基于雙目激光的車輛限高障礙探測技術研究

丁紅杰，楊洪

基于雙目激光的車輛限高障礙探測技術研究

丁紅杰，楊洪

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

針對車輛在經過限高桿或拱形橋洞時，頻繁發生碰撞事故，造成車頂嚴重受損以及道路公共設施損壞的情況，文章進行了基于雙目激光的車輛限高障礙探測技術研究，通過研究確定雙目激光傳感器的安裝方式，結合雙目激光測得的距離差分信號和基于時間域的距離曲線相關程度，進行探測算法研究，判斷車輛是否能夠安全通過限高障礙物。并通過試驗驗證了系統設計的可行性。

限高障礙；雙目激光；距離信號；概率

前言

車輛在行駛過程中，會遇到限高桿、拱形橋等限高障礙物，如何準確探測感知限高障礙物，是車輛限高障礙探測預警系統的關鍵技術。現階段在國內外研究領域中，關于車輛行駛路徑上的障礙物檢測研究，提出了許多算法和實施手段，如彩色 CCD 的計算機視覺方法[1]，此外還有基于三維激光雷達的方法[2][3]，多傳感器信息融合等方法[4][5]。但受制于夜間低光照度環境限制、探測距離的限制、數據處理難度大等問題，以上方案都不能很好地滿足系統要求。為提高車輛通過限高障礙的安全性與便利性，本文基于雙目激光，進行車輛限高障礙探測技術研究，提前探測車輛是否能夠安全通過限高障礙，并能夠發出報警信號提醒駕駛員，及時減速或停車，避免事故發生。

1 系統原理概述

如圖1所示，本系統是將兩個相同激光測距傳感器固定在車輛前端儀表臺兩端，與水平面夾角為θ角。在車輛行駛的過程中，激光測距傳感器以固定頻率測量前方障礙物信息，即在某一時刻t0，激光傳感器測得車輛前端與障礙物的直線距離，通過三角函數模型，由公式1-1，1-2可得前方障礙物高度、障礙物與車輛前端的水平距離，進而根據相關算法判斷車輛是否能夠正常通過限高障礙物。

式1-1，1-2中，h表示激光測距傳感器距離路面的高度，H表示前方障礙物高度，D表示障礙物與車輛前端的水平距離，d0表示傳感器返回有效距離數據。

圖1 障礙物高度及距離采集原理圖

2 系統硬件設計

如圖2所示，本系統主要由激光測距傳感器A、激光測距傳感器B、控制與報警模塊、傳感器安裝支架、調節螺栓等部分組成。

圖2 系統實物模型圖

激光測距傳感器A、B通過安裝支架固定在車輛前端儀表臺兩端，以同樣的角度采集距離信息。系統通過調節螺栓使激光測距傳感器A、B保持在同一水平面上。

本系統使用的激光測距傳感器弱光環境或強光環境測量范圍均可達到0.5-125m。光斑直徑僅有50cm@125m，指向性達到系統檢測要求。激光傳感器ZDL-0100-1性能指標見表1。

如圖3所示，控制與報警模塊通過RS485總線對激光測距傳感器A、B測得的數據進行采集，并存儲、處理、計算，從而得出判斷結果，若車輛無法安全通過限高障礙物，則通過聲/光報警裝置發出報警信號，提醒駕駛員及時減速或停車，避免事故發生。

表1 激光測距傳感器主要性能指標

車載電子設備處于嚴苛的使用環境中，因此要求芯片和電路具有高可靠性和響應速度。系統MCU采用意法半導體的STM32F103ZET6，最高工作頻率為72MHz，內置乘法器，完全滿足存儲要求和計算要求。本系統采用的SRAM型號為IS62WV51216，是ISSI公司生產的一顆 16 位寬 512K容量的 CMOS 靜態內存芯片。另外系統485通訊配置芯片SP3072；EEPROM存儲采用芯片24LC256；電源模塊采用芯片LM1117-5.0、LM1117-3.3，其中5V電源給激光測距傳感器供電，3.3V給MCU供電。

3 算法及軟件設計

3.1 基于雙目激光的限高障礙探測算法研究

3.1.1基于距離差分信號的閾值梯度處理

系統通過兩個激光測距傳感器A、B測得距離信號的差值作為系統判斷的重要依據，如果同時檢測到的距離信號的差值在一定的“閾值”范圍之內，作為檢測到限高障礙的依據，可以過濾掉不規則物體，防止“誤報”現象的發生。

本系統傳感器在正常環境下測量范圍為0.5m-125m，考慮到車輛在行駛過程中會有前方車輛遮擋以及激光傳感器指向天空（距離無限大）等情況，綜合考慮剎車距離及駕駛員的反應時間，傳感器測距實際有效距離設定為30m到60m之間。

本系統中基于雙目激光傳感器而得出的距離差分信號為實際有效距離的差值，此差值代表規則障礙物的形狀特征。在理想情況下，對于限高桿和拱形橋等近似規則的障礙物，距離差分信號接近于0（或者是一個無窮小值）。但是受到車身和路面以及障礙物本身的影響，差分信號可能在一定范圍內浮動。為了描述這種浮動，這里使用閾值的概念，同時為了描述檢測到限高障礙物的可能性，引入閾值梯度的描述方法，如表2所示。

表2 根據距離差分信號確定的概率分布表

3.1.2基于時間域的距離曲線處理

傳感器采集的距離信息隨著車輛的前進或后退在不斷更新，通過連續采集差分信號數值結合閾值梯度來判定結果，如果前方是不規則的障礙物，將不可避免地出現“誤報”的情況。兩個傳感器將檢測到同樣高度和距離的障礙物，系統將判定道路前方具有影響車輛安全通過的限高障礙，或者在車輛轉彎的過程中，前方任何障礙物的距離信息會變得不規則，也會有一定概率檢測到同樣高度的障礙物而出現“誤報”。

為了防止出現“誤報”，通過研究距離信息和障礙物特征的規律，根據系統時間基準和傳感器采集數據，可以根據不同限高障礙物的特征推理出系統在一段時間內的距離信息曲線。采用判斷距離曲線“趨勢”的數學方法，識別出高度相似，但距離有誤差的情況，作為系統判斷的另一個依據。

系統選定兩個傳感器測得的距離信息作為隨機變量X和Y，在一定的時間長度內，E（X）和E（Y）分別是隨機變量X和Y的數學期望，如公式（1）所示。兩個傳感器測得的距離信息以各自的數學期望值作為標準，X和Y的值在數學期望值上下變動。

系統采用兩個變量X、Y的協方差COV(X,Y)表示兩個變量的變化趨勢，如公式（2）所示。如果兩個變量的變化趨勢一致，也就是說如果其中一個大于自身的期望值，另外一個也大于自身的期望值，那么兩個變量之間的協方差就是正值。如果兩個變量的變化趨勢相反，即其中一個大于自身的期望值，另外一個卻小于自身的期望值，那么兩個變量之間的協方差就是負值。

一段時間內，距離信息的協方差表明這段時間內兩條距離曲線的變化趨勢的一致性。系統中，由于車輛震動、道路不平等原因會造成測量數據幅值的整體偏移，協方差可以表示兩個變量變化的相關程度，而相關系數ρ則消除了幅值對于相關度的影響，只從趨勢來判斷，符合系統的要求。

表3 根據相關度確定的概率分布表

3.1.3概率的綜合判定

結合以上所述，系統僅僅考慮差分信號閾值或者僅僅考慮相關系數都可能造成系統對于限高障礙物的漏報和誤報情況。綜合考慮以上兩個因素才能最大程度地正確檢測限高障礙物。

綜上所述，當0≤P＜0.25時，系統不報警；當0.25≤P＜0.48，系統通過蜂鳴器以較低頻率的“嘀嘀”聲和指示燈以較低頻率閃爍進行報警；當0.48≤P，系統通過蜂鳴器以較高頻率的“嘀嘀”聲和指示燈以較高頻率閃爍進行報警，從而提醒駕駛員注意前方限高障礙物情況，減速或停車，防止事故發生。

3.2 系統軟件設計

基于雙目激光傳感器的距離差值和時間域距離曲線的相關系數，結合概率計算，綜合判斷前方是否有影響車輛通過的限高障礙物。系統軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 系統實驗與分析

圖5 前方無限高障礙物的道路測距曲線

圖6 前方有限高桿的道路測距曲線

圖7 前方有拱形橋的道路測距曲線

根據上文提出限高障礙物探測方法，進行了相關實驗，圖5是車輛在道路上正常行駛時，前方無限高障礙物的道路測距曲線；圖6是車輛在道路上正常行駛時，前方有限高桿的道路測距曲線；圖7是車輛在道路上正常行駛時，前方有拱形橋的道路測距曲線。

通過實驗可以看出，車輛在前方無限高障礙物的道路上行駛時，傳感器距離信號差值較大且無相關性，系統也沒有出現報警；車輛在前方有限高桿的道路上行駛，在臨近限高桿時，傳感器距離信號差值較小且相關性較高，系統出現短時高頻報警信號；車輛在前方有拱形橋的道路上行駛，在臨近拱形橋時，傳感器距離信號差值較小且相關性較高，系統出現較長時間高頻報警信號。

5 總結

本文介紹了雙目激光的安裝方法，結合限高障礙探測算法，通過實驗表明系統可以有效地提前檢測到車輛前方的限高桿或拱形橋，并能夠及時報警，提醒駕駛員及時減速或停車，避免事故發生。本文所研究的探測技術主要需兩個激光測距傳感器進行限高障礙物檢測，具備成本低廉，安裝方便，且不受夜間低光照度制約等優勢，為系統的大規模應用推廣奠定基礎。

[1] 鄧博,吳斌.基于雙目立體視覺的障礙物檢測方法[J].北京:信息與電腦,2018(1):41-45.

[2] 張積洪,李興旺.雙目激光泊位引導系統[J].天津:機械設計,2015,11（32）:88-91.

[3] 李玉株,肖江,黃麗燕,等.基于TDC－GP2 的激光測距系統設計[J].北京:儀器儀表學報,2011,32（6）:358-362.

[4] 王琪龍,李建勇,沈海闊.雙目視覺－激光測距傳感器目標跟蹤系統.上海:光學學報,2016,36（9）:1-8.

[5] 杜釗君,吳懷宇.基于激光測距與雙目視覺信息融合的移動機器人SLAM 研究[J].北京:計算機測量與控制,2013,21（1）:180-183.

Research on Vehicle Height Limiting Barrier Detection Technology Based onBinocular Laser

Ding Hongjie, Yang Hong

（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Henan Zhengzhou 450047）

In view of the frequent collision accidents of vehicles passing through the height-limiting poles or arched bridges, resulting in serious damage to the roof and damage to the public facilities of the road, this paper studies the detection technology of vehicle height limit obstacles based on binocular laser. Through research to determine the installation mode of the binocular laser sensor, combined with the distance differential signal measured by the binocular laser and the correlation degree of the time domain based distance curve, the detection algorithm is studied to determine whether the vehicle can safely pass the obstacle limit. The feasibility of the system design was verified by experiments.

height-limiting obstacle; binocular laser; distance signal; probability

U467.4

A

1671-7988(2019)14-57-04

U467.4

A

1671-7988(2019)14-57-04

丁紅杰（1980-），男，本科，高級工程師，就職于中國電子科技集團公司第二十七研究所，從事汽車電子、智能車輛方面研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.018