車聯網多傳感器融合探測系統軟件設計與實現?

金 堃 陳少昌 泮益恒

（1.海軍航空大學航空基礎學院電子基礎教研室 煙臺 264001）（2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430000）（3.92916部隊 陵水 572400）

1 引言

自動駕駛與先進駕駛輔助技術利用車載傳感器對路況態勢進行實時感知，從而達到路徑規劃或輔助判情的目的，是降低交通事故發生率、提升駕駛安全性的有效手段。但目前該技術尚未成熟，系統中所使用的傳感器也非常昂貴。此外在很多特殊場合中難以離開駕駛員對駕駛環境的整體把控［1～5］。基于此，本文以構建車路一體、車車互聯的新型道路感知系統為目標，綜合采用仿真實驗與樣機實測實驗對新型自主車聯網多傳感器融合感知系統進行了設計與實驗，研究設計了一款車聯網多傳感器融合探測系統（方便起見將其命名為MSFD-VI系統）。

它是集電磁波雷達、激光雷達、視覺系統等車載多傳感器融合探測的系統［6～7］，并且加入了車間通信的技術，在信息獲取策略上加以改進，其工作模式如圖1所示。

圖1MSFD-VI系統工作模式

由圖1可以看出本系統軟件由前端數據采集部分、數據處理、目標識別與數據融合部分、位置換算部分、數據共享部分組成。以單車為設計中心，裝載調頻連續波雷達、激光雷達，光學傳感器實現對車周態勢的整體感知。由于一般無人車上使用的遠距離探測激光雷達造價昂貴，因此本系統選用近距離的家用探測激光雷達，對車周14m內的環境進行精準探測；而對于車周中遠距離的態勢感知，本文自主設計了低功耗S波段FMCW雷達，經實驗檢測，該雷達可以實現對車周170m內的環境探測以及合成孔徑成像的功能［8］，與激光雷達結合實現對車周近、中、遠距離的無縫環境探測［9］。除此之外，為了進一步加強本系統的安全性和對行人的敏感性，系統中加入了光學傳感器模塊，通過使用最高效穩定的SSD目標識別算法實現對車周視距內的目標分類識別［10］，通過車聯網將主車和從車的信息進行交換［11～14］，獲得更大范圍內的環境感知，將所有獲得的路況信息復合顯示于主車車載終端地圖上［15～16］，可以更加方便地完成信息更新、更加直觀地根據用戶需求顯示特定的結果，為安全駕駛提供即時有效信息。

2 軟件設計

為了方便直觀分析各個系統的檢測結果和性能，基于Matlab GUI（Graphical User Interfaces，圖形用戶接口）創建工具Guide開發了車聯網多傳感器融合探測系統（MSFD-VI）軟件。首先該軟件可以完成對車載多傳感器融合系統（VMS系統）數據的實時采集與處理，完成目標距離、速度以及車周環境整體感知結果顯示；其次可通過車聯網將主車和從車的信息進行交換，獲得更大范圍內的環境感知；最后本軟件可以將所有獲得的路況信息復合顯示與車載地圖上，可以更加方便地完成信息更新、更加直觀地根據用戶需求顯示特定的結果，人機界面友好且可擴展性較強，為駕駛員提供方便。

出于輔助進行研究、降低開展實驗時數據準備與平臺搭建復雜度的功能定位，本節首先對MSFD-VI軟件進行設計，可對軟件的功能做出如下定位：

1）完成車周170m內的多目標距離速度探測；

2）能夠做到狹窄幽暗環境下車周14m內障礙物感知及輪廓顯示；

3）可以實現清晰目標的識別與分類；

4）能將VMS系統探測結果與開源地圖進行復合顯示；

5）能實現車聯網內信息互通。

基于上述的復雜多樣的軟件功能定位，本節進行程序設計時，決定采用一個主程序界面多個子功能界面、通過菜單、控件的操作完成不同功能的調用。

針對對于MSFD-VI軟件的定位，結合GUI界面創建的方法，本節開發的MSFD-VI軟件功能框圖如圖2所示。

圖2 軟件結構設計圖

3 軟件設計實現

主要設計流程如下所示。

1）在Matlab命令窗口‘New’選項中選擇‘Graphical User Interface’選項，如圖3（a）圖所示。

圖3 采用Guide工具創建GUI流程圖

2）選擇一種創建方式，用戶根據使用需求可以快速地基于示例進行創建，也可以采用完全自定義的方式重新創建，如圖3（b）所示；

3）在確定的編輯方式之后自定義功能模塊框，可以先定義窗口再添加算法函數程序，也可以同時進行，繪制如圖4所示的功能模塊框圖；

圖4 程序運行界面

4）利用Matlab的”Google Earth Toolbox”拓展工具箱，將雷達獲得的極坐標轉化為直角坐標，并根據測得的汽車位置的GPS坐標，計算出障礙物的經緯度，利用kmlStr=ge_poin（tlongitude， latitude，elevation）語句即可在地圖上標注出障礙物的位置。

可以看出本軟件主要分為五個部分。首先是定位部分，更新后可以實時顯示本車所在經緯度并導入地圖信息；其次是目標檢測部分，對于距離最近的目標以及速度最快的目標的信息加以顯示，起到預警的作用，同時對于探測范圍內的障礙物可以加以高亮顯示，方便駕駛員準確避障；然后是連通狀態展示了目前車聯網區域內的車輛數；信息交互部分可以對于聯網的車輛信息加以提取，幫助本車獲得更大范圍內的路況信息；此外軟件界面也可以選擇將雷達、激光、攝像頭采集到的信息分別顯示或者綜合顯示與地圖上。通過本軟件能夠實現功能的集成化，降低操作的復雜度。

4 MSFD-VI系統測試與結果

本節對于MSFD-VI軟件進行實際的功能測試。主要分為車聯網通信測試，激光雷達障礙物檢測測試，FMCW SAR雷達測距測速測試，以及車周目標分類識別測試。下面對于各項測試結果進行分別展示與分析。

1）車輛網通信及激光雷達障礙物檢測測試

方便起見，用兩臺筆記本電腦模擬兩臺車輛進行通信測試，用激光雷達探測到的信息作為通信內容。實驗場景如圖5所示，激光雷達的探測范圍如圖6內藍色框內區域所示，兩筆記本間距約15m。

圖5 通信系統實驗環境

圖6 激光雷達探測范圍示意

圖7 通信系統實驗結果

探測結果在軟件中的顯示如圖7所示，可以看到圖7（a）中激光雷達探測到的實驗室邊沿信息可以復合顯示于圖7（b）的軟件界面中的地圖上，圖7（c）為從車通過車聯網得到的信息，可以看出通信系統能夠較好地完成數據傳輸的工作，但數據量有所減少。

2）MSFD-VI對多運動目標的檢測測試

為了進一步測試雷達系統的檢測效果，本節實驗進行軟件層面上的設計與實驗。對于三個時刻的場景在此不做贅述，現將三個時刻的軟件測試結果顯示如圖8所示。

圖8 融合探測實驗軟件顯示結果

從圖8中可以看出本軟件可以較好地將三個傳感器測得的數據進行融合后經過坐標轉換后與實驗車的GPS信息加以結合得出目標定位，然后顯示在預先導入的地圖中，使駕駛員對車周環境有所了解。

5 結語

本文基于 Matlab GUI（Graphical User Interfac?es，圖形用戶接口）創建工具Guide開發了車聯網多傳感器融合探測系統（MSFD-VI）軟件。由定位部分、目標檢測部分，連通狀態展示、信息交互部分以及傳感器選擇等部分組成，完成車周170m內的多目標距離速度探測；狹窄幽暗環境下車周14m內障礙物感知及輪廓顯示；實現清晰目標的識別與分類；將VMS系統探測結果與開源地圖進行復合顯示；實現車聯網內信息互通等任務，通過本軟件能夠實現功能的集成化，降低操作的復雜度。并進行實景測試，分為車聯網通信測試，激光雷達障礙物檢測測試，FMCW SAR雷達測距測速測試，以及車周目標分類識別測試。在170m內得到較好的環境探測與復現，實現了車周情況的融合探測。