CN108873895A - 路面遗撒智能巡检车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面遗撒智能巡检车，包括车框、安装于车框上的循迹运动系统和遗撒识别系统，所述循迹运动系统包括摄像头A、上位机、下位机、电机驱动模块、电机、车轮和编码器模块，所述上位机对摄像头A采集的路面图像进行处理，获取巡检车相对路面标线的位置参数并将所述位置参数发送至所述下位机，所述下位机采用PID算法处理所述位置参数，产生控制指令，通过所述电机驱动模块驱动所述电机的转速，来调整所述车轮的转速以调整所述巡检车的姿态使其沿路面标线行驶，实现自主循迹；所述遗撒识别系统包括摄像头B和数据传输模块。本发明的智能巡检车行驶安全、运动可调、节能减排。

Description

路面遗撒智能巡检车

技术领域

本申请属于高速公路路况日常巡检领域，具体但不排他地，涉及一种路面遗撒智能巡检车。

背景技术

高速公路上车辆行驶速度较快，因此路面遗撒不仅会对道路环境造成影响，而且会对车辆的正常行驶造成非常大的危险。且路面遗撒产生的原因较多，时间不定，对其进行及时的巡检非常重要。

目前常规的巡检方法多为人工驾驶汽车沿道路缓慢行驶以排查遗撒，即，每日每辆车至少配备两人，一人负责驾驶，另一人对道路情况进行检查，每日检查50km的高速公路。然而，面对现有的大量高速公路，这种传统的遗撒巡检方法既耗费人力财力，又消耗大量资源而且不环保。因此需要开发一种能够替代巡检人员进行道路遗撒巡检的自动化巡检设备十分有必要。

常用的移动检测设备有无人机、护栏巡检平台、智能车这三种。无人机的续航能力难以支持每日至少50公里的连续巡检要求，而且其运动受天气影响较大，而天气恶劣情况下，巡检更为必要，另外无人机造价较高，对摄像头等设备要求也更高，这些因素都导致其在进行道路巡检时具有一定的局限性；护栏巡检平台面临着护栏不连续、路侧灌木遮挡等问题，解决起来需要的成本高，时间长；智能车可搭载能力强，所以续航能力更强，成本较低，操纵稳定性也较好，因此智能车相对而言是最为合适的选择。

发明内容

为了至少部分的解决上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种行驶安全、运动可调、节能减排的路面遗撒智能巡检车。本发明的智能巡检车在路肩行驶，结合GPS导航系统和对路肩白色标志线的识别，实现自主运动控制、巡线功能，同时通过高清摄像头对路面情况进行实时记录，并完成图像处理工作，根据深度学习算法识别出道路上遗撒物的种类，判断路面物体的危险程度，并上报遗撒物图片及位置坐标。

根据本发明的一方面，提供一种路面遗撒智能巡检车，包括车框、安装于所述车框上的循迹运动系统和遗撒识别系统，

其中，所述循迹运动系统包括摄像头A、上位机、下位机、电机驱动模块、电机、车轮和编码器模块，所述上位机对所述摄像头A采集的路面图像进行处理，获取所述巡检车相对路面标线的位置参数并将所述位置参数发送至所述下位机，所述下位机采用PID算法处理所述位置参数，产生控制指令，通过所述电机驱动模块驱动所述电机的转速，来调整所述车轮的转速以调整所述巡检车的姿态使其沿路面标线行驶，实现自主循迹，

所述遗撒识别系统包括摄像头B和数据传输模块，所述上位机采用YOLO目标检测算法检测所述摄像头B采集的路面图像中有无遗撒，若检测到遗撒，则检测结果通过所述数据传输模块传送至公路养护中心的中控系统，

所述循迹运动系统包括控制模块，所述控制模块包括PID控制器1和PID控制器2，所述PID控制器1采用增量式PID算法，将由图像测量的所述巡检车的偏离距离、偏离角度转换为对应的控制量，经G₁传递函数转换为所需的速度控制增量V_c(s)，进而产生左轮速度控制量V_L＝V_b(s)-V_c(s)，右轮速度控制量V_R＝V_b(s)+V_c(s)，

其中，G₁为PID控制器1的输出控制量到速度控制增量V_c(s)的转换传递函数，V_b(s)为基本速度输入；

所述PID控制器2采用位置式PID算法，速度误差为速度控制量与反馈测量速度之差，将速度误差作为输入，产生相应速度控制量输出，实现车轮实际速度跟随速度控制量。

特别地，所述巡检车还可包括供电系统，所述供电系统包括与所述循迹运动系统和所述遗撒识别系统连接的电源、启动开关和紧急制动按钮。

特别地，所述车框可包括通过支撑件连接的上层板和下层板，所述上位机和所述下位机设置在所述上层板的上面，所述电源设置在所述下层板的上面，所述电机和所述车轮设置在所述下层板的底部。

特别地，所述上层板上还可以固定安装有支架组件，所述支架组件包括其上安装有所述启动开关和所述紧急制动按钮的第一倒U型支架、其上安装有所述摄像头A和所述摄像头B的第二倒U型支架、以及其上安装用于显示所示供电系统的工作情况的警示灯的第三倒U型支架。

特别地，所述摄像头A和所述摄像头B可设置于所述第二倒U型支架的朝向公路中心的一侧的上部。

特别地，所述供电系统还可包括设置于光伏公路上的外接电力供应端口，

其中，当所述电源的电量低于电池满电量的20％时，所述检测车可自动移动至最近的电力供应端口进行充电。

特别地，所述电源可以为24V大容量电池，容量25AH，配备5A快充。

特别地，所述巡检车还可包括橙色外壳。

特别地，所述上位机可选用STM32F767高速单片机，所述下位机可选用NvidiaJetson TX2。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用智能巡检车代替人工，速度快，准确性高，为公路养管部门决策提供依据，节约大量人力物力，提高了日常遗撒巡检效率。

2、本发明为自动智能车形式，比起传统巡检人员驾驶工程车，极大程度上节能减排。

3、本发明结合GPS系统和图像处理循迹技术，既保证行驶路线正确，同时在小范围内的行驶偏差可以得到及时的调整，提高了整体行驶的准确性和安全性。

4、本发明通过图像检测方法，沿高速公路交通标志线完成自主循迹，利用图像增强手段，克服了标志线局部模糊不清的困难，使行驶更加准确可靠；

5、本项目采用优化的深度学习模型完成遗撒识别，采用全图信息进行预测，并通过拍摄真实遗撒情况的数据集，使得用于神经网络训练的数据完全为真实情况，与传统方法相比，巡检速度和准确性都大大提高。

6、本项目是机器学习技术在交通领域应用的尝试，为做全天候、立体式、多功能的智能巡检系统提供了可能性，为发展智慧公路，智能交通提供了方向。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的路面遗撒智能巡检车(未安装外壳)的结构示意图。

图2为本发明的与循迹运动系统相关的结构连接示意图。

图3为本发明的智能巡检车的循迹示意图。

图4为本发明的循迹运动系统的控制模块的工作原理示意图。

图5为PID控制器1的工作原理示意图。

图6为本发明的路面遗撒智能巡检车(安装外壳)的结构示意图。

附图标记：

1-框架

2-支架组件

21-支架A 22-支架B 23-支架C

3-循迹运动系统

31-摄像头A 32-上位机 33-下位机 34-电机驱动模块 35-电机 36-车轮 37-编码器模块 38-蓝牙通信模块

4-供电系统

41-电源 42-充电桩 43-启动开关 44-紧急制动按钮

5-遗撒识别系统

51-摄像头B 52-数据传输模块

6-外壳

7-GPS模块

8-警示灯

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

如图1所示，本发明的路面遗撒智能巡检车包括框架1、支架组件2、循迹运动系统3、供电系统4、遗撒识别系统5、外壳6、GPS模块7、警示灯8。

在本实例中，框架1由全铝合金制成，为两层结构，其整体尺寸(长*宽*高)约为36cm*42cm*45cm。应当理解，本领域技术人员可根据需要对框架1的整体尺寸进行修改。框架1的上层板上固定安装有支架组件2，该支架组件2包括支架A21、支架B22、支架C23。在图1所示的示例中，支架A21、支架B22、支架C23为倒U型。特别地，框架1上还可以预制另外的孔槽，以为其它交通路面情况感知传感器提供安装位置。

巡迹运动系统3可实现路面遗撒智能巡检车沿高速公路白色标线巡线运动，其包括摄像头A31、上位机32、下位机33、电机驱动模块34、电机35、车轮36、编码器模块37和蓝牙通信模块38。如图1所示，电机35固定于框架1的底部，其由4个相同的电动机组成并与车轮36分别相连。摄像头A31固定安装于支架A22的面向公路中间的一侧方柱的上部。上位机32、下位机33、电机驱动模块34、编码器模块37以及蓝牙通信模块38均安装在框架1的上层板。

智能巡检车启动后初始状态为控制模式。如图2所示，手机端或电脑端可以通过蓝牙向巡检车发送控制指令，控制指令为下述表1所示。巡检车经由蓝牙通信模块38接受控制指令后，下位机33向驱动模块34发送对应控制信号，控制信号为表2所示。驱动模块34控制电机35转动，实现对巡检车的遥控控制。发送循迹模式命令后，智能车进入循迹模式，通过摄像头A31采集道路图像，图像传送给上位机32并经上位机32处理后，获取当前巡检车相对高速公路白色标线的位置和角度参数，经串口将该参数发送给下位机33。下位机33将目标参数(当前巡检车相对高速公路白色标线的位置和角度参数)作为PID控制算法的输入，经处理后产生左右轮的速度控制量，通过驱动模块34分别驱动电机35中左右侧电机的转速，带动调整车轮36转速，进而控制巡检车的姿态使其沿着路面标线行驶，即实现自主循迹。

表1手机端或电脑端的控制指令

表2下位机33向驱动模块34发送的控制指令

AIN	BIN	PWM	功能
				1	0	1	正转
0	1	1	反转
				1	1	1	刹车
0	0	1	自由停车
				x	x	0	刹车

在本实例中，上位机32选用STM32F767高速单片机，STM32是意法半导体公司开发的32位微控制器，采用高性能-M7 32位RISC内核，工作频率高达216MHz。Cortex-M7内核具有单浮点单元(SFPU)精度，支持所有的ARM单精度数据处理指令和数据类型，还能实现完整的DSP指令集和增强应用安全性的存储器保护单元(MPU)，同时具有丰富的外设，低功耗等特点。下位机33选用Nvidia Jetson TX2，是基于NVIDIAPascal^TM架构的AI单模块超级计算机，性能强大，外形小巧，节能高效，非常适合机器人、无人机、智能摄像机和便携医疗设备等智能终端设备。

电机35根据巡检车的总重选择功率密度较高的md-36电机。车轮36的轮胎选择直接约15cm的充气轮，以保证框架1的离地高度和避震要求。根据连续录像和高清要求，摄像头A31选用了usb3.0硬件800万像素高清高速低照度摄像头模组，完成实时高清录像。

循迹运动系统3采用PID控制算法。在过程控制中，PID控制器，适用于不需要建立算法模型，其控制结果好，安全性高，稳定性好。具体算法调节P(比列)、I(积分)和D(微分)三项系数，工业控制系统中的大多数可以通过调节系数获得很好的闭环调节性能，实现系统功能。

位置式PID：

式中：u(k)为控制系统的输出；e(k)为控制系统的输入；K_p为控制系统的比例系数；T_i为控制系统的积分时间；T_d为控制系统的微分时间；T为系统的采样周期。

增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。增量式PID控制算法具有如下优点：计算量小；算式中没有累加环节，不用大量的计算；控制增量值与系统最近的三次的采样值有关，方便使用加权处理达到良好的控制效果。增量式PID的原理公式如下：

Δu(k)＝Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

其中：

本发明的巡检车的循迹示意图见图3。建立直角坐标系xOy，以车的几何中点为坐标原点O，以车的正前方向为x轴，利用左手坐标系确定y轴。A、B点间的距离d为期望保持的行驶间距，B、C点间的距离为实际行驶偏离距离并以实际行驶轨迹位于期望路径左侧为正，∠BOC为实际行驶偏离角度并以图示角度为正。

循迹运动系统3包括控制模块，其控制结构图见图4。其中：R(s)为循迹运动系统的输入，即，期望距离偏差和期望角度偏差；C(s)为系统输出；V_b(s)为基本速度输入；V_c(s)为速度控制增量；V_L为左轮速度控制量；V_R为右轮速度控制量；G₁为PID控制器1的输出控制量到速度控制增量V_c(s)的转换传递函数；G₂为速度控制量到车轮实际速度的传递函数；G₃为左右轮实际速度差到实际偏离距离、偏离角度的传递函数；H₁为速度反馈的传递函数；H₂为偏离距离、偏离角度反馈的传递函数。具体地，PID控制器1采用增量式PID算法，将由图像测量的偏离距离、偏离角度转换为对应的控制量，经G₁传递函数转换为所需的速度控制增量V_c(s)，进而产生左轮速度控制量V_L＝V_b(s)-V_c(s)，右轮速度控制量V_R＝V_b(s)+V_c(s)，采用PID控制器2作为控制算法，利用编码器模块37对左右车轮速度进行测量，实现左右轮闭环速度反馈，确保左右轮实际速度能良好的跟踪左右轮速度控制量。左右轮实际速度经G₃转为智能车实际行驶轨迹，经摄像头对实际行驶轨迹进行采集，结合图像处理，获取实际行驶轨迹与期望轨迹的偏差距离和偏差角度，即H₂传递函数。

PID控制器1见图5，它是一个双输入单输出控制器，因为总是希望实际行驶轨迹能沿期望轨迹行驶，所以期望偏差角度和期望偏差距离取零即可。角度误差为期望偏差角度与实际偏差角度之差，距离误差为期望偏差距离与实际偏差距离之差。角度误差和距离误差分别作为增量式PID的输入，产生相应输出增量后，分别乘上权重K₁、K₂，对它们求和产生总增量输出。

PID控制器2采用位置式PID，速度误差为速度控制量与反馈测量速度之差，将速度误差作为输入，产生相应速度控制量输出，实现车轮实际速度跟随速度控制量。

结合实际循迹系统调试，整定PID控制器1和PID控制器2参数，使系统达到良好的循迹效果。

供电系统4包括电源41，启动开关43，紧急制动按钮44。警示灯8显示供电系统4的工作情况，警示灯8安装在支架A21上。电源41为上述的循迹运动系统3供电。当启动开关43处于打开状态时，巡检车进入工作状态，警示灯8点亮。当启动开关43处于关闭时，巡检车进入待机状态，警示灯8熄灭。特别地，供电系统还包括电力供应端口42，以可以与光伏路面协同创新。光伏公路路面下预留了电磁感应线圈，未来可实现光伏公路上每隔固定里程数设置预留外接电力供应端口，并且随着电动汽车无线技术的发展，当检测车电源41电量低于电池满电量的20％时，检测车可自动移动至最近的电力供应端口42进行充电。

由于路面遗撒智能巡检车需要运行较长的距离，最高可达50km/h左右，需要实现6～8小时巡航，电源41选择24V大容量电池，容量25AH，配备5A快充。

遗撒识别系统5包括摄像头B51和数据传输模块52。摄像头B51安装在支架A22的横梁一侧，随巡检车沿路面标线行驶拍摄巡检车侧方路面视频图像。将图像传送至下位机33，下位机33采用YOLO目标巡检算法对遗撒物进行巡检。若巡检到遗撒物，数据传输模块52将巡检结果图片传送到公路养护中心的中控系统，同时GPS模块7将巡检到遗撒物的巡检车位置坐标发送至中控系统，为养护处理决策提供依据。

YOLO目标巡检算法简述如下。首先拍摄了大量道路上不同种类的遗撒的照片和视频，对视频进行逐帧提取，最终得到分别命名为box、carton、bottle、paper、bag、roadblock、stone、sand、plasticbag、package共十类遗撒图片2203张，并对图像中的遗撒物进行标记形成路面遗撒训练集。然后利用训练集对YOLO模型进行训练，得到训练后的模型。在实际巡检中，使用训练好的模型巡检不在训练集中的新图片，可以正确识别遗撒位置并划分类别，在原图中用图框框出遗撒在图像中的位置并标出类别，输出巡检结果图片。

GPS模块7选用串口GPS模块，通过串口线和上位机32进行连接，然后通过串口通信协议接收GPS信息。

外壳6设计如图6所示。优选地，外壳材料采用橙红色硬质塑料，达到保护内部机构的作用，同时颜色醒目，提醒来往车辆注意避让。

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种路面遗撒智能巡检车，其特征在于，包括车框、安装于所述车框上的循迹运动系统和遗撒识别系统，

其中，所述循迹运动系统包括摄像头A、上位机、下位机、电机驱动模块、电机、车轮和编码器模块，所述上位机对所述摄像头A采集的路面图像进行处理，获取所述巡检车相对路面标线的位置参数并将所述位置参数发送至所述下位机，所述下位机采用PID算法处理所述位置参数，产生控制指令，通过所述电机驱动模块驱动所述电机的转速，来调整所述车轮的转速以调整所述巡检车的姿态使其沿路面标线行驶，实现自主循迹，

所述遗撒识别系统包括摄像头B和数据传输模块，所述上位机采用YOLO目标检测算法检测所述摄像头B采集的路面图像中有无遗撒，若检测到遗撒，则检测结果通过所述数据传输模块传送至公路养护中心的中控系统。

所述循迹运动系统包括控制模块，所述控制模块包括PID控制器1和PID控制器2，

所述PID控制器1采用增量式PID算法，将由图像测量的所述巡检车的偏离距离、偏离角度转换为对应的控制量，经G₁传递函数转换为所需的速度控制增量V_c(s)，进而产生左轮速度控制量V_L＝V_b(s)-V_c(s)，右轮速度控制量V_R＝V_b(s)+V_c(s)，

其中，G₁为PID控制器1的输出控制量到速度控制增量V_c(s)的转换传递函数，V_b(s)为基本速度输入；

所述PID控制器2采用位置式PID算法，速度误差为速度控制量与反馈测量速度之差，将速度误差作为输入，产生相应速度控制量输出，实现车轮实际速度跟随速度控制量。

2.根据权利要求1所述的路面遗撒智能巡检车，其特征在于，所述巡检车还包括供电系统，所述供电系统包括与所述循迹运动系统和所述遗撒识别系统连接的电源、启动开关和紧急制动按钮。

3.根据权利要求1或2所述的路面遗撒智能巡检车，其特征在于，所述车框包括通过支撑件连接的上层板和下层板，所述上位机和所述下位机设置在所述上层板的上面，所述电源设置在所述下层板的上面，所述电机和所述车轮设置在所述下层板的底部。

4.根据权利要求3所述的路面遗撒智能巡检车，其特征在于，所述上层板上还固定安装有支架组件，所述支架组件包括其上安装有所述启动开关和所述紧急制动按钮的第一倒U型支架、其上安装有所述摄像头A和所述摄像头B的第二倒U型支架、以及其上安装用于显示所示供电系统的工作情况的警示灯的第三倒U型支架。

5.根据权利要求4所述的路面遗撒智能巡检车，其特征在于，所述摄像头A和所述摄像头B设置于所述第二倒U型支架的朝向公路中心的一侧的上部。

6.根据权利要求2至5之一所述的路面遗撒智能巡检车，其特征在于，所述供电系统还包括设置于光伏公路上的外接电力供应端口，

其中，当所述电源的电量低于电池满电量的20％时，所述检测车可自动移动至最近的电力供应端口进行充电。

7.根据权利要求2至5之一所述的路面遗撒智能巡检车，其特征在于，所述电源为24V大容量电池，容量25AH，配备5A快充。

8.根据权利要求2至5之一所述的路面遗撒智能巡检车，其特征在于，所述巡检车还包括橙色外壳。

9.根据权利要求2至5之一所述的路面遗撒智能巡检车，其特征在于，所述上位机选用STM32F767高速单片机，所述下位机选用Nvidia Jetson TX2。