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)濟的飛速發(fā)展，我國的公路建設(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)的公路劃線機在劃線前需要通過人工手推式噴涂機沿已知標(biāo)線進行噴涂，工作量大且受人的影響較大，精度較差，不適合在高等級公路及城市道路上劃各種路面標(biāo)線[1]。針對這種現(xiàn)象筆者介紹了基于TCD1206線陣CCD圖像傳感器的閉環(huán)尋跡道路劃線自動檢測系統(tǒng)?；贑CD的圖像傳感器技術(shù)憑借其優(yōu)勢近些年來取得了迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及生產(chǎn)生活的各個方面。在公路劃線的應(yīng)用中既可以節(jié)約人力與時間，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

為使工作車自動跟蹤已知的標(biāo)記行走，必須有標(biāo)線監(jiān)測裝置和方向控制機構(gòu)。如果能對于已知標(biāo)線進行實時測量，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)生偏離的時候，能夠及時發(fā)現(xiàn)并調(diào)整行進方向，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)線位置檢測環(huán)節(jié)，采集到的信號由單片機比較車輪位置與標(biāo)線的誤差，經(jīng)過放大以后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，帶動方向控制環(huán)節(jié)調(diào)整運行方向，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、可實現(xiàn)復(fù)雜情況下的非接觸式測量等一系列優(yōu)點[2]。本系統(tǒng)從工作車的實際工作環(huán)境出發(fā)，采用非接觸式的視覺測量方式，以CCD圖像傳感器作為測量器件，既能滿足測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)線檢測光路配合[3-4]，在單片機P89V51RD2的控制下構(gòu)成標(biāo)線檢測環(huán)節(jié)。

圖2 測量系統(tǒng)光路圖

被測地面標(biāo)線1位置由鏡頭8測得并傳給CCD傳感器，CCD傳感器將接收到的圖像信號轉(zhuǎn)化為代表各個像素點灰度的電信號送入單片機與參考電平進行比較，然后經(jīng)數(shù)據(jù)處理，從而完成尋跡工作。另外，根據(jù)實際測量精度的需要，將測量光路的物距相距之比為1:10即可滿足。單片機P89V51RD2同時還控制電機的轉(zhuǎn)動，根據(jù)檢測到的偏差大小和方向，由軟件按著一定的運算規(guī)律得出電機運行的時間和方向，并驅(qū)動使之運行，完成糾偏工作，尋跡系統(tǒng)的電路測量原理如圖3所示。為了避免環(huán)境對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圖像傳感器測量到的標(biāo)線背景圖像是“白色”區(qū)域時，單片機對應(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，對應(yīng)點讀出的數(shù)據(jù)為“0”。

圖3 測量電路原理圖

每只TCD1206線陣CCD傳感器有效像素2 160點，每點尺寸14 μm，總長度2160×14=30.24 mm。因此，在測量光路的物距相距之比為設(shè)定為1:10，則測量的分辨率為0.14 mm，即CCD傳感器上的每一個像素點代表標(biāo)線上的0.14 mm長度[5]。所以本裝置測量范圍在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)，可進入傳感器的測量區(qū)域，超出這個區(qū)域?qū)l(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量要求[6-7]。硬件測量電路如圖3所示，CCD輸出的代表各個像素點灰度的信號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，二者進行比較后將灰度信號量化為二進制的“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，像素的同步信號RST連接在單片機的計數(shù)器T0引腳，每計數(shù)8個脈沖產(chǎn)生一次計數(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”的個數(shù)，如果“1”的個數(shù)大于6按“FFH”處理、小于3按“0”處理。這樣實際是把8個點為一個單元處理。

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

4 使用方法

按動S1鍵，單片機控制電動機牽引方向盤向左轉(zhuǎn)動，按動S2鍵，單片機控制電動機牽引方向盤向右轉(zhuǎn)動。當(dāng)工作車進入標(biāo)線區(qū)，CCD圖像傳感器位于標(biāo)線正上方時自動進入閉環(huán)尋跡狀態(tài)。單片機每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)動電機轉(zhuǎn)動調(diào)0.5 s。

5 結(jié) 語

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

參考文獻：

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