浅析基于AI智能系统的“红领巾”智能交通协管机器人

黄仁成 林展鹏 郭泽扬 罗泽鸿

广东东软学院计算机学院 广东 佛山 528225

引言

随着公民车辆的拥有数逐年增加，交通事故发生的频率也逐年增高。我们经常发现一些行人没有及时关注红绿灯状态，或者心存侥幸闯红灯而导致斑马线交通事故的发生，引发悲剧。仅2018年，行人引发的交通事故发生数便高达3045起，死亡人数多达1325人[1]。因此，建立一套完整的交通协管系统变得尤为重要。

智能小车是机器人研究的重要方面。现在的研究以及设计主要可以分为超声波避障，蓝牙遥控，光电感控等。蓝牙遥控车主要是通过手机串口软件连接单片机上的蓝牙芯片，通过手机端发送信号即可以控制小车运动信息。超声避障是智能小车系统中安装超声避障模块，提高小车的避障功能以及行驶安全性。本系统利用STM32单片机结合树莓派以及360度全景智能摄像头设计了一款智能交通协管机器人，实现实时路况监控并协助管理斑马线的交通秩序，以减少交通事故的发生。

1 系统的执行与组成

1.1 系统执行框架

“红领巾”智能交通协管机器人采用STM32芯片为主控核心，采用树莓派结合OpenCV收集图像画面并快速处理图像的数据，主要设计思路及原理如下：在机器人的顶端安装一个视频分析处理系统即上位机，该上位机系统由树莓派、摄像头以及各种传感硬件构成，通过摄像头获取目标路况以及目标的画面，在树莓派上用算法对所获取的目标路况以及目标视频画面进行分析处理，得到路况信息和行人的位置信息，并将获取的图像信息发送给主控，主控中心根据路况信息和行人信息，按照预定程序做出机器人前进、后退、转弯、灯光闪烁、报警、拨打电话等动作，以达到拦截机动车、引导和保护行人的目的。通过该智能系统协助交通警察进行交通秩序的维护[2]。主要参与的具体实施方案如下：

图1 系统执行框架

1.2 系统组成

“红领巾”智能交通协管机器人主要由两部分组成：第一部分是由STM32、各类传感器等硬件的组成，第二部分由树莓派上位机以及图像、运动算法等构成。这使得该系统具有较为完整的运动控制和实时监控等功能，硬件模块中有核心芯片模块、传感器模块、驱动模块、树莓派以及摄像头等；算法运用了PID算法、运动避障算法、图像识别处理算法等。

2 硬件组成与设计

2.1 通讯模块设计

上上位机与下位机之间的通信是通过串口或者是I2C实现通信的，这种方式的通信更加的直接稳定，串口以及I2C主要是基于将来对新模块的升级和安装以及模块的自由活动（例如摄像机的转动）。树莓派Pi 3B的内置802.11b/g/n无线网卡可以完全满足系统要求。下位机32位单片机芯片需要与ESP8266网络模块连接。 ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案，即Uart-WiFi网络芯片，它还支持802.11b/g/n并具有低消耗的优点。 树莓派会同时接收摄像头收集的画面处理之后通过串口发送给下位机，之后下位机会根据上位机给出的判断结果做出指令，操控机器人执行命令例如：前进、转弯、后退等[3]。

2.2 传感器模块

传感器模块主要是由超声波构成，超声波是现代较为有效的避障传感器措施，超声波测距可以显著避免光、烟尘和雾气对信号接收的影响。由于超声波的方向性强，能量消耗慢，因此可以借助空气介质以一定频率的超声波进行传播，并且在介质中的传播距离相对较长，经过反射后会反射回去。到达障碍物，因此可以通过计算传输时间来计算距离。同时，超声模块会定期发送测距信号。这允许将实时道路数据准确地传输到单片机并由其进行处理，从而使汽车的驱动轮能够做出相应的反应。

超声波所测距离=声速（340m/s）×t/2

2.3 树莓派摄像头模块

该系统中使用的主摄像头是360度无死角的智能摄像头，用于识别交通灯和行人信息的状态。 摄像机支持1080P高清分辨率，镜头视角范围为118度，水平旋转角度为360度，垂直旋转角度为260度，可以确保对监控区域的监控而不会出现盲点；其次，该摄像机支持红外和USB接口输入，方便了项目系统中各个模块的集成。 摄像机还支持Wi-Fi无线网络传输，并支持WEP，WPA，WPA2无线安全标准，可以确保视频传输的安全性，并在适当的网络条件下，可以确保视频的传播速度以及稳定性。副摄像头采用CSI视频接口摄像头（后期会进行升级更改），用于寻路，保证机器人能够正常运行与引导路人，该摄像头支持500万像素，采用感光芯片OV5647，角度范围可到65°。摄像头模块主要完成的是完成循迹，智能机器人通过摄像头检测前方路径，利用树莓派处理摄像头传回的信息得到路况的图像信息，通过树莓派的图像处理将画面二值化，二值化是指将RGB图像转为灰度图，再根据预设的图像HSV值判断并将大于预设值置1，否则置0。接着由得到的二值化图像信息采用PID算法控制电机，从而使智能巡逻机器人能够行驶在预定的路径。对比采用其他传感器循迹，采用摄像头循迹将提高行驶过程中的稳定性。

2.4 电源模块设计

电源模块采用12V大容量锂电池聚合物电源，机器的整体运行都是由该电源提供电源包括电机驱动模块，STM32单片机则是由电池通过LM2596S DC-DC直流可调降压电源模块，输出稳定的5V电压保证单片机的正常有效工作。这样的电源模块设计使得电机驱动模块和主控系统不分开供电，实现主控系统的稳定工作，减轻机器人的整体承载重量，为机器人提供更大的驱动力[4]。

2.5 电机驱动模块

电机驱动模块用的是L289N，能够承载12V的电压，保证电机的正常，电机选用1:30的直流减速电机，该种电机用保证机器人的运行正常；轮子选用的是麦克纳姆轮，质量较大、行驶平稳、可以左右平移、原地旋转，比传 统小车更灵敏自由。

当遇到障碍物时，超声波会传递距离给STM32单片机，STM32再结合摄像头的图像处理后的信息，做出判断是左移还是右移或者是后退，保证行人的正常安全行走。

图2 麦克纳姆轮示意图

2.6 核心主控模块

核心主控板采用的是STM32F407芯片，该芯片较功能丰富、高性能、低功耗、接口多，自适应实时加速器能够完全释放Cortex-M4 内核的性能;当CPU 工作于所有允许的频率(≤168MHz)时，在闪存中运行的程序，可以达到相当于零等待周期的性能。有低电压:1.8V到3.6V VDD，全双工的I2S，12位ADC:0.41us转换/2.4Msps(7.2Msps在交替模式)高速USART，可达10.5Mbits/s以及高速SPI，可达37.5Mbits/s，并且该芯片有多种复位保护措施，较强的移植以及拓展性，综上，该芯片完全满足本系统的需求，因此选择了这款芯片。

3 项目的基本运行场景

当人行道的红灯亮时“红领巾”进行行人拦截，使交通事故降低；当绿灯亮时，“红领巾”拦截机动车，引导行人过马路。“红领巾”自动检测是否有闯红灯的车辆，当有车辆闯红灯，越过停止线时，“红领巾”头顶的警示灯闪亮，发出报警声，提醒行人，在闯红灯车辆进入斑马线前对车辆进行拦截，同时使用摄像头拍下闯红灯车辆的车牌，并且发送信号给交警站。若是“红领巾”没有成功拦截车辆且发生事故则自动拨打120、110电话，第一时间使被交警了解到事故情况，伤者能第一时间得到救援。当绿灯即将转为红灯时若还有行人过斑马线，“红领巾”会跟在最后一位行人旁边，并且发出响声以及亮警示灯，确保行人能全部安全通过斑马线，将发生事故的概率降到最低。

4 项目的科学性与先进性

4.1 实时预防与安全处理

以STM32芯片为核心实现智能寻路以及实时监控的系统。实时检测红绿灯的状态，在绿灯亮时，“红领巾”以循迹方式，引导路人前进；当绿灯即将转为红灯时，若还有人在斑马线上行走，“红领巾”便会利用树莓派处理得到的行人信息，走到最后行人的位置并跟在身边，同时发出响声以及亮警示灯，警示在等待的车辆斑马线上还有行人。当红灯亮时，“红领巾”站在斑马线前拦截想闯红灯的行人，检测到有行人闯过了斑马线则发出响声以及亮警示灯。

4.2 交互与导航

“红领巾”后期还会进一步添加语言处理、智能搜索等功能，当有行人对“红领巾”说怎样去某个地方时，“红领巾”会智能搜索目的地位置并规划出最佳路线图，实时显示。

4.3 实时性

实时实现与120、110的信号对接，当有严重事故发生时，能第一时间把现场的信息发送给相关部门，让受伤者可以第一时间得到抢救[5]。

4.4 工作过程中的智能控制

智能交通协管机器人在工作过程中由全局智能控制和局部智能控制两部分智能控制组成，全局智能控制有在线操作控制、自我故障诊断信息控制、运动规划等控制。局部智能控制则可以在线参数的整改、根据情况自我适应调整。

4.5 在广义控制中智能控制的应用

广义控制领域中的控制对象是抽象的时变信息对象，例如地震预报，天气信息，股市状况等。常规控制方法不能用于此类控制对象，需要使用智能控制系统来控制，让其自主判断做出决定。

5 项目的应用价值和转化前景

在人行道和交叉路口常出现红绿灯配时过长导致行人长时间等待的情况，当行人比较着急要走时，便可能出现行人硬闯在红灯情况下马路的情况（若是发生了交通事故就会导致交通情况的恶化，路段出现拥堵，使机动车道的车流通行出现停滞等负面影响，容易造成严重的人员与财产损失），即使是在绿灯状态，也有可能出现超速车辆来不及刹车、酒驾等交通违法情况而使行人出现危险。而“红领巾”的提前提醒和拦截、引导行人功能就是是为了预防和减少这种危险现象的发生，实现保护行人的目的。“红领巾”的普及将会使传统的行人交通向智能交通过渡，使人、路、车协调，真正实现交通的实时交互。在繁忙交通路口具有广阔的普及前景。

6 结束语

本文详细地阐述了智能交通协管机器人就如何做好实时监控以及保证行人安全，在硬件和软件的设计上也做了简要的说明，硬件模块包括传感器模块、电机驱动模块、通讯模块等组成，软件包含树莓派图像处理的Python和单片机运行的C语言组成，在结合PID算法、超声波避障、图像处理斑点扫描算法等使得机器人的设计更加完整，在运行时更加的稳定以及准确，希望“红领巾”智能交通协管机器人能为交通事业出点力。