一種路面坑洼、擁包預警系統的設計

劉紫揚

摘 要：路面坑洼或擁包若得不到及時維護，將成為車輛行駛中的潛在危險。文章針對這一問題，以STM32單片機為主控芯片，用硬軟件結合的方式實現路面坑洼或擁包的預警。

關鍵詞：3D激光雷達；點數據；STM32單片機；預警系統

1 概述

隨著城市化進程的快速發展和機動化水平的提升，人們對城市化道路的需求也越來越高。人們在出行時不僅會考慮安全便捷性，更會追求出行的舒適感。而道路由于路面出現坑洼或擁包，若得不到及時維護，給通行車輛布下各式各樣“地雷陣”，有的甚至成為了“馬路殺手”。路面坑洼或擁包不但影響出行舒適感，而且會損壞車身，造成損失。在車速較快的情況下，甚至會因爆胎釀成交通事故，威脅駕駛人員及乘客的生命安全。

目前國內外對路面坑洼、擁包預警系統的研究尚處于理論和研發層次。國外主要是通過接觸式預警，精度雖高，但給駕駛員的反應時間不多，容易造成交通事故，國內也有通過使用道路激光平整度測試車利用激光的光時差原理來測定路面的凹凸狀況[1]，但難以推廣；至今，國內外主要是借助車載移動激光掃描儀[2]實現非接觸式預警，對道路及周邊環境進行掃描，獲取激光點所接觸物體的三維坐標，但是其整個系統的復雜，導致體積大，應用于私家車會影響車體美觀。

2 設計與實現

路面坑洼、擁包預警系統主要分為三個部分：數據采集模塊、數據處理模塊以及預警傳輸模塊，具體裝置及各部分作用機理下面進行詳細介紹。

2.1 設計思路

本設計主要是通過在擋風玻璃正上方處安裝3D激光雷達，實時采集前方路面信息（平面、擁包或坑洼），采用STM32單片機作為主控芯片，對采集的數據進行處理，判斷車輛是否能夠平穩地通過，前方坑洼或擁包則向駕駛員反饋情況，并將路面坑洼或擁包的位置傳送至維修部門。

2.2 系統關鍵技術分析

本系統主要由3D激光雷達和STM32單片機組成。系統設計滿足“三高”要求：高安全性、高穩定性、高準確性。

2.2.1 3D激光雷達設計

3D激光雷達由激光測距儀、角度測量系統、GPS數據接口以及信息輸出模塊組成。簡單的二維結構光掃描是以點激光成像的原理來測量與物體的距離，而道路坑洼或擁包則是以三維空間的形式存在，因此本系統采用的是三維掃描系統，由激光測距儀與與角度測量系統組合的自動化快速測量系統。發射的激光束對被測物體進行快速掃描測量，直接獲得激光點所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距等數據信息，作適當的處理后，獲得坑洼或擁包表面的點云數據并存儲。

（1）坐標點的采集。所測得的點云數據為空間點坐標，是基于球坐標進行測量，XOY面為橫向掃描面，Z軸與橫向掃描面垂直。（注：此處假設車輛已檢測到前方坑洼或擁包）

掃描頭通過兩個同步反射鏡快速而有序地旋轉，將激光脈沖發射體發出的窄束激光脈沖依次掃過前方掃描區域，測量每個激光脈沖從發出經被測物表面再返回掃描頭所經過的相位差來計算距離S，同時內置精密時鐘控制編碼器，同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值？琢和縱向掃描角度觀測值？茲[3]，因此可以得到坑洼表面任意一個點的坐標為：

（2）數據點的轉換與傳輸。將3D激光雷達的數據接口與GPS相接，并通過軟件對點云數據進行預處理、插補、縫合并重構模型，最后對實物模型的數據點進行解析，得到電子地圖顯示的大地坐標系，因此通過3D激光雷達測得的數據信息經處理可直接傳輸至STM32單片機分析判斷。

2.2.2 STM32單片機設計

該模塊主要是通過軟件對接收的信息進行分析判斷并傳輸數據，單片機芯片對路面坑洼或擁包是否符合報警的條件進行分析判斷，若前方坑洼或擁包對車輛行駛無影響則激光雷達繼續采集數據，否則預警模塊啟動并以將實物模型以圖像形式提示駕駛員減速慢行，隨即將坑洼或擁包的大地坐標位置信息傳輸至道路維護部門，以便路面情況得到及時的改善。

以上功能的實現可通過軟件編程的方法實現，以下針對觸發預警的條件作具體分析：

條件1：坑洼或擁包大小分析

根據交通部《公路瀝青路面養護技術規范》（JTJ 073.2-2001）中規定，將以下情況路面病害視為對車輛行駛有較大影響的坑洼或擁包。

因此，在作判定條件分析時，將平均高度大于1.0cm的擁包或平均高度大于1.0cm且面積大于30cm2的坑洼作為報警的首要條件。

條件2：車輪是否會壓過坑洼或擁包

在滿足條件1的前提下， 再判斷車輪是否壓過坑洼或擁包。通過3D激光雷達測得的坑洼或擁包表面的數據點通過擬合可以得到其大致的函數圖像，可找到曲線的波谷或波峰位置，再利用測得激光點所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距等數據信息可計算出前車輪與坑洼或擁包相對位置，當車輪邊緣與波谷或波峰位置大于標定安全值則不啟動報警，否則，啟動報警模塊。

3 結束語

國內外針對道路坑洼或擁包的預警研究尚且停留在接觸式預警，對于非接觸式預警理論研究也不多，因此，具有廣闊的發展空間。本設計整合現有成熟技術，借助STM32單片機微型芯片處理，具有體積小、低能耗，高穩定等優點，可實現車輛的平安出行。近年來，“平安交通”愈來愈受到交通運輸部門的關注，本文研究的對路面坑洼或擁包的檢測適用于所有車輛，可在惡劣環境下工作，一旦實際應用，可最大程度上保證出行安全。應用前景廣闊。

參考文獻

[1]曾勝，王光普，曾慶霞.兩種平整度檢測儀器的對比研究[J].中外公路，2007，10（5）：4-5.

[2]呂冰，鐘若飛，王嘉楠.車載移動激光掃描測量產品綜述[J].測繪與空間地理信息，2012，6（6）：184-185.

[3]吳耀，龔 .基于激光掃描技術的三維模型重建[J].科技信息，2013，3：102-103.