为软件实现流程图。

单片机程序从主程序开始执行，系统进入主程序后先进行定时器初始化，液晶初始化和超声波传感器初始化，然后利用超声波传感器测量车速，将当前车辆行驶速度显示在液晶显示器上。并判断测量的速度是否超过设定值，当超出设定值则启动蜂鸣器和LED灯报警，同时弹起阻车钉。然后对按键进行扫描，当检测到确认按键按下时，报警停止，阻车钉复位。

6、总结

本文所设计的智能防冲闯系统采用超声波测速传感器来判断车辆是否超速，若超过设定速度则启动报警装置并使车辆拦阻结构进入工作状态，其中阻车模块设计新颖，使用方便，可以降低阻车结构在使用过程中的损坏率。该系统相对已有阻车设备而言具有轻便和智能等优点。因此是官兵在执行武装设卡任务时有效拦截违法冲闯车辆的利器，能适应任务需求且不影响道路通行效率。另外，在速度的测量精度以及容错机制[3]方面有待完善，以减少其失误率，从而减少警力资源的浪费。

参考文献：

[1]李成. 阻车原理、技术分析与初步研究[J]. 国防技术基础， 2009，8-10.

[2]张华坤，马春生，张帆等.提高阻挡大型机动车辆路障效率的研究[J].汽车技术，2006（s1）：81-84

[3]祝敏. 超声波测距误差分析及修正方法[J].计量与测试计术，2009，36（2），21-24.