基于多源信息融合的車輛避障系統(tǒng)

鄭曰文，王 玨，嚴(yán) 程，王 翔

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013）

1 背景與意義

汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)（ACAS）是一種輔助駕駛系統(tǒng)，它可以利用汽車上安裝的傳感器來獲取車輛自身以及周圍環(huán)境的信息，實(shí)時(shí)地對車輛的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控[1]。經(jīng)過研究我們發(fā)現(xiàn)，ACAS 可以使得車輛駕駛員在正常的行駛過程中的疲勞感有效降低，并且在車輛的前方有危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)會發(fā)出預(yù)警[2]。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)避障系統(tǒng)會直接對車輛進(jìn)行管理，控制車輛使其減速并且制動(dòng)，使得駕駛員的生命安全能夠得到最大程度的保障，從而降低交通事故造成的傷害程度。通過對中國的各類交通事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，有1/3 的交通事故是由于汽車追尾引起的，而引起追尾的原因則有非常多[3]。外界的原因主要是陰雨天氣使得能見度偏低，雨雪天氣使得路面變得濕滑，車輛控制系統(tǒng)失靈。內(nèi)部的主要原因是駕駛員疲勞駕駛、酒后駕駛等眾多原因。上述的原因都會造成車輛在高速行駛的情況下發(fā)生追尾現(xiàn)象，而僅僅依靠駕駛員的感知能力來保障行車過程的安全還有一些問題。

2 基于多源信息融合的車輛避障系統(tǒng)

2.1 特征提取

HOG 特征提取。HOG 特征是一種圖像局部區(qū)域的特征描述子，因其對光照和幾何形變都能保持良好的不變性，常被用于目標(biāo)檢測與識別。以（u，v）表示輸入圖像的像素點(diǎn)，則圖像中像素點(diǎn)的梯度計(jì)算公式為：

其中Gu（u，v），Gv（u，v），H（u，v）分別表示圖像中像素點(diǎn)（u，v）處的水平方向梯度、垂直方向梯度和像素值。

2.2 特征融合

設(shè)提取的一幅圖像的HOG 特征、不變矩特征和灰度共生矩陣特征的特征向量分別為[a1，a2，a3，…，an]、[b1，b2，b3，…，bk]、[c1，c2，c3，…，cm]，將其融合，得到融合的特征向量V：

本文圖像經(jīng)前文算法運(yùn)算之后，所提HOG 特征經(jīng)降維操作得到的特征向量的維數(shù)為376 維，不變矩特征的特征向量的維數(shù)為7 維，灰度共生矩陣特征的特征向量的維數(shù)為5維，以上三類特征經(jīng)歸一化處理，根據(jù)相關(guān)特征向量間線性組合不影響其不變性的特點(diǎn)，采用線性融合方法將3 種特征向量直接串聯(lián)得到新的388 維的融合特征向量。

3 車輛避障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

車輛換道避障分析如圖1 所示。將智能車輛感應(yīng)并獲取到的路況圖像進(jìn)行多源信息融合，并按照避障規(guī)則進(jìn)行避障，最終實(shí)現(xiàn)。

圖1 車輛換道避障分析

當(dāng)行駛中的自身車輛發(fā)現(xiàn)其前方有障礙物或者是沒有行駛的車輛時(shí)，第一步要做的事情就是做出預(yù)警，然后伴隨著2 輛車的距離越來越近，本身的車輛會減小其節(jié)氣門的開度，當(dāng)距離比安全距離小時(shí)，會對制動(dòng)輪缸的壓力進(jìn)行調(diào)整，從而降低車速，進(jìn)而與前方車輛保持安全的距離。

當(dāng)行駛中的自身車輛發(fā)現(xiàn)前方的車輛處于低速行駛的狀態(tài)，為了保證車輛行駛過程中的安全性，自身車輛會進(jìn)行制動(dòng)減速，直到其速度與前方車輛的速度相同。

對于處于高速行駛狀態(tài)的車輛，采取緊急制動(dòng)的方式是非常危險(xiǎn)的，如果前方車輛突然采取緊急制動(dòng)，雷達(dá)可以迅速監(jiān)測出前方車輛的速度降低，兩輛車的車距迅速減小。這時(shí)，自身車輛會馬上進(jìn)行減速，然后輪缸的壓力會不斷的上升，直到最終能夠保持最大的輪缸壓力進(jìn)行減速。

論文中研究的車輛避撞控制策略兼容制動(dòng)與轉(zhuǎn)向的避撞方式，如果車輛已經(jīng)采取了制動(dòng)，但是仍然不可以避免碰撞的發(fā)生，還是會通過轉(zhuǎn)向來避免碰撞，在車輛處于高速行駛的狀態(tài)以及低附著的道路條件時(shí)，轉(zhuǎn)向避障所帶來的安全效益會更高。

碰撞臨界距離對比如圖2 所示。

圖2 碰撞臨界距離對比

由圖2（a）可知，在高附著路面條件下，車速低于70 km/h，制動(dòng)的臨界距離會小于轉(zhuǎn)向的臨界距離，實(shí)施緊急避障應(yīng)當(dāng)首先考慮制動(dòng)。在這個(gè)過程中，制動(dòng)的距離會跟隨車速的提升而增加，在車速大于70 km/h 時(shí)，轉(zhuǎn)向的距離會更短。所以在汽車處于高速狀態(tài)時(shí)要優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)向制動(dòng)。從圖2（b）中的低附著路面條件采用制動(dòng)的極限距離以及采用轉(zhuǎn)向的極限距離的對比曲線可以得出，這二者的臨界車速是39 km/h。路面的附著條件會對兩者的臨界車速產(chǎn)生影響，當(dāng)路面的附著較低時(shí)，行駛的速度較高的車使用轉(zhuǎn)向避障方法會更好，同時(shí)也可以說明這種條件下采用制動(dòng)方式的極限距離也會更大。

4 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)出的汽車避撞系統(tǒng)既有跟著車輛行駛的功能，同時(shí)還具有縱向的避撞功能，當(dāng)前方的車輛正常行駛時(shí)，后方車輛會以前方車輛的速度為依據(jù)對自身的速度作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保持好間距。當(dāng)前方的車輛處于靜止、較低的速度勻速行駛以及緊急制動(dòng)時(shí)，后方車輛會根據(jù)實(shí)際情況來對自身的速度進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)縱向的避撞。