基于線陣CCD傳感器的道路劃線 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)*

郝 琳

(許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000)

1 引 言

近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)的公路建設(shè)速度也有了顯著提高，公路上車道及路標(biāo)的劃線工作任務(wù)和要求也隨之加大。傳統(tǒng)的公路劃線機(jī)在劃線前需要通過人工手推式噴涂機(jī)沿已知標(biāo)線進(jìn)行噴涂，工作量大且受人的影響較大，精度較差，不適合在高等級(jí)公路及城市道路上劃各種路面標(biāo)線[1]。針對(duì)這種現(xiàn)象筆者介紹了基于TCD1206線陣CCD圖像傳感器的閉環(huán)尋跡道路劃線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。基于CCD的圖像傳感器技術(shù)憑借其優(yōu)勢(shì)近些年來取得了迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。在公路劃線的應(yīng)用中既可以節(jié)約人力與時(shí)間，又可以使噴涂出的路標(biāo)線整齊歸一。

2 基于線陣CCD圖像傳感器的閉環(huán)尋跡系統(tǒng)工作原理

為使工作車自動(dòng)跟蹤已知的標(biāo)記行走，必須有標(biāo)線監(jiān)測(cè)裝置和方向控制機(jī)構(gòu)。如果能對(duì)于已知標(biāo)線進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并反饋給尋跡系統(tǒng)，當(dāng)車的行走方向與已知標(biāo)線發(fā)生偏離的時(shí)候，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整行進(jìn)方向，構(gòu)成由標(biāo)線給定到車輪位置的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，以車輪位置為控制目標(biāo)，就可以完成跟蹤標(biāo)記行走的任務(wù)。

采用線陣CCD圖像傳感器，配以標(biāo)線位置檢測(cè)環(huán)節(jié)，采集到的信號(hào)由單片機(jī)比較車輪位置與標(biāo)線的誤差，經(jīng)過放大以后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)方向控制環(huán)節(jié)調(diào)整運(yùn)行方向，使得車輪一直沿著已知標(biāo)線行駛，就構(gòu)成了如圖1所示的閉環(huán)尋跡系統(tǒng)。

圖1 閉環(huán)尋跡系統(tǒng)

3 圖像采集系統(tǒng)

3.1 測(cè)量原理

CCD(Charge Coupled Device電荷耦合器件)圖像傳感器具有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、可靠性高、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜情況下的非接觸式測(cè)量等一系列優(yōu)點(diǎn)[2]。本系統(tǒng)從工作車的實(shí)際工作環(huán)境出發(fā)，采用非接觸式的視覺測(cè)量方式，以CCD圖像傳感器作為測(cè)量器件，既能滿足測(cè)量精度和方法的需要，又能節(jié)約成本且使用方便。該系統(tǒng)選用TCD1206線陣CCD傳感器與圖2所示的標(biāo)線檢測(cè)光路配合[3-4]，在單片機(jī)P89V51RD2的控制下構(gòu)成標(biāo)線檢測(cè)環(huán)節(jié)。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)光路圖

被測(cè)地面標(biāo)線1位置由鏡頭8測(cè)得并傳給CCD傳感器，CCD傳感器將接收到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為代表各個(gè)像素點(diǎn)灰度的電信號(hào)送入單片機(jī)與參考電平進(jìn)行比較，然后經(jīng)數(shù)據(jù)處理，從而完成尋跡工作。另外，根據(jù)實(shí)際測(cè)量精度的需要，將測(cè)量光路的物距相距之比為1:10即可滿足。單片機(jī)P89V51RD2同時(shí)還控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)檢測(cè)到的偏差大小和方向，由軟件按著一定的運(yùn)算規(guī)律得出電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間和方向，并驅(qū)動(dòng)使之運(yùn)行，完成糾偏工作，尋跡系統(tǒng)的電路測(cè)量原理如圖3所示。為了避免環(huán)境對(duì)CCD圖像傳感器的影響，設(shè)置選用了可調(diào)光圈鏡頭，光圈的調(diào)整要根據(jù)工作環(huán)境的照度來決定。CCD圖像傳感器放置在已知標(biāo)線的正上方，白色的標(biāo)線與地面的顏色形成亮度差，當(dāng)CCD圖像傳感器測(cè)量到的標(biāo)線背景圖像是“白色”區(qū)域時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的讀出的數(shù)據(jù)為“1”，相反，地面在CCD圖像傳感器上的成像是“黑色”區(qū)域，對(duì)應(yīng)點(diǎn)讀出的數(shù)據(jù)為“0”。

圖3 測(cè)量電路原理圖

每只TCD1206線陣CCD傳感器有效像素2 160點(diǎn)，每點(diǎn)尺寸14 μm，總長(zhǎng)度2160×14=30.24 mm。因此，在測(cè)量光路的物距相距之比為設(shè)定為1:10，則測(cè)量的分辨率為0.14 mm，即CCD傳感器上的每一個(gè)像素點(diǎn)代表標(biāo)線上的0.14 mm長(zhǎng)度[5]。所以本裝置測(cè)量范圍在2160×0.14=302.4 mm以內(nèi)，即該知標(biāo)線應(yīng)該在鏡頭光軸左右150 mm以內(nèi)，可進(jìn)入傳感器的測(cè)量區(qū)域，超出這個(gè)區(qū)域?qū)?huì)發(fā)生尋跡失敗問題。

3.2 圖像處理方法

該裝置不需要圖象灰度，采用二值化處理即可滿足測(cè)量要求[6-7]。硬件測(cè)量電路如圖3所示，CCD輸出的代表各個(gè)像素點(diǎn)灰度的信號(hào)Si接入 LM311(C12)的反向輸入端，參考電平VREF接入 LM311(C12)的同向輸入端，二者進(jìn)行比較后將灰度信號(hào)量化為二進(jìn)制的“0”和“1”表示。調(diào)整電位器R3可改變參考電平VREF使之與光源的照度相匹配。信號(hào)Si，經(jīng)過電阻R5電容C11積分后由LM358(S1A)得到其平均值，該平均值與TCD1206的補(bǔ)償輸出DOS、電阻R3的輸出一起加權(quán)求和得到參考電平VREF。

二值化電路的輸出端連接到74LS164串并轉(zhuǎn)換器的串行輸入端，在與像素輸出同步的164CLK脈沖作用下轉(zhuǎn)變?yōu)?4LS164的并行輸出數(shù)據(jù)。同時(shí)，像素的同步信號(hào)RST連接在單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0引腳，每計(jì)數(shù)8個(gè)脈沖產(chǎn)生一次計(jì)數(shù)中斷，在中斷子程序中通過P1口讀入74LS164的并行輸出數(shù)據(jù)，直到TCD1206傳感器的2160點(diǎn)像素全部讀完，得到270字節(jié)的數(shù)據(jù)。得到一幀數(shù)據(jù)以后，單片機(jī)按字節(jié)判斷是1還是0，若某字節(jié)即非“FFH”也非“0”則判斷該字節(jié)每位上“1”的個(gè)數(shù)，如果“1”的個(gè)數(shù)大于6按“FFH”處理、小于3按“0”處理。這樣實(shí)際是把8個(gè)點(diǎn)為一個(gè)單元處理。

根據(jù)測(cè)量光路的物距相距之比為1:10，可知CCD圖像傳感器對(duì)標(biāo)線的分辨率是0.14 mm，這樣的精度實(shí)際應(yīng)用中顯然沒有必要，因此，將8個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)點(diǎn)來處理，壓縮了數(shù)據(jù)量，減少了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，這樣實(shí)際分辨率是0.14×8=1.12 mm，完全滿足尋跡的要求。

4 使用方法

按動(dòng)S1鍵，單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)牽引方向盤向左轉(zhuǎn)動(dòng)，按動(dòng)S2鍵，單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)牽引方向盤向右轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)工作車進(jìn)入標(biāo)線區(qū)，CCD圖像傳感器位于標(biāo)線正上方時(shí)自動(dòng)進(jìn)入閉環(huán)尋跡狀態(tài)。單片機(jī)每10 ms采集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析得到偏移誤差，再根據(jù)誤差控制、矯正工作車的偏移。為了保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每次控制、矯正工作車的偏移值只驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)0.5 s。

5 結(jié) 語

基于TCD1206線陣CCD傳感器的道路劃線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、測(cè)量準(zhǔn)確、使用方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)生活中有著廣泛的用處。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王慧利.基于視覺的道路劃線機(jī)自動(dòng)檢測(cè)裝置[D]. 沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2007.

[2] 陳 杰. 傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京:高等教育出版社，2002.

[3] 李 華. MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

[4] 段戰(zhàn)軍，舒朝濂.基于面陣CCD零件內(nèi)表面無損檢測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，21(1)：147-149.

[5] 魏澤鼎，王儒慧. 基于CCD的片煙規(guī)格測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]. 設(shè)備與儀器，2008(12)：19-21.

[6] 張文革，段晨東，董革平. 線陣CCD檢測(cè)技術(shù)中二值化方法的研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2003(17)：93-97.

[7] 黃偉成，盧 紅. 基于激光CCD器件的直徑測(cè)量系統(tǒng)[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2008，37(03)：17-19.