一種路面坑洼、擁包預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

劉紫揚(yáng)

摘 要：路面坑洼或擁包若得不到及時維護(hù)，將成為車輛行駛中的潛在危險。文章針對這一問題，以STM32單片機(jī)為主控芯片，用硬軟件結(jié)合的方式實現(xiàn)路面坑洼或擁包的預(yù)警。

關(guān)鍵詞：3D激光雷達(dá)；點數(shù)據(jù)；STM32單片機(jī)；預(yù)警系統(tǒng)

1 概述

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展和機(jī)動化水平的提升，人們對城市化道路的需求也越來越高。人們在出行時不僅會考慮安全便捷性，更會追求出行的舒適感。而道路由于路面出現(xiàn)坑洼或擁包，若得不到及時維護(hù)，給通行車輛布下各式各樣“地雷陣”，有的甚至成為了“馬路殺手”。路面坑洼或擁包不但影響出行舒適感，而且會損壞車身，造成損失。在車速較快的情況下，甚至?xí)虮メ劤山煌ㄊ鹿剩{駕駛?cè)藛T及乘客的生命安全。

目前國內(nèi)外對路面坑洼、擁包預(yù)警系統(tǒng)的研究尚處于理論和研發(fā)層次。國外主要是通過接觸式預(yù)警，精度雖高，但給駕駛員的反應(yīng)時間不多，容易造成交通事故，國內(nèi)也有通過使用道路激光平整度測試車?yán)眉す獾墓鈺r差原理來測定路面的凹凸?fàn)顩r[1]，但難以推廣；至今，國內(nèi)外主要是借助車載移動激光掃描儀[2]實現(xiàn)非接觸式預(yù)警，對道路及周邊環(huán)境進(jìn)行掃描，獲取激光點所接觸物體的三維坐標(biāo)，但是其整個系統(tǒng)的復(fù)雜，導(dǎo)致體積大，應(yīng)用于私家車會影響車體美觀。

2 設(shè)計與實現(xiàn)

路面坑洼、擁包預(yù)警系統(tǒng)主要分為三個部分：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及預(yù)警傳輸模塊，具體裝置及各部分作用機(jī)理下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 設(shè)計思路

本設(shè)計主要是通過在擋風(fēng)玻璃正上方處安裝3D激光雷達(dá)，實時采集前方路面信息（平面、擁包或坑洼），采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷車輛是否能夠平穩(wěn)地通過，前方坑洼或擁包則向駕駛員反饋情況，并將路面坑洼或擁包的位置傳送至維修部門。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

本系統(tǒng)主要由3D激光雷達(dá)和STM32單片機(jī)組成。系統(tǒng)設(shè)計滿足“三高”要求：高安全性、高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確性。

2.2.1 3D激光雷達(dá)設(shè)計

3D激光雷達(dá)由激光測距儀、角度測量系統(tǒng)、GPS數(shù)據(jù)接口以及信息輸出模塊組成。簡單的二維結(jié)構(gòu)光掃描是以點激光成像的原理來測量與物體的距離，而道路坑洼或擁包則是以三維空間的形式存在，因此本系統(tǒng)采用的是三維掃描系統(tǒng)，由激光測距儀與與角度測量系統(tǒng)組合的自動化快速測量系統(tǒng)。發(fā)射的激光束對被測物體進(jìn)行快速掃描測量，直接獲得激光點所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距等數(shù)據(jù)信息，作適當(dāng)?shù)奶幚砗螅@得坑洼或擁包表面的點云數(shù)據(jù)并存儲。

（1）坐標(biāo)點的采集。所測得的點云數(shù)據(jù)為空間點坐標(biāo)，是基于球坐標(biāo)進(jìn)行測量，XOY面為橫向掃描面，Z軸與橫向掃描面垂直。（注：此處假設(shè)車輛已檢測到前方坑洼或擁包）

掃描頭通過兩個同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過前方掃描區(qū)域，測量每個激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物表面再返回掃描頭所經(jīng)過的相位差來計算距離S，同時內(nèi)置精密時鐘控制編碼器，同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值？琢和縱向掃描角度觀測值？茲[3]，因此可以得到坑洼表面任意一個點的坐標(biāo)為：

（2）數(shù)據(jù)點的轉(zhuǎn)換與傳輸。將3D激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)接口與GPS相接，并通過軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、插補(bǔ)、縫合并重構(gòu)模型，最后對實物模型的數(shù)據(jù)點進(jìn)行解析，得到電子地圖顯示的大地坐標(biāo)系，因此通過3D激光雷達(dá)測得的數(shù)據(jù)信息經(jīng)處理可直接傳輸至STM32單片機(jī)分析判斷。

2.2.2 STM32單片機(jī)設(shè)計

該模塊主要是通過軟件對接收的信息進(jìn)行分析判斷并傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)芯片對路面坑洼或擁包是否符合報警的條件進(jìn)行分析判斷，若前方坑洼或擁包對車輛行駛無影響則激光雷達(dá)繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，否則預(yù)警模塊啟動并以將實物模型以圖像形式提示駕駛員減速慢行，隨即將坑洼或擁包的大地坐標(biāo)位置信息傳輸至道路維護(hù)部門，以便路面情況得到及時的改善。

以上功能的實現(xiàn)可通過軟件編程的方法實現(xiàn)，以下針對觸發(fā)預(yù)警的條件作具體分析：

條件1：坑洼或擁包大小分析

根據(jù)交通部《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ 073.2-2001）中規(guī)定，將以下情況路面病害視為對車輛行駛有較大影響的坑洼或擁包。

因此，在作判定條件分析時，將平均高度大于1.0cm的擁包或平均高度大于1.0cm且面積大于30cm2的坑洼作為報警的首要條件。

條件2：車輪是否會壓過坑洼或擁包

在滿足條件1的前提下， 再判斷車輪是否壓過坑洼或擁包。通過3D激光雷達(dá)測得的坑洼或擁包表面的數(shù)據(jù)點通過擬合可以得到其大致的函數(shù)圖像，可找到曲線的波谷或波峰位置，再利用測得激光點所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距等數(shù)據(jù)信息可計算出前車輪與坑洼或擁包相對位置，當(dāng)車輪邊緣與波谷或波峰位置大于標(biāo)定安全值則不啟動報警，否則，啟動報警模塊。

3 結(jié)束語

國內(nèi)外針對道路坑洼或擁包的預(yù)警研究尚且停留在接觸式預(yù)警，對于非接觸式預(yù)警理論研究也不多，因此，具有廣闊的發(fā)展空間。本設(shè)計整合現(xiàn)有成熟技術(shù)，借助STM32單片機(jī)微型芯片處理，具有體積小、低能耗，高穩(wěn)定等優(yōu)點，可實現(xiàn)車輛的平安出行。近年來，“平安交通”愈來愈受到交通運(yùn)輸部門的關(guān)注，本文研究的對路面坑洼或擁包的檢測適用于所有車輛，可在惡劣環(huán)境下工作，一旦實際應(yīng)用，可最大程度上保證出行安全。應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]曾勝，王光普，曾慶霞.兩種平整度檢測儀器的對比研究[J].中外公路，2007，10（5）：4-5.

[2]呂冰，鐘若飛，王嘉楠.車載移動激光掃描測量產(chǎn)品綜述[J].測繪與空間地理信息，2012，6（6）：184-185.

[3]吳耀，龔 .基于激光掃描技術(shù)的三維模型重建[J].科技信息，2013，3：102-103.