一種路面坑洼、擁包預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉紫揚(yáng)

摘 要：路面坑洼或擁包若得不到及時(shí)維護(hù)，將成為車輛行駛中的潛在危險(xiǎn)。文章針對(duì)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(shí)現(xiàn)路面坑洼或擁包的預(yù)警。

關(guān)鍵詞：3D激光雷達(dá)；點(diǎn)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(dòng)化水平的提升，人們對(duì)城市化道路的需求也越來越高。人們?cè)诔鲂袝r(shí)不僅會(huì)考慮安全便捷性，更會(huì)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(shí)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(huì)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(duì)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(shí)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(cè)試車?yán)眉す獾墓鈺r(shí)差原理來測(cè)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(dòng)激光掃描儀[2]實(shí)現(xiàn)非接觸式預(yù)警，對(duì)道路及周邊環(huán)境進(jìn)行掃描，獲取激光點(diǎn)所接觸物體的三維坐標(biāo)，但是其整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜，導(dǎo)致體積大，應(yīng)用于私家車會(huì)影響車體美觀。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

路面坑洼、擁包預(yù)警系統(tǒng)主要分為三個(gè)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(jì)思路

本設(shè)計(jì)主要是通過在擋風(fēng)玻璃正上方處安裝3D激光雷達(dá)，實(shí)時(shí)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(duì)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(jì)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(jì)

3D激光雷達(dá)由激光測(cè)距儀、角度測(cè)量系統(tǒng)、GPS數(shù)據(jù)接口以及信息輸出模塊組成。簡(jiǎn)單的二維結(jié)構(gòu)光掃描是以點(diǎn)激光成像的原理來測(cè)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(cè)距儀與與角度測(cè)量系統(tǒng)組合的自動(dòng)化快速測(cè)量系統(tǒng)。發(fā)射的激光束對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量，直接獲得激光點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

（1）坐標(biāo)點(diǎn)的采集。所測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為空間點(diǎn)坐標(biāo)，是基于球坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)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(cè)到前方坑洼或擁包）

掃描頭通過兩個(gè)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(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回掃描頭所經(jīng)過的相位差來計(jì)算距離S，同時(shí)內(nèi)置精密時(shí)鐘控制編碼器，同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值？琢和縱向掃描角度觀測(cè)值？茲[3]，因此可以得到坑洼表面任意一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為：

（2）數(shù)據(jù)點(diǎn)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(duì)點(diǎn)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(duì)實(shí)物模型的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(cè)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(jì)

該模塊主要是通過軟件對(duì)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(duì)路面坑洼或擁包是否符合報(bào)警的條件進(jìn)行分析判斷，若前方坑洼或擁包對(duì)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(dòng)并以將實(shí)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(shí)的改善。

以上功能的實(shí)現(xiàn)可通過軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)，以下針對(duì)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(duì)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(shí)，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(bào)警的首要條件。

條件2：車輪是否會(huì)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(cè)得的坑洼或擁包表面的數(shù)據(jù)點(diǎn)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(cè)得激光點(diǎn)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(jì)算出前車輪與坑洼或擁包相對(duì)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(dòng)報(bào)警，否則，啟動(dòng)報(bào)警模塊。

3 結(jié)束語

國內(nèi)外針對(duì)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(duì)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(jì)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(diǎn)，可實(shí)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(duì)路面坑洼或擁包的檢測(cè)適用于所有車輛，可在惡劣環(huán)境下工作，一旦實(shí)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(cè)儀器的對(duì)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(dòng)激光掃描測(cè)量產(chǎn)品綜述[J].測(cè)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.