基于交通路錐識別的車輛安全引導方法

彭陸亞靜，張洪昌

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

目前中國汽車產(chǎn)業(yè)“新三化”的發(fā)展已成為趨勢，車輛智能化越來越受到業(yè)界的重視，其中有關(guān)道路目標的識別也日益豐富，主體重心都放在車輛識別和行人識別上。對于施工路段等特殊工況，具備自動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。

交通路錐的識別并生成安全區(qū)域，是對車輛智能化的重要補充。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別部分交通路錐，并生成相應行駛路徑區(qū)域，但目前只是測試階段，且存在對交通路錐識別丟失和對其他障礙物的誤識別等問題。但特斯拉表示，有關(guān)交通路錐的識別和安全區(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，其具有分辨率高、抗有源干擾能力強、低空探測性能好、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，目前已被廣泛運用于目標探測識別。在自動駕駛領(lǐng)域，由于其可以顯著提高自動駕駛系統(tǒng)的可靠性，因此被認為是L3級及以上自動駕駛必備的傳感器，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別的車輛安全引導方法，用于車輛在交通路錐引導路段的安全區(qū)域劃分和引導路線生成，以補充有關(guān)交通路錐識別和安全區(qū)域劃分的研究。

2 方法總體設(shè)計

本發(fā)明提供的基于交通路錐識別的車輛安全引導方法，其流程如圖1所示，主要由車載激光雷達、車輛加速度傳感器、圖像顯示器和若干接口電路組成。車載激光雷達提供原始三維空間坐標位置信息，結(jié)合雷達安裝位置進行坐標系轉(zhuǎn)換。同時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，利用本方法進行適應車輛姿態(tài)的坐標系轉(zhuǎn)換，從而簡化后續(xù)計算的計算量。再利用本方法對交通路錐進行識別，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)域和引導路線。

圖1 結(jié)構(gòu)流程圖

車載激光雷達安裝在車頂，安裝后對其位置進行校對，以獲得其相對車輛質(zhì)心的角度，將角度信息通過對應的接口電路傳至車輛ECU，將原始三維坐標位置轉(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，對其安裝位置進行校對，將測得的車輛各方向加速度信息通過對應的接口電路傳至車輛ECU，將預處理坐標信息進行適應車輛姿態(tài)的坐標系轉(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)域和引導路線，通過輸出電路將信號傳入圖像顯示器，用于顯示車輛安全區(qū)域和引導路線。

3 基于交通路錐識別的車輛引導方法

本發(fā)明基于車載激光雷達和車輛加速度傳感器的信息，通過對原始三維空間坐標位置信息、車輛行駛速度、加速度信息進行預處理、篩選，結(jié)合交通路錐特定外形特征，對車輛行駛前方交通路錐進行識別，結(jié)合車輛相對交通路錐位置，對處于交通路錐引導路段的車輛安全行駛區(qū)域進行劃分，并計算出引導路線，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)坐標系轉(zhuǎn)換

基于車載激光雷達采集的原始三維空間坐標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，對原始三維空間信息進行適應車輛姿態(tài)的坐標系轉(zhuǎn)換，其計算方法為：

式（1）～（4）中：Pk〞為車載激光雷達自身坐標系下第k幀（k=1，2，3…）的原始數(shù)據(jù)點的集合；R1為車載激光雷達自身坐標系相對車輛質(zhì)心的車輛坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣，由安裝位置決定；Pik＇為車載激光雷達第k幀中第i個數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)換到車輛質(zhì)心的車輛坐標系的坐標；Pik〞為車載激光雷達自身坐標系下第k幀中第i個數(shù)據(jù)點的坐標；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為車載激光雷達每幀周期；Pik為車載激光雷達第k幀中第i個數(shù)據(jù)點在第k幀中由于車輛行駛狀態(tài)后變化的車輛坐標系下的坐標；T為車載激光雷達自身坐標系相對車輛質(zhì)心的車輛坐標系的平移矩陣，由安裝位置決定。

3.2 交通路錐的識別

在處理完原始數(shù)據(jù)之后，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)點的進行密度聚類分組，將每組數(shù)據(jù)中第k幀有效坐標投影到車輛坐標系的YZ面，將YZ面劃分為m×n個，l×l的矩形，（ymax/l）≤m＜（ymax/l+1），（zmax/l）＜n＜（zmax/l+1），第s×t個方塊中心坐標為統(tǒng)計每個方塊包含點的數(shù)量nums×t，當nums×t＞c時，即判斷該方塊為有效區(qū)域，c為預設(shè)閾值。

對篩選后的坐標信息進行處理，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，對每組第k幀后四幀有效數(shù)據(jù)取均值，其計算方法為：

在得到均值后，對數(shù)據(jù)與交通路錐外形特征進行參數(shù)化比較，其計算方法為：

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，當車輛處于交通路錐車道時，計算安全行駛區(qū)域。計算公式為：

式（17）～（18）中：ki為第i組頂點與第1組頂點在XOY平面上的斜率；yi、xi為第i組交通路錐頂點車輛質(zhì)心坐標系XOY平面上的縱、橫坐標；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)域為該曲線外側(cè)范圍。

4 實驗驗證

試驗場地選擇在武漢理工大學內(nèi)校園路段，放置交通路錐模擬施工路段。實驗車輛為一輛用于中國巴哈大賽的試驗車輛，激光雷達采用速騰聚創(chuàng)公司的RS-LiDAR 32A雷達，加速度傳感器采用耀配的GN1514B006AA型號加速度傳感器。

在完成對激光雷達和加速度傳感器位置的校對后，通過K66核心板對傳入數(shù)據(jù)進行處理，并利用藍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，交通路錐高度為500 mm，底座尺寸為320 mm×320 mm。調(diào)整交通路錐相對車輛的擺放位置，根據(jù)顯示器顯示內(nèi)容對數(shù)據(jù)閾值進行不斷調(diào)節(jié)，直至獲得穩(wěn)定的交通路錐引導區(qū)域。

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

5 結(jié)束語

本文介紹的基于交通路錐識別的車輛安全引導方法，適用于以交通路錐為引導路線的施工路段，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，采取先適應車輛姿態(tài)的坐標系轉(zhuǎn)換，減少后續(xù)運算量，并結(jié)合交通路錐特定外形特征進行識別，進一步提高了識別的準確性。本方法對車輛所處道路信息分類，結(jié)合上述交通路錐信息，可計算出兩種情形下的安全行駛區(qū)域，進一步提高了計算的效率、準確性，從而有效地進行車輛安全區(qū)域的劃分。