基于多傳感融合的智能交通仿真系統

李然 郭謹瑋 李子焱 董海博 徐發達

摘要：該文提出了一種基于多傳感器融合的微縮智能交通仿真系統。該系統基于攝像頭室內定位技術作為智能小車的定位基礎，以多傳感器融合作為智能小車感知基礎，以智能交通沙盤作為小車運行環境，集成了智能小車路徑規劃、不停車收費、信號燈控制、高速場景運行、智能小車停避障等智能交通應用成果，形成了一套微型智能交通仿真系統。該系統能夠實現車輛在真實模擬場景中的自動駕駛算法驗證和車聯網功能測試，促進車聯網技術快速發展。

關鍵詞：智能交通；多傳感器融合；室內定位；攝像頭定位；智能小車

中圖分類號：TP391? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）27-0082-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著汽車向電動化、智能化、網聯化、共享化的“新四化” 推進[1]。汽車智能化程度不斷提升，智能網聯汽車成為行業變革時代的主流[2]。智能網聯汽車不僅需要車輛本身的智能化程度的提升，更需要整個交通系統智能化的提升[3]。因此，把汽車和道路環境整合起來，以計算機、通信和人工智能等先進技術為手段，旨在系統高效地解決交通擁堵、交通安全、交通環境污染等問題的智能交通系統（Intelligent Transportation Systems，ITS）[4]應運而生。智能交通仿真系統是基于無線通信、傳感探測等技術進行車路信息獲取，通過V2V、V2R等信息交互與共享，并實現車輛和基礎設施之間、車輛與車輛之間的智能協同與配合，達到優化利用系統資源、提高道路交通安全、緩解交通擁堵的目標[5]。它是“智能交通”下的一個重要的子系統。

微型智能交通仿真系統用了多學科交叉融合的方法，綜合智能交通系統全部參與要素，包含智慧交通沙盤、室內高精度定位系統、網聯通訊系統、智能交通監管云平臺、智能小車和智能移動終端?？蛇M行智能網聯汽車運行原理展示、算法仿真研究驗證以及先進道路交通系統綜合效能模擬驗證。

1系統的總體設計

智能交通仿真系統以智能沙盤場景、智能交通設施、智能小車、智能移動終端為基礎，通過局域網與智慧交通監管云平臺、仿真系統互聯，形成一個閉環的、邏輯自洽的仿真整體。智能交通仿真系統能夠將智能交通設施、交通狀況信息、云平臺信息相結合，從而增強車輛對周圍環境的感知能力。平臺主要包括以下幾個功能模塊：

1） 車輛控制模塊：車輛控制模塊位于智能車控制硬件中，車輛通過自主式、網聯式等感知設備，實時感知周圍環境信息及車輛自身狀態數據，并作出相應決策。并發送給車輛底層硬件設備做出響應。

2） 智能交通設施模塊：智能交通模塊主要包括智能紅綠燈、智能ETC、智能停車場等，該模塊的硬件設施通過沙盤來實現，可以通過沙盤控制終端實現相關設備的狀態的讀取和控制指令的實現。

3） V2X通信模塊：智能小車之間可以依靠局域網模擬車車通信、車路通信、車與交通設施通信等功能。

4） 信息發布模塊：智能車可以當前的道路和交通設施的狀況發布交信息。

5） 車輛參數調試模塊：該模塊和相應的調試軟件主要負責車輛控制參數的調試，實現車輛穩定的運行。

6） 室內定位模塊：室內定位系統主要通過攝像頭對小車進行定位，實現小車毫米級的定位。

系統整體架構如圖1所示：

2 系統網絡拓撲結構

通過室內通信網絡將智能交通沙盤、智能小車、智能移動終端、定位系統互聯互通，通過智能交通控制平臺實現各個硬件之間的數據交互，實現智能沙盤運行狀態監控、智能硬件的控制以及智能小車的控制，保證整個智能交通沙盤的可見與可控；同時三維虛擬重建智能交通仿真沙盤城市地圖，形象化重現整個智能交通實時運行狀態，并從原理層面展現智能交通數據流。功能拓撲圖如圖2所示。

智能交通仿真系統采用實時性高、延遲低的全新Wi-Fi 6通信網絡，將各個智能設備鏈接起來，實現要素之間快速性、安全性、低延遲性的交互，為智能交通仿真系統高效穩定地運行提供基本保障。網絡拓撲如圖3所示。

3系統硬件總體設計

3.1智能沙盤硬件設施

智能沙盤硬件設施根據特定場景進行設計，主要包括基礎配套設施和交通設施，如圖4所示?；A配套設施主要包括城市道路、城市建筑、城市綠化、建筑燈光、指示標志牌等基礎設施；基礎交通設施包括交通燈、道閘、停車場、道路標線等，如圖5所示。

3.2智能小車

智能小車是智能交通仿真系統的關鍵設備。智能小車包括底盤、電池、傳感器和控制中心四部分組成，如圖6所示。底盤主要包括車身底盤、轉向舵機、驅動電機、測速編碼器、電子調速器等；電池包括底盤驅動電池和主控制板供電電池；傳感器主要包括IMU、激光雷達、超聲波雷達、攝像頭等?？刂浦行陌姍C控制板和主控制板。各個傳感器的硬件參數如表1所示。

3.3智能移動終端

智能移動終端可與智能車輛進行互動，可實現車輛的遠程控制，包括終點的選擇、途經點的選擇、沙盤的控制等，如圖7所示。根據智能移動終端目的地的選擇，智能小車可以依據高級精度地圖對從當前位置到目的地的行駛路線進行規劃選擇，得到最優的行駛路線。

3.4攝像頭定位系統

為了模擬車輛在真實環境中的定位情況，智能交通仿真系統采用基于室內動態捕捉技術的多攝像頭定位方法對智能小車進行定位。

基于室內動態捕捉技術，是通過多個位于不同方位的攝像頭，實現對整個智能交通仿真沙盤區域的智能小車的定位覆蓋。移動定位誤差低于1mm，遠高于傳統室內定位誤差（移動定位誤差50cm），保證微縮車定位的準確性，是智能微縮車穩定運行的保障。

從原理及數據層面，該室內定位系統與GPS全球定位系統定位機制類似。智能小車通過車載定位系統（熒光球），接收來自至少3個衛星（攝像機）的距離信息以及攝像頭方位信息，進行聯合定位及航向確定。攝像頭定位系統軟件如圖8所示。

4系統軟件總體設計

智能交通仿真系統主要包括高精度地圖繪制軟件和系統控制軟件。高精度地圖軟件結合仿真沙盤的實際道路尺寸繪制毫米級道路矢量地圖；系統控制軟件主要用于智能小車的控制與調試，其中可視化界面和狀態面板主要用于監控智能小車運行狀況。

4.1高精度地圖繪制軟件

基于實體智能交通仿真沙盤的路網情況，同步構建智能交通厘米級高精度地圖，精確刻畫了城市樓群、城市道路網絡、城市基礎設施（如紅綠燈、ETC等）等地圖內容，地圖精度誤差小于1mm，結合高精度定位系統，實現智能小車按照路徑規劃及導航行駛；同時，配合地圖編輯器，可非常容易地對地圖進行編輯，如圖9所示。

4.2系統控制軟件

系統控制軟件主要包括智能小車狀態的監控、參數調試、算法驗證、定位系統信息監控、地圖繪制等。軟件界面如圖10所示。監控軟件主要包括信息顯示模塊、信息發布模塊。其中信息顯示模塊主要用于顯示道路實時信息，如車流信息、視頻數據等，信息發布模塊用于監控中心將實時信息發布至沙盤路側LED信息板上。

監控平臺主要由PC機與無線網卡組成，后臺監控平臺通過與車載終端組建的無線局域網絡進行通信。后臺監控平臺通過無線網絡接收車載終端發送過來的數據，對數據做進一步處理，并把處理結果返回給車載終端，做相應的控制。

5功能實現

智能小車通過攝像頭、測距激光雷達等傳感器感知周圍環境信息（如圖像數據、前方障礙物距離數據），通過毫米級定位系統、室內通訊網絡等設備，聯網式獲得周圍世界數據（如地圖、紅綠燈、閘機、其他車輛位置數據等），并通過編碼器、慣性導航等傳感設備了解自身狀態（如車速、車姿），經數據感知及融合決策，規劃全局最優行駛路徑，控制車輛啟動并準備循徑行駛。

在智能小車行進的過程中，通過自主式、網聯式等感知設備，實時了解周圍環境信息及車輛自身狀態數據，并作出相應決策（局部行為規劃）（如通過紅綠燈、ETC，車輛相遇等），決策命令（車輛橫向及縱向控制）經由車輛控制執行算法，通過電驅轉向、電驅加速/減速裝置，控制車輛平穩、安全行駛，最終安全到達目的地。

智能小車具備路徑規劃、車道線識別、尋路行駛、自動停障、紅綠燈識別、交通標志識別、自動泊車、緊急制動、通行閘機、編隊行駛、PID控制、自動定位補償、定位感知等功能，滿足智能小車在沙盤自主駕駛的行為訴求，如圖11所示。

同時基于現有車輛軟硬件系統的基礎上，可對車輛算法進行二次開發、拓展和更新，進行算法仿真研究驗證。

6總結

通過對基于攝像頭室內定位的多傳感器融合智能交通仿真系統的詳細設計，系統實現了智能小車路徑規劃、不停車收費、信號燈控制等智能交通應用，能夠滿足智能交通相關算法的驗證與車聯網功能測試。但隨著5G、雙載波聚合5G+技術的發展，下一步可通過5G網絡環境下進行算法驗證和車聯網相關測試，使得其進一步貼近真實交通場景。

參考文獻

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[2] 儲浩，楊曉光，朱彤，等.基于智能車路系統的交叉口主動交通安全技術研究[J].交通與計算機，2008，26（4）：135-139.

[3] 張立立，王力，張玲玉.城市道路交通控制概述與展望[J].科學技術與工程，2020，20（16）：6322-6329.

[4] 樊瑤，褚燕利.基于多傳感器融合的智能車路協同仿真系統[J].公路，2014，59（10）：189-193.

[5] 王語琪，鞏應奎.一種基于視覺信息的可見光通信室內定位方法[J].計算機技術與發展，2016，26（1）：200-204.

【通聯編輯：朱寶貴】