基于線陣CCD傳感器的道路劃線 自動檢測系統*

郝 琳

(許昌電氣職業學院，河南 許昌 461000)

1 引 言

近幾年，隨著經濟的飛速發展，我國的公路建設速度也有了顯著提高，公路上車道及路標的劃線工作任務和要求也隨之加大。傳統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線[1]。針對這種現象筆者介紹了基于TCD1206線陣CCD圖像傳感器的閉環尋跡道路劃線自動檢測系統。基于CCD的圖像傳感器技術憑借其優勢近些年來取得了迅速發展，其應用領域遍及生產生活的各個方面。在公路劃線的應用中既可以節約人力與時間，又可以使噴涂出的路標線整齊歸一。

2 基于線陣CCD圖像傳感器的閉環尋跡系統工作原理

為使工作車自動跟蹤已知的標記行走，必須有標線監測裝置和方向控制機構。如果能對于已知標線進行實時測量，并反饋給尋跡系統，當車的行走方向與已知標線發生偏離的時候，能夠及時發現并調整行進方向，構成由標線給定到車輪位置的閉環結構，以車輪位置為控制目標，就可以完成跟蹤標記行走的任務。

采用線陣CCD圖像傳感器，配以標線位置檢測環節，采集到的信號由單片機比較車輪位置與標線的誤差，經過放大以后驅動電機轉動，帶動方向控制環節調整運行方向，使得車輪一直沿著已知標線行駛，就構成了如圖1所示的閉環尋跡系統。

圖1 閉環尋跡系統

3 圖像采集系統

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、光譜響應范圍寬、可靠性高、可實現復雜情況下的非接觸式測量等一系列優點[2]。本系統從工作車的實際工作環境出發，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，又能節約成本且使用方便。該系統選用TCD1206線陣CCD傳感器與圖2所示的標線檢測光路配合[3-4]，在單片機P89V51RD2的控制下構成標線檢測環節。

圖2 測量系統光路圖

被測地面標線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，然后經數據處理，從而完成尋跡工作。另外，根據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動，根據檢測到的偏差大小和方向，由軟件按著一定的運算規律得出電機運行的時間和方向，并驅動使之運行，完成糾偏工作，尋跡系統的電路測量原理如圖3所示。為了避免環境對CCD圖像傳感器的影響，設置選用了可調光圈鏡頭，光圈的調整要根據工作環境的照度來決定。CCD圖像傳感器放置在已知標線的正上方，白色的標線與地面的顏色形成亮度差，當CCD圖像傳感器測量到的標線背景圖像是“白色”區域時，單片機對應的讀出的數據為“1”，相反，地面在CCD圖像傳感器上的成像是“黑色”區域，對應點讀出的數據為“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，即該知標線應該在鏡頭光軸左右150 mm以內，可進入傳感器的測量區域，超出這個區域將會發生尋跡失敗問題。

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串并轉換器的串行輸入端，在與像素輸出同步的164CLK脈沖作用下轉變為74LS164的并行輸出數據。同時，像素的同步信號RST連接在單片機的計數器T0引腳，每計數8個脈沖產生一次計數中斷，在中斷子程序中通過P1口讀入74LS164的并行輸出數據，直到TCD1206傳感器的2160點像素全部讀完，得到270字節的數據。得到一幀數據以后，單片機按字節判斷是1還是0，若某字節即非“FFH”也非“0”則判斷該字節每位上“1”的個數，如果“1”的個數大于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。

根據測量光路的物距相距之比為1:10，可知CCD圖像傳感器對標線的分辨率是0.14 mm，這樣的精度實際應用中顯然沒有必要，因此，將8個點作為一個點來處理，壓縮了數據量，減少了數據處理的時間，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動，按動S2鍵，單片機控制電動機牽引方向盤向右轉動。當工作車進入標線區，CCD圖像傳感器位于標線正上方時自動進入閉環尋跡狀態。單片機每10 ms采集一次數據，經過分析得到偏移誤差，再根據誤差控制、矯正工作車的偏移。為了保證閉環系統的穩定性，每次控制、矯正工作車的偏移值只驅動電機轉動調0.5 s。

5 結 語

基于TCD1206線陣CCD傳感器的道路劃線自動檢測系統具有響應速度快、測量準確、使用方便、成本低等優點，在實際生產生活中有著廣泛的用處。

參考文獻：

[1] 王慧利.基于視覺的道路劃線機自動檢測裝置[D]. 沈陽:沈陽工業大學，2007.

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

[3] 李 華. MCS-51系列單片機實用接口技術[M]. 北京:北京航空航天大學出版社，1993.

[4] 段戰軍，舒朝濂.基于面陣CCD零件內表面無損檢測的光學系統設計[J]. 機電產品開發與創新，2008，21(1)：147-149.

[5] 魏澤鼎，王儒慧. 基于CCD的片煙規格測量裝置的設計應用[J]. 設備與儀器，2008(12)：19-21.

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

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