基于激光雷達多源數據融合的路障檢測系統設計

劉 濤

(北方自動控制技術研究所,太原 030000)

0 引言

多源數據融合利用相關性手段，將調查所獲信息綜合到一起，并借助互聯網主機，對這些信息參量進行統一的分析與評價，最終獲得高度統一的數據信息調查處理結果。該項技術的研發初衷在于對多種類型的數據信息進行綜合與應用，并從中分析不同數據源的特點，從而使得輸出指令中包含更完整、更豐富的信息參量[1]。在信息選擇方面，多源數據融合技術的應用必須保證信息選擇的正確性，且待融合對象間不得存在錯誤或非合理的連接關系，這也是確保多源數據能夠獲得理想化融合效果的主要原因[2]。通常情況下，多源數據融合技術常與激光雷達設備配合使用，前者能對后者所采集到的數據信息參量進行深度加工，從而使得融合后文件更符合實際應用需求。

路障檢測是道路障礙物檢測的簡稱形式，在車輛運行過程中，由于形式模式等外在作用條件的改變，會導致駕駛者所觀測到的道路情況發生改變，這也是促使道路障礙觀測盲區出現的主要原因[3]。傳統DSP應用系統在實施路障檢測的過程中，通過最大類間方差法確定最佳的閾值結果，再通過直線擬合的方式，實現對障礙物邊緣的連接與定位。然而此系統在縮小觀測盲區方面的應用能力有限，并不能完全保障車輛的運行安全。為解決此問題，設計基于激光雷達多源數據融合的路障檢測系統，聯合多源以太網接口電路、激光圖像傳感器等多個硬件設備結構，對激光雷達的工作模式進行識別，再借助已提取的檢測角點特征，建立必要的雷達脈沖組序列模型。

1 基于激光雷達的路障檢測系統硬件設計

激光雷達多源數據融合路障檢測系統的硬件執行結構由多源以太網接口電路、激光圖像傳感器、路障特征提取分類器等多個結構共同組成，具體方案設計步驟如下。

1.1 多源以太網接口電路

路障檢測系統的多源以太網接口電路采取嵌入式連接形式，需要有電量循環通路、數據融合通路的配合，才能實現對多源以太網絡的綜合控制。激光雷達驅動芯片內部提供了千兆以太網所需的接口組織，因此數據融合指令執行所需的信息參量，只有在網絡隔離變壓器、千兆網物理層芯片等多個結構元件的作用下，才能建立激光雷達設備與系統核心檢測主機之間的應用連接關系[4]。考慮到以太網通訊功能，多源接口電路需要與激光雷達設備保持長距離通信聯系，且由于C1、C2、C3等多個電容設備的存在，多源以太網芯片必須選取88E1111型號的連接裝置，一方面抵御由多源數據融合行為帶來的電氣隔離作用，另一方面也可增強路障檢測信號的輸出強度，從而使得待融合數據信息的傳輸距離不斷延長[5]。當存在不同電平傳輸情況時，多源以太網接口電路可保證激光雷達設備的正常運行，并可將SGMII接口與MAC接口順次相連，不僅在最大程度上保護了88E1111多源以太網芯片，也不會影響路障檢測信息的實際傳輸行為，這也是主電路結構體能夠將并行激光信號直接轉換為差分串行雷達信號的主要原因。多源以太網接口電路圖如圖1所示。

圖1 多源以太網接口電路圖

1.2 激光圖像傳感器

激光圖像傳感器具有光譜響應廣、大面積感光、光子轉換效率高、動態范圍廣、影像失真率低、雜訊能力低的應用優勢，不僅能夠保證所檢測到路障圖像的質量水平，也始終具有較高的抗噪點能力，從而為多源數據融合提供較為穩定的信息傳輸環境[6]。雖然激光圖像傳感器的應用，可能會加大多源以太網接口電路的實際連接尺寸條件，易使系統的硬件執行環境稍顯復雜，但由于其自身強大的處理靈活性，可在某方面大幅提升信息參量的特有傳輸性能，這不僅能夠嚴格控制路障檢測系統的搭建成本，也可加強激光雷達設備的耦合性處理能力，從而使得傳感器元件的應用能力得到有效促進。根據多源以太網接口電路的實際連接需求，激光圖像傳感器設備中需要同時包含PAL、GAL、CPLD等多種型號的可編程芯片結構，并需要以此為基礎，設計完全獨立的門陣列組織[7]。通常情況下，激光圖像傳感器與多源以太網接口電路間的連接關系必須滿足半定制型專用集成條件，為彌補傳感器元件在門電路數量方面的不足，設備結構體還需具備一定的模塊分層能力，可在實現多源數據融合的同時，對系統相關硬件執行結構進行聯合調試。

表1 激光圖像傳感器主要設計參數

1.3 路障特征提取分類器

路障特征提取分類器的檢測任務通常包括激光雷達多源數據獲取、障礙物圖像深度信息挖掘、待融合點云數據生成等多種類型。基于多源數據融合技術所獲取的激光雷達型路障圖像信息屬于一種新型的傳輸應用數據，其資源本質與傳感器所采集到的激光圖像相類似，由于信息參量的檢測同源性，所有可能輸出的激光雷達多源數據都維持最原始的排列順序[8-9]。因此，對于路障特征提取分類器所采集到的激光雷達多源信息而言，其融合處理指令必須遵照最初的像素級處理條件，一方面對檢測到的路障信息進行按需排序，另一方面也可使激光雷達設備的多源數據融合處理需求得到有效滿足。

規定N代表非負自然數集合，i、e代表其中兩個隨機選取的自然數值項，且在整個集合區間內i≥e的物理定義式恒成立，設β代表路障信息的檢測特征值，聯立上述物理量，可將分類器設備對于系統路障特征檢測值的提取權限定義為：

(1)

式中，Ii和Ie分別為第i與第e個激光雷達圖像射頻指標，Pi和Pe分別為第i與第e個多源數據融合系數，σi和σe分別為兩個不同的路障信息檢測權限值。

1.4 TVPS150PBS圖像解碼器

TVPS150PBS圖像解碼器是一款檢測能力極強的解碼器設備結構，可將激光雷達輸出的PAL型與NTSC型制式多源數據信號轉換為數字色差檢測信號，且在實施檢測指令的同時，高通TVPS150PBS解碼芯片支持多個路障圖像檢測信息的同時存在。檢測系統中的多源數據融合指令由高通TVPS150PBS解碼芯片獨立完成，但主要的模擬數據A/D轉換行為確是由圖像編輯器設備實現的[10]。由于高通TVPS150PBS解碼芯片與圖像編輯器設備間始終存在一定強度的多源數據傳輸關系，因此與激光雷達匹配的檢測信息流始終保持原有的BT-656格式。該模塊內輸入的多源數據不得違背YUV4∶2∶2Planar規則，且采集到的檢測信息也只能在DM642 VPORT端口的作用下，才能實現由激光雷達緩沖區到TVPS150PBS解碼芯片的存儲位置轉換。大多數道路障礙圖像的最大存儲條件可到5 120 Bytes，且由于多源數據融合理論的存在，獨立的緩沖區允許多個系統可編程檢測元件的共同存在，其中可編程邏輯器件負責對多源路障檢測數進行初步處理，而其它設備應用結構體則可借助圖像編輯器，建立與高通TVPS150PBS解碼芯片的實用連接關系，從而為多源數據融合提供較為穩定的傳輸與檢測應用環境[11]。

1.5 可編程邏輯器件

路障檢測系統可編程邏輯器件由外部連接設備、內部連接設備兩部分共同組成，且兩類設備結構在實際應用過程中，完全遵循激光雷達元件的多源數據融合需求。

外部連接設備位于道路表面下端，兩排車輛行駛軌道需借助激光雷達檢測線路，實現在左、右端道路邊緣主機之間的路障圖像信息傳輸。激光雷達檢測線路將車輛行駛軌道完全貫穿，且由于核心檢測主機的調度影響，這些線路結構體能夠準確記錄道路障礙物的實際存在情況，并可將這些信息數據以檢測圖像的方式，反饋至激光雷達應用主機之中，從而方便后續多源數據融合指令的順利執行與調取[12]。可編程邏輯器件外部連接設備如圖2所示。

圖2 可編程邏輯器件外部連接設備

內部連接設備存在于路障檢測主機中，包含CPLD、FPGA、MCU三類應用芯片。其中，CPLD芯片作為核心檢測元件，可記錄激光雷達主機中多源數據的實際輸入情況。FPGA芯片則負擔必要的多源數據融合指令，可直接支配路障檢測主機的輸出行為，并借助傳輸通道，建立芯片設備與激光雷達間的應用連接關系[13]。MCU芯片負責與可編程邏輯器件外部設備相連，從而實現對道路障礙物的精準檢測。

2 基于激光雷達多源數據融合的路障檢測系統軟件設計

在激光雷達多源數據融合理論的作用下，按照雷達工作模式識別、多源異構傳感器連接、檢測角點特征提取、雷達脈沖組序列建模的處理流程，實現對系統路障檢測信息的跟蹤與應用。

2.1 雷達工作模式識別

在多源數據融合環境下，激光雷達的檢測與應用需求能夠得到較好滿足。與傳統單一化檢測模式相比，激光雷達能夠較好適應多源數據的傳輸變動需求，不僅具有較好的檢測靈活性，也能夠對道路障礙圖像中包含的數據信息進行較好分辨[14]。為了滿足多源數據信息的功能化融合需求(成像、跟蹤、搜索)，激光雷達一般會通過變化檢測信號輸出參數范圍的方式，來應對不同形式的道路障礙存在情況。

1)第一識別階段:

在此過程中，激光雷達信號輸出量u0的最小取值結果始終為1，但其最大取值結果則可不斷向著+∞趨近，當道路障礙圖像中的檢測信息值等于fmax時，可將雷達工作模式識別第一階段的檢測能力定義為：

(2)

2)第二識別階段:

在此過程中，激光雷達被系統檢測主機賦予了兼性執行的能力，且執行系數始終保持為r，受到多源數據融合原理的影響，r∈N的定義表達式也恒成立。設d1代表第一個道路障礙物信息檢測量，dr代表第r個道路障礙物信息檢測量，聯立公式(2)，可將雷達工作模式識別第二階段的檢測能力定義為：

(3)

2.2 多源異構傳感器

多源異構傳感器也就是多個不同的數據信息檢測傳感器，常見的應用形式包含以下幾類：

1)主動式傳感器：通過向激光傳感器發射檢測信號的方式，對道路障礙物進行準確識別，再將返回信號以多源數據的形式，傳輸至系統檢測主機之中[15]。該類型傳感器可直接提供系統檢測主機所需的道路障礙物角度及距離信息，且測量精準度水平極高，但其始終屬于一種主動式的傳感器應用元件，極有可能因外界環境因素的影響，而出現檢測精度水平的下降。主動式傳感器結構如圖3所示。

圖3 主動式傳感器結構圖

2)被動式傳感器：以障礙物反射能量作為激光雷達的目標檢測信息，相比于主動式傳感器，該類型應用結構可直接測度系統所管轄道路的寬度水平，并可為多源數據融合提供相對精準的信息提取環境[16]。被動式傳感器結構如圖4所示。

圖4 被動式傳感器結構圖

綜合采用這兩種傳感器結構，在保證測量精準度的同時，也能夠為多源數據融合提供相對精準的信息提取環境，進而提升路障特征提取準確率。

2.3 檢測角點特征提取

角點特征提取能夠較好地提取道路障礙物的檢測特征，但是會引入與檢測目標無關的其它角點，這些無用角點不但對激光雷達多源數據的融合毫無作用，甚至還會對實際檢測準確性造成影響，增加多源數據融合的計算復雜度[17-18]。因此，為得到理想的檢測角點特征提取結果，需要先消除多源數據中的無用角點信息，再根據激光雷達的具體射頻輸出能力，為后續的路障檢測執行創造良好應用條件。設E1，E2，…，Em分別代表m個不同的道路障礙物角點特征信息，ΔH代表無用角點數量值在單位時間內的變化總量，聯立公式(3)，可將系統檢測角點特征提取結果定義為：

(4)

式中，k為道路障礙物角點剔除系數，t1為第一個角點剔除步長值，tm為第m個角點剔除步長值。

總體來說，亞健康是一種非病非健康狀態，是一類次等健康狀態，介于健康與疾病之間，故有“次健康”“第三狀態”“中間狀態”“游移狀態”“灰色狀態”等稱謂。世界衛生組織將機體無器質性病變，但有一些功能改變的狀態成為“第三狀態”。大學生亞健康狀態可以分為4種表現類型[4-7]：軀體亞健康、心理亞健康、社會適應性亞健康及道德（思想）性亞健康。在不斷的變化發展中，亞健康狀態既可以轉變為健康狀態，也可以轉變為疾病狀態，長期處于亞健康狀態對人們的生產、生活和學習產生巨大的消極影響，降低工作、學習效率，甚至削減社會效益。

2.4 雷達脈沖組序列建模

(5)

其中:x0為奇數級激光脈沖檢測系數，xm為偶數級激光脈沖檢測系數，ξ為道路故障數據的多源融合基向量，δ為既定融合參數差值。

綜合上述步驟，總結基于激光雷達多源數據融合的路障檢測系統軟件流程，如圖5所示。

圖5 基于激光雷達多源數據融合的路障檢測系統軟件流程示意圖

至此，完成各項指標系數值的計算與處理，在激光雷達多源數據融合機制的作用下，實現路障檢測系統的搭建與應用。

3 實用能力測試

針對路障檢測系統觀測盲區的問題，進行實驗驗證與分析。首先應用基于激光雷達多源數據融合的路障檢測系統控制車輛行進行為(實驗組)，再應用DSP路障檢測系統控制車輛行進行為(對照組)，最后將測試過程中所記錄的數據信息進行識別與對比，從而確定縮小系統觀測盲區的實用性手段。圖6為觀測盲區測試圖。

圖6 觀測盲區測試

已知PF、PR、PW指標均能反應車內觀測者所觀察到的盲區范圍大小，由于檢測主機工作模式的不同，這些物理參數項的實際數值水平也會隨之變化。通常情況下，上述三項指標的表現數值均以坐標量的形式出現，且橫、縱坐標的數值水平越小，代表車內觀測者所觀察到的盲區范圍越小，反之則越大。表2、表3記錄了實驗組、對照組PF、PR、PW指標的具體數值變化情況。

表2 實驗組參數值

表3 對照組參數值

其中：VS為車輛低速行進狀態，MTT為車輛高速行進狀態，RWS為車輛勻速行進狀態，STT為車輛勻加速行進狀態，TWS為車輛勻減速行進狀態，TAS為車輛變加速行進狀態，PUW為車輛變減速行進狀態。

分析表2可知，在實驗組檢測系統支持下，PF指標在車輛低速行進狀態時具有最大的數值計算結果85 MHz，在車輛勻加速行進狀態時具有最小的數值計算結果25 MHz，二者間差值為60 MHz。PR指標在車輛變加速行進狀態時具有最大的數值計算結果9 400 MHz，在車輛低速行進狀態時具有最小的數值計算結果4 600 MHz，二者間差值為4 800 MHz。PW指標在車輛低速行進狀態時具有最大的數值計算結果900 MHz，在車輛勻減速行進狀態時具有最小的數值計算結果200 MHz，二者間差值為700 MHz。

分析表3可知，在對照組檢測系統支持下，PF指標在車輛勻速行進狀態時具有最大的數值計算結果180 MHz，在車輛變加速行進狀態時具有最小的數值計算結果75 MHz，二者間差值為105 MHz。PR指標在車輛變加速行進狀態時具有最大的數值計算結果10 600 MHz，在車輛低速行進狀態時具有最小的數值計算結果6 400 MHz，二者間差值為4 200 MHz。PW指標在車輛低速行進狀態時具有最大的數值計算結果1 500 MHz，在車輛勻減速行進狀態時具有最小的數值計算結果390 MHz，二者間差值為1 110 MHz。

數值量計算公式遵循：

∑=a+b

(6)

其中:a表示橫坐標記錄數值，b表示縱坐標記錄數值。

提取上述差值量計算結果，繪制對比結果如表4所示。

表4 實驗參數值對比

分析表4可知，實驗組PF指標差值與對照組PF指標差值相比，下降了45 MHz；實驗組PR指標差值與對照組PR指標差值相比，下降了1 600 MHz；實驗組PW指標差值與對照組PW指標差值相比，下降了190 MHz。

綜上可知，在實際測試過程中，實驗組PF指標、PR指標、PW指標數值均低于對照組記錄結果，為此能夠得出所設計系統的觀察盲區較小，能夠有效提升路障檢測的準確率。符合縮小車內觀測者所觀察到盲區覆蓋面積的實際應用需求。

4 結束語

激光雷達多源數據融合技術支持下路障檢測系統的PF指標差值為60 MHz、PR指標差值為4 800 MHz、PW指標差值為700 MHz，與對照組相比均得到有效控制，能夠較好抑制道路障礙觀測盲區的出現，滿足車輛的安全運行條件，且新型檢測系統同時對激光圖像傳感器、TVPS150PBS圖像解碼器等多個硬件設備結構的應用形式進行完善，不僅實現了對激光雷達工作模式的精準識別，也從根本上落實了脈沖組序列模型的應用需求，具備較強的推廣可行性。