淺析基于AI智能系統的“紅領巾”智能交通協管機器人

黃仁成 林展鵬 郭澤揚 羅澤鴻

廣東東軟學院計算機學院 廣東 佛山 528225

引言

隨著公民車輛的擁有數逐年增加，交通事故發生的頻率也逐年增高。我們經常發現一些行人沒有及時關注紅綠燈狀態，或者心存僥幸闖紅燈而導致斑馬線交通事故的發生，引發悲劇。僅2018年，行人引發的交通事故發生數便高達3045起，死亡人數多達1325人[1]。因此，建立一套完整的交通協管系統變得尤為重要。

智能小車是機器人研究的重要方面。現在的研究以及設計主要可以分為超聲波避障，藍牙遙控，光電感控等。藍牙遙控車主要是通過手機串口軟件連接單片機上的藍牙芯片，通過手機端發送信號即可以控制小車運動信息。超聲避障是智能小車系統中安裝超聲避障模塊，提高小車的避障功能以及行駛安全性。本系統利用STM32單片機結合樹莓派以及360度全景智能攝像頭設計了一款智能交通協管機器人，實現實時路況監控并協助管理斑馬線的交通秩序，以減少交通事故的發生。

1 系統的執行與組成

1.1 系統執行框架

“紅領巾”智能交通協管機器人采用STM32芯片為主控核心，采用樹莓派結合OpenCV收集圖像畫面并快速處理圖像的數據，主要設計思路及原理如下：在機器人的頂端安裝一個視頻分析處理系統即上位機，該上位機系統由樹莓派、攝像頭以及各種傳感硬件構成，通過攝像頭獲取目標路況以及目標的畫面，在樹莓派上用算法對所獲取的目標路況以及目標視頻畫面進行分析處理，得到路況信息和行人的位置信息，并將獲取的圖像信息發送給主控，主控中心根據路況信息和行人信息，按照預定程序做出機器人前進、后退、轉彎、燈光閃爍、報警、撥打電話等動作，以達到攔截機動車、引導和保護行人的目的。通過該智能系統協助交通警察進行交通秩序的維護[2]。主要參與的具體實施方案如下：

圖1 系統執行框架

1.2 系統組成

“紅領巾”智能交通協管機器人主要由兩部分組成：第一部分是由STM32、各類傳感器等硬件的組成，第二部分由樹莓派上位機以及圖像、運動算法等構成。這使得該系統具有較為完整的運動控制和實時監控等功能，硬件模塊中有核心芯片模塊、傳感器模塊、驅動模塊、樹莓派以及攝像頭等；算法運用了PID算法、運動避障算法、圖像識別處理算法等。

2 硬件組成與設計

2.1 通訊模塊設計

上上位機與下位機之間的通信是通過串口或者是I2C實現通信的，這種方式的通信更加的直接穩定，串口以及I2C主要是基于將來對新模塊的升級和安裝以及模塊的自由活動（例如攝像機的轉動）。樹莓派Pi 3B的內置802.11b/g/n無線網卡可以完全滿足系統要求。下位機32位單片機芯片需要與ESP8266網絡模塊連接。 ESP8266是一個完整且自成體系的Wi-Fi網絡解決方案，即Uart-WiFi網絡芯片，它還支持802.11b/g/n并具有低消耗的優點。 樹莓派會同時接收攝像頭收集的畫面處理之后通過串口發送給下位機，之后下位機會根據上位機給出的判斷結果做出指令，操控機器人執行命令例如：前進、轉彎、后退等[3]。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要是由超聲波構成，超聲波是現代較為有效的避障傳感器措施，超聲波測距可以顯著避免光、煙塵和霧氣對信號接收的影響。由于超聲波的方向性強，能量消耗慢，因此可以借助空氣介質以一定頻率的超聲波進行傳播，并且在介質中的傳播距離相對較長，經過反射后會反射回去。到達障礙物，因此可以通過計算傳輸時間來計算距離。同時，超聲模塊會定期發送測距信號。這允許將實時道路數據準確地傳輸到單片機并由其進行處理，從而使汽車的驅動輪能夠做出相應的反應。

超聲波所測距離=聲速（340m/s）×t/2

2.3 樹莓派攝像頭模塊

該系統中使用的主攝像頭是360度無死角的智能攝像頭，用于識別交通燈和行人信息的狀態。 攝像機支持1080P高清分辨率，鏡頭視角范圍為118度，水平旋轉角度為360度，垂直旋轉角度為260度，可以確保對監控區域的監控而不會出現盲點；其次，該攝像機支持紅外和USB接口輸入，方便了項目系統中各個模塊的集成。 攝像機還支持Wi-Fi無線網絡傳輸，并支持WEP，WPA，WPA2無線安全標準，可以確保視頻傳輸的安全性，并在適當的網絡條件下，可以確保視頻的傳播速度以及穩定性。副攝像頭采用CSI視頻接口攝像頭（后期會進行升級更改），用于尋路，保證機器人能夠正常運行與引導路人，該攝像頭支持500萬像素，采用感光芯片OV5647，角度范圍可到65°。攝像頭模塊主要完成的是完成循跡，智能機器人通過攝像頭檢測前方路徑，利用樹莓派處理攝像頭傳回的信息得到路況的圖像信息，通過樹莓派的圖像處理將畫面二值化，二值化是指將RGB圖像轉為灰度圖，再根據預設的圖像HSV值判斷并將大于預設值置1，否則置0。接著由得到的二值化圖像信息采用PID算法控制電機，從而使智能巡邏機器人能夠行駛在預定的路徑。對比采用其他傳感器循跡，采用攝像頭循跡將提高行駛過程中的穩定性。

2.4 電源模塊設計

電源模塊采用12V大容量鋰電池聚合物電源，機器的整體運行都是由該電源提供電源包括電機驅動模塊，STM32單片機則是由電池通過LM2596S DC-DC直流可調降壓電源模塊，輸出穩定的5V電壓保證單片機的正常有效工作。這樣的電源模塊設計使得電機驅動模塊和主控系統不分開供電，實現主控系統的穩定工作，減輕機器人的整體承載重量，為機器人提供更大的驅動力[4]。

2.5 電機驅動模塊

電機驅動模塊用的是L289N，能夠承載12V的電壓，保證電機的正常，電機選用1:30的直流減速電機，該種電機用保證機器人的運行正常；輪子選用的是麥克納姆輪，質量較大、行駛平穩、可以左右平移、原地旋轉，比傳 統小車更靈敏自由。

當遇到障礙物時，超聲波會傳遞距離給STM32單片機，STM32再結合攝像頭的圖像處理后的信息，做出判斷是左移還是右移或者是后退，保證行人的正常安全行走。

圖2 麥克納姆輪示意圖

2.6 核心主控模塊

核心主控板采用的是STM32F407芯片，該芯片較功能豐富、高性能、低功耗、接口多，自適應實時加速器能夠完全釋放Cortex-M4 內核的性能;當CPU 工作于所有允許的頻率(≤168MHz)時，在閃存中運行的程序，可以達到相當于零等待周期的性能。有低電壓:1.8V到3.6V VDD，全雙工的I2S，12位ADC:0.41us轉換/2.4Msps(7.2Msps在交替模式)高速USART，可達10.5Mbits/s以及高速SPI，可達37.5Mbits/s，并且該芯片有多種復位保護措施，較強的移植以及拓展性，綜上，該芯片完全滿足本系統的需求，因此選擇了這款芯片。

3 項目的基本運行場景

當人行道的紅燈亮時“紅領巾”進行行人攔截，使交通事故降低；當綠燈亮時，“紅領巾”攔截機動車，引導行人過馬路。“紅領巾”自動檢測是否有闖紅燈的車輛，當有車輛闖紅燈，越過停止線時，“紅領巾”頭頂的警示燈閃亮，發出報警聲，提醒行人，在闖紅燈車輛進入斑馬線前對車輛進行攔截，同時使用攝像頭拍下闖紅燈車輛的車牌，并且發送信號給交警站。若是“紅領巾”沒有成功攔截車輛且發生事故則自動撥打120、110電話，第一時間使被交警了解到事故情況，傷者能第一時間得到救援。當綠燈即將轉為紅燈時若還有行人過斑馬線，“紅領巾”會跟在最后一位行人旁邊，并且發出響聲以及亮警示燈，確保行人能全部安全通過斑馬線，將發生事故的概率降到最低。

4 項目的科學性與先進性

4.1 實時預防與安全處理

以STM32芯片為核心實現智能尋路以及實時監控的系統。實時檢測紅綠燈的狀態，在綠燈亮時，“紅領巾”以循跡方式，引導路人前進；當綠燈即將轉為紅燈時，若還有人在斑馬線上行走，“紅領巾”便會利用樹莓派處理得到的行人信息，走到最后行人的位置并跟在身邊，同時發出響聲以及亮警示燈，警示在等待的車輛斑馬線上還有行人。當紅燈亮時，“紅領巾”站在斑馬線前攔截想闖紅燈的行人，檢測到有行人闖過了斑馬線則發出響聲以及亮警示燈。

4.2 交互與導航

“紅領巾”后期還會進一步添加語言處理、智能搜索等功能，當有行人對“紅領巾”說怎樣去某個地方時，“紅領巾”會智能搜索目的地位置并規劃出最佳路線圖，實時顯示。

4.3 實時性

實時實現與120、110的信號對接，當有嚴重事故發生時，能第一時間把現場的信息發送給相關部門，讓受傷者可以第一時間得到搶救[5]。

4.4 工作過程中的智能控制

智能交通協管機器人在工作過程中由全局智能控制和局部智能控制兩部分智能控制組成，全局智能控制有在線操作控制、自我故障診斷信息控制、運動規劃等控制。局部智能控制則可以在線參數的整改、根據情況自我適應調整。

4.5 在廣義控制中智能控制的應用

廣義控制領域中的控制對象是抽象的時變信息對象，例如地震預報，天氣信息，股市狀況等。常規控制方法不能用于此類控制對象，需要使用智能控制系統來控制，讓其自主判斷做出決定。

5 項目的應用價值和轉化前景

在人行道和交叉路口常出現紅綠燈配時過長導致行人長時間等待的情況，當行人比較著急要走時，便可能出現行人硬闖在紅燈情況下馬路的情況（若是發生了交通事故就會導致交通情況的惡化，路段出現擁堵，使機動車道的車流通行出現停滯等負面影響，容易造成嚴重的人員與財產損失），即使是在綠燈狀態，也有可能出現超速車輛來不及剎車、酒駕等交通違法情況而使行人出現危險。而“紅領巾”的提前提醒和攔截、引導行人功能就是是為了預防和減少這種危險現象的發生，實現保護行人的目的。“紅領巾”的普及將會使傳統的行人交通向智能交通過渡，使人、路、車協調，真正實現交通的實時交互。在繁忙交通路口具有廣闊的普及前景。

6 結束語

本文詳細地闡述了智能交通協管機器人就如何做好實時監控以及保證行人安全，在硬件和軟件的設計上也做了簡要的說明，硬件模塊包括傳感器模塊、電機驅動模塊、通訊模塊等組成，軟件包含樹莓派圖像處理的Python和單片機運行的C語言組成，在結合PID算法、超聲波避障、圖像處理斑點掃描算法等使得機器人的設計更加完整，在運行時更加的穩定以及準確，希望“紅領巾”智能交通協管機器人能為交通事業出點力。