基于多傳感融合的智能交通仿真系統(tǒng)

李然 郭謹(jǐn)瑋 李子焱 董海博 徐發(fā)達(dá)

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(tǒng)。該系統(tǒng)基于攝像頭室內(nèi)定位技術(shù)作為智能小車的定位基礎(chǔ)，以多傳感器融合作為智能小車感知基礎(chǔ)，以智能交通沙盤作為小車運(yùn)行環(huán)境，集成了智能小車路徑規(guī)劃、不停車收費(fèi)、信號燈控制、高速場景運(yùn)行、智能小車停避障等智能交通應(yīng)用成果，形成了一套微型智能交通仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛在真實(shí)模擬場景中的自動駕駛算法驗(yàn)證和車聯(lián)網(wǎng)功能測試，促進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能交通；多傳感器融合；室內(nèi)定位；攝像頭定位；智能小車

中圖分類號：TP391? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）27-0082-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

隨著汽車向電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的“新四化” 推進(jìn)[1]。汽車智能化程度不斷提升，智能網(wǎng)聯(lián)汽車成為行業(yè)變革時代的主流[2]。智能網(wǎng)聯(lián)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(tǒng)智能化的提升[3]。因此，把汽車和道路環(huán)境整合起來，以計(jì)算機(jī)、通信和人工智能等先進(jìn)技術(shù)為手段，旨在系統(tǒng)高效地解決交通擁堵、交通安全、交通環(huán)境污染等問題的智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation Systems，ITS）[4]應(yīng)運(yùn)而生。智能交通仿真系統(tǒng)是基于無線通信、傳感探測等技術(shù)進(jìn)行車路信息獲取，通過V2V、V2R等信息交互與共享，并實(shí)現(xiàn)車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間、車輛與車輛之間的智能協(xié)同與配合，達(dá)到優(yōu)化利用系統(tǒng)資源、提高道路交通安全、緩解交通擁堵的目標(biāo)[5]。它是“智能交通”下的一個重要的子系統(tǒng)。

微型智能交通仿真系統(tǒng)用了多學(xué)科交叉融合的方法，綜合智能交通系統(tǒng)全部參與要素，包含智慧交通沙盤、室內(nèi)高精度定位系統(tǒng)、網(wǎng)聯(lián)通訊系統(tǒng)、智能交通監(jiān)管云平臺、智能小車和智能移動終端?？蛇M(jìn)行智能網(wǎng)聯(lián)汽車運(yùn)行原理展示、算法仿真研究驗(yàn)證以及先進(jìn)道路交通系統(tǒng)綜合效能模擬驗(yàn)證。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

智能交通仿真系統(tǒng)以智能沙盤場景、智能交通設(shè)施、智能小車、智能移動終端為基礎(chǔ)，通過局域網(wǎng)與智慧交通監(jiān)管云平臺、仿真系統(tǒng)互聯(lián)，形成一個閉環(huán)的、邏輯自洽的仿真整體。智能交通仿真系統(tǒng)能夠?qū)⒅悄芙煌ㄔO(shè)施、交通狀況信息、云平臺信息相結(jié)合，從而增強(qiáng)車輛對周圍環(huán)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(wǎng)聯(lián)式等感知設(shè)備，實(shí)時感知周圍環(huán)境信息及車輛自身狀態(tài)數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)決策。并發(fā)送給車輛底層硬件設(shè)備做出響應(yīng)。

2） 智能交通設(shè)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(shè)施通過沙盤來實(shí)現(xiàn)，可以通過沙盤控制終端實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)的讀取和控制指令的實(shí)現(xiàn)。

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

4） 信息發(fā)布模塊：智能車可以當(dāng)前的道路和交通設(shè)施的狀況發(fā)布交信息。

5） 車輛參數(shù)調(diào)試模塊：該模塊和相應(yīng)的調(diào)試軟件主要負(fù)責(zé)車輛控制參數(shù)的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)車輛穩(wěn)定的運(yùn)行。

6） 室內(nèi)定位模塊：室內(nèi)定位系統(tǒng)主要通過攝像頭對小車進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)小車毫米級的定位。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示：

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)將智能交通沙盤、智能小車、智能移動終端、定位系統(tǒng)互聯(lián)互通，通過智能交通控制平臺實(shí)現(xiàn)各個硬件之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)智能沙盤運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)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(xiàn)整個智能交通實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，并從原理層面展現(xiàn)智能交通數(shù)據(jù)流。功能拓?fù)鋱D如圖2所示。

智能交通仿真系統(tǒng)采用實(shí)時性高、延遲低的全新Wi-Fi 6通信網(wǎng)絡(luò)，將各個智能設(shè)備鏈接起來，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)高效穩(wěn)定地運(yùn)行提供基本保障。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

3系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

3.1智能沙盤硬件設(shè)施

智能沙盤硬件設(shè)施根據(jù)特定場景進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括基礎(chǔ)配套設(shè)施和交通設(shè)施，如圖4所示?；A(chǔ)配套設(shè)施主要包括城市道路、城市建筑、城市綠化、建筑燈光、指示標(biāo)志牌等基礎(chǔ)設(shè)施；基礎(chǔ)交通設(shè)施包括交通燈、道閘、停車場、道路標(biāo)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(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)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(zhuǎn)向舵機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、測速編碼器、電子調(diào)速器等；電池包括底盤驅(qū)動電池和主控制板供電電池；傳感器主要包括IMU、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、攝像頭等?？刂浦行陌姍C(jī)控制板和主控制板。各個傳感器的硬件參數(shù)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(jìn)行互動，可實(shí)現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程控制，包括終點(diǎn)的選擇、途經(jīng)點(diǎn)的選擇、沙盤的控制等，如圖7所示。根據(jù)智能移動終端目的地的選擇，智能小車可以依據(jù)高級精度地圖對從當(dāng)前位置到目的地的行駛路線進(jìn)行規(guī)劃選擇，得到最優(yōu)的行駛路線。

3.4攝像頭定位系統(tǒng)

為了模擬車輛在真實(shí)環(huán)境中的定位情況，智能交通仿真系統(tǒng)采用基于室內(nèi)動態(tài)捕捉技術(shù)的多攝像頭定位方法對智能小車進(jìn)行定位。

基于室內(nèi)動態(tài)捕捉技術(shù)，是通過多個位于不同方位的攝像頭，實(shí)現(xiàn)對整個智能交通仿真沙盤區(qū)域的智能小車的定位覆蓋。移動定位誤差低于1mm，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)室內(nèi)定位誤差（移動定位誤差50cm），保證微縮車定位的準(zhǔn)確性，是智能微縮車穩(wěn)定運(yùn)行的保障。

從原理及數(shù)據(jù)層面，該室內(nèi)定位系統(tǒng)與GPS全球定位系統(tǒng)定位機(jī)制類似。智能小車通過車載定位系統(tǒng)（熒光球），接收來自至少3個衛(wèi)星（攝像機(jī)）的距離信息以及攝像頭方位信息，進(jìn)行聯(lián)合定位及航向確定。攝像頭定位系統(tǒng)軟件如圖8所示。

4系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

智能交通仿真系統(tǒng)主要包括高精度地圖繪制軟件和系統(tǒng)控制軟件。高精度地圖軟件結(jié)合仿真沙盤的實(shí)際道路尺寸繪制毫米級道路矢量地圖；系統(tǒng)控制軟件主要用于智能小車的控制與調(diào)試，其中可視化界面和狀態(tài)面板主要用于監(jiān)控智能小車運(yùn)行狀況。

4.1高精度地圖繪制軟件

基于實(shí)體智能交通仿真沙盤的路網(wǎng)情況，同步構(gòu)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(wǎng)絡(luò)、城市基礎(chǔ)設(shè)施（如紅綠燈、ETC等）等地圖內(nèi)容，地圖精度誤差小于1mm，結(jié)合高精度定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能小車按照路徑規(guī)劃及導(dǎo)航行駛；同時，配合地圖編輯器，可非常容易地對地圖進(jìn)行編輯，如圖9所示。

4.2系統(tǒng)控制軟件

系統(tǒng)控制軟件主要包括智能小車狀態(tài)的監(jiān)控、參數(shù)調(diào)試、算法驗(yàn)證、定位系統(tǒng)信息監(jiān)控、地圖繪制等。軟件界面如圖10所示。監(jiān)控軟件主要包括信息顯示模塊、信息發(fā)布模塊。其中信息顯示模塊主要用于顯示道路實(shí)時信息，如車流信息、視頻數(shù)據(jù)等，信息發(fā)布模塊用于監(jiān)控中心將實(shí)時信息發(fā)布至沙盤路側(cè)LED信息板上。

監(jiān)控平臺主要由PC機(jī)與無線網(wǎng)卡組成，后臺監(jiān)控平臺通過與車載終端組建的無線局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。后臺監(jiān)控平臺通過無線網(wǎng)絡(luò)接收車載終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，并把處理結(jié)果返回給車載終端，做相應(yīng)的控制。

5功能實(shí)現(xiàn)

智能小車通過攝像頭、測距激光雷達(dá)等傳感器感知周圍環(huán)境信息（如圖像數(shù)據(jù)、前方障礙物距離數(shù)據(jù)），通過毫米級定位系統(tǒng)、室內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，聯(lián)網(wǎng)式獲得周圍世界數(shù)據(jù)（如地圖、紅綠燈、閘機(jī)、其他車輛位置數(shù)據(jù)等），并通過編碼器、慣性導(dǎo)航等傳感設(shè)備了解自身狀態(tài)（如車速、車姿），經(jīng)數(shù)據(jù)感知及融合決策，規(guī)劃全局最優(yōu)行駛路徑，控制車輛啟動并準(zhǔn)備循徑行駛。

在智能小車行進(jìn)的過程中，通過自主式、網(wǎng)聯(lián)式等感知設(shè)備，實(shí)時了解周圍環(huán)境信息及車輛自身狀態(tài)數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)決策（局部行為規(guī)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(jīng)由車輛控制執(zhí)行算法，通過電驅(qū)轉(zhuǎn)向、電驅(qū)加速/減速裝置，控制車輛平穩(wěn)、安全行駛，最終安全到達(dá)目的地。

智能小車具備路徑規(guī)劃、車道線識別、尋路行駛、自動停障、紅綠燈識別、交通標(biāo)志識別、自動泊車、緊急制動、通行閘機(jī)、編隊(duì)行駛、PID控制、自動定位補(bǔ)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(xiàn)有車輛軟硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可對車輛算法進(jìn)行二次開發(fā)、拓展和更新，進(jìn)行算法仿真研究驗(yàn)證。

6總結(jié)

通過對基于攝像頭室內(nèi)定位的多傳感器融合智能交通仿真系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能小車路徑規(guī)劃、不停車收費(fèi)、信號燈控制等智能交通應(yīng)用，能夠滿足智能交通相關(guān)算法的驗(yàn)證與車聯(lián)網(wǎng)功能測試。但隨著5G、雙載波聚合5G+技術(shù)的發(fā)展，下一步可通過5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行算法驗(yàn)證和車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)測試，使得其進(jìn)一步貼近真實(shí)交通場景。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃衛(wèi)，路小波.智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）概論[M].2版.北京：人民交通出版社，2008.

[2] 儲浩，楊曉光，朱彤，等.基于智能車路系統(tǒng)的交叉口主動交通安全技術(shù)研究[J].交通與計(jì)算機(jī)，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(xué)技術(shù)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(xié)同仿真系統(tǒng)[J].公路，2014，59（10）：189-193.

[5] 王語琪，鞏應(yīng)奎.一種基于視覺信息的可見光通信室內(nèi)定位方法[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2016，26（1）：200-204.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】