圖基導航的高速公路劃線車無人駕駛系統

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展。截止到2018年12月28日，我國高速總里程已經達到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，已經不能滿足當前形勢發展的需要。基于我國目前道路劃線自動化程度不高、公路里程迅速增加和公路養護工作量不斷加大的現狀，研究開發一種高效、智能化的公路劃線車，對提高我國公路養護的機械化水平、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。該系統主要包括車輛控制系統、視覺導航系統、動作執行系統、人機交互管理系統等子系統。

1 系統總體設計方案

1.1 系統功能介紹

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。本系統與現有劃線設備結合后可實現如下功能：

（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，當施工人員發現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。

為實現上述功能設計出了方案設計圖，如圖1所示系統主要組成部分：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 系統結構

本系統主要包括車輛控制中心、水線檢測系統、轉向控制器、交流電機控制器、動作執行系統、控制管理中心，控制中心通過通訊總線控制執行層的控制器。控制器以STM32單片機為核心搭建外圍控制電路，實現了對車輛啟動、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。動作執行結構以氣壓驅動電磁閥控制氣缸動作，實現劃線動作自動化。管理控制中心通過串行總線與控制中心通訊，實現狀態監控、參數設置、模式切換等功能。自動劃線車無人駕駛系統結構如圖2所示。

圖1 方案設計圖

圖2 自動劃線車無人駕駛系統結構圖

2 系統硬件設計

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行氣缸，由電磁閥控制氣源通斷。

圖3 智能劃線車控制系統結構圖

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以及轉向控制系統連接通訊，實現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人機交互。

3 檢測系統與控制系統設計

3.1 水線檢測系統

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。工控機系統為win10，運行環境為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送偏差等信息，然后車輛控制器依據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 控制系統系統設計

本文設計的智能劃線車控制系統的主要作用是實現在無人駕駛控制器與車輛底盤控制系統、轉向控制系統的信息交互以及控制器對動作執行氣缸的控制，從而達到車輛實現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包括車輛底盤控制系統、轉向控制系統、動作執行機構以及無人駕駛車輛控制器。控制系統的流程，如圖3所示。

4 管理控制中心系統設計

4.1 系統框架（圖4）

圖4 管理控制中心系統框架

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及數據顯示、車輛控制、模式設置、參數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，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行結構實現劃線車自動劃線。但是本文設計無人駕駛系統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是接將來的研究方向。