圖基導(dǎo)航的高速公路劃線車無(wú)人駕駛系統(tǒng)

山東省路橋集團(tuán)有限公司港航公司 王紹磊

山東交通學(xué)院 石 磊

山東交通學(xué)院 徐吉存 李仰印 董興學(xué) 高珅琦 杜連旗 王 康

從上世紀(jì)八十年代起，我國(guó)高速公路建設(shè)快速發(fā)展。截止到2018年12月28日，我國(guó)高速總里程已經(jīng)達(dá)到14萬(wàn)km，位居世界第一。車輛可以在高速公路上安全行駛，道路標(biāo)線的作用功不可沒(méi)。按照國(guó)標(biāo)要求，目前道路標(biāo)線的噴涂工作量相當(dāng)大。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)普遍采用人工劃線，工作速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前形勢(shì)發(fā)展的需要?；谖覈?guó)目前道路劃線自動(dòng)化程度不高、公路里程迅速增加和公路養(yǎng)護(hù)工作量不斷加大的現(xiàn)狀，研究開(kāi)發(fā)一種高效、智能化的公路劃線車，對(duì)提高我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)的機(jī)械化水平、減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度具有十分重要的實(shí)際意義。本文設(shè)計(jì)了一種以STM32F767單片機(jī)為車輛控制器核心，以視覺(jué)處理技術(shù)為巡線導(dǎo)航的高速公路自動(dòng)劃線車無(wú)人駕駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括車輛控制系統(tǒng)、視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)、人機(jī)交互管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)功能介紹

本文為提高速公路劃線的工作效率、自動(dòng)化程度，降低高速公路劃線的人工成本和工作強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了一種基于圖像導(dǎo)航的高速公路劃線車無(wú)人駕駛系統(tǒng)。本系統(tǒng)與現(xiàn)有劃線設(shè)備結(jié)合后可實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）人工放置水線后采用圖像識(shí)別的方法檢測(cè)出水線，并計(jì)算出駕駛偏差，然后通過(guò)控制劃線車的行進(jìn)角度完成其巡線駕駛。

（2）可通過(guò)管理控制中心設(shè)置相關(guān)參數(shù)控制智能劃線車啟停。

（3）智能劃線車自動(dòng)劃線：涂底漆、噴漆、噴玻璃滾珠，當(dāng)施工人員發(fā)現(xiàn)路面需要清掃時(shí)可人工按鍵啟動(dòng)滾刷清掃和高壓氣體清掃。

為實(shí)現(xiàn)上述功能設(shè)計(jì)出了方案設(shè)計(jì)圖，如圖1所示系統(tǒng)主要組成部分：水線識(shí)別檢測(cè)裝置、智能駕駛車輛控制器、控制管理中心、動(dòng)作執(zhí)行氣缸、劃線裝置、滾刷清掃裝置、高壓氣體清掃裝置、噴涂底漆裝置、噴玻璃滾珠裝置、放置水線裝置等。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要包括車輛控制中心、水線檢測(cè)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制器、交流電機(jī)控制器、動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)、控制管理中心，控制中心通過(guò)通訊總線控制執(zhí)行層的控制器?？刂破饕許TM32單片機(jī)為核心搭建外圍控制電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛啟動(dòng)、停止、速度、轉(zhuǎn)向及其劃線動(dòng)作的控制。水線檢測(cè)系統(tǒng)采用攝像機(jī)獲取水線圖像，在上位機(jī)中采用圖像識(shí)別的方法檢測(cè)出水線，并計(jì)算出駕駛偏差通過(guò)串行總線發(fā)送給控制中心，然后控制中心通過(guò)CAN總線與轉(zhuǎn)向控制器、交流電機(jī)控制器通訊，進(jìn)而控制劃線車的行進(jìn)角度完成其巡線駕駛。動(dòng)作執(zhí)行結(jié)構(gòu)以氣壓驅(qū)動(dòng)電磁閥控制氣缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)劃線動(dòng)作自動(dòng)化。管理控制中心通過(guò)串行總線與控制中心通訊，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、模式切換等功能。自動(dòng)劃線車無(wú)人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 方案設(shè)計(jì)圖

圖2 自動(dòng)劃線車無(wú)人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 劃線車自動(dòng)化改造

自動(dòng)劃線設(shè)備的功能機(jī)構(gòu)包括料桶閘開(kāi)閉機(jī)構(gòu)、劃線料斗升降機(jī)構(gòu)、料斗閘開(kāi)閉機(jī)構(gòu)、玻璃珠撒播離合機(jī)構(gòu)，功能機(jī)構(gòu)的動(dòng)力均由壓縮空氣提供給執(zhí)行氣缸，由電磁閥控制氣源通斷。

圖3 智能劃線車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制中心

無(wú)人駕駛控制器以STM32F767單片機(jī)為核心，由電壓轉(zhuǎn)換電路、RS-232通訊電路、CAN通訊電路、數(shù)字量輸入輸出電路等外圍電路組成。無(wú)人駕駛控制器通過(guò)CAN總線與車底盤控制系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)連接通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人駕駛車底盤驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)以及轉(zhuǎn)向的控制，通過(guò)RS-232串行通訊接口與觸摸屏連接實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3 檢測(cè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 水線檢測(cè)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)了一種圖像驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)航與自動(dòng)駕駛技術(shù)。水線檢測(cè)設(shè)備由工控機(jī)和攝像頭組成。工控機(jī)系統(tǒng)為win10，運(yùn)行環(huán)境為MATLAB R2017b，工控機(jī)與攝像頭的連接方式為USB連接。采用圖像識(shí)別的方法檢測(cè)出水線，并計(jì)算出駕駛偏差，工控機(jī)通過(guò)RS-232接口與車輛控制中心建立通訊發(fā)送偏差等信息，然后車輛控制器依據(jù)接收到的偏差控制劃線車的行進(jìn)角度完成其巡線駕駛。

3.2 控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能劃線車控制系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)在無(wú)人駕駛控制器與車輛底盤控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的信息交互以及控制器對(duì)動(dòng)作執(zhí)行氣缸的控制，從而達(dá)到車輛實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)駕駛自動(dòng)化劃線的目的。因此本智能劃線車控制系統(tǒng)包括車輛底盤控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及無(wú)人駕駛車輛控制器。控制系統(tǒng)的流程，如圖3所示。

4 管理控制中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)框架（圖4）

圖4 管理控制中心系統(tǒng)框架

4.2 功能介紹

本控制中心用于高速公路智能劃線車，主要用于智能劃線車的控制與監(jiān)視。主要功能包括四部分：無(wú)人駕駛自動(dòng)劃線管理、人工駕駛自動(dòng)劃線管理、人工駕駛?cè)斯澗€管理。

（1）無(wú)人駕駛自動(dòng)劃線管理

控制中心的無(wú)人駕駛自動(dòng)劃線管理界面主要有狀態(tài)及數(shù)據(jù)顯示、車輛控制、模式設(shè)置、參數(shù)設(shè)置四種類型的功能。

（2）人工駕駛自動(dòng)劃線管理

人工駕駛自動(dòng)化線管理界，主要功能為自動(dòng)劃線的開(kāi)始與結(jié)束控制、虛實(shí)線切換、虛線長(zhǎng)度與間距設(shè)置。該功能界面設(shè)計(jì)主要為使用者提供一種選擇，去應(yīng)對(duì)不方便使用無(wú)人駕駛時(shí)的施工。此模式保留自動(dòng)劃線功能，由人工駕駛施工。

（3）人工駕駛手動(dòng)劃線管理

人工駕駛手動(dòng)劃線管理界面，的主要功能是對(duì)各個(gè)劃線工序的單步控制。此功能界面應(yīng)對(duì)人工駕駛?cè)斯澗€的使用場(chǎng)景，可單步控制所有換線動(dòng)作。

結(jié)語(yǔ)：本文設(shè)計(jì)了一種基于圖像導(dǎo)航的高速公路劃線車無(wú)人駕駛系統(tǒng)，采用圖像識(shí)別為劃線車的巡水線自動(dòng)駕駛導(dǎo)航，設(shè)計(jì)以STM32F767單片機(jī)一位核心的控制器通過(guò)CAN總線與轉(zhuǎn)向控制器及行駛電機(jī)控制器通訊控制車輛自動(dòng)駕駛，設(shè)計(jì)了自動(dòng)劃線功能執(zhí)行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)劃線車自動(dòng)劃線。但是本文設(shè)計(jì)無(wú)人駕駛系統(tǒng)還存在許多不足需要進(jìn)一步完善，例如，目前只能噴涂直標(biāo)線和弧度較小的彎道標(biāo)線，下一步還需進(jìn)行處理箭頭、文字和曲線等方面研究。此外，采用的傳統(tǒng)大津閾值分割，對(duì)大部分圖像處理都能的得到較好效果，但是對(duì)于不太清晰或者污損過(guò)的水線，本算法不能保證每次都可以準(zhǔn)確處理，還需要研究新的算法。如何去解決這些問(wèn)題，進(jìn)一步的完善這一劃線車無(wú)人駕駛系統(tǒng)是接將來(lái)的研究方向。