李超帆 王朋輝

(長安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室 西安 710064)

國內(nèi)外對于路面智能化養(yǎng)護(hù)方面的技術(shù)研究主要集中于路面養(yǎng)護(hù)決策制定及道路管理方面的智能化研究，利用智能的檢測系統(tǒng)對道路的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行精確地收集和不斷地更新，比如冰雪、大霧、特定的道路病害等信息的收集更新；通過構(gòu)建信息化的道路養(yǎng)護(hù)體系，從而實(shí)現(xiàn)道路的高品質(zhì)智能化養(yǎng)護(hù)[1-5]。

然而，特定路面病害的智能化修補(bǔ)作業(yè)技術(shù)尚不成熟，目前大部分研究工作集中于裂縫類病害的智能化修補(bǔ)[6-9]，并已經(jīng)推出了多種裂縫智能化修補(bǔ)樣機(jī)，該技術(shù)主要經(jīng)歷了4個(gè)階段的發(fā)展過程：CMU試驗(yàn)樣機(jī)階段、CMU-UT場地樣機(jī)階段、ARMM原型機(jī)和APCS原型機(jī)階段。路面裂縫智能化修補(bǔ)的發(fā)展歷程均離不開機(jī)器視覺技術(shù)，并且機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用比重越來越大，這可以為坑槽的智能化修補(bǔ)提供一些參考[10]。

對于路面坑槽的修補(bǔ)，不僅僅要求修補(bǔ)過后的路面有良好的修補(bǔ)效果，還要求在某些特定的情況下，路面修補(bǔ)工序的快速完成，以保證路面能夠盡快恢復(fù)正常使用，保證交通通暢開放，而噴射式修補(bǔ)方法就是一種在滿足高效快速要求的同時(shí)，具有綠色、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)的方法，其修補(bǔ)現(xiàn)場圖見圖1所示。然而，受現(xiàn)有的噴補(bǔ)車類型(拖掛型和底盤安裝型)限制，需要在人力操作下才能正常運(yùn)行，比如拖掛型噴補(bǔ)車操作員需要在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行高強(qiáng)度的勞動(dòng)作業(yè)，半自動(dòng)修補(bǔ)車雖然改善了操作環(huán)境，但是駕駛員的視野受到很大的限制，即使有監(jiān)控輔助也很難全面地觀察作業(yè)過程，很難實(shí)現(xiàn)合理高效地對修補(bǔ)過程做出決策。

圖1 噴射式修補(bǔ)法坑槽修補(bǔ)過程現(xiàn)場圖

綜上述，目前的噴射式坑槽修補(bǔ)車在路面養(yǎng)護(hù)時(shí)，從坑槽的識(shí)別到修補(bǔ)作業(yè)路徑規(guī)劃都離不開人工監(jiān)控和工作經(jīng)驗(yàn)干預(yù)，對集料堆積模型、集料的噴射特性和噴補(bǔ)路徑規(guī)劃都缺乏分析。不同的操作人員受自身經(jīng)驗(yàn)和不同環(huán)境的影響，會(huì)導(dǎo)致參差不齊的坑槽噴補(bǔ)結(jié)果。

為了避免環(huán)境因素和人為因素對坑槽整體修補(bǔ)質(zhì)量的影響，本文對基于視覺的噴補(bǔ)路徑規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行研究。研究中采用kinect相機(jī)采集路面深度圖像來提取坑槽病害的三維信息，基于深度圖像規(guī)劃噴補(bǔ)路徑以自動(dòng)修補(bǔ)時(shí)，有2個(gè)問題亟待解決：①噴補(bǔ)前處理相關(guān)問題；②規(guī)劃噴補(bǔ)路徑。其中，噴補(bǔ)前處理相關(guān)問題包括修補(bǔ)平臺(tái)調(diào)平和坑槽定位及路面深度計(jì)算；噴補(bǔ)路徑規(guī)劃包括待修補(bǔ)切片獲取和切片內(nèi)的修補(bǔ)路徑規(guī)劃。這兩個(gè)問題的解決有助于均勻合理的布置噴補(bǔ)路徑，保證噴補(bǔ)路徑不超出坑槽邊界，并提高坑槽的修補(bǔ)平整度。

1 基于視覺的路面坑槽噴補(bǔ)前處理

1.1 調(diào)平修補(bǔ)平臺(tái)

調(diào)平修補(bǔ)平臺(tái)可將相平面平行于路面采集深度圖像，這樣采集的深度圖像不必進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)操作即可直接切片來規(guī)劃修補(bǔ)路徑，此外，調(diào)平平臺(tái)還可將修補(bǔ)料垂直噴入坑槽，有益于提高修補(bǔ)平整度。在對修補(bǔ)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平作業(yè)時(shí)，參考RANSAC平面擬合，以差值最小化思想為基礎(chǔ)，通過有序調(diào)節(jié)各個(gè)支腿的升降來調(diào)整平臺(tái)，其原理見圖2，具體步驟如下。

圖2 差值最小化逼近調(diào)平原理圖

步驟1。利用kinect采集路面深度圖像，計(jì)算最大深度與最小深度的差值L0。

步驟2。正向調(diào)節(jié)支腿1的高度，采集深度圖像并計(jì)算其深度差值L11，之后調(diào)節(jié)支腿回位。相似的，反向等量調(diào)節(jié)支腿1的高度，采集深度圖像后計(jì)算深度差值L12，之后再次將支腿調(diào)節(jié)回位。對比L11和L12的大小，取兩者中較小的值，記為L1，并記錄調(diào)節(jié)方向。

步驟3。將上一步驟方法用于支腿2與支腿3，獲取對應(yīng)的深度差值L2、L3并記錄支腿對應(yīng)的調(diào)節(jié)方向。

步驟4。對比L0、L1、L2、L3，若L0最小，說明平臺(tái)與路面平行，退出調(diào)平循環(huán)；若最小值存在于L1、L2、L3中，按照最小值相應(yīng)的調(diào)節(jié)方向調(diào)節(jié)對應(yīng)的支腿，并返回步驟1。

1.2 定位坑槽并計(jì)算路面深度

對于待修補(bǔ)坑槽定位，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可帶動(dòng)深度相機(jī)遍歷檢測整個(gè)待修補(bǔ)的區(qū)域，待修補(bǔ)路面最大深度所在的位置被檢測出即可。據(jù)此提出基于最大值查找的坑槽定位方法，其步驟如下。

步驟1。采集深度圖像并進(jìn)行降噪修復(fù)。

步驟2。求取深度圖像最大值，以及最大值相應(yīng)的位置。

步驟3。若噴嘴位置和最大值位置不同，則將噴嘴移動(dòng)至最大值位置處，然后返回步驟1。若噴嘴位置和最大值位置重合，則坑槽定位結(jié)束。

定位坑槽之后，獲取深度圖像的最大深度和路面深度，路面和坑槽深度示意圖見圖3所示，通過式(1)來判斷是否有待修補(bǔ)層。

圖3 路面和坑槽深度示意圖

(1)

式中：d為坑槽最大深度，mm；dp為路面平面深度，mm；δ為差值閾值。

2 基于視覺的坑槽噴補(bǔ)路徑規(guī)劃

修補(bǔ)平臺(tái)調(diào)平后，對基于視覺的噴補(bǔ)路徑規(guī)劃進(jìn)行研究。包括待修補(bǔ)切片獲取和切片內(nèi)的噴補(bǔ)路徑規(guī)劃。為了提高噴補(bǔ)的密實(shí)度和平整度，規(guī)劃噴補(bǔ)路徑時(shí)，應(yīng)遵循區(qū)域優(yōu)先、由深及淺、路徑均勻布置的路徑規(guī)劃原則。下文待修補(bǔ)切片獲取方法可保證區(qū)域優(yōu)先、由深及淺的原則，切片內(nèi)噴補(bǔ)路徑規(guī)劃方法可保證噴補(bǔ)路徑均勻布置。

2.1 獲取待修補(bǔ)切片

2種不同類型坑槽的切片剖面示意圖見圖4，為了提高算法對于不同類型的坑槽的通用性，采用雙漫水填充方法獲取各個(gè)坑槽的待修補(bǔ)切片，其步驟如下。

圖4 2種坑槽切片剖面示意圖

步驟1。采集坑槽深度圖像并降噪修復(fù)，記為Iimg。

步驟2。以噴嘴所處位置為種子點(diǎn)，對圖像Iimg漫水填充得到切片Snozzle。

步驟3。求取Snozzle的最深點(diǎn)并記錄其位置lmax(x,y)。

步驟4。以lmax(x,y)為種子點(diǎn)，對圖像Iimg進(jìn)行第二次漫水填充，所得漫水區(qū)域即為坑槽的待修補(bǔ)切片Srepair。

2.2 規(guī)劃切片內(nèi)噴補(bǔ)路徑

在切片輪廓的引導(dǎo)下，對待修補(bǔ)切片采用往返直線的方式進(jìn)行噴補(bǔ)，其原理圖見圖5，其中，圓點(diǎn)表示噴補(bǔ)路徑與待修補(bǔ)的切片外部輪廓的交點(diǎn)，星點(diǎn)表示為對直線噴補(bǔ)路徑進(jìn)行分段的拆分點(diǎn)。

圖5 基于輪廓引導(dǎo)的往返直線路徑規(guī)劃原理圖

由圖5可見，按照輪廓逆時(shí)針順序，在輪廓引導(dǎo)作用下，切片的噴補(bǔ)路徑依次為噴補(bǔ)直線填充線和分段輪廓線，確保切片的噴補(bǔ)路徑均勻合理地分布并位于坑槽邊界內(nèi)部。

求出輪廓的交點(diǎn)并進(jìn)行交點(diǎn)間合理的配對是輪廓引導(dǎo)往返直線填充法的關(guān)鍵所在，配對時(shí)外輪廓上編號(hào)為奇數(shù)的交點(diǎn)和編號(hào)為偶數(shù)的交點(diǎn)進(jìn)行配對，交點(diǎn)合理配對之后，按照輪廓引導(dǎo)往返直線填充法的要求，以輪廓逆時(shí)針的方向執(zhí)行直線填充線和輪廓連接線路徑的噴補(bǔ)，在執(zhí)行規(guī)劃好的噴補(bǔ)路徑時(shí)，若直線填充線的2個(gè)端點(diǎn)都位于外圍輪廓線上，就需要用拆分點(diǎn)對其進(jìn)行拆分。按照這種流程，輪廓引導(dǎo)下采用往返直線填充法所規(guī)劃的噴補(bǔ)路徑能夠形成閉環(huán)，并且不會(huì)超過坑槽的邊界。在合理的噴補(bǔ)參數(shù)的配合下，直線填充線往返2次噴補(bǔ)可以確保噴補(bǔ)切片的平整度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文所提方法適用于深度大于1 cm、直徑大于10 cm的坑槽，這里選擇典型的碗形和不規(guī)則形坑槽作為實(shí)驗(yàn)對象，其實(shí)物圖見圖6，圖中紅線是輪廓輔助線，目的是為了突出顯示坑槽形狀。

圖6 碗形和不規(guī)則形坑槽

2種坑槽的噴補(bǔ)路徑規(guī)劃結(jié)果圖見圖7。

圖7 碗形和不規(guī)則形坑槽的各切片噴補(bǔ)路徑規(guī)劃結(jié)果

圖7中所示的中心部位的矩形點(diǎn)的位置為噴嘴的起始位置，另外一個(gè)矩形點(diǎn)表示待修補(bǔ)切片的噴補(bǔ)路徑的初始點(diǎn)和終止點(diǎn)；往返直線填充線表示為實(shí)直線，位于直線上的圓點(diǎn)即為拆分往返直線填充線的“拆分點(diǎn)”；往返直線填充線之間的輪廓連接線為圖中的虛線。從圖7所示的規(guī)劃后的噴補(bǔ)路徑可知，無論是凸集形狀的坑槽，還是凹集形坑槽，本文所提的雙漫水填充算法不僅還可以準(zhǔn)確查找到待修補(bǔ)切片，還可以在輪廓引導(dǎo)下采用往返直線填充法進(jìn)行合理的路徑規(guī)劃。

2種坑槽噴補(bǔ)前后的路面平整度參數(shù)對比結(jié)果見表1。

表1 2種坑槽噴補(bǔ)前后的路面平整度對比 mm

由表1可見，坑槽噴補(bǔ)后路面和原路面之間的最大正差平均差值僅為0.25 mm，可以認(rèn)為幾乎不存在差異，這項(xiàng)數(shù)據(jù)說明了噴補(bǔ)后的坑槽區(qū)域幾乎無過填充現(xiàn)象；噴補(bǔ)前后最大負(fù)差的平均差異為3.5 mm，且最大負(fù)差都大于原路面，這項(xiàng)數(shù)據(jù)說明噴補(bǔ)后坑槽存在欠填充現(xiàn)象。2種坑槽修補(bǔ)前后路面均方差之間的差異分別為1.44 mm和2.0 mm，平均差異為1.72 mm，此項(xiàng)的差異不大，說明噴補(bǔ)取得了良好的平整度，因此可以認(rèn)為基于視覺的噴補(bǔ)路徑規(guī)劃方法對不同類型的坑槽具有適用性。此外，采用噴射式修補(bǔ)工藝時(shí)，本文所提方法適用于瀝青混凝土路面，將噴射式修補(bǔ)工藝替換為澆筑水泥混凝土?xí)r，本文所提方法對于水泥混凝土路面的修補(bǔ)同樣適用。

4 結(jié)語

坑槽噴補(bǔ)技術(shù)是一種關(guān)于路面坑槽養(yǎng)護(hù)的綠色、快速、高效的修補(bǔ)技術(shù)，但是現(xiàn)有的路面修補(bǔ)過程都是依靠人力操作完成的，環(huán)境因素和人為因素對整體噴補(bǔ)平整度產(chǎn)生的影響較大。本文對基于視覺的路面坑槽噴補(bǔ)路徑規(guī)劃問題進(jìn)行了研究。

1)修補(bǔ)前處理方面，提出了調(diào)平修補(bǔ)平臺(tái)、定位坑槽并計(jì)算路面深度的方法。其中，修補(bǔ)平臺(tái)調(diào)平基于差值最小化思想實(shí)現(xiàn)；噴嘴定位基于最大深度查找實(shí)現(xiàn)。

2)修補(bǔ)路徑規(guī)劃方面，提出了獲取切片的雙漫水填充方法和基于輪廓引導(dǎo)規(guī)劃切片內(nèi)噴補(bǔ)路徑的方法。其中雙漫水填充方法針對深度圖像連續(xù)執(zhí)行了2次漫水填充操作；輪廓引導(dǎo)下采用往返直線填充法的關(guān)鍵技術(shù)在于求出輪廓的交點(diǎn)并將交點(diǎn)進(jìn)行合理的配對，然后按照輪廓引導(dǎo)往返直線填充法的要求，以輪廓為引導(dǎo)按照逆時(shí)針的方向執(zhí)行直線填充線和輪廓連接線路徑的噴補(bǔ)。

3)碗形坑槽和不規(guī)則形坑槽的噴補(bǔ)路徑規(guī)劃和修補(bǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提方法對于凸集形和凹集形坑槽都具有適用性，可以合理均勻地將噴補(bǔ)路徑布置于待修補(bǔ)切片內(nèi)，提高坑槽噴補(bǔ)平整度和質(zhì)量。