基于北斗和無人機的道路清掃車調度系統

李慧珍 張渤琳 肖旖旎

摘 要：城市道路的清潔程度與市民的生活質量密切相關，傳統清掃車按固定路線進行清掃，未顧及不同路面垃圾與揚塵濃度的差異，清掃的工作效率較為低下。本文提出了基于北斗和無人機的道路清掃車調度系統，可依據實際路面情況調度清掃車。首先，基于北斗衛星定位無人機上搭載的航拍相機和PM濃度傳感器，對道路垃圾進行航拍及揚塵監測;其次，基于紋理特征融合與支持向量機方法完成道路垃圾圖像進行識別;最后，基于蟻群算法進行清掃車的線路調度。該系統提高了城市道路清掃的效率，對城市環境保護提供高效的技術支持。

關鍵詞：北斗衛星導航系統;無人機;清掃車調度;蟻群算法

1.引言

近年來我國經濟的飛速發展，人們生活水平的提高使得城市道路也快速發展，道路清掃車的出現雖然完成了人工化向機械化的飛躍，但是受垃圾種類繁多、道路狀況復雜等多種因素的影響，清掃車的覆蓋度不夠高[1]。為此，本文設計了一個基于北斗和無人機的道路清掃車調度系統，通過無人機監測地面道路情況，實現清掃車的智能調度。

北斗衛星導航系統是中國獨立自主建設的衛星導航系統，具有精準導航、快速定位、報告位置等功能，可以提供高精度的定位和導航服務。無人機可以搭載其他零件擴展功能，完成人類平時不易完成的空中作業，并且使用成本低、工作靈活，在小區域低空作業時具有很大優勢[4]。

2. 系統框架

本系統主要分為北斗定位通信系統，無人機探測系統和清掃車調度系統。系統采用無人機對路面垃圾和路面顆粒物情況進行探測，清掃車調度系統對無人機收集的數據進行處理分析，篩選出待清掃路段，并基于蟻群算法為清掃車規劃行進路徑。

2.1北斗定位通信系統

目前北斗三號基本系統已經完成建設，具備全球導航、定位和授時能力，可以達到10m的定位精度，0.2m/s的測速精度，20ns的授時精度，并預計通過建立地基增強站達到厘米級定位。本系統的北斗定位模塊采用BDS/GPS聯合定位[3]，定位精度為2.5m（CEP50）。通過北斗定位通訊系統，用戶在PC端即可獲取無人機和清掃車的精準位置。

2.2無人機探測系統

無人機探測系統是通過無人機配備的硬件來獲取城市道路路面垃圾情況與揚塵情況的系統。探測系統使用多旋翼無人機，無人機搭載PM濃度傳感器以及北斗定位傳感器。工作時，無人機按規定的路徑對城市的道路進行巡邏，通過北斗衛星來定位無人機的實時地理位置，同時傳感器能夠實時采集該時空下的PM2.5和PM10的濃度并將數據通過3G/4G ISP上傳到服務器，傳輸給車輛調度系統。另一邊無人機搭載的相機同時進行航拍，將航拍照片上傳給車輛調度系統。

2.3清掃車調度系統

車輛調度系統是整個系統最為關鍵的一環，負責收集處理數據，發布待清掃信息，進行路徑規劃。車輛調度系統收集路面航拍照片和道路揚塵數據，通過路面垃圾識別算法找出待清掃道路，通過PM2.5和PM10數據找出路面揚塵超標的道路，綜合兩項指標判斷出需要進行清掃的街道，系統管理層利用ArcGIS Sever地圖空間分析與處理功能，為清掃車制定個性化路線，完成道路清潔。

依據北斗模塊能在短時間內反饋車輛位置，實時更新清掃車的位置，根據清掃車的行進速度，計算出待清掃道路清掃完成所需的時間。每三分鐘更新一次地圖，便于管理者根據清掃車作業情況對清潔進行調度。當清掃車完成清潔時，發送信息給調度系統，系統對不同時間不同季節的清潔時間進行記錄，作為車輛調度的參考數據之一。

3. 系統設計與實施

3.1路面垃圾識別

本系統采用紋理特征融合和支持向量機（support vector machine，SVM）相結合的方法對道路垃圾圖像進行識別。首先對局部二值模式（localbinary patter，LBP）進行改進得到A-LBP算法，然后A-LBP與Uniform LBP算法進行融合形成最終的AD-LBP算法。利用AD-LBP和梯度直方圖算法提取圖像紋理特征，并結合SVM對道路垃圾圖像進行分類識別。其中A-LBP是對LBP的參數進行改正而得到的，包括取得受路面影響較小的閾值和加權系數的選取。U-LBP則是對LBP進行降維得到的。

3.2路面揚塵檢測

無人機揚塵檢測由控制中心、北斗定位傳感器、PM（PM2.5和PM10）濃度傳感器、數據記錄系統、無人機系統等部分組成。使得PM濃度傳感器和北斗定位模塊在控制中心的調配下同時工作，得到與位置相關聯的PM2.5和PM10濃度數據。

通過PM濃度傳感器觀測大氣顆粒物散射得到側向散射回波信號圖，將其灰度值矩陣提取出，用相應灰度等級光總能量與PM2.5或PM10濃度進行擬合，得到高擬合度的線性關系式，進而求出揚塵的濃度[2]。數據記錄模塊中，數據以文件形式存儲于模塊上的SD卡中，通過3G/4G ISP傳輸到服務器。以現行的《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）的二級濃度限值為依據，超出限值（PM10≤150μg/m3 ， PM2.5≤75μg/m3）則視為需要清掃。

3.3清掃路徑規劃

清掃車路徑規劃首先將需要進行清掃的街道標記在路網中，清掃車需要從起點出發，遍歷所有待清掃道路并返回起點，本系統采用改進的蟻群算法進行清掃車的路徑規劃。使用ArcGIS API for JavaScript對清掃車進行路徑規劃，通過調用該接口，可以建立交互式地圖應用。

3.4系統特點

應用基于紋理特征融合與支持向量機方法對道路垃圾圖像進行識別，可以準確判斷道路是否需要清潔，精準判斷需要清掃路段范圍，保證城市道路清潔。

無人機道路揚塵檢測可獲取某一路段連續的顆粒物數據，比測站檢測的數據更完整，能更準確地描述某一路段的揚塵情況。

應用北斗定位導航系統對清掃車統一管理，及時反饋所需清掃的路段，并依據蟻群算法確定最佳路徑，避免了傳統清掃方式所造成的資源浪費以及清掃不及時的問題的出現，提高了工作效率和資源利用率，使城市道路的清潔更準確、及時、有效。

4.結語

本文設計了一個基于北斗和無人機的道路清掃車調度系統，該系統通過北斗衛星獲取位置信息，對無人機航線進行規劃。無人機通過航攝像機和PM濃度傳感器獲取地面道路信息，計算機對獲取的地面道路信息進行分析處理后判斷出需要清掃的路面，清掃車調度系統根據蟻群算法對清掃車進行最優路徑規劃，清掃車沿指定路線完成道路清掃任務。該系統對城市道路清掃效率的提高以及緩解清掃車不足的問題提供了幫助，具有重要的實用價值。

參考文獻：

[1]高曉紅.工業儀表與自動化裝置[J].2019，（05）：110-113

[2]胡淼，李齊良，吳端法等.基于CCD側向散射激光雷達的PM2.5濃度測量研究[J].光學學報. 2016，36（11）：1-6

[3]劉海穎.衛星導航原理與應用[M].北京：國防工業出版社，2013：23-132

[4]趙鵬，沈庭芝，單寶堂.微小型無人機遙感圖像應用[J].火力與指揮控制，2009，34（7）：158-161

作者簡介：

李慧珍（1998.08—），女，漢族，河南省商丘人，鄭州市高新區鄭州大學，地理信息科學專業本科生，研究方向：地理信息科學專業

張渤琳（1999.01—），女，漢族， 河北省唐山人，鄭州市高新區鄭州大學，地理信息科學專業本科生，研究方向：地理信息科學專業

肖旖旎（2000.04—），女，漢族，湖南省株洲人，鄭州市高新區鄭州大學，地理信息科學專業本科生，研究方向：地理信息科學專業

（鄭州大學 地球科學與技術學院 ?河南鄭州 ?450001）