FCW系統(tǒng)目標(biāo)檢測距離精度測試與研究

曾 杰， 王 戡， 張儀棟， 游國平， 牛成勇

(1.重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 重慶 401122； 2.汽車主動安全測試技術(shù)重慶市工業(yè)和信息化重點實驗室， 重慶 401122)

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)在車輛上的大量應(yīng)用，可有效減少道路交通事故[1]。前向碰撞報警(FCW)系統(tǒng)主要通過對道路前方的目標(biāo)車輛進(jìn)行檢測，計算出相應(yīng)的碰撞危險等級，采用碰撞時間(TTC)判斷警告時機，并通過視覺、聲音、觸覺等方式警告駕駛員進(jìn)行避碰操作[2-4]。通常，F(xiàn)CW系統(tǒng)發(fā)出碰撞預(yù)警的時間TTC的閾值是根據(jù)自車車速和前方目標(biāo)車輛的運動狀態(tài)綜合確定，因此目標(biāo)檢測距離的精度對預(yù)警時間的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性影響較大?，F(xiàn)階段的營運客車FCW系統(tǒng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JT/T 883-2014[5]，該標(biāo)準(zhǔn)中對報警距離精度的要求應(yīng)不大于5%或1 m，而ISO 15623：2002和GB/T 33577-2017中對報警距離精度的要求卻都為不大于15%或2 m[6]。大量測試發(fā)現(xiàn)，基于視覺的FCW系統(tǒng)大多數(shù)都滿足JT/T 883-2014中的報警TTC的要求，而不滿足報警距離精度的要求；基于雷達(dá)的FCW系統(tǒng)大多數(shù)都能滿足JT/T 883-2014中的報警TTC和報警距離精度的要求。因此，對基于視覺的FCW系統(tǒng)的目標(biāo)檢測距離精度進(jìn)行深度測試和研究，為基于視覺的FCW系統(tǒng)研發(fā)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂提供參考。本文采用不同的測試車速、測試距離和減速度，針對分別使用視覺和視覺與毫米波雷達(dá)融合的FCW系統(tǒng)探測距離精度進(jìn)行深度測試，測試場景為CCRs 、CCRm、 CCRb 3種，以研究不同傳感器類型的目標(biāo)檢測距離精度在FCW系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

1 基于視覺FCW系統(tǒng)測距原理

視覺系統(tǒng)相較于毫米波雷達(dá)成本更低、近距識別率高、能分辨目標(biāo)與車道線的相對位置，但是環(huán)境適應(yīng)性較差、算法復(fù)雜、識別效率低[7-8]。常見的視覺FCW系統(tǒng)主要依靠單目視覺系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)檢測，主要采用基于機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、圖像特征等算法進(jìn)行目標(biāo)檢測[9]。常見的視覺測距方法如下。

1.1 車輛底部陰影遠(yuǎn)近測距

如圖1(a)所示，該方法首先通過對圖像進(jìn)行處理，獲得車輛底部陰影在道路上的位置，隨后以該陰影還原車輛的寬度信息，最后通過大量標(biāo)定試驗擬合出一條非線性的測距曲線[10]。該曲線的變量為車輛底部陰影的y坐標(biāo)，輸出為車距信息。

1.2 目標(biāo)像素大小測距

如圖1(b)所示，目標(biāo)車輛的像素輪廓大小隨車距的增大而減小，車距與車輛目標(biāo)區(qū)域像素尺寸呈現(xiàn)出多項式的關(guān)系。通常通過擬合車輛目標(biāo)區(qū)域像素尺寸、面積與車距的多項式曲線，從而獲得一條測距曲線實現(xiàn)測距[11-12]。

(a) 基于底部陰影測距

(b) 基于像素大小測距

1.3 雙目攝像頭測距

雙目攝像頭目標(biāo)測距方法，主要是利用2個獨立的攝像機進(jìn)行障礙物定位，模擬人眼視覺測距的原理?；陔p CCD 立體攝像頭的障礙物定位原理可以簡化為如圖2所示的平面模型[13]，探測距離y1可以通過相似三角函數(shù)關(guān)系解算。該方案的測距精度與相機的性能、目標(biāo)距離、相機間距等因素有關(guān)，因此合理選擇主要參數(shù)，對精度影響較大。目前大多數(shù)量產(chǎn)車規(guī)級的視覺測距主要是采用單目視覺方案，基于多種測距算法組合的方式進(jìn)行，以有效保障測距精度。

圖2 雙目視覺測距原理示意圖

2 FCW系統(tǒng)在固定場景報警時間

為保證在各個測試場景中試驗車輛的車速、車距、減速度滿足測試條件要求，采用英國ABD駕駛機器人、前后車協(xié)調(diào)通信系統(tǒng)、高精度GPS定位基站等試驗設(shè)備，并選擇構(gòu)建CCRs 、CCRm、 CCRb 3種場景所需要的較長直線試驗道路。

2.1 FCW系統(tǒng)預(yù)警時間現(xiàn)狀

筆者在FCW系統(tǒng)測試方面開展了大量工作，積累了較多的試驗數(shù)據(jù)，選取了Mobileye、某型單目視覺系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ、雷達(dá)與單目視覺融合等5種方案。根據(jù)JT/T 883-2014中的試驗方法和性能評價指標(biāo)對FCW系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行評價，被測試的各型FCW系統(tǒng)都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的報警TTC指標(biāo)。Mobileye在3種測試場景下的標(biāo)準(zhǔn)差均比單一雷達(dá)的方案大，報警TTC數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性相對較差，而雷達(dá)與視覺的融合方案的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性整體比Mobileye更好，但仍然比單一雷達(dá)方案差。Mobileye的報警TTC數(shù)據(jù)穩(wěn)定性均比某型單目視覺系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ好，但單一雷達(dá)系統(tǒng)報警時間的安全裕度均設(shè)計更低，更接近報警TTC時間要求的臨界值，對比結(jié)果如圖3和圖4所示。

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

本文在試驗數(shù)據(jù)的處理中，使用誤差的標(biāo)準(zhǔn)差用以評價誤差精度的數(shù)據(jù)離散程度，以誤差的平均值評價誤差的大小。

試驗數(shù)據(jù)中，根據(jù)設(shè)備的CAN報文進(jìn)行解析，選取對應(yīng)時刻的數(shù)據(jù)點進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)點的數(shù)量隨相對車速增大而減少。本文分別對基于單目視覺和基于單目視覺與毫米波雷達(dá)信息融合的FCW系統(tǒng)進(jìn)行了測試，基于視覺的最大探測距離未限定，而基于雷達(dá)與視覺融合系統(tǒng)的距離報文限定在90 m的范圍之內(nèi)。

2.2.1 基于視覺的FCW系統(tǒng)測試分析

CCRs前車靜止場景的測試結(jié)果見表1，在探測距離大于80 m時，距離誤差的標(biāo)準(zhǔn)差和誤差平均值比探測距離小于80 m的范圍大。隨著試驗車速增加，相對速度變大，距離誤差的標(biāo)準(zhǔn)差和誤差平均值都逐漸增大。低速時誤差的標(biāo)準(zhǔn)差較高速時小，測距較為穩(wěn)定。

CCRm前車慢行場景的測試結(jié)果見表2，探測距離大于80 m時，探測距離精度較低，誤差標(biāo)準(zhǔn)差較大，測距穩(wěn)定性較差。在小于80 m的區(qū)間內(nèi)，探測距離精度和穩(wěn)定性隨著相對車速的增大而降低。

a) CCRs場景

b) CCRm場景

c) CCRb場景

圖4 預(yù)警時間標(biāo)準(zhǔn)差對比

車速/(km/h)探測距離/m標(biāo)準(zhǔn)差平均值/m50>80/<801.49/1.414.83/2.7260>90/<902.03/1.013.56/2.7970>80/<802.49/1.8210.52/4.3280>80/<802.48/2.016.67/5.69

表2 CCRm測試結(jié)果對比

CCRb前車制動場景的測試結(jié)果見表3，圖5為0.3g的前車減速度場景。在車輛相互進(jìn)入穩(wěn)定的相對距離并保持相同車速時，相當(dāng)于車輛靜止時對前方車輛檢測，此時相對運動狀態(tài)保持穩(wěn)定，測距精度較高。當(dāng)前方車輛突然以固定的減速度進(jìn)行持續(xù)減速時，相對車速逐漸加大，測距精度降低。同時，隨著前方車輛減速度增大而測距精度降低，并且測距的穩(wěn)定性也降低。

圖5 CCRb前車減速度0.3g測試結(jié)果

減速度g測試階段標(biāo)準(zhǔn)差平均值/m0.2相對靜止/減速0.46/0.680.55/2.330.3相對靜止/減速0.48/0.391.02/1.280.4相對靜止/減速0.53/0.864.62/3.34

2.2.2 基于雷達(dá)與視覺融合的FCW系統(tǒng)測試分析

雷達(dá)+攝像頭信息融合系統(tǒng)的測試結(jié)果見表4。在CCRs前車靜止場景下，車速小于60 km/h時，遠(yuǎn)距探測距離精度較車速大于60 km/h工況差；在60～20 m區(qū)間內(nèi)的距離探測精度較其他區(qū)間更高，探測距離數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好。

表4 CCRs測試結(jié)果

雷達(dá)與視覺融合的FCW系統(tǒng)CCRm前車慢行場景的測試結(jié)果見表5。在探測距離大于60 m時，12 km/h與32 km/h的車輛移動相比，12 km/h 的前車移動速度探測距離精度更高。在探測距離小于60 m時，12 km/h與32 km/h的前車移動速度的探測距離精度誤差不大。

表5 CCRm測試結(jié)果

雷達(dá)與視覺融合的FCW系統(tǒng)CCRb前車制動場景的測試結(jié)果見表6。圖6為0.3g的前車減速度場景。在車輛相互進(jìn)入穩(wěn)定的相對距離并保持相同車速時，在減速前的階段探測距離精度水平與攝像頭處于相同水平。當(dāng)前方車輛突然以固定的減速度進(jìn)行持續(xù)減速時，減速度的大小對測距精度影響作用不大。

圖6 CCRb-減速度0.3g測試結(jié)果

減速度g測試階段標(biāo)準(zhǔn)差平均值/m0.2相對靜止/減速0.53/0.141.26/0.220.3相對靜止/減速0.41/0.310.92/0.520.4相對靜止/減速0.33/0.240.43/0.27

2.3 兩種FCW系統(tǒng)對比分析

對比分析上面兩種FCW系統(tǒng)的試驗結(jié)果可知，在90 m 的目標(biāo)測距范圍內(nèi)，雷達(dá)與視覺信息融合FCW系統(tǒng)的目標(biāo)檢測距離精度，在各個工況下的性能都優(yōu)于單目攝像頭的FCW系統(tǒng)，并且融合系統(tǒng)更傾向于采用雷達(dá)的目標(biāo)檢測距離，從而使得測距精度較高，測距精度的波動也更小?；诶走_(dá)與視覺融合的FCW系統(tǒng)，應(yīng)著重優(yōu)化兩種傳感器信息融合的構(gòu)架，取長補短，遠(yuǎn)距目標(biāo)測距的權(quán)重應(yīng)更傾向于雷達(dá)；而小于90 m內(nèi)，應(yīng)合理分配權(quán)重和融合構(gòu)架，減少數(shù)據(jù)延遲造成測距誤差的影響。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段的FCW系統(tǒng)預(yù)警能力都能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但預(yù)警時間重復(fù)性不高?；谝曈X的FCW系統(tǒng)目標(biāo)距離檢測精度對相對車速、前車減速度、相對距離較為敏感，主要受測距算法、數(shù)據(jù)計算延時影響，從而造成測距精度較差。基于視覺與雷達(dá)信息融合的FCW系統(tǒng)目標(biāo)距離檢測精度表現(xiàn)與毫米波雷達(dá)性能相似，但應(yīng)優(yōu)化雷達(dá)于視覺信息融合構(gòu)架，以降低前車減速工況下由于數(shù)據(jù)處理延遲造成的誤差。