基于交通路錐識(shí)別的車輛安全引導(dǎo)方法

彭陸亞靜，張洪昌

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

目前中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)“新三化”的發(fā)展已成為趨勢(shì)，車輛智能化越來越受到業(yè)界的重視，其中有關(guān)道路目標(biāo)的識(shí)別也日益豐富，主體重心都放在車輛識(shí)別和行人識(shí)別上。對(duì)于施工路段等特殊工況，具備自動(dòng)駕駛功能的車輛多采取保守的方式，將行駛交給駕駛員控制，但由于駕駛員注意力分散或行駛方向上有其他車輛等障礙物遮擋，容易造成駕駛員對(duì)前方施工路段的忽視，從而干擾正常行駛。因此，在施工路段等特殊工況下的智能化研究具有重要意義。

交通路錐的識(shí)別并生成安全區(qū)域，是對(duì)車輛智能化的重要補(bǔ)充。特斯拉于2019年公開更新的輔助駕駛系統(tǒng)中，其車載攝像頭成功識(shí)別部分交通路錐，并生成相應(yīng)行駛路徑區(qū)域，但目前只是測(cè)試階段，且存在對(duì)交通路錐識(shí)別丟失和對(duì)其他障礙物的誤識(shí)別等問題。但特斯拉表示，有關(guān)交通路錐的識(shí)別和安全區(qū)域劃分仍是重要研究方向。

本文利用的傳感器為激光雷達(dá)，其具有分辨率高、抗有源干擾能力強(qiáng)、低空探測(cè)性能好、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛運(yùn)用于目標(biāo)探測(cè)識(shí)別。在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，由于其可以顯著提高自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的可靠性，因此被認(rèn)為是L3級(jí)及以上自動(dòng)駕駛必備的傳感器，具有廣闊的發(fā)展前景。

基于以上情況，本文提出了一種基于交通路錐識(shí)別的車輛安全引導(dǎo)方法，用于車輛在交通路錐引導(dǎo)路段的安全區(qū)域劃分和引導(dǎo)路線生成，以補(bǔ)充有關(guān)交通路錐識(shí)別和安全區(qū)域劃分的研究。

2 方法總體設(shè)計(jì)

本發(fā)明提供的基于交通路錐識(shí)別的車輛安全引導(dǎo)方法，其流程如圖1所示，主要由車載激光雷達(dá)、車輛加速度傳感器、圖像顯示器和若干接口電路組成。車載激光雷達(dá)提供原始三維空間坐標(biāo)位置信息，結(jié)合雷達(dá)安裝位置進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。同時(shí)采集車輛加速度傳感器發(fā)送的車輛各方向加速度信息，共同傳至車輛ECU，利用本方法進(jìn)行適應(yīng)車輛姿態(tài)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化后續(xù)計(jì)算的計(jì)算量。再利用本方法對(duì)交通路錐進(jìn)行識(shí)別，將處理后的交通路錐信息傳入圖像顯示器，從而顯示車輛安全區(qū)域和引導(dǎo)路線。

圖1 結(jié)構(gòu)流程圖

車載激光雷達(dá)安裝在車頂，安裝后對(duì)其位置進(jìn)行校對(duì)，以獲得其相對(duì)車輛質(zhì)心的角度，將角度信息通過對(duì)應(yīng)的接口電路傳至車輛ECU，將原始三維坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)換至車輛質(zhì)心。所述的車輛加速度傳感器安裝在車輛質(zhì)心附近位置，對(duì)其安裝位置進(jìn)行校對(duì)，將測(cè)得的車輛各方向加速度信息通過對(duì)應(yīng)的接口電路傳至車輛ECU，將預(yù)處理坐標(biāo)信息進(jìn)行適應(yīng)車輛姿態(tài)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

所述的圖像顯示器由車輛ECU將處理后的車輛安全區(qū)域和引導(dǎo)路線，通過輸出電路將信號(hào)傳入圖像顯示器，用于顯示車輛安全區(qū)域和引導(dǎo)路線。

3 基于交通路錐識(shí)別的車輛引導(dǎo)方法

本發(fā)明基于車載激光雷達(dá)和車輛加速度傳感器的信息，通過對(duì)原始三維空間坐標(biāo)位置信息、車輛行駛速度、加速度信息進(jìn)行預(yù)處理、篩選，結(jié)合交通路錐特定外形特征，對(duì)車輛行駛前方交通路錐進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合車輛相對(duì)交通路錐位置，對(duì)處于交通路錐引導(dǎo)路段的車輛安全行駛區(qū)域進(jìn)行劃分，并計(jì)算出引導(dǎo)路線，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 車輛姿態(tài)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

基于車載激光雷達(dá)采集的原始三維空間坐標(biāo)位置信息和車輛加速度傳感器采集的車輛行駛速度、加速度信息，對(duì)原始三維空間信息進(jìn)行適應(yīng)車輛姿態(tài)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，其計(jì)算方法為：

式（1）～（4）中：Pk〞為車載激光雷達(dá)自身坐標(biāo)系下第k幀（k=1，2，3…）的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合；R1為車載激光雷達(dá)自身坐標(biāo)系相對(duì)車輛質(zhì)心的車輛坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，由安裝位置決定；Pik＇為車載激光雷達(dá)第k幀中第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)換到車輛質(zhì)心的車輛坐標(biāo)系的坐標(biāo)；Pik〞為車載激光雷達(dá)自身坐標(biāo)系下第k幀中第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)；R2為自定義的旋轉(zhuǎn)矩陣；ωp、ωq、ωr分別為車輛質(zhì)心的側(cè)偏角速度、俯仰角速度、橫擺角速度；dt為車載激光雷達(dá)每幀周期；Pik為車載激光雷達(dá)第k幀中第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在第k幀中由于車輛行駛狀態(tài)后變化的車輛坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；T為車載激光雷達(dá)自身坐標(biāo)系相對(duì)車輛質(zhì)心的車輛坐標(biāo)系的平移矩陣，由安裝位置決定。

3.2 交通路錐的識(shí)別

在處理完原始數(shù)據(jù)之后，對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)點(diǎn)的進(jìn)行密度聚類分組，將每組數(shù)據(jù)中第k幀有效坐標(biāo)投影到車輛坐標(biāo)系的YZ面，將YZ面劃分為m×n個(gè)，l×l的矩形，（ymax/l）≤m＜（ymax/l+1），（zmax/l）＜n＜（zmax/l+1），第s×t個(gè)方塊中心坐標(biāo)為統(tǒng)計(jì)每個(gè)方塊包含點(diǎn)的數(shù)量nums×t，當(dāng)nums×t＞c時(shí)，即判斷該方塊為有效區(qū)域，c為預(yù)設(shè)閾值。

對(duì)篩選后的坐標(biāo)信息進(jìn)行處理，獲得該組第k幀的兩組YOZ平面上的近似曲線方程，計(jì)算公式為：

式（9）中：f1、f2分別為有效區(qū)域最左側(cè)回歸直線和最右側(cè)回歸直線；a1、a2分別為f1、f2在Z軸的截距；b1、b2分別為f1、f2在YOZ平面上的斜率。

上述方法中，將已處理后得到的數(shù)據(jù)，利用YOZ平面上的近似曲線方程，對(duì)每組第k幀后四幀有效數(shù)據(jù)取均值，其計(jì)算方法為：

在得到均值后，對(duì)數(shù)據(jù)與交通路錐外形特征進(jìn)行參數(shù)化比較，其計(jì)算方法為：

3.3 車輛安全區(qū)域劃分

根據(jù)車輛自身所處車道位置，將已處理的交通路錐信息進(jìn)行分組，得出車輛在不同車道行駛下的安全行駛區(qū)域，具體可分為兩種狀況處理：①狀況1，車輛不處于交通路錐車道，車輛保持原車道行駛；②狀況2，當(dāng)車輛處于交通路錐車道時(shí)，計(jì)算安全行駛區(qū)域。計(jì)算公式為：

式（17）～（18）中：ki為第i組頂點(diǎn)與第1組頂點(diǎn)在XOY平面上的斜率；yi、xi為第i組交通路錐頂點(diǎn)車輛質(zhì)心坐標(biāo)系XOY平面上的縱、橫坐標(biāo)；i為數(shù)據(jù)的第i組，｛i=1，2，…，n｝；n為總組數(shù)；fL表示過第1組、斜率為kmin組和第n組的二元方程式，即安全行駛區(qū)域?yàn)樵撉€外側(cè)范圍。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在武漢理工大學(xué)內(nèi)校園路段，放置交通路錐模擬施工路段。實(shí)驗(yàn)車輛為一輛用于中國(guó)巴哈大賽的試驗(yàn)車輛，激光雷達(dá)采用速騰聚創(chuàng)公司的RS-LiDAR 32A雷達(dá)，加速度傳感器采用耀配的GN1514B006AA型號(hào)加速度傳感器。

在完成對(duì)激光雷達(dá)和加速度傳感器位置的校對(duì)后，通過K66核心板對(duì)傳入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并利用藍(lán)牙模塊將處理后的交通路錐傳入顯示屏。

車速控制在35 km/h附近范圍，交通路錐數(shù)量為15個(gè)，交通路錐高度為500 mm，底座尺寸為320 mm×320 mm。調(diào)整交通路錐相對(duì)車輛的擺放位置，根據(jù)顯示器顯示內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行不斷調(diào)節(jié)，直至獲得穩(wěn)定的交通路錐引導(dǎo)區(qū)域。

經(jīng)過7組實(shí)驗(yàn)，圖像呈現(xiàn)出的安全行駛區(qū)域與實(shí)際相符合，基于交通路錐識(shí)別的車輛安全引導(dǎo)方法能夠有效地在實(shí)驗(yàn)條件下生成安全區(qū)域，并成功生成引導(dǎo)路徑。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的基于交通路錐識(shí)別的車輛安全引導(dǎo)方法，適用于以交通路錐為引導(dǎo)路線的施工路段，為該路況下的車輛安全區(qū)域劃分提供了一種思路。結(jié)合車輛各方向加速度變化，采取先適應(yīng)車輛姿態(tài)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，減少后續(xù)運(yùn)算量，并結(jié)合交通路錐特定外形特征進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)一步提高了識(shí)別的準(zhǔn)確性。本方法對(duì)車輛所處道路信息分類，結(jié)合上述交通路錐信息，可計(jì)算出兩種情形下的安全行駛區(qū)域，進(jìn)一步提高了計(jì)算的效率、準(zhǔn)確性，從而有效地進(jìn)行車輛安全區(qū)域的劃分。