道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

王琪

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 揚(yáng)州分院，江蘇 揚(yáng)州 225003)

0 前言

車輛行駛道路模型在自動(dòng)駕駛車輛的行為規(guī)劃和控制中起到重要作用，可以預(yù)測車輛的行駛軌跡，進(jìn)而對(duì)行駛軌跡上的道路特性障礙物信息進(jìn)行獲取和預(yù)測判斷，用于自動(dòng)駕駛車輛轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)控制。為構(gòu)建適用真實(shí)交通復(fù)雜環(huán)境的視頻車輛檢測與追蹤系統(tǒng)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于單目視覺的道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)，測試并驗(yàn)證在多種場景下的目標(biāo)檢測與追蹤效果[1]。

1 車輛行駛道路模型

基于車輛行駛道路模型可以對(duì)主車輛周圍行駛的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理并刪減分割，將關(guān)鍵目標(biāo)和危險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行提取，進(jìn)而作為車輛橫縱向控制輸入。車輛行駛道路模型的預(yù)測計(jì)算是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前，車輛行駛道路模型獲取主要基于單一信息預(yù)測，如基于車身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息(車速、橫擺角速度)或基于感知信息(車道線等)?；谲嚿磉\(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息獲取車輛行駛道路模型是基于當(dāng)前車輛狀態(tài)的一種穩(wěn)態(tài)估計(jì)方法，不能很好地表征未來車輛的運(yùn)動(dòng)趨勢(如直行車輛前方出現(xiàn)彎道信息)；基于感知信息(車道線等)獲取車輛行駛道路模型雖然能表征未來一定時(shí)空下的道路信息，但是受限于障礙物、天氣等，獲取的模型魯棒性受限。而基于多種信息獲取的車輛行駛道路模型受限于不同類型感知系統(tǒng)獲取信息不統(tǒng)一，很難對(duì)多個(gè)輸入信息進(jìn)行融合使用。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，未來高級(jí)別的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中傳感器的數(shù)量會(huì)變得越來越多；得益于圖像處理技術(shù)、目標(biāo)融合技術(shù)、定位技術(shù)的突破發(fā)展，獲取多維度感知信息已經(jīng)成為可能，而利用這些豐富的信息獲取更加準(zhǔn)確穩(wěn)定的車輛行駛道路模型會(huì)對(duì)行駛在公共道路上的自動(dòng)駕駛車輛提供穩(wěn)定可靠的安全保障[2]。

2 道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)

道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)的開發(fā)選用飛思卡爾公司生產(chǎn)的處理器，鑒于對(duì)圖像處理響應(yīng)速度的需要，選擇了MK 60高處理速度的32位進(jìn)階精簡指令集機(jī)器(ARM)微控制器(以下簡稱“MK 60 微控制器”)。考慮到車輛模型的性價(jià)比，選擇了三輪玩具車模進(jìn)行道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)的構(gòu)建。選用omnivision公司生產(chǎn)的OV 7725型攝像頭，攝像頭的安裝支架采用高強(qiáng)度、輕質(zhì)量的碳素桿，重點(diǎn)通過攝像頭采集的圖像來實(shí)現(xiàn)自主行駛。

該道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。硬件平臺(tái)會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的性能，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、有效性、實(shí)用性等有著直接的影響。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電，攝像頭采集到信息后，經(jīng)直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)模塊傳給微控制器，處理芯片根據(jù)燒錄進(jìn)去的代碼對(duì)從DMA模塊傳過來的信息進(jìn)行處理，然后把處理結(jié)果輸出給電機(jī)，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用串口和蜂鳴器來幫助調(diào)試程序，如程序中設(shè)定當(dāng)攝像頭采集到十字路口的交通信號(hào)燈時(shí)，蜂鳴器會(huì)響；若蜂鳴器未響，則說明識(shí)別交通信號(hào)燈部分的算法存在問題。

圖1 硬件整體框圖

穩(wěn)壓電源模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)中不同模塊、不同電源標(biāo)準(zhǔn)的電壓調(diào)節(jié)和再分配，為傳感器、控制器、執(zhí)行器提供可靠工作電壓。系統(tǒng)中需要供電的模塊主要包括：微控制器模塊、串口通信模塊、圖像傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。穩(wěn)壓電源模塊使用體積較小、質(zhì)量較小的可充電式的7.2 V電池組，考慮到各模塊之間供電的相互干擾，將設(shè)計(jì)中的2片直流穩(wěn)壓芯片(LM 2596)的電壓從7.2 V穩(wěn)壓至5.0 V和3.3 V，第1路提供給微控制器、無線模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，第2路提供給數(shù)字?jǐn)z像頭。

微控制器模塊采用飛思卡爾公司32位單片機(jī)，具有豐富的通用輸入/輸出口(GPIO)、模擬量輸入(AD)模塊、串行通信接口(SCI)、脈沖寬度調(diào)變(PWM)等硬件資源，其詳細(xì)配置見表1。

表1 MK 60微控制器硬件資源基本配置

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用飛思卡爾公司L 9110 金屬-氧化層半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)，導(dǎo)通電阻為120 mΩ，最大連續(xù)工作電流為5 A。由于分立N溝道MOSFET導(dǎo)通的電阻極低，極大減小了電樞回路的總電阻。

3 設(shè)計(jì)原理

自動(dòng)駕駛中，軌跡預(yù)測模塊一般位于感知模塊的后端、規(guī)控模塊的前端，起承上啟下的作用。軌跡預(yù)測模塊的輸入為感知模塊提供的目標(biāo)軌道的狀態(tài)信息、道路結(jié)構(gòu)信息，綜合考慮高精地圖信息、目標(biāo)之間的交互信息、環(huán)境的語義信息及目標(biāo)的意圖信息，對(duì)感知到的各類目標(biāo)做出意圖預(yù)測，以及未來一段時(shí)間的軌跡預(yù)測。高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)需要對(duì)周圍環(huán)境信息有一定的認(rèn)知能力，最基本的水平是要識(shí)別環(huán)境，再進(jìn)一層則需要理解環(huán)境，而再進(jìn)一層則需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測。在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測后，便可根據(jù)預(yù)測信息進(jìn)行自車的路徑規(guī)劃，做出下一步動(dòng)作，對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況進(jìn)行自車制動(dòng)或向外界發(fā)出警示。

控制電腦自動(dòng)駕駛技術(shù)包括定位與路徑規(guī)劃、環(huán)境感知、行為決策與控制等，其中，圖像采集模塊是整個(gè)道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，是整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”，圖像的正確采集與分析為系統(tǒng)試驗(yàn)車輛完成高質(zhì)量自主工作提供了保障。在道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)中，假設(shè)車輛行駛道路局限于黑色邊線包圍起的白色區(qū)域，后期對(duì)圖像進(jìn)行二值化預(yù)處理，所以當(dāng)車輛感知器能識(shí)別出黑白兩色時(shí)，黑色路徑就能被正確識(shí)別出來。本文采用了OV 7725型互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)數(shù)字?jǐn)z像頭。

在系統(tǒng)處理圖像過程中，中斷優(yōu)先級(jí)配置是直接影響圖像信息采集完整性的重要因素，這需要準(zhǔn)確掌握攝像頭的采集時(shí)序。OV 7725型攝像頭最大幀率可達(dá)125幀/s，采用灰度成像，具備場中斷和行中斷功能，工作方式為DMA傳輸。

圖2是攝像頭信號(hào)的采集時(shí)序圖。VSYNC是場中斷信號(hào)，用于開始采集每幀數(shù)據(jù)，可選擇下降沿或者上升沿觸發(fā)中斷。HREF和HSYNC是行中斷信號(hào)(時(shí)序上不同)，HREF上升沿觸發(fā)輸出圖像，HSYNC表示間斷性輸出。如果行中斷需要先處理圖像再開始采集，則HREF信號(hào)較為合適。每2個(gè)場中斷信號(hào)之間有1幀圖像的數(shù)據(jù)，每2個(gè)行中斷信號(hào)之間有1行圖像的數(shù)據(jù)。在使用攝像頭時(shí)應(yīng)處理好行中斷與場中斷的關(guān)系，否則處理后的圖像會(huì)出現(xiàn)異常[3]。

圖2 攝像頭信號(hào)采集時(shí)序

攝像頭的安裝也是圖像采集中需要注意的問題，主要涉及攝像頭安裝的位置、高度和俯視角度3個(gè)方面。攝像頭的安裝沒有固定的模式，需要結(jié)合車輛和道路實(shí)際情況進(jìn)行觀察分析，經(jīng)過大量圖像采集試驗(yàn)后才能確定最佳的攝像頭安裝位置。為了防止攝像頭在車輛模型行進(jìn)過程中發(fā)生晃動(dòng)，影響圖像質(zhì)量，該攝像頭的安裝位置較低。

4 軟件開發(fā)

道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)中所能實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能都是由軟件來控制的，軟件所采用的算法優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的有效性與智能性。首先，車輛模型通過數(shù)字圖像傳感器采集道路信息，然后經(jīng)DMA模塊傳輸?shù)組K 60微控制器，在對(duì)圖像進(jìn)行處理后得出圖像的特征，判斷圖像特征并得出控制方法，最終對(duì)車輛模型進(jìn)行相應(yīng)的控制，使車輛模型能夠沿著設(shè)定的路線行駛。該系統(tǒng)選用IAR Systems公司推出的一款基于ARM微控制器的專業(yè)嵌入式集成開發(fā)程序，并采用MATLAB、VS2010、OpenCV軟件作為輔助開發(fā)工具。為提高調(diào)試效率，特別是在圖像處理優(yōu)化方面，使用上位機(jī)可直觀地觀察攝像頭采集的圖像信息，同時(shí)利用IAR Systems公司在線調(diào)試功能來檢測設(shè)計(jì)的圖像處理方案是否合理。

4.1 固件庫與編譯環(huán)境

道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)的核心是微控制器程序。系統(tǒng)中的上電初始化、定時(shí)中斷、DMA傳輸、比例-積分-微分(PID)算法控制和串口通信都是由MK 60微控制器完成的。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，控制程序的編寫是十分重要的環(huán)節(jié)。豐富的函數(shù)集是微控制器的一大優(yōu)勢，用戶在編程時(shí)不必直接面對(duì)寄存器級(jí)的軟硬件設(shè)置，編程工作得以簡化。該系統(tǒng)使用了野火公司提供的MK 60微控制器固件庫，該固件庫包括所有外設(shè)的通用功能，用戶可以直接調(diào)用大多數(shù)應(yīng)用程序，若系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行速度有嚴(yán)格的要求，則可直接操作寄存器。

IAR Systems公司在線調(diào)試程序具備強(qiáng)大的編程調(diào)試功能，使用戶編程簡單便捷，且性能優(yōu)越，可以滿足專業(yè)性的設(shè)計(jì)需要。

4.2 系統(tǒng)軟件流程

程序先對(duì)各個(gè)端口初始化，然后進(jìn)行參數(shù)配置，準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)入while(1)循環(huán)，如圖3所示。當(dāng)需要處理的特征都判斷完畢后進(jìn)行下一幅圖像的分析處理。

5 測試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)的有效性，測試驗(yàn)證在多種場景下的目標(biāo)檢測與追蹤效果，為真實(shí)交通環(huán)境提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測試結(jié)果顯示，提出的道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)能夠適應(yīng)現(xiàn)有道路環(huán)境，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和魯棒性。

車輛行駛到指示路口(如圖4所示)時(shí)，系統(tǒng)在中心線的擬合上稍作調(diào)整，否則易造成箭頭所在行的中心值偏右，這是因?yàn)榧^處有黑白色塊跳變的明顯特征，引起系統(tǒng)在查找道路左邊界時(shí)發(fā)生誤判。由圖4可知，中心線擬合正確，沒有出現(xiàn)各行中心值差別較大的現(xiàn)象。

圖4 有行駛方向指示的路口

圖5和圖6是車輛進(jìn)彎道前和進(jìn)彎道后的情況(以左轉(zhuǎn)為例)。由圖5和圖6可知，擬合得出的中心線正確[4]。

圖5 進(jìn)入彎道前的中心擬合線

車輛進(jìn)彎道前，可以采集到道路兩邊邊界值，通過計(jì)算左右邊界值的平均值得到中心值。車輛進(jìn)入彎道后，左側(cè)邊界值無法找到，此時(shí)設(shè)A為任一行的中心值，B為該行右邊界的邊界值，C為該行上一行的中心值，D為上一行的右邊界值，通過A=C+(D-B)擬合出中心線和右邊界的變化趨勢。

6 結(jié)語

未來的智能化自動(dòng)駕駛車輛可根據(jù)本研究所選車輛模型模擬道路場景，通過攝像頭采集的圖像可以完成車輛自主駕駛。本研究道路車輛軌跡級(jí)聯(lián)預(yù)測系統(tǒng)可以通過模擬場景分析高度、俯視角度、穩(wěn)定性等方面以判斷攝像頭的最佳安裝位置，保證畫面清晰穩(wěn)定；通過對(duì)圖像數(shù)據(jù)的采集、分析處理操作以便于系統(tǒng)判斷路況、預(yù)測行經(jīng)路徑。根據(jù)出現(xiàn)的路況及時(shí)進(jìn)行程序處理，有利于自主駕駛車輛在道路上更好地行駛，有效降低交通事故發(fā)生的概率。