道路标线自动预划线设备及工作方法与流程

本发明涉及交通设备技术领域，更具体的说是涉及一种道路标线自动预划线设备及工作方法。

背景技术：

目前，我国各类公路上都有各种指示性质的标线，如图4所示，这些标线基本上都是人工完成的。其标线的工作流程基本为：首先，工人根据施工图纸进行预划线，如图5所示的细线，其中，由于标线可能为虚线，预划线上还需要做出标记，标注出标线的起点和终点；然后，工人根据预划线，采用图2的装置，将最终的标线(粗线)划好，具体的做法是：图2的装置前部装有一根6-8mm直径的导向钢针，工人将钢针对准预划线，推动划线车前进，并根据预划线上标注的起点和终点来启动和结束涂料的喷涂，并同时在标线表面上均匀播撒直径2mm左右的可反光的玻璃珠，用于夜间汽车大灯照射后的反射。

这其中，预划线环节是至关重要的，因为划标线的过程中，工人只需机械的对齐预划线就可保证最终标线的位置精度，而预划线则需要工人能够读懂图纸，做好标记，放线，划线，处理好弧线，技能方面要求高，工作强度大，效率却不高。但是，现有标线设备中多采用gps进行定位、采用喷涂方式进行标线，同时多结合人工进行定位位置的确定，以及标线方式的控制，因此存在定位精度不高、标线位置不准确、在gps信号弱的场景不能使用、标线不清晰、耗费人工和工作效率低等问题。

因此，如何设计一种定位精度高、降低场景限制、节省人工和提高工作效率的道路标线自动预划线设备是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种道路标线自动预划线设备及工作方法，

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种道路标线自动预划线设备，包括自行走小车、激光雷达、外部交互终端、gnss固定站和gnss移动站；所述激光雷达和所述gnss移动站固定在所述自行走小车上；所述外部交互终端与所述自行走小车、所述激光雷达、所述gnss固定站和所述gnss移动站进行交互通讯；所述gnss固定站和所述gnss移动站进行交互通讯。

优选的，所述自行走小车包括底盘、驱动轮、万向轮、喷头结构、颜料箱、控制器和电池；

所述驱动轮、所述万向轮和所述喷头结构安装在所述底盘底面；所述驱动轮通过带速度编码器的电机驱动，所述速度编码器和所述电机电连接所述控制器；所述万向轮与所述底盘转动连接的旋转部件上设置有旋转编码器，所述旋转编码器电连接所述控制器；

所述喷头结构设置有三个喷头，每个所述喷头上均设置有喷头电磁阀，所述喷头电磁阀电连接所述控制器；设备处于划线模式时，所述颜料泵启动，促使颜料流动，使其在所述喷头处具有一定压力，打开所述喷头电磁阀则颜料喷出；

所述颜料箱包括颜料罐和颜料泵，所述颜料罐通过所述颜料泵连通所述喷头；所述颜料泵电连接所述控制器；

所述控制器、所述电机、所述速度编码器、所述旋转编码器、所述喷头电磁阀、所述颜料泵、所述激光雷达和所述gnss移动站均电连接所述电池。

优选的，所述gnss移动站和所述gnss固定站均具备可拆卸的自供电电池。

优选的，所述gnss移动站底部设置有竖杆接口，可拆卸安装在所述自行走小车上；所述gnss移动站采集当前定位点全球定位坐标进行存储，并传输至所述外部交互终端。

上述技术方案的有益效果，将所述gnss移动站从所述自行走小车上拆卸下来，通过所述竖杆接口安装竖杆，将所述竖杆对准道路边缘放置，通过所述gnss移动站可获取当前道路边缘点的全球定位坐标，预获取自行走小车的行走路径点，并传输导入至所述外部交互终端；所述gnss移动站安装在所述自行走小车上，获取所述自行走小车的当前全球定位坐标；将行走路径点的全球定位坐标加上预设的偏移量后获得自行走小车的实际行走路径坐标点，自行走小车按照实际行走路径坐标点前进划线；

所述速度编码器采集所述电机转速，所述旋转编码器采集所述万向轮角位移，并将所述电机转速和所述万向轮角位移传输至所述控制器，所述控制器根据所述电机转速获得所述驱动轮的移动距离，根据所述万向轮角位移获得所述万向轮的偏转角度，获取所述自行走小车的前进方向，根据所述移动距离和所述前进方向对所述gnss移动站获取的位置信息进行冗余校验，位置信息为获取的所述自行走小车的当前全球定位坐标；所述控制器通过差速驱动两个驱动轮，可以控制改变所述万向轮的前进方向。将移动距离、前进方向和位置信息反馈至控制器进行冗余校验，根据移动距离和前进方向计算自行走小车离开起点后的位置改变量，将位置改变量与位置信息进行校验，如果两者相差不大，并且位置改变量是缓慢渐进变化的，则为正常运行，否则认为自行走小车运行异常，发出预警，运行异常一般认为是gnss信号发生了突变。

优选的，所述自行走小车还设置有预警模块，当通过冗余校验发现所述自行走小车运行异常时，通过所述预警模块发出预警信息。

优选的，所述激光雷达距离地面高度低于道路边缘；所述激光雷达可以扫描道路边缘，获取与所述道路边缘的距离，并将所述距离传输导入至所述外部交互终端。所述外部交互终端设定以所述自行走小车左侧或右侧的道路边缘为基准，将距离所述道路边缘设定距离的平行且等距的一条路径作为预划线的设定路径，所述自行走小车按照所述设定路线，保证所述激光雷达与所述道路边缘等距行走，进行喷划预划线。

优选的，所述喷头结构包括第一喷头、第二喷头和第三喷头，所述第一喷头喷划连续线，所述第二喷头喷划非连续线，所述第三喷头喷划垂直线段。所述第一喷头喷划的连续线用于标线划线机的导向钢针对准，所述第二喷头喷划的非连续线表示标线路径，所述第三喷头喷划的垂直线段用于指示标线的起点和终点，即首次出现非连续线和垂直线段时表明标线的起点，再次出现垂直线段时表明标线的终端，依次循环表示。所述第一喷头和所述第二喷头为圆形喷嘴，所述第三喷头为扁平喷嘴，设备进行划线时，所述第一喷头连续工作喷划，所述第二喷头和所述第三喷头根据划线规则启动工作。

优选的，所述外部交互终端包括人机交互平板、pc端等。

优选的，所述gnss固定站和所述gnss移动站采用rtk计算实现差分定位，达到更高的定位精度。

一种道路标线自动预划线设备工作方法，包括以下步骤：

步骤11：在外部交互终端上选择手动标点功能；从自行走小车上取下gnss移动站，并在所述gnss移动站下方安装竖杆；

步骤12：将所述竖杆端部对准道路边缘，按下所述gnss移动站的存储按键，将当前道路边缘点的全球定位坐标存储至所述gnss移动站内；采集若干定位点的全球定位坐标；

步骤13：取下所述竖杆，将所述gnss移动站安装在所述自行走小车上；

步骤14：所述外部交互终端读取所述gnss移动站内存储的所述定位点的所述全球定位坐标，并对所述全球定位坐标进行等距离的偏移计算，再通过函数拟合生成路径曲线；

步骤15：确定道路标线的第一个路径点位置，放置所述自行走小车；

步骤16：通过所述外部交互终端将所述预划线类型和所述路径曲线导入到所述自行走小车内，启动所述自行走小车，按照路径曲线行进，并按照所述预划线类型进行喷划。

一种道路标线自动预划线设备工作方法，包括以下步骤：

步骤21：在外部交互终端上选择激光雷达自动划线；

步骤22：确定第一个路径点位置，并放置自行走小车；

步骤23：通过所述外部交互终端将预划线类型导入到所述自行走小车内，启动所述自行走小车，激光雷达发射激光扫描道路边缘，获取所述道路边缘与所述自行走小车的最短距离，控制所述自行走小车沿所述道路边缘以所述最短距离等距行进，并按照所述预划线类型进行喷划。确定了自行走小车的第一个路径点，则确定了划线与道路边缘的距离，即确定了最短距离。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种道路标线自动预划线设备及工作方法，包括自行走小车、外部交互终端和gnss固定站，在自行走小车上设置有与外部交互终端和gnss固定站交互的gnss移动站，用于采集划线路径定位点和自行走小车的坐标位置并发送至外部交互终端，外部交互终端根据定位点的全球定位坐标生成划线路径，通过外部交互终端向自行走小车上的控制器发送划线规则和划线路径，控制器控制自行走小车根据划线规则和划线路径喷划预划线，并且在信号较弱的环境中能够通过自行走小车上设置的激光雷达测量小车与道路边缘的距离，从而保证小车沿道路边缘与其平行前进，保证预划线与道路边缘平行。本发明保证了预划线定位的准确性，根据定位信息和设定的划线规则，设置的喷头能够根据划线规则按照划线路径进行自行喷划，实现了自动预划线，减少了人工成本，提高了预划线效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的道路标线自动预划线设备结构示意图；

图2附图为本发明提供的预划线示意图；

图3附图为本发明提供的道路标线自动预划线设备隧道工作示意图；

图4附图为本发明提供的道路标线示意图；

图5附图为本发明提供的道路预划线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种道路标线自动预划线设备，包括自行走小车、激光雷达、外部交互终端、gnss固定站和gnss移动站；激光雷达和gnss移动站固定在自行走小车上；外部交互终端与自行走小车、激光雷达、gnss固定站和gnss移动站进行交互通讯；gnss固定站和gnss移动站进行交互通讯。

为了进一步优化上述技术方案，自行走小车包括底盘、驱动轮、万向轮、喷头结构、颜料箱、控制器和电池；驱动轮、万向轮和喷头结构安装在底盘底面；驱动轮通过带速度编码器的电机驱动，速度编码器和电机电连接控制器；万向轮与底盘转动连接的旋转部件上设置有旋转编码器，旋转编码器电连接控制器；喷头结构设置有三个喷头，每个喷头上均设置有喷头电磁阀，喷头电磁阀电连接控制器；颜料箱包括颜料罐和颜料泵，颜料罐通过颜料泵连通喷头；颜料泵电连接控制器；控制器、电机、速度编码器、旋转编码器、喷头电磁阀、颜料泵、激光雷达和gnss移动站均电连接电池。

速度编码器采集电机转速，旋转编码器采集万向轮角位移，并将电机转速和万向轮角位移传输至控制器，控制器根据电机转速获得驱动轮的移动距离，根据万向轮角位移获得万向轮的偏转角度，获取自行走小车的前进方向，根据移动距离和前进方向对gnss移动站获取的位置信息进行冗余校验；控制器通过差速驱动两个驱动轮，可以控制改变万向轮的前进方向。

为了进一步优化上述技术方案，gnss移动站和gnss固定站均具备可拆卸的自供电电池。

为了进一步优化上述技术方案，自行走小车还设置有预警模块，当通过冗余校验发现自行走小车运行异常时，通过预警模块发出预警信息。

为了进一步优化上述技术方案，gnss移动站底部设置有竖杆接口，可拆卸安装在自行走小车上。将gnss移动站从自行走小车上拆卸下来，通过竖杆接口安装竖杆，将竖杆对准道路边缘放置，通过gnss移动站可获取当前道路边缘点的全球定位坐标，预获取自行走小车的行走路径点，并传输导入至外部交互终端；gnss移动站安装在自行走小车上，获得自行走小车的当前全球定位坐标，即获取位置信息。将行走路径点的全球定位坐标加上预设的偏移量后获得自行走小车的实际行走路径坐标点，自行走小车按照实际行走路径坐标点前进划线。

为了进一步优化上述技术方案，激光雷达距离地面高度低于道路边缘；激光雷达可以扫描道路边缘，获取与道路边缘的距离，并将距离传输导入至外部交互终端。外部交互终端设定以自行走小车左侧或右侧的道路边缘为基准，将距离道路边缘设定距离的平行且等距的一条路径作为预划线的设定路径，自行走小车按照设定路线，保证激光雷达与道路边缘等距行走，进行喷划预划线。

为了进一步优化上述技术方案，喷头结构包括第一喷头、第二喷头和第三喷头，第一喷头喷划连续线，第二喷头喷划非连续线，第三喷头喷划垂直线段。第一喷头喷划的连续线用于标线划线机的导向钢针对准，第二喷头喷划的非连续线表示标线路径，第三喷头喷划的垂直线段用于指示标线的起点和终点，即首次出现非连续线和垂直线段时表明标线的起点，再次出现垂直线段时表明标线的终端，依次循环表示。第一喷头和第二喷头为圆形喷嘴，第三喷头为扁平喷嘴，设备进行划线时，第一喷头连续工作喷划，第二喷头和第三喷头根据划线规则启动工作。第一喷头和第二喷头为点状喷涂，跟随自行走小车移动实现线段的喷划，第三喷头扁平喷嘴的设计实现直接喷涂短线段，还可以通过控制喷头工作时间改变垂直线段的宽度。

为了进一步优化上述技术方案，外部交互终端包括人机交互平板、pc端等。

为了进一步优化上述技术方案，gnss固定站和gnss移动站采用rtk计算实现差分定位，达到更高的定位精度。

一种道路标线自动预划线设备工作方法，包括以下步骤：

s11：在外部交互终端上选择手动标点功能；从自行走小车上取下gnss移动站，并在gnss移动站下方安装竖杆；

s12：将竖杆端部对准道路边缘，按下gnss移动站的存储按键，将当前道路边缘点的全球定位坐标存储至gnss移动站内；采集若干定位点的全球定位坐标；

s13：取下竖杆，将gnss移动站安装在自行走小车上；

s14：外部交互终端读取gnss移动站内存储的定位点的全球定位坐标，并对全球定位坐标进行等距离的偏移计算，再通过函数拟合生成路径曲线；

s15：确定道路标线的第一个路径点位置，放置自行走小车；

s16：通过外部交互终端将预划线类型和路径曲线导入到自行走小车控制器内，启动自行走小车，按照路径曲线行进，并按照预划线类型进行喷划。

一种道路标线自动预划线设备工作方法，包括以下步骤：

s21：在外部交互终端上选择激光雷达自动划线；

s22：确定第一个路径点位置，并放置自行走小车；

s23：通过外部交互终端将预划线类型导入到自行走小车控制器内，启动自行走小车，激光雷达发射激光扫描道路边缘，获取道路边缘与自行走小车的最短距离，控制自行走小车沿道路边缘以最短距离等距行进，并按照预划线类型进行喷划。

实施例

如图1所示，本发明的道路标线自动预划线设备包含自行走小车底盘1、由带速度编码器的电机驱动的驱动轮2、带旋转编码器的万向轮3、激光雷达4、gnss移动站5、颜料罐和颜料泵构成的颜料箱7、带喷头电磁阀的三个喷头组成的喷头结构8、电池、控制器6、gnss固定站10和用于人机交互平板9。

其中，自行走小车具备两个驱动轮和一个万向轮，每个驱动轮各由一个带速度编码器的电机驱动，即实现差分驱动模式，万向轮与底盘连接的旋转部分带有旋转编码器，用于精确测定小车的前进方向；电机上的速度编码器可用于获得轮子行走的距离，万向轮上的旋转编码器可用于获得小车的方向，这些数据可用于对小车从gnss移动模站获取位置信息的冗余校验；

颜料罐里面装有颜料，与颜料泵连接，颜料泵在小车行进时启动，输送颜料到带喷头电磁阀的喷头处，控制器可控制喷头电磁阀的开和关，使颜料喷到路面上，通过选择喷头的直来将喷头喷出预划线的粗细控制在4-6mm，该粗细范围不仅容易实现，同时在后续施工人员操作划粗线设备时，其设备上的导向钢针更容易对准、对齐；喷头包括第一喷头、第二喷头和第三喷头；

gnss移动站位于小车上时，和gnss固定站配合，可得到小车的精确位置，更具体的说是第一喷头的位置。gnss移动站还可从小车上取下，下方配一个竖杆时，就可用于路径点的获取；通常，道路标线施工之前，道路就已经建好，即道路的边缘已经成型，将gnss移动站配上竖杆，放置在道路的边缘处，按下gnss移动站上的存储键，即可获取当前道路边缘点的全球定位坐标，依次进行多个点的坐标获取，即获得了与待划标线平行的一条线上的多点坐标，在人机交互平板上将这些坐标导入后，选择左偏移生成路径指令或者右偏移生成路径指令，同时设定偏移的距离；其中gnss移动站和gnss固定站采用现有的器件，用于接收交互gps信号。

控制器接收人机交互平板发来的路径指令，并同时获取gnss移动站接收到的全球定位坐标，控制两个驱动轮上的电机，按照路径指令行进。在行进的路线上，根据路径上的划线信息，控制三个喷头的开关。如图2所示，其中虚线长方形表示后续正式标线对应的区域，黑色实线表示预划线，具体的，第一喷头划出的线是连续线11，作为标线划线机的导向钢针对准用，第二喷头划出的线是非连续线13，表明此处为标线，第三喷头喷出的是垂直于行进路线的线段12，用于向划线工人指示标线的起点和终点，即出现第二喷头和第三喷头的线时，表明是标线的起点，再次出现第三喷头的线时，表明是标线的终点，这种方式可以便于工人很快的进行标线划线机的操作。

普通的gps定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测值来实现的，同时还必须知道用户钟差。在这一定位过程中，存在着三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。因此，普通gps的定位精度只有米级，完全不能满足预划线的精度要求。因此，本发明采用载波相位差分技术，又称之为rtk技术(realtimekinematic)，是建立在及时处理两个测站的载波相位基础上的。载波相位差分技术能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。具体的配合方式就是设置一台gnss(rtk)固定站和一台gnss(rtk)移动站，从而实现差分定位，达到更高的精度。

当需要在隧道里面预划线时，由于无法接收到足够的卫星信号，采用gnss(rtk)移动站获取位置的方式不能采用，此时采用激光雷达与路边等距行走的方式进行预划线。即将小车放到需要预划线的路径的起点，通过人机交互平板设定以小车行进方向左边或右边的路沿为基准，激光雷达扫描相应的路沿，如图3所示，返回的路沿线数据作为小车的路径设定。小车沿着与路沿平行且等距的一条路径行进并进行预划线。

具体的，在gps信号可靠的场景使用道路标线自动预划线设备的使用步骤包括：

s11：在人机交互平板上选择“手动标点”功能；

s12：从小车上取下gnss(rtk)移动模块，下方装上竖杆；

s13：将装有gnss(rtk)移动模块的竖杆的端部对准道路边缘，例如路边石与道路的连接处，按下gnss(rtk)移动模块上的存储按键，将第一个点的全球定位坐标存储在gnss(rtk)移动模块内；重复上述定位过程，获取足够的定位点的全球定位坐标；

s14：将gnss(rtk)移动模块下方的竖杆取掉，重新安装在小车上；

s15：在人机交互平板上选择“读取gnss(rtk)移动模块定位点”功能，将s13记录的多个定位点的坐标存入人机交互平板；

s16：在人机交互平板上选择“偏移坐标点生成路径点功能”，并输入左偏移或者右偏移的距离，例如3米。人机交互平板进行计算，首先将多个定位点进行函数拟合，生成一条曲线，然后按照左或右偏移的距离，平行生成路径曲线。根据多个已知点的坐标进行函数拟合的方法就是找到一个数学函数，其表示的曲线经过多个已知点；

s17：经过人工测量，找到第一个路径点的位置，放置小车，使其第一喷嘴位于第一个路径点的正上方，通常选择第一个路径点是设计图纸上一段标线的起始位置。

s18：根据设计图纸要求，选择预划线的类型，例如：间隔3米划3米线。然后在人机交互平板上选择“导出预划线到小车”功能，导出完毕后，选择“开始预划线”功能，之后小车开始根据路径曲线行进，并按照预划线的类型控制喷头按照上述的预划线规则进行划线。

具体的，在gps信号不可用的场景使用道路标线自动预划线设备的使用步骤包括：

s21：在人机交互平板上选择“激光雷达自动划线”功能；

s22：经过人工测量，找到第一个路径点的位置，放置小车，使其第一喷嘴位于第一个路径点的正上方，通常选择第一个路径点是设计图纸上一段标线的起始位置。

s23：根据设计图纸要求，选择预划线的类型，例如：间隔3米划3米线。

s24：选择“开始预划线”功能，之后小车开始根据激光扫描到的道路边缘与小车的最短距离作为控制目标，控制小车按照该最短距离与道路边缘平行行进，并按照预划线的类型控制喷头按照上述的预划线规则进行划线。通常，道路边缘的高度应选取高于激光扫描仪的高度，一般在隧道里是隧道的侧墙。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。