基于視覺輔助技術的智能標線維護機設計與應用 *

王宏偉，馮 川，趙新學

(濱州學院 機電工程學院，山東 濱州 256600)

0 引 言

隨著城市建設步伐的加快，國家對基礎設施的投入程度逐年增加，帶動了我國標線市場的發展及標線輔助設備的應用。目前，常用的標線維護機主要包括熱熔式與冷噴式標兩類[1]。

熱熔式劃線是指通過加熱劃線涂料使其溶化后再進行噴涂作業的劃線方法。該劃線方式使用的涂料在常溫下呈固體粉末狀，施工時需將涂料投入到熱熔釜中，溫度控制在180～120 ℃之間，同時輔以不斷攪拌。待涂料熔化呈熔流狀態后，流入劃線機的保溫料斗中進行施工。熱熔式標線機作業時將加熱后的涂料涂敷在路面上，熱漆噴繪的標線可在車燈照射下實現良好的反光效果，待施工0.5 h后方可通車運行。涂料由樹脂、顏料、骨料及助劑化合物等多種物質組成，在作業過程中會產生重金屬、VOC及笨系化合物等有害物質，對環境存在一定污染，同時也會危害施工人員的身體健康。該劃線方式繪制的標線粘結力強，耐磨耐久性好，適用于涂覆瀝青及混凝土等各類路面條件，但結構復雜體積較大、使用維護成本偏高及存在環境污染等問題，限制了進一步的使用及推廣。

冷噴式劃線又稱之為常溫劃線，是指不需要對涂料進行特別加熱，直接噴涂至路面進行畫線的作業方法。冷噴式標線機利用高壓泵建立壓力，抽取涂料桶中的涂料在高壓作用下完成標線的噴涂，施工后的干燥時間約為40 min，噴出的線型清晰流暢、飽滿均勻，噴涂過程相對簡單，工作效率較高，使用成本偏低。冷噴式涂料主要由于樹脂與有機溶劑組成，噴涂過程幾乎不產生有害污染物，環保性能較好。

目前，國內高速公路等路面的標線維護以熱熔式劃線方法使用居多，而城市道路及工廠、機關、學校、停車場和運動場等地的標線繪制則以冷噴式作業方法為主。但近年來，隨著標線維護工作量的激增，冷噴劃線方法使用方便，安全耐用，成本偏低的優勢日漸凸顯，在實際應用中得到了廣泛的推廣。

通過對智能標線維護機主要結構的設計計算，確定性能參數，實現路面清掃、標線繪制及輔助烘干等功能，達到較好的應用效果，有效解決當前標線維護機械功能單一、效率偏低等問題。

1 技術路線

研發技術流程如圖1所示，圍繞“結合實際、重點推進、關鍵突破”的原則，開展研究工作。前期就標線繪制的作業方式、噴射過程及動力機構等關鍵問題開展實地調研，發現市場上主要的標線維護機械設備存在功能結構單一、智能化程度偏低和應用效果較差等突出問題，在標線作業過程中造成了諸多困難，這為研究的深入開展指明了方向與重點。根據調研結果，針對關鍵問題，提出了高壓冷塑無氣噴射的設計方案，通過視覺輔助與無線操控，增強機器的自動化性能。同時增加道路清掃與標線烘干功能，保障更好的劃線效果。方案形成后，邀請行業專家論證設計方案的科學性與應用性。隨后對整機的四大機構進行設計計算，運用仿真軟件分析了各部分的運動性與可靠性，完成智能標線維護機的整體研發。最終，在室內功能試驗與路面作業試驗的基礎上，積極向相關政府部門與公司企業推薦產品，尋求應用合作。

圖1 項目研究的技術流程

2 主要結構

基于視覺輔助技術的智能標線維護機整體結構如圖2所示，主要由全輪轉向運動機構、冷塑無氣劃線機構、無線藍牙通信模塊和視覺圖像處理模塊四部分組成。

圖2 基于視覺輔助技術的智能標線維護機整體結構圖

2.1 全輪轉向運動機構

(1) 麥克納姆輪的運動分析

在輪組結構布局示意圖中，方框表示4個輪子，方框中斜線表示各輪接觸地面時滾輥偏置角方向。為使機身結構更加合理，所有麥克納姆輪的滾輥偏置角均取相同的數值，且將輪組結構對稱設計[2]。在安裝時采用正反安裝法，即可得到實際上的大小相等而方向相反的兩種滾輥偏置角。此外，為實現各輪承受載荷的均勻受力，增強系統支撐穩定性，采取四輪關于車體幾何中心對稱布置的結構形式。

常用的布置方式如圖3所示。圖3(a)中，4個滾輪呈正方形布局，且滾輥偏置角取值45°，使系統具有定軸旋轉能力。在正方形布局結構形式下，因四個輪的速度方向與運動中心共線，因此無論各輪的速度大小如何改變，都可實現繞O點的旋轉運動，從而系統能夠實現全方位運動。

圖3(b) 的布局方式，當機身實現x,y方向的運動時，必有兩輪作為驅動，而其余兩個輪處于與地面的滑動摩擦狀態，這對機身的運動會起到一定的阻礙作用，使得系統的驅動效果變差。如：機身沿x方向運動時，只有輪1，2作為驅動輪，而輪3，4此時處于0轉速狀態，將發生滑動摩擦運動，不利于機器的移動與轉向。

因此，綜合以上分析，底盤設計采用圖3(a)的布局方式。

圖3 麥克納姆輪布局方式

(2) PID控制算法

為更好的保障機身的直線移動，需實現四個驅動電機的勻速同步運動，電機控制采用PID控制算法來完成轉速的閉環控制。

如圖4所示，PID控制是結合比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Differential)三種環節的控制算法，可根據控制對象輸出的反饋量對比目標值進行偏差校正，是過程控制中最常使用的控制方法[3]。

圖4 PID控制原理圖

比例控制用于縮小輸出產生的偏差量，偏差值一旦產生，比例控制將立即作用減小偏差。但偏差是比例控制作用的前提，因此修正過程存在一定滯后性，僅采用比例控制中必然無法消除靜態偏差。

積分環節的作用，主要用于消除靜差提高系統的無差度。積分作用的強弱，取決于積分時間常數Ti的大小，Ti越大積分作用越弱。只要系統存在著偏差，積分環節就會不斷起作用，對輸入偏差進行積分處理，使控制器的輸出及執行器的開度不斷變化，以消除偏差。積分環節雖然可以消除靜態偏差，但也降低了系統的響應速度，特別是對于慣性較大的控制系統，使用PI控制很難得到較好的動態調節品質，由此系統會產生較大的超調和振蕩，難以實現良好的控制效果。

微分作用可根據偏差信號的變化情況在差值出現前，使系統中引入一個有效的修正信號，從而加快執行器的動作速度，減小調節時間。微分作用的輸出與偏差對時間的導數成正比，因此可在系統未出現較大偏差時就進行調節，具有一定預先干預的特性，可增加系統對微小變化的響應特性。

為使驅動電機具有穩定的運動特性，要對電機控制的電流環、速度環與位置環進行準確的PID控制，控制過程如圖5所示。

圖5 PID電機控制過程

電流環控制是通過霍爾傳感器檢測驅動器作用電機各相的輸出電流值，與設定值對比后反饋給控制器來進行PID調節，從而使驅動電流趨近于設定電流。通過電流環反饋可實現對電機轉矩的實時控制，可在特定轉矩模式下實現對快的動態響應。

速度環控制是通過檢測伺服電機編碼器的輸出信號來進行反饋 PID 調節，其環內 PID 輸出即為電流環的給定值。將速度設定值與速度環反饋量進行比較后，求解的差值作為速度環PID的調節量。速度環控制可實現特定轉矩下穩定的電機運轉速度。

位置環控制作用于驅動器與電機編碼器之間，控制器驅動脈沖經濾波處理和齒輪計算后作為位置環的設定值，在與來自編碼器反饋的脈沖信號經過偏差計算后完成位置環的PID調節。位置環控制作用于系統反饋調節的最外端，計算量最大，因此動態響應速度也最慢。

(3) 激光測距原理分析

激光測距是通過測量光波從發射到接收之間的時間差來計算得到物體間距的，因此物體表面的反射率對于測量結果影響不大[4]。選用VL53LOX激光測距模塊進行輔助測量，測量距離最長可達2 m，精度在±3%以內。該模塊響應速度快，測距時間小于30 ms。同時能耗低，待機功耗僅為5 μA。內部集成的I2C通信方式，可實現與控制器的數據傳輸。測距模塊的激光發射器可發射940 nm波長的非可見光，有效增強了對外部光源的抗干擾性能。采用的數字架構和自動補償功能可使其在光照強度較大的條件下仍具有較高的測量精度。

2.2 冷塑無氣劃線機構

劃線過程采用冷塑無氣噴射方法，常溫下通過高壓泵建立噴射壓力，由噴槍將涂料噴至路面，完成標線繪制。噴嘴作為劃線機構的重要部分，其結構尺寸對標線噴涂過程將產生直接影響[5]，設計時采用建模仿真，對比不同尺寸下噴嘴的噴射特性，確定出最終方案。應用SolidWorks建立噴嘴三維模型圖，導入Gambit中完成網格劃分，通過非結構化網格處理，繪制8.2萬個網格單元。同時定義仿真分析中的邊界條件，設定噴嘴出口壓力為大氣壓(0.1 MPa)，入口壓力為最大噴射壓力(0.9 MPa)，得到噴嘴處噴射流量為9.1 L/min，圖6表示噴嘴的網格劃分情況。使用Fluent軟件對畫好網格的仿真模型進行流場分析，根據對比結果確定噴嘴結構。

圖6 噴嘴網格劃分圖

對不同噴嘴直徑下的噴射速度進行仿真分析。選用矩形噴孔結構，噴孔尺寸為4×1.5 mm。圖7中(a)、(b)、(c)分別表示噴嘴直徑為6 mm、9 mm和12 mm時噴嘴的噴射速度情況。對比可知，圖7(b)噴嘴最大噴射速度為34.3 m/s，大于其他兩種尺寸結構的最大速度，為滿足劃線過程的噴射要求，選用噴嘴直徑9 mm的噴嘴。

圖7 不同噴嘴直徑下噴射速度仿真圖

對不同噴孔尺寸下的噴射速度進行仿真分析。設定噴嘴直徑為9 mm，圖8(a)、(b)分別表示矩形噴孔尺寸為4×1.5 mm 及4×1.0 mm條件下噴嘴的噴射速度情況。對比可知，圖8(b)中噴嘴最大噴射速度達42.1 m/s，超過40 m/s的臨界值，會造成噴射量過多，涂層變厚等問題，影響劃線效果。因此，為使噴射速度與噴嘴高度及運動速度相互配合，保證標線繪制的均勻性與完整性，選擇4×1.5 mm的噴孔尺寸。

圖8 不同噴孔尺寸下噴射速度仿真圖

2.3 無線藍牙通信模塊

藍牙通訊模塊具有兩種工作模式：命令響應和自動連接。在自動連接工作模式下模塊又可分為主(Master)、從(Slave)和回環(Loopback)三種工作方式[6]。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據系統設定好的方式進行數據傳輸。當模塊處于命令響應工作模式時可執行AT命令，控制端可向模塊發送各種AT 指令進行控制參數設定與傳輸數據收發。在藍牙通信建立之前，需要對波特率、數據位數及傳輸格式等參數進行初始化設置，以保障控制器與維護機間正常的網絡鏈接。待聯系建立后，即可按照指定協議完成數據的相互傳輸。

2.4 視覺圖像處理模塊

視覺圖像處理包括邊緣檢測、角點檢測及圖像積分三個過程。

(1) 邊緣檢測 邊緣檢測是通過尋找圖像中變化劇烈或者不連續的像素點，將其連為線段的過程，主要包含降噪、梯度判斷、非最大值抑制和滯后閾值化處理四個步驟[7]。

首先通過模糊化方法實現圖像的降噪處理，以滿足分析要求。然后將數據點進行拉普拉斯變換，得到圖像梯度，并對每個像素點進行檢測，判斷是否為局部像素點中的最大值。如果不是最大值，則將該像素值清零，認為該點處于缺失狀態，完成非極大值抑制處理，如圖9所示。若確為最大值，則仍需進行閾值判斷，保證像素值在合理范圍內方可完成邊緣檢測。

圖9 邊緣檢測基本原理

(2) 角點檢測 角點檢測是尋找圖像中輪廓線連接點的過程。首先指定圖像窗口的大小，然后從初始位置依次檢測出圖像中在各方向上像素值存在較大變化的點，并構建出特征矩陣。經求解后得到矩陣特征值，通過對比分析，確定該區域是否存在連接角點。最后將檢測到角點數量與對應的坐標位置保存在緩沖區中，以備調用。

(3) 積分圖像 積分圖像是在圖像處理中快速得到矩形區域和的計算方法，該方法對圖像某區域的像素值進行累加，并以此替換圖像中的每個像素，從而得到全新的積分圖。由于當前像素的積分值由上一像素積分值與當前像素值累加得到，因此在進行積分圖像處理時僅需對圖像掃描一次即可得到包含像素累加和的新圖像，節省了處理時間，提高了計算速度[8]。

其基本原理如圖10所示，圖10(a)為原始圖像的像素值，圖10(b)是積分圖像的像素值。從原始圖像左上角開始計算給定矩形區域內像素的累加值，并以此填充至圖表的右下角，得到積分圖像。通過查詢該積分圖像，即可方便得到某個區域的像素值總和。

圖10 積分圖像基本原理

3 結 語

設計的基于視覺輔助技術的智能標線維護機通過無線遙控操作與視覺輔助控制結合的方式，可依次完成路面清潔、標線繪制及加熱烘干等功能，有效解決傳統路面標線維護機械功能單一、易于損壞及效率不高等問題，操作簡單，使用方便，降低了使用中的維護成本，具有較好的推廣應用價值。