基于线阵CCD传感器的道路划线 自动检测系统*

郝 琳

(许昌电气职业学院，河南 许昌 461000)

1 引 言

近几年，随着经济的飞速发展，我国的公路建设速度也有了显著提高，公路上车道及路标的划线工作任务和要求也随之加大。传统的公路划线机在划线前需要通过人工手推式喷涂机沿已知标线进行喷涂，工作量大且受人的影响较大，精度较差，不适合在高等级公路及城市道路上划各种路面标线[1]。针对这种现象笔者介绍了基于TCD1206线阵CCD图像传感器的闭环寻迹道路划线自动检测系统。基于CCD的图像传感器技术凭借其优势近些年来取得了迅速发展，其应用领域遍及生产生活的各个方面。在公路划线的应用中既可以节约人力与时间，又可以使喷涂出的路标线整齐归一。

2 基于线阵CCD图像传感器的闭环寻迹系统工作原理

为使工作车自动跟踪已知的标记行走，必须有标线监测装置和方向控制机构。如果能对于已知标线进行实时测量，并反馈给寻迹系统，当车的行走方向与已知标线发生偏离的时候，能够及时发现并调整行进方向，构成由标线给定到车轮位置的闭环结构，以车轮位置为控制目标，就可以完成跟踪标记行走的任务。

采用线阵CCD图像传感器，配以标线位置检测环节，采集到的信号由单片机比较车轮位置与标线的误差，经过放大以后驱动电机转动，带动方向控制环节调整运行方向，使得车轮一直沿着已知标线行驶，就构成了如图1所示的闭环寻迹系统。

图1 闭环寻迹系统

3 图像采集系统

3.1 测量原理

CCD(Charge Coupled Device电荷耦合器件)图像传感器具有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、可靠性高、可实现复杂情况下的非接触式测量等一系列优点[2]。本系统从工作车的实际工作环境出发，采用非接触式的视觉测量方式，以CCD图像传感器作为测量器件，既能满足测量精度和方法的需要，又能节约成本且使用方便。该系统选用TCD1206线阵CCD传感器与图2所示的标线检测光路配合[3-4]，在单片机P89V51RD2的控制下构成标线检测环节。

图2 测量系统光路图

被测地面标线1位置由镜头8测得并传给CCD传感器，CCD传感器将接收到的图像信号转化为代表各个像素点灰度的电信号送入单片机与参考电平进行比较，然后经数据处理，从而完成寻迹工作。另外，根据实际测量精度的需要，将测量光路的物距相距之比为1:10即可满足。单片机P89V51RD2同时还控制电机的转动，根据检测到的偏差大小和方向，由软件按着一定的运算规律得出电机运行的时间和方向，并驱动使之运行，完成纠偏工作，寻迹系统的电路测量原理如图3所示。为了避免环境对CCD图像传感器的影响，设置选用了可调光圈镜头，光圈的调整要根据工作环境的照度来决定。CCD图像传感器放置在已知标线的正上方，白色的标线与地面的颜色形成亮度差，当CCD图像传感器测量到的标线背景图像是“白色”区域时，单片机对应的读出的数据为“1”，相反，地面在CCD图像传感器上的成像是“黑色”区域，对应点读出的数据为“0”。

图3 测量电路原理图

每只TCD1206线阵CCD传感器有效像素2 160点，每点尺寸14 μm，总长度2160×14=30.24 mm。因此，在测量光路的物距相距之比为设定为1:10，则测量的分辨率为0.14 mm，即CCD传感器上的每一个像素点代表标线上的0.14 mm长度[5]。所以本装置测量范围在2160×0.14=302.4 mm以内，即该知标线应该在镜头光轴左右150 mm以内，可进入传感器的测量区域，超出这个区域将会发生寻迹失败问题。

3.2 图像处理方法

该装置不需要图象灰度，采用二值化处理即可满足测量要求[6-7]。硬件测量电路如图3所示，CCD输出的代表各个像素点灰度的信号Si接入 LM311(C12)的反向输入端，参考电平VREF接入 LM311(C12)的同向输入端，二者进行比较后将灰度信号量化为二进制的“0”和“1”表示。调整电位器R3可改变参考电平VREF使之与光源的照度相匹配。信号Si，经过电阻R5电容C11积分后由LM358(S1A)得到其平均值，该平均值与TCD1206的补偿输出DOS、电阻R3的输出一起加权求和得到参考电平VREF。

二值化电路的输出端连接到74LS164串并转换器的串行输入端，在与像素输出同步的164CLK脉冲作用下转变为74LS164的并行输出数据。同时，像素的同步信号RST连接在单片机的计数器T0引脚，每计数8个脉冲产生一次计数中断，在中断子程序中通过P1口读入74LS164的并行输出数据，直到TCD1206传感器的2160点像素全部读完，得到270字节的数据。得到一帧数据以后，单片机按字节判断是1还是0，若某字节即非“FFH”也非“0”则判断该字节每位上“1”的个数，如果“1”的个数大于6按“FFH”处理、小于3按“0”处理。这样实际是把8个点为一个单元处理。

根据测量光路的物距相距之比为1:10，可知CCD图像传感器对标线的分辨率是0.14 mm，这样的精度实际应用中显然没有必要，因此，将8个点作为一个点来处理，压缩了数据量，减少了数据处理的时间，这样实际分辨率是0.14×8=1.12 mm，完全满足寻迹的要求。

4 使用方法

按动S1键，单片机控制电动机牵引方向盘向左转动，按动S2键，单片机控制电动机牵引方向盘向右转动。当工作车进入标线区，CCD图像传感器位于标线正上方时自动进入闭环寻迹状态。单片机每10 ms采集一次数据，经过分析得到偏移误差，再根据误差控制、矫正工作车的偏移。为了保证闭环系统的稳定性，每次控制、矫正工作车的偏移值只驱动电机转动调0.5 s。

5 结 语

基于TCD1206线阵CCD传感器的道路划线自动检测系统具有响应速度快、测量准确、使用方便、成本低等优点，在实际生产生活中有着广泛的用处。

参考文献：

[1] 王慧利.基于视觉的道路划线机自动检测装置[D]. 沈阳:沈阳工业大学，2007.

[2] 陈 杰. 传感器与检测技术[M]. 北京:高等教育出版社，2002.

[3] 李 华. MCS-51系列单片机实用接口技术[M]. 北京:北京航空航天大学出版社，1993.

[4] 段战军，舒朝濂.基于面阵CCD零件内表面无损检测的光学系统设计[J]. 机电产品开发与创新，2008，21(1)：147-149.

[5] 魏泽鼎，王儒慧. 基于CCD的片烟规格测量装置的设计应用[J]. 设备与仪器，2008(12)：19-21.

[6] 张文革，段晨东，董革平. 线阵CCD检测技术中二值化方法的研究[J]. 现代电子技术，2003(17)：93-97.

[7] 黄伟成，卢 红. 基于激光CCD器件的直径测量系统[J]. 机电工程技术，2008，37(03)：17-19.