山東省路橋集團有限公司港航公司 王紹磊

山東交通學院 石 磊

山東交通學院 徐吉存 李仰印 董興學 高珅琦 杜連旗 王 康

從上世紀八十年代起，我國高速公路建設快速發(fā)展。截止到2018年12月28日，我國高速總里程已經(jīng)達到14萬km，位居世界第一。車輛可以在高速公路上安全行駛，道路標線的作用功不可沒。按照國標要求，目前道路標線的噴涂工作量相當大。當前，國內普遍采用人工劃線，工作速度慢，勞動強度大，已經(jīng)不能滿足當前形勢發(fā)展的需要?；谖覈壳暗缆穭澗€自動化程度不高、公路里程迅速增加和公路養(yǎng)護工作量不斷加大的現(xiàn)狀，研究開發(fā)一種高效、智能化的公路劃線車，對提高我國公路養(yǎng)護的機械化水平、減小工人的勞動強度具有十分重要的實際意義。本文設計了一種以STM32F767單片機為車輛控制器核心，以視覺處理技術為巡線導航的高速公路自動劃線車無人駕駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括車輛控制系統(tǒng)、視覺導航系統(tǒng)、動作執(zhí)行系統(tǒng)、人機交互管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1.1 系統(tǒng)功能介紹

本文為提高速公路劃線的工作效率、自動化程度，降低高速公路劃線的人工成本和工作強度，設計了一種基于圖像導航的高速公路劃線車無人駕駛系統(tǒng)。本系統(tǒng)與現(xiàn)有劃線設備結合后可實現(xiàn)如下功能：

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

（2）可通過管理控制中心設置相關參數(shù)控制智能劃線車啟停。

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

為實現(xiàn)上述功能設計出了方案設計圖，如圖1所示系統(tǒng)主要組成部分：水線識別檢測裝置、智能駕駛車輛控制器、控制管理中心、動作執(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)結構

本系統(tǒng)主要包括車輛控制中心、水線檢測系統(tǒng)、轉向控制器、交流電機控制器、動作執(zhí)行系統(tǒng)、控制管理中心，控制中心通過通訊總線控制執(zhí)行層的控制器?？刂破饕許TM32單片機為核心搭建外圍控制電路，實現(xiàn)了對車輛啟動、停止、速度、轉向及其劃線動作的控制。水線檢測系統(tǒng)采用攝像機獲取水線圖像，在上位機中采用圖像識別的方法檢測出水線，并計算出駕駛偏差通過串行總線發(fā)送給控制中心，然后控制中心通過CAN總線與轉向控制器、交流電機控制器通訊，進而控制劃線車的行進角度完成其巡線駕駛。動作執(zhí)行結構以氣壓驅動電磁閥控制氣缸動作，實現(xiàn)劃線動作自動化。管理控制中心通過串行總線與控制中心通訊，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設置、模式切換等功能。自動劃線車無人駕駛系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖1 方案設計圖

圖2 自動劃線車無人駕駛系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 劃線車自動化改造

自動劃線設備的功能機構包括料桶閘開閉機構、劃線料斗升降機構、料斗閘開閉機構、玻璃珠撒播離合機構，功能機構的動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)結構圖

2.2 控制中心

無人駕駛控制器以STM32F767單片機為核心，由電壓轉換電路、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。無人駕駛控制器通過CAN總線與車底盤控制系統(tǒng)以及轉向控制系統(tǒng)連接通訊，實現(xiàn)對無人駕駛車底盤驅動、制動以及轉向的控制，通過RS-232串行通訊接口與觸摸屏連接實現(xiàn)人機交互。

3 檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設計

3.1 水線檢測系統(tǒng)

本文設計了一種圖像驅動的導航與自動駕駛技術。水線檢測設備由工控機和攝像頭組成。工控機系統(tǒng)為win10，運行環(huán)境為MATLAB R2017b，工控機與攝像頭的連接方式為USB連接。采用圖像識別的方法檢測出水線，并計算出駕駛偏差，工控機通過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角度完成其巡線駕駛。

3.2 控制系統(tǒng)系統(tǒng)設計

本文設計的智能劃線車控制系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)在無人駕駛控制器與車輛底盤控制系統(tǒng)、轉向控制系統(tǒng)的信息交互以及控制器對動作執(zhí)行氣缸的控制，從而達到車輛實現(xiàn)無人自動駕駛自動化劃線的目的。因此本智能劃線車控制系統(tǒng)包括車輛底盤控制系統(tǒng)、轉向控制系統(tǒng)、動作執(zhí)行機構以及無人駕駛車輛控制器?？刂葡到y(tǒng)的流程，如圖3所示。

4 管理控制中心系統(tǒng)設計

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：無人駕駛自動劃線管理、人工駕駛自動劃線管理、人工駕駛人工劃線管理。

（1）無人駕駛自動劃線管理

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

（2）人工駕駛自動劃線管理

人工駕駛自動化線管理界，主要功能為自動劃線的開始與結束控制、虛實線切換、虛線長度與間距設置。該功能界面設計主要為使用者提供一種選擇，去應對不方便使用無人駕駛時的施工。此模式保留自動劃線功能，由人工駕駛施工。

（3）人工駕駛手動劃線管理

人工駕駛手動劃線管理界面，的主要功能是對各個劃線工序的單步控制。此功能界面應對人工駕駛人工劃線的使用場景，可單步控制所有換線動作。

結語：本文設計了一種基于圖像導航的高速公路劃線車無人駕駛系統(tǒng)，采用圖像識別為劃線車的巡水線自動駕駛導航，設計以STM32F767單片機一位核心的控制器通過CAN總線與轉向控制器及行駛電機控制器通訊控制車輛自動駕駛，設計了自動劃線功能執(zhí)行結構實現(xiàn)劃線車自動劃線。但是本文設計無人駕駛系統(tǒng)還存在許多不足需要進一步完善，例如，目前只能噴涂直標線和弧度較小的彎道標線，下一步還需進行處理箭頭、文字和曲線等方面研究。此外，采用的傳統(tǒng)大津閾值分割，對大部分圖像處理都能的得到較好效果，但是對于不太清晰或者污損過的水線，本算法不能保證每次都可以準確處理，還需要研究新的算法。如何去解決這些問題，進一步的完善這一劃線車無人駕駛系統(tǒng)是接將來的研究方向。