基于雙目激光的車輛限高障礙探測技術(shù)研究

丁紅杰，楊洪

基于雙目激光的車輛限高障礙探測技術(shù)研究

丁紅杰，楊洪

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

針對車輛在經(jīng)過限高桿或拱形橋洞時(shí)，頻繁發(fā)生碰撞事故，造成車頂嚴(yán)重受損以及道路公共設(shè)施損壞的情況，文章進(jìn)行了基于雙目激光的車輛限高障礙探測技術(shù)研究，通過研究確定雙目激光傳感器的安裝方式，結(jié)合雙目激光測得的距離差分信號(hào)和基于時(shí)間域的距離曲線相關(guān)程度，進(jìn)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(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

限高障礙；雙目激光；距離信號(hào)；概率

前言

車輛在行駛過程中，會(huì)遇到限高桿、拱形橋等限高障礙物，如何準(zhǔn)確探測感知限高障礙物，是車輛限高障礙探測預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)階段在國內(nèi)外研究領(lǐng)域中，關(guān)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(shí)施手段，如彩色 CCD 的計(jì)算機(jī)視覺方法[1]，此外還有基于三維激光雷達(dá)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(huán)境限制、探測距離的限制、數(shù)據(jù)處理難度大等問題，以上方案都不能很好地滿足系統(tǒng)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(jìn)行車輛限高障礙探測技術(shù)研究，提前探測車輛是否能夠安全通過限高障礙，并能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒駕駛員，及時(shí)減速或停車，避免事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)原理概述

如圖1所示，本系統(tǒng)是將兩個(gè)相同激光測距傳感器固定在車輛前端儀表臺(tái)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(shí)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(shù)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(jìn)而根據(jù)相關(guān)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(shù)據(jù)。

圖1 障礙物高度及距離采集原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，本系統(tǒng)主要由激光測距傳感器A、激光測距傳感器B、控制與報(bào)警模塊、傳感器安裝支架、調(diào)節(jié)螺栓等部分組成。

圖2 系統(tǒng)實(shí)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(tái)兩端，以同樣的角度采集距離信息。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)螺栓使激光測距傳感器A、B保持在同一水平面上。

本系統(tǒng)使用的激光測距傳感器弱光環(huán)境或強(qiáng)光環(huán)境測量范圍均可達(dá)到0.5-125m。光斑直徑僅有50cm@125m，指向性達(dá)到系統(tǒng)檢測要求。激光傳感器ZDL-0100-1性能指標(biāo)見表1。

如圖3所示，控制與報(bào)警模塊通過RS485總線對激光測距傳感器A、B測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并存儲(chǔ)、處理、計(jì)算，從而得出判斷結(jié)果，若車輛無法安全通過限高障礙物，則通過聲/光報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒駕駛員及時(shí)減速或停車，避免事故發(fā)生。

表1 激光測距傳感器主要性能指標(biāo)

車載電子設(shè)備處于嚴(yán)苛的使用環(huán)境中，因此要求芯片和電路具有高可靠性和響應(yīng)速度。系統(tǒng)MCU采用意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6，最高工作頻率為72MHz，內(nèi)置乘法器，完全滿足存儲(chǔ)要求和計(jì)算要求。本系統(tǒng)采用的SRAM型號(hào)為IS62WV51216，是ISSI公司生產(chǎn)的一顆 16 位寬 512K容量的 CMOS 靜態(tài)內(nèi)存芯片。另外系統(tǒng)485通訊配置芯片SP3072；EEPROM存儲(chǔ)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(shè)計(jì)

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(hào)的閾值梯度處理

系統(tǒng)通過兩個(gè)激光測距傳感器A、B測得距離信號(hào)的差值作為系統(tǒng)判斷的重要依據(jù)，如果同時(shí)檢測到的距離信號(hào)的差值在一定的“閾值”范圍之內(nèi)，作為檢測到限高障礙的依據(jù)，可以過濾掉不規(guī)則物體，防止“誤報(bào)”現(xiàn)象的發(fā)生。

本系統(tǒng)傳感器在正常環(huán)境下測量范圍為0.5m-125m，考慮到車輛在行駛過程中會(huì)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(yīng)時(shí)間，傳感器測距實(shí)際有效距離設(shè)定為30m到60m之間。

本系統(tǒng)中基于雙目激光傳感器而得出的距離差分信號(hào)為實(shí)際有效距離的差值，此差值代表規(guī)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(guī)則的障礙物，距離差分信號(hào)接近于0（或者是一個(gè)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(hào)可能在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)。為了描述這種浮動(dòng)，這里使用閾值的概念，同時(shí)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(jù)距離差分信號(hào)確定的概率分布表

3.1.2基于時(shí)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(jìn)或后退在不斷更新，通過連續(xù)采集差分信號(hào)數(shù)值結(jié)合閾值梯度來判定結(jié)果，如果前方是不規(guī)則的障礙物，將不可避免地出現(xiàn)“誤報(bào)”的情況。兩個(gè)傳感器將檢測到同樣高度和距離的障礙物，系統(tǒng)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(zhuǎn)彎的過程中，前方任何障礙物的距離信息會(huì)變得不規(guī)則，也會(huì)有一定概率檢測到同樣高度的障礙物而出現(xiàn)“誤報(bào)”。

為了防止出現(xiàn)“誤報(bào)”，通過研究距離信息和障礙物特征的規(guī)律，根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)和傳感器采集數(shù)據(jù)，可以根據(jù)不同限高障礙物的特征推理出系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)的距離信息曲線。采用判斷距離曲線“趨勢”的數(shù)學(xué)方法，識(shí)別出高度相似，但距離有誤差的情況，作為系統(tǒng)判斷的另一個(gè)依據(jù)。

系統(tǒng)選定兩個(gè)傳感器測得的距離信息作為隨機(jī)變量X和Y，在一定的時(shí)間長度內(nèi)，E（X）和E（Y）分別是隨機(jī)變量X和Y的數(shù)學(xué)期望，如公式（1）所示。兩個(gè)傳感器測得的距離信息以各自的數(shù)學(xué)期望值作為標(biāo)準(zhǔn)，X和Y的值在數(shù)學(xué)期望值上下變動(dòng)。

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

一段時(shí)間內(nèi)，距離信息的協(xié)方差表明這段時(shí)間內(nèi)兩條距離曲線的變化趨勢的一致性。系統(tǒng)中，由于車輛震動(dòng)、道路不平等原因會(huì)造成測量數(shù)據(jù)幅值的整體偏移，協(xié)方差可以表示兩個(gè)變量變化的相關(guān)程度，而相關(guān)系數(shù)ρ則消除了幅值對于相關(guān)度的影響，只從趨勢來判斷，符合系統(tǒng)的要求。

表3 根據(jù)相關(guān)度確定的概率分布表

3.1.3概率的綜合判定

結(jié)合以上所述，系統(tǒng)僅僅考慮差分信號(hào)閾值或者僅僅考慮相關(guān)系數(shù)都可能造成系統(tǒng)對于限高障礙物的漏報(bào)和誤報(bào)情況。綜合考慮以上兩個(gè)因素才能最大程度地正確檢測限高障礙物。

綜上所述，當(dāng)0≤P＜0.25時(shí)，系統(tǒng)不報(bào)警；當(dāng)0.25≤P＜0.48，系統(tǒng)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(jìn)行報(bào)警；當(dāng)0.48≤P，系統(tǒng)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(jìn)行報(bào)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(fā)生。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于雙目激光傳感器的距離差值和時(shí)間域距離曲線的相關(guān)系數(shù)，結(jié)合概率計(jì)算，綜合判斷前方是否有影響車輛通過的限高障礙物。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(jù)上文提出限高障礙物探測方法，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，圖5是車輛在道路上正常行駛時(shí)，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(shí)，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(shí)，前方有拱形橋的道路測距曲線。

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，車輛在前方無限高障礙物的道路上行駛時(shí)，傳感器距離信號(hào)差值較大且無相關(guān)性，系統(tǒng)也沒有出現(xiàn)報(bào)警；車輛在前方有限高桿的道路上行駛，在臨近限高桿時(shí)，傳感器距離信號(hào)差值較小且相關(guān)性較高，系統(tǒng)出現(xiàn)短時(shí)高頻報(bào)警信號(hào)；車輛在前方有拱形橋的道路上行駛，在臨近拱形橋時(shí)，傳感器距離信號(hào)差值較小且相關(guān)性較高，系統(tǒng)出現(xiàn)較長時(shí)間高頻報(bào)警信號(hào)。

5 總結(jié)

本文介紹了雙目激光的安裝方法，結(jié)合限高障礙探測算法，通過實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)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(shí)報(bào)警，提醒駕駛員及時(shí)減速或停車，避免事故發(fā)生。本文所研究的探測技術(shù)主要需兩個(gè)激光測距傳感器進(jìn)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(yōu)勢，為系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)。

[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.

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[3] 李玉株,肖江,黃麗燕,等.基于TDC－GP2 的激光測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京:儀器儀表學(xué)報(bào),2011,32（6）:358-362.

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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(jí)工程師，就職于中國電子科技集團(tuán)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