一种用于大型车辆的交通灯识别与预警装置的制作方法

本实用新型涉及一种交通灯识别与预警装置，具体来说是一种安装在公交车等大型车辆上，通过机器视觉和图像处理技术识别前方交通灯信息，结合车速和车距检测系统进行综合判断，然后通过LED显示屏和扬声器，对大型车辆侧后方的车辆进行预警的智能报警设备。

背景技术：

交通信号灯是交通管制的主要手段之一，对于疏导交通流量，提高道路通行能力都起到了关键性的作用，所以保证交通信号灯信息的准确传达尤为重要。但是交通信号灯安装位置与角度都是固定的，在十字路口，当前方有大型车辆时，尾随其后的车辆往往看不到交通信号灯。而大型车辆起步慢，有可能在通过的同时，交通灯已由绿变红，后面的车辆如果跟随，则容易引发各类违反交通规则的行为，甚至导致交通事故；如果选择等待，又容易造成交通堵塞。为了减少此类状况的发生，开发一款能够安装在大型车辆后部，以文字、形状、声音等方式对大型车辆侧后方的车辆进行预警的智能报警设备，就显得十分必要了。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于大型车辆的交通灯识别与预警装置，它能够通过车辆顶部的摄像头捕捉车辆前方交通灯的图像信息，并通过芯片分析识别交通灯状态，然后再传递给车辆尾部的LED显示屏显示文字、形状等视觉信息，并同时通过扬声器播报实时交通灯的颜色、形状、时间等状态，以大型车辆为中心，向周围扩散交通信号灯的即时信息，从而避免因大型车辆遮挡交通灯所带来的种种不便。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型提供的一种用于大型车辆的交通灯识别与预警装置，包括摄像头、LED显示屏、扬声器、超声波车距探头和主机，其特征是：摄像头安装在大型车辆顶部中央，LED显示屏、扬声器和超声波车距探头安装在大型车辆尾部，主机安装在驾驶员座位附近，摄像头、LED显示屏、扬声器、超声波车距探头均通过线缆与主机电连接。

所述的主机包括主控电路模块，以及与主控电路模块电连接的电池、外部控制模块、车载车联网模块、车速检测模块、视频采集模块、交通灯识别模块、超声波距离检测模块、电源及电池管理模块、LED显示模块和音频模块；其中，视频采集模块与摄像头电连接，超声波距离检测模块与超声波车距探头电连接，LED显示模块与LED显示屏电连接，音频模块与扬声器电连接。

所述的LED显示模块内部装有SD存储卡。

所述的外部控制模块上装有触摸屏幕和USB接口。

所述的电源及电池管理模块与车辆点烟器接口连接，以取得设备所需电源。

本实用新型产品的优点在于：在功能上，本实用新型能有效避免因前方车辆遮挡，而无法及时了解交通灯信息的情况发生，还能够降低因疲劳驾驶等无法及时识别红绿灯信息变化而违反交通规则的概率。在技术上，通过高清摄像头对路口交通灯进行智能捕捉，再利用图像处理技术对交通灯进行识别，通过算法多次滤波消噪，保证识别的准确率。通过文字和形状显示交通灯信息，挂在大型车辆尾部，有效解决了遮挡视线的问题。还能够同时语音播报，提供听觉上的反馈。另外，在正常行驶过程中，可以播放简单的广告，提高利用率，增加装置的实用价值。

附图说明

图1为本实用新型装置正侧面示意图。

图2为本实用新型装置侧后方示意图。

图3为本实用新型的电路设计框图。

图4为本实用新型的主控电路图。

图5为本实用新型的电池管理电路图。

图6为本实用新型的视频信号采集电路图。

图7为本实用新型的LED显示模块电路图。

图8为本实用新型的SD卡电路图。

图9为本实用新型的超声波距离检测电路图。

图10为本实用新型的音频电路图。

图11为本实用新型的外部控制电路图。

图12为本实用新型的车速检测电路图。

图13（1）-（3）为本实用新型的交通灯识别电路图。

图14为本实用新型的车联网模块电路图。

图15为本实用新型的稳压电路图。

图16为本实用新型的摄像头电路图。

图17为本实用新型的工作流程图。

图中：1、摄像头，2、LED显示屏，3、扬声器，4、超声波车距探头，5、外部控制模块，6、车载车联网模块，7、车速检测模块，8、视频采集模块，9、交通灯识别模块，10、超声波距离检测模块，11、电源及电池管理模块，12、LED显示模块，13、音频模块、14、主控电路模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

参见图1、图2和图3所示，摄像头1安装在大型车辆顶部中央，LED显示屏2、扬声器3和超声波车距探头4安装在大型车辆尾部，以上部分均通过线缆与主机电连接。主机部分安装在驾驶员座位附近，主机内部装有电池、外部控制模块、车载车联网模块、车速检测模块、视频采集模块、交通灯识别模块、超声波距离检测模块、电源及电池管理模块、LED显示模块，它们均与主控电路模块电连接。此外，LED显示模块内部装有SD存储卡；外部控制模块上装有触摸屏幕和USB接口；电源及电池管理模块与车辆点烟器接口连接，以取得设备所需电源。

如图4所示，主控电路是由AT89S52及其附属电路构成的一个单片机准系统，由晶振XTAL和两个30PF的电容构成起振电路，由电容的充放电和触摸屏可以构成上电复位和触摸屏复位两种复位方式，还有用LM1117-3.3V和LM1117-2.5V两个降压稳压芯片可实现5V转换为3.3V、2.5V、1.8V和1.2V为部分需要电路满足电压要求。

如图5所示，电池管理电路是以TP4057为主控芯片，TP4057可以适合适配器电源工作。由于采用了内部PMOSFET架构，加上防充电路，所以不需要外部检测电阻器和隔离二极管。热反馈可对充电电流进行调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，TP4057将自动终止充电循环。在电源与电池管理电路中红灯表示未充满，绿灯表示充满。

如图6所示，视频信号采集电路是基于ADV7181D和FPGA技术。ADV7181D是一款高质量、单芯片、多格式视频解码器和图形数字化仪。这款多格式解码器支持将复合视频或S视频形式的PAL、NTSC和SECAM标准信号转换为数字ITU-R BT.656格式。ADV7181D还支持将RGB/YPrPb分量视频信号解码为数字YCrCb或RGB像素输出流。支持的分量视频包括525i、625i、525p、625p、720p、1080i等标准，以及许多其它高清和SMPTE标准。ADV7181D也支持图形数字化，能够对VGA至XGA速率的RGB图形信号进行数字化处理，将其转换为数字DDR RGB或YCrCb像素输出流。此外，ADV7181D能够同时处理CVBS和标清RGB信号，从而支持SCART和叠加功能。这些信号的混合由快速消隐(FB)引脚控制。ADV7181D主要包含两个处理部分。第一部分为标清处理器(SDP)，可处理所有类型的PAL、NTSC和SECAM信号。第二部分为分量视频信号处理模块(CP)，可处理YPrPb和RGB分量格式，包括RGB图形。

如图7所示，LED屏幕电路是通过74F138选择通道连接三极管给LED足够的驱动电流使其点亮。74F138是高速三八译码器。74F138与74LS138相比,具有更高的速度。当选择到74F138的输出口时，该口输出低电平，三极管即导通选中液晶屏点亮。

如图8所示，SD卡电路由SRAM芯片ISSI IS61WV51216ALL / BLL和IS64WV51216BLL是高速8M位静态RAM，按16位组织为512K字节。它是使用ISSI的高性能CMOS技术制造的。

如图9所示，超声波距离检测是直接使用URM37超声波测距模块。超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

如图10所示，音频模块是由VS1003芯片构成。VS1003是一个单片MP3/WMA/MIDI音频解码器和ADPCM编码器。它包含一个高性能，自主产权的低功耗DSP 处理器核VS_DSP4,工作数据存储器，为用户应用提供5KB的指令RAM和0.5KB的数据RAM。串行的控制和数据接口，4个常规用途的I/O口，一个UART，也有一个高品质可变采样率的ADC和立体声DAC，还有一个耳机放大器和地线缓冲器。VS1003通过一个串行接口来接收输入的比特流，它可以作为一个系统的从机。输入的比特流被解码，然后通过一个数字音量控制器到达一个18 位过采样多位ε-Δ DAC。通过串行总线控制解码器。除了基本的解码，在用户RAM 中它还可以做其他特殊应用，例如DSP 音效处理。

如图11所示，外部控制电路由拨码开关和74LS138译码器构成。当选择到某一路时，该路为低电平，给主控电路一个信号，再进行下一个操作。

如图12所示，车速检测电路是由霍尔传感器检测车速，在通过信号预处理电路，经单片机处理后存储在AT24C02中。霍尔传感器按被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。所以可以用霍尔传感器来作为车速检测装置。

如图13所示，交通灯识别电路是由FPGA（Field－Programmable Gate Array）作为视频处理芯片，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA内部集成锁项环，可以把外部时钟倍频，核心频率可以到几百M，而单片机运行速度低得多。在高速场合，单片机无法代替FPGA。FPGA内部程序并行运行，有处理更复杂功能的能力，单片机程序是串行执行的，执行完一条才能执行下一条，在处理突发事件时只能调用有限的中断资源；而FPGA不同逻辑可以并行执行，可以同时处理不同任务,这就导致了FPGA工作更有效率。因此，FPGA作为视频信号处理具有很大的优势。

如图14所示，EST527车联网模块，是一款车规机的车联网标准模块OBD协议数据解析产品。该模块AT指令集简单易用，EST527车联网OBD模块，采集记录开始行驶时间、结束时间、总油耗等驾驶行为习惯等数据，常用车速、转速、水温、电压、OBD故障码信息，将数据通过通信传输到后台。车联网大数据，整合OBD、GPS等，获取车辆汽车数据、地理位置信息、驾驶行为习惯数据。

如图15所示，稳压电路由MC34063作为主要芯片，将来12V的电压转为5V。MC34063芯片本身包含DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。

如图16所示，摄像头以OV7670作为视频采集，采用了FIFO作为数据缓冲。由于采用了FIFO做为数据缓冲，数据采集大大简便，用户只需要关心是如何读取即可，不需要关心具体数据是如何采集到的，这样可减小甚至不用关心CMOS 的控制以及时序关系，就能够实现图像的采集。

所述的用于大型车辆的交通灯识别与预警装置，其具体操作方法是：

（1）将主机安装在车内，从车辆引入12V直流电，一方面通过电源及电池管理模块给电池充电，另一方面通过电源及电池管理模块给设备供电。

（2）当驾驶员按动安装在仪表盘上的触摸屏后，摄像头开始工作，并将捕捉到的实时图像传输给视频采集电路进行特征提取与选择。交通灯识别模块将分析出交通灯的形状和特性，并将信息传递给主控电路模块。

（3）当设备通过车速检测模块和超声波距离检测模块检测到速度处于20km/h以上或车后方20米内没有车辆时，LED显示模块将SD卡中的广告视频显示在LED显示屏右下角，并将由车载车联网模块传输来的位置、天气以及紧急新闻等信息显示在LED显示屏右上角。

（4）为避免模式切换过快或者其它干扰造成的不当切换。速度处于10~20km/h时，属于缓冲区，车辆加速，系统功能保持不变。当车速检测模块检测到车辆速度处于10km/h以下且超声波距离检测模块检测到20米内有车辆时，主控电路模块则将步骤（2）中收到的交通灯信息传给LED显示模块，超声波距离检测模块测得的本车与后车距离在LED显示屏模块左上角以较大字体显示，提醒后面驾驶员，同时音频模块将交通灯信息语音播报。若交通灯为圆形交通灯，LED显示屏以文字形式表示红、绿、黄三种灯；若交通灯为箭头交通灯，LED显示屏将箭头形状表示在屏幕上；若交通灯带有时间，则将时间在文字下显示。