［摘 要］為了避免駕駛員因擺放三角架而遇見危險(xiǎn)，一種遙控的基于GPS 和視覺模型及聲光報(bào)警系統(tǒng)的自主導(dǎo)航三角架警示車十分重要。文章對(duì)三角架的使用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)方案，達(dá)到了駕駛員手動(dòng)遙控或開啟自動(dòng)導(dǎo)航就能使警示車自動(dòng)到達(dá)固定位置并一鍵返航的效果，解決了高速公路上存在的安全隱患，較好地保障了駕駛員和后方車輛的安全。

［關(guān)鍵詞］機(jī)器人控制；慣性導(dǎo)航；視覺模型；麥克納姆輪

［中圖分類號(hào)］TP29 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0158–03

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車不斷普及，與此同時(shí)汽車故障也頻繁發(fā)生。在故障發(fā)生時(shí)，人們需要在車輛后方設(shè)置三角架以警示后來(lái)車輛。我國(guó)《道路交通法》第68 條規(guī)定，機(jī)動(dòng)車在高速公路上發(fā)生故障時(shí)，警告標(biāo)志應(yīng)當(dāng)設(shè)置在故障車來(lái)車方向150 m 以外，晚上則放置在250 m 以外。車上人員應(yīng)當(dāng)迅速轉(zhuǎn)到右側(cè)路肩上或應(yīng)急車道內(nèi)，并且迅速報(bào)警。目前大眾所用三角架僅是一個(gè)普通的反光標(biāo)志，在雨天、霧天這些惡劣的天氣及夜晚都不夠清晰。若車輛發(fā)生故障，駕駛員需要將三角架放置到距故障車輛很遠(yuǎn)的位置，而駕駛員徒步行走放置三角架不僅耽誤維修，還充滿危險(xiǎn)，故障處理時(shí)間的延長(zhǎng)必然存在安全隱患。因此，研究一款具有聲光報(bào)警功能的遙控三角警示車，可大幅降低追尾等安全事故的發(fā)生率。

1 普通三角架的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 擺放距離問題

很多情況下，車主在行進(jìn)過程中出現(xiàn)故障緊急泊車后，只將警示牌放置于距車很近的位置，大部分三角架幾乎就放置在距車尾幾米處，高速行駛的汽車很難注意到，等到發(fā)現(xiàn)時(shí)也因距離過短而無(wú)法及時(shí)反應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)生事故。

1.2 擺放過程問題

大部分三角架都被車主放置于后備箱中甚至要掀開隔物板才能拿到，在行進(jìn)過程中汽車出現(xiàn)問題緊急停泊時(shí)，車主需要先停車，再打開后備箱取出三角架擺放，這一過程中存在風(fēng)險(xiǎn)。有些車主可能會(huì)在馬路中央行走，這樣極易造成二次事故的發(fā)生。

1.3 警示牌本身材料問題

市面上大部分警示牌都為了便于攜帶而做的很小巧，又是依靠面板上的反光材料起作用。為壓縮成本提高利益，一些商家會(huì)在反光材料上偷工減料，導(dǎo)致反光性能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，如果天氣情況惡劣，不合格的反光材料會(huì)大幅增加二次事故發(fā)生的可能性。

2 三角架優(yōu)化思路

2.1 駕駛員手動(dòng)遙控操作擺放

可遙控三角架是依靠三角架體內(nèi)基于IMXRT1064 控制板控制的智能小車行走的。當(dāng)意外發(fā)生時(shí)，駕駛員無(wú)需冒著風(fēng)險(xiǎn)親自擺放，只需呆在安全的地方用遙控器對(duì)警示車進(jìn)行操控，就可使其自動(dòng)前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎直至擺放于合適位置。

2.2 增加信息收集能力

在高速公路發(fā)生意外事故時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)信息十分重要，若出現(xiàn)傷者則救援刻不容緩。小車在自動(dòng)擺放的同時(shí)，可對(duì)周圍情況進(jìn)行記錄并上傳至交警部門及交管平臺(tái)，幫助警察更好地了解現(xiàn)場(chǎng)情況并出警，也提醒了其他司機(jī)。駕駛員可通過視頻觀察車輛后方情況。

2.3 利用傳感技術(shù)，智能分析擺放

若事故發(fā)生時(shí)情況緊急，駕駛員無(wú)法遙控其擺放，可以選擇讓警示車智能擺放。警示車在Jetson Orinnano 主板和各種傳感器的基礎(chǔ)上通過結(jié)合視覺模型、GPS、慣性導(dǎo)航為一體的導(dǎo)航系統(tǒng)，自動(dòng)導(dǎo)航和判斷擺放地點(diǎn)。

其中，慣性導(dǎo)航是一種基于牛頓力學(xué)定律的自主式導(dǎo)航技術(shù)，其先測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體的加速度，再通過積分運(yùn)算獲得載體速度和位置數(shù)據(jù)。這種導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴于外部信息，也不向外部輻射能量，因此具有較高的隱蔽性和可靠性。慣性導(dǎo)航的核心組成部分是陀螺儀和加速計(jì)組成的慣性測(cè)量單元（IMU），其中陀螺儀用于測(cè)量載體姿態(tài)角和角速度的變化，而加速度計(jì)則用于測(cè)量平移運(yùn)動(dòng)的加速度。通過這些數(shù)據(jù)的處理，可以獲得警示車相對(duì)于初始位置的定位信息，包括速度、位置、姿態(tài)和航向等參數(shù)。

而視覺模型是一種利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)進(jìn)行圖像或視頻處理的算法模型。視覺模型的基本原理是將圖像或視頻作為輸入，經(jīng)過一系列的卷積、池化、全連接等操作，最終得到對(duì)圖像的分類、定位、分割等結(jié)果。其中，卷積操作可以有效提取圖像的特征信息，池化操作可以減小圖像的空間尺寸，全連接操作可以將特征與類別進(jìn)行關(guān)聯(lián)。通過視覺模型可以實(shí)現(xiàn)警示車自動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行分析判斷。同時(shí)聲光報(bào)警也自動(dòng)開啟，利用紅外將周圍可視化，有物體靠近時(shí)，小車自動(dòng)測(cè)距并將其與預(yù)設(shè)安全距離比較，同時(shí)發(fā)出刺耳的鳴笛、刺眼的快頻閃爍紅光，警示后來(lái)車輛。

2.4 光源設(shè)計(jì)

將彩燈燈條嵌入三角架內(nèi)，利用freertos 操作系統(tǒng)對(duì)燈光進(jìn)行左右控制，提示后來(lái)車輛左右變道。也可以根據(jù)天氣調(diào)節(jié)燈光的亮度顏色，防止天氣惡劣導(dǎo)致后來(lái)車輛看不見小車具體位置。這樣的設(shè)計(jì)比起只有反光材料的普通三角架安全性大幅提高。

3 自動(dòng)聲光警示車的設(shè)計(jì)方案

3.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)

警示車移動(dòng)平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)由麥克納姆輪、直流減速電機(jī)、控制器、車架、三角架警示標(biāo)志組成。警示車移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。其中警示標(biāo)志是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車用三角警示牌，是由塑料反光材料做成的被動(dòng)反光體，駕駛員在路上遇到突發(fā)情況時(shí)，利用三角警示牌的回復(fù)反光性能，可以提醒其他車輛避讓，以免發(fā)生二次事故。底盤部分由車輪和車架組成。車輪部分采用了麥克納姆輪這種可以全方位移動(dòng)的金屬車輪，其移動(dòng)方式基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪，這些成角度的周邊輪軸將一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法向力上面。4 個(gè)車輪連著4 個(gè)電機(jī)，通過電機(jī)控制警示車各方向運(yùn)動(dòng)。車架采用全金屬加工，相比普通車架壽命更長(zhǎng)，精度更高。

3.2 警示車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

警示車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2 所示，主要由運(yùn)動(dòng)控制、聲光報(bào)警、傳感器、人員操作等部分組成。運(yùn)動(dòng)控制部分由運(yùn)動(dòng)控制主板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、多通道遙控接收機(jī)組成；聲光報(bào)警部分由從機(jī)微控制器、彩燈燈條和喇叭組成；傳感器部分由OpenART 攝像頭、IMU 慣導(dǎo)傳感器、GPS 模塊組成；人員操作部分由8通道無(wú)線遙控器組成。根據(jù)試驗(yàn)的需要，對(duì)警示車各個(gè)部件使用的硬件選型如下。

（1）警示車主控采用Jetson Orin Nano 主板。主控電路主要用來(lái)采集GPS 模塊和慣性導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)、攝像頭視頻處理、慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)融合、運(yùn)動(dòng)決策算法運(yùn)算、運(yùn)行目標(biāo)檢測(cè)模型等高層機(jī)器人應(yīng)用程序。采用Jetson Orin Anno 是因?yàn)槠湫阅軓?qiáng)大，適合運(yùn)行目標(biāo)檢測(cè)模型、圖像處理及各種數(shù)據(jù)融合算法。并且其擁有CUDA 加速，可以適用更大型、更負(fù)責(zé)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

（2）警示車運(yùn)動(dòng)控制器采用IMX RT1064 控制板。這款是恩智浦公司的控制器， 內(nèi)核是Cortex–A7，600 M 主頻，可十分迅速地中斷響應(yīng)，非常適用于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。在該項(xiàng)目警示車上用于接收無(wú)線遙控裝置的指令信號(hào)數(shù)據(jù)并解析，進(jìn)而控制麥克納姆輪各種形式的運(yùn)動(dòng)。此控制器的高實(shí)時(shí)響應(yīng)速度和高性能可以讓警示車底層運(yùn)動(dòng)方面發(fā)揮非常好的表現(xiàn)。

（3）警示車聲光報(bào)警部分采用STM32F103 控制板。這部分采用STM32F103C8T6芯片的最小系統(tǒng)板，內(nèi)核是Cortex–M3，采用ARM V7架構(gòu)，是集成高性能、低成本、低功耗的常用嵌入式解決方案。在該系統(tǒng)中使用freertos 作為操作系統(tǒng)，控制各種報(bào)警燈光變換和報(bào)警聲音變換，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景應(yīng)用的報(bào)警和警示功能。

（4）警示車采用12V 帶GMR 編碼器的直流減速電機(jī)，扭矩大，適合各種地形如上坡、下坡等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用TI 公司的驅(qū)動(dòng)芯片drv8701e，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等特點(diǎn)。

（5） 警示車上配備openART 視覺攝像頭， 其自帶RTT 操作系統(tǒng)，支持openmv IDE 開發(fā)，支持openmv 機(jī)器視覺庫(kù)，可使用多種視覺處理算法。還有IMX219 攝像頭，作為目標(biāo)檢測(cè)模型的圖像輸入。IMU 慣導(dǎo)模塊和GPS 滿足警示車導(dǎo)航算法的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章研發(fā)的遙控聲光三角架警示車可以解決普通三角架存在的安全隱患，避免二次事故的發(fā)生，也可以大幅縮短駕駛員為放置三角架而在事故發(fā)生地段停留的時(shí)間，提高了其安全性。該智能警示車有手動(dòng)、自動(dòng)控制兩種模式，可以自動(dòng)回收放置，在駕駛員無(wú)法操控的情況下仍可以自主擺放，對(duì)路況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，十分人性化。其制造成本低，功能明確可靠，同時(shí)便于攜帶，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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