6智能汽車數(shù)據(jù)采集及處理方法分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u15200智能汽車數(shù)據(jù)采集及處理方法分析綜述 138371.1智能汽車環(huán)境感知系統(tǒng) 1158441.1.1環(huán)境感知對(duì)象 185541.1.2環(huán)境感知方法 276401.1.3基于機(jī)器視覺的環(huán)境感知流程 331941.2傳感器 4189471.1.1紅外傳感器 455191.1.2視覺傳感器 613141.1.3超聲波傳感器 7255201.3數(shù)據(jù)采集方法 9智能汽車環(huán)境感知系統(tǒng)就像人類的“眼睛”“耳朵”和“鼻子”等感官系統(tǒng)一樣，是智能汽車后續(xù)決策與控制的信息來源。目前，在智能汽車環(huán)境感知系統(tǒng)中最為常見的仍是機(jī)器視覺與激光雷達(dá)技術(shù)，為了避障技術(shù)的有效實(shí)現(xiàn)，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理。在這一章中，主要介紹了用于數(shù)據(jù)收集和處理的傳感器和數(shù)據(jù)處理方法。1.1智能汽車環(huán)境感知系統(tǒng)1.1.1環(huán)境感知對(duì)象智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知對(duì)象主要包括以下幾個(gè)方面。行駛路徑識(shí)別，結(jié)構(gòu)化道路的行駛路徑識(shí)別包括道路交通標(biāo)線、行車道邊緣線、路口導(dǎo)向線、導(dǎo)向車道線、人行橫道線、道路出入口標(biāo)線、道路隔離物識(shí)別；非結(jié)構(gòu)化道路的行駛路徑識(shí)別主要是可行駛路徑的確認(rèn)。周邊物體感知，周邊物體感知主要包括車輛、行人、地面上可能影響車輛通過和安全行駛的其他各種移動(dòng)或靜止物體的識(shí)別；各種交通標(biāo)志的識(shí)別；交通信號(hào)燈的識(shí)別。駕駛狀態(tài)檢測(cè)，駕駛狀態(tài)檢測(cè)主要包括駕駛員自身狀態(tài)、主車自身行駛狀態(tài)和周邊車輛行駛狀態(tài)的檢測(cè)。駕駛環(huán)境檢測(cè)，駕駛環(huán)境檢測(cè)主要包括路面狀況、道路交通擁堵情況、天氣狀況的檢測(cè)。由此可見，智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知對(duì)象非常多，而且情況復(fù)雜，這里主要介紹對(duì)道路、車輛、行人、交通標(biāo)志和交通信號(hào)燈的檢測(cè)或識(shí)別環(huán)境感知在智能汽車中的典型應(yīng)用如圖1.1所示。圖1.1環(huán)境感知在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的典型應(yīng)用1.1.2環(huán)境感知方法環(huán)境感知方法主要有慣性元件、超聲波傳感器、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、視覺傳感器、自組織網(wǎng)絡(luò)、融合傳感等。慣性元件慣性元件主要是指汽車上的車輪轉(zhuǎn)速傳感器、加速度傳感器、微機(jī)械陀螺儀、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等，通過它們感知汽車自身的行駛狀態(tài)。超聲波傳感器超聲波傳感器主要用于短距離探測(cè)物體，不受光照影響，但測(cè)量精度受測(cè)量物體表面形狀、材質(zhì)影響大。激光雷達(dá)激光雷達(dá)可以獲取車輛周邊環(huán)境二維或三維距離信息，通過距離分析識(shí)別技術(shù)對(duì)行駛環(huán)境進(jìn)行感知。激光雷達(dá)能夠直接獲取物體三維距離信息，測(cè)量精度高，對(duì)光照環(huán)境變化不敏感；但它無法感知無距離差異的平面內(nèi)目標(biāo)信息，體積較大，價(jià)格較高，不便于車載集成。毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)與激光雷達(dá)一樣，也可以獲取車輛周邊環(huán)境二維或三維距離信息，通過距離分析識(shí)別技術(shù)對(duì)行駛環(huán)境進(jìn)行感知。毫米波雷達(dá)抗干擾能力強(qiáng)，受天氣情況和夜間的影響小，體積??；傳播損失比激光雷達(dá)少，行人的反射波較弱，難以探測(cè)。視覺傳感器視覺傳感器能夠獲取車輛周邊環(huán)境二維或三維圖像信息，通過圖像分析識(shí)別技術(shù)對(duì)行駛環(huán)境進(jìn)行感知。視覺傳感器獲取的圖像信息量大，實(shí)時(shí)性好，體積小，能耗低，價(jià)格低；但易受光照環(huán)境影響，三維信息測(cè)量精度較低。自組織網(wǎng)絡(luò)通過車載自組織網(wǎng)絡(luò)可以獲取車輛行駛周邊環(huán)境信息和周邊其他車輛行駛信息，也可以把車輛本身的信息傳遞給周邊其他車輛。通過車載自組織網(wǎng)絡(luò)能夠獲取其他傳感手段難以實(shí)現(xiàn)的宏觀行駛環(huán)境信息，可實(shí)現(xiàn)車輛之間信息共享，對(duì)環(huán)境干擾不敏感。融合傳感融合傳感是指運(yùn)用多種不同傳感手段獲取車輛周邊環(huán)境多種不同形式信息，通過多信息融合技術(shù)對(duì)行駛環(huán)境進(jìn)行感知，如視覺與毫米波雷達(dá)、視覺與激光雷達(dá)、視覺與超聲波傳感器的融合等。其優(yōu)點(diǎn)是能夠獲取豐富的車輛周邊環(huán)境信息，具有優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)能力，為安全快速輔助駕駛提供可靠保障；缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。圖1.2所示為智能網(wǎng)聯(lián)汽車周邊環(huán)境感知示意圖圖1.2智能汽車周邊環(huán)境感知示意圖1—長(zhǎng)距離雷達(dá)；2—短距離雷達(dá)；3—視覺傳感器；4—超聲波傳感；5—視覺傳感器；6—自組織網(wǎng)絡(luò)1.1.3基于機(jī)器視覺的環(huán)境感知流程機(jī)器視覺是環(huán)境感知最常用的方法之一，它具有以下特點(diǎn)。視覺圖像的信息量極為豐富，尤其是彩色圖像，不僅包含有視野內(nèi)物體的距離信息，而且還有物體的顏色、紋理、深度和形狀等信息。在視野范圍內(nèi)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)道路檢測(cè)、車輛檢測(cè)、行人檢測(cè)、交通標(biāo)志檢測(cè)、交通信號(hào)燈檢測(cè)等，信息獲取面積大。當(dāng)多輛智能網(wǎng)聯(lián)汽車同時(shí)工作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象。視覺信息獲取的是實(shí)時(shí)的場(chǎng)景圖像，提供的信息不依賴于先驗(yàn)知識(shí)，比如GPS導(dǎo)航依賴地圖信息，有較強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境的能力。駕駛過程中，絕大多數(shù)信息都是人們從眼睛獲取的。因此，基于視覺的高效、低成本的環(huán)境感知將成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車未來產(chǎn)業(yè)化的主要發(fā)展方向?；谝曈X的環(huán)境感知流程如圖1.3所示，一般包括圖像采集、圖像預(yù)處理、圖像特征提取、圖像模式識(shí)別、結(jié)果傳輸?shù)龋鶕?jù)具體識(shí)別對(duì)象和采用的識(shí)別方法不同，感知流程也會(huì)略有差異。圖1.3基于視覺的環(huán)境感知流程1.2傳感器上世紀(jì)七十年代，美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家率先開始對(duì)智能汽車進(jìn)行全面研究，傳感器也被應(yīng)用于智能汽車。此時(shí)，僅視覺傳感器被廣泛使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)了適合各種情況的傳感器，并應(yīng)用于智能汽車的開發(fā)。目前在智能汽車研究中運(yùn)用較為廣泛的傳感器有超聲波傳感器、紅外傳感器、激光雷達(dá)傳感器、視覺傳感器等。由于市面上的傳感器種類繁多，功能不一，所以在智能汽車研究中，如何選擇運(yùn)用合適的傳感器就顯得尤為重要[7-10]。1.1.1紅外傳感器紅外傳感器是一種能夠?qū)⒓t外信號(hào)變成電量信號(hào)的探測(cè)性元件。在自然界中，所有的高于零下273度的物體均能發(fā)出紅外光，但是所有帶有溫度的物體所發(fā)出的紅外光的波長(zhǎng)會(huì)隨著物體溫度的不同而變化，所以，紅外傳感器可根據(jù)物體所發(fā)出紅外光的波長(zhǎng)來進(jìn)行對(duì)物體的測(cè)量[11]。根據(jù)檢測(cè)原理，可以分成熱檢測(cè)器和光子檢測(cè)器。根據(jù)功能的不同可以分為5個(gè)類別：輻射計(jì)、搜索跟蹤系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)、紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)、混合系統(tǒng)，一般來說，在智能車輛躲避障礙物的研究中，紅外傳感器的測(cè)距最常被使用的功能。測(cè)距法根據(jù)是否需要人的控制，分為主動(dòng)測(cè)距和被動(dòng)測(cè)距。由于不需要人為控制紅外線測(cè)距屬于被動(dòng)測(cè)距。從信號(hào)源發(fā)送信號(hào)，接收反射信息以獲得距離信息。圖1.4紅外測(cè)距原理圖紅外線測(cè)距的原理是紅外線發(fā)射器以預(yù)先設(shè)定的角度發(fā)射紅外線，當(dāng)紅外線遭遇障礙物時(shí)發(fā)生反射，經(jīng)障礙物反射的紅外線由CCD檢測(cè)器接收。從而得到紅外線發(fā)射器與CCD檢測(cè)器間的偏移值，然后利用三角定理得到關(guān)系式（1.1）：（1.1）式（1.1）中，D代表紅外傳感器與障礙物的距離，f表示濾鏡的焦距，L表示偏移值，X表示紅外線發(fā)射器與CCD檢測(cè)器的中心距，表示發(fā)射角，。由圖1.4和式（1.1）可知，當(dāng)障礙物和紅外傳感器的距離D非常小時(shí)，則偏移值L的值就會(huì)特別大，甚至超出CCD檢測(cè)器的檢測(cè)范圍，反之，則偏移值L的值則會(huì)特別小，因此，焦距是檢測(cè)器是否能夠識(shí)別偏移值L的關(guān)鍵，因此，紅外傳感器測(cè)距時(shí)，會(huì)存在一定的盲區(qū)，這就導(dǎo)致獲得的紅外線傳感器到被測(cè)障礙物的距離不夠精確。因此，選擇多傳感器融合技術(shù)，將不同類型的傳感器收集的信息融合在一起，利用其他傳感器的優(yōu)勢(shì)來彌補(bǔ)紅外線測(cè)距的缺陷，智能車輛接收多傳感器融合處理的信息后，使得智能汽車擁有強(qiáng)實(shí)時(shí)性、高精度的躲避障礙物的功能。1.1.2視覺傳感器從感知周圍環(huán)境的角度來看，視覺傳感器對(duì)于智能車輛來說非常重要，具有測(cè)量信號(hào)范圍大和信息完整度高這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。視覺傳感器在智能車輛上的應(yīng)用是以攝像頭的方式出現(xiàn)，主要用于自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、車道保持輔助系統(tǒng)、汽車并線輔助系統(tǒng)、自動(dòng)剎車輔助系統(tǒng)中的障礙物檢測(cè)和道路檢測(cè)等。它一直是智能車輛研究不可或缺的重要傳感器之一。視覺技術(shù)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，包括視覺傳感技術(shù)、光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字與模擬視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)[12]。圖1.5視覺傳感器它的作用是將鏡頭所成的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字或模擬信號(hào)輸出，是視覺檢測(cè)的核心部件。圖像的定義和定界符通常以分辨率測(cè)量，并以像素?cái)?shù)量表示。視覺系統(tǒng)工作流程如圖1.6所示。圖1.6視覺系統(tǒng)工作流程圖1.1.3超聲波傳感器頻率高于人類聽覺上限頻率（約20000Hz）的聲波，稱為超聲波。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲波測(cè)距的原理是測(cè)量超聲波從發(fā)出至遇到障礙物后，反射回來的時(shí)間差來計(jì)算障礙物距離[13]。假設(shè)超聲波從發(fā)射出去到到反射回來所用的時(shí)間為，超聲波在當(dāng)前環(huán)境中的傳播速度為，所以可得障礙物距離超聲波發(fā)射器的距離的公式如式（1.2）所示：（1.2）而超聲波的傳播速度會(huì)受到當(dāng)前環(huán)境溫度的影響，所以當(dāng)環(huán)境中的溫度為T時(shí)，超聲波在當(dāng)前環(huán)境中的傳播速度如式（1.3）所示：（1.3）其中。圖1.7超聲波傳感器測(cè)距原理超聲波傳感器經(jīng)常用于智能車輛的障礙物檢測(cè)研究，作為測(cè)量距離的必要工具。與其他測(cè)距傳感器相比，超聲波傳感器具有以下特點(diǎn)：超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，并且指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離，一般測(cè)量距離小于10m。超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體。超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。從性能上來看，在相對(duì)嚴(yán)峻的環(huán)境中，超聲波傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)障礙物與目標(biāo)車輛之間的距離信息，從經(jīng)濟(jì)角度來看，超聲波傳感器的價(jià)格相對(duì)便宜，超聲波傳感器被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的研究中。通過超聲換能結(jié)構(gòu)，配以適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)電路，就可以使超聲能量定向傳輸，并按預(yù)期接收反射波，實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)距、遙控、防盜等檢測(cè)功能，如圖1.8所示.圖1.8超聲波傳感器當(dāng)超聲波傳感器收集距離信息時(shí)，由于有一個(gè)盲區(qū)，當(dāng)無法檢測(cè)到的盲區(qū)存在故障時(shí)，智能汽車會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞，從而造成不必要的損失。因此，對(duì)于該缺點(diǎn)，在超聲波傳感器的設(shè)置角度被正確檢測(cè)到的情況下，能夠減小檢測(cè)盲區(qū)域，并降低碰撞的可能性。1.3數(shù)據(jù)采集方法數(shù)據(jù)收集是智能車輛操作過程的重要部分。在傳感器收集到數(shù)據(jù)信息之后，將其收集到數(shù)據(jù)信息處理、計(jì)算并反饋到智能車輛的相應(yīng)模塊，以使得智能車輛在操作過程中能夠順利到達(dá)目的地[14]。本次研究使用三對(duì)超聲波傳感器，分別安裝在智能汽車前端的左側(cè)、中央、右側(cè)及后端的左側(cè)、中央、右側(cè)；這是用來