智能车辆车道保持系统中避障路径规划

第２期
汪 明 磊 ，等 ：智 能 车 辆 车 道 保 持 系 统 中 避 障 路 径 规 划
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离数据进行中值 滤 波，以 消 除 在 实 际 中 由 于 车 体
震动及环境 影 响 所 产 生 的 噪 声。 然 后，采 用 最 小
距离法进行距离 图 像 分 割，通 过 检 测 距 离 图 像 的
智能车辆是 智 能 交 通 系 统 的 重 要 组 成 部 分， 之一，吸引了广大研究人员的视线。 文献［２－３］通
它利用车载传感 器 实 时 获 取 车 辆 及 其 环 境 信 息， 过视觉传感系统获取道路信息，实时提取车道线，
通过一定的控制算法辅助驾驶员控制或者完全自 进而得出车辆与道路之间的偏差，为汽车实现车
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌａｎｅ ｋｅｅｐｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒｙ ｆｕｓｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｌｏｃａｌ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ－ｆｒｅｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｔｒａｖｅｒｓａｂｌｅ ｒｏａｄ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｏｎｏｃｕ－ ｌａｒ ｖｉｓｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ａ ｔａｒｇｅｔ ｐａｔｈ ａｎｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ａｒｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｒｅａｌ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｒｏａｄ ａｒｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｓｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｉｎｇ ｒａｄａｒ ａｎｄ ｖｉｓｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｆｉ－ ｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｒｅａｌ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｖｉｒｔｕａｌ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ，ａｎｄ ａ ｌｏｃａｌ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ－ ｆｒｅｅ ｐａｔｈ ｉｓ ｐｌａｎｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｈｉｓｔｏｇｒａｍ（ＶＦＨ）ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａ－ ｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ－ｆｒｅｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｄｒｉｖｅｒ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ；ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｕｓｉｏｎ
（２）道 路 边 界 提 取。 经 过 上 述 处 理，得 到 较 为理 想 的 含 有 道 路 边 界 的 二 值 图 像，可 使 用 Ｈｏｕｇｈ变换 对 图 像 中 直 线 边 界 进 行 检 测。 考 虑 到 Ｈｏｕｇｈ变换的复杂性，本文采用目标搜索区域 法，以提高 Ｈｏｕｇｈ 变 换 速 度。 使 用 Ｈｏｕｇｈ 变 换 寻找参数空间曲 线 累 加 的 最 大 点，可 以 对 应 图 像 空间中的一条边 界 直 线，但 这 仅 有 的 一 条 直 线 无
边 缘 拐 点 ，得 到 障 碍 物 左 右 ２ 个 拐 点 的 坐 标 值 ，从
而将障碍物从背 景 中 检 测 出 来，确 定 出 障 碍 物 左
右边界。
２．２ 视 觉 传 感 器 准 确 检 测
当 ＣＣＤ 摄像机与激光测距雷达的俯仰角、中
安装在车辆前 端 的 激 光 测 距 雷 达，其 测 量 范 围包含车辆前方１８０°、半 径 约 ８０ ｍ 的 扇 形 区 域， 能够满足车辆在道路上避障要求。当激光雷达检 测到车辆前方道 路 中 存 在 障 碍 物 时，返 回 车 辆 与 障碍物之间的相 对 距 离 及 角 度 值，并 启 动 视 觉 系 统图像处理中的 障 碍 物 检 测 程 序；若 激 光 雷 达 没 有检测到障碍物 信 息，则 不 启 动 视 觉 系 统 障 碍 物 检 测 程 序 ，从 而 减 少 计 算 量 。
法用来确定道路区域。由于通常左边界位于图像 的左 半 空 间，右 边 界 位 于 图 像 的 右 半 空 间，因 此， 可将 图 像 分 成 左 右 ２ 个 部 分，分 别 对 其 进 行 Ｈｏｕｇｈ变换。 依 据 像 素 在 图 像 空 间 的 位 置 计 算 参数空间累 加 值，２ 个 参 数 空 间 的 最 大 点 分 别 对 应 图 像 中 道 路 左 右 边 界。 根 据 上 述 改 进 的 Ｈｏｕｇｈ 变 换 检 测 出 道 路 边 界 ，结 果 如 图 ２ 所 示 。
主控 制 车 辆，以 减 少 交 通 事 故，提 高 交 通 系 统 效 道保持提供了 必 要 的 前 提 条 件。 文 献 ［４－５］通 过
率 。 ［１］ 近年来，世 界 各 国 都 在 利 用 各 种 先 进 技 术 设计控制器，对 智 能 车 辆 车 道 保 持 系 统 进 行 了 横
对这一问题进行 研 究，但 从 经 济 性 和 可 靠 性 的 角 向控制研究。
图 １ 边 缘 检 测 效 果
１ 道 路 边 界 检 测
利用安装在车辆前部的 ＣＣＤ 摄像机获得当前 道路的信息，经图像处理算法提取道路边界线，进 而获得车辆行驶目标路径。再由车辆坐标系和图 像坐标系间坐标变换计算出车辆相对目标路径的 位置及方位角偏差。道路边界的检测算法包括道 路图像预处理和 Ｈｏｕｇｈ变换检测直线２部分。
（１）道路图像预处理。对实时 采 集 的 车 辆 前 方道路场景，采用水平灰度均值投影法确定路面与 背景的水平分界线，并把分界线以下的图像部分作 为道路边界检测的感兴趣区域。此区域中图像的 主要特征是两侧边界，为显著区分道路边界和道路 内部区域，采 用 直 方 图 均 衡 化 方 法 提 高 图 像 对 比 度 ，使 图 像 中 边 界 区 域 特 征 得 到 增 强 。 对 边 界 特 征 增强后的图像，采用阈值分割保留图像中的道路边 界，得到二值化图像。考虑到一般在光线较为均匀 或在光线不发生强烈变化的条件下进行试验，故采 用最大熵法求得图像分割阈值。要获取图像中的 道路边界形状，使用 Ｓｏｂｅｌ算子对经阈值分割后的 图像进行边缘检测，结果如图１所示。
Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ－ｆｒｅｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ｌａｎｅ ｋｅｅｐｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｖｅｈｉｃｌｅ
ＷＡＮＧ Ｍｉｎｇ－ｌｅｉ， ＣＨＥＮ Ｗｕ－ｗｅｉ， ＷＡＮＧ Ｊｉａ－ｅｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
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合 肥 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ３７ 卷
转向盘转角的大 小 和 方 向，控 制 车 辆 跟 随 目 标 道 路 中 心 线 行 驶 ，而 对 车 辆 在 运 行 中 遇 到 障 碍 物 时 ， 即所要跟 随 的 目 标 路 径 发 生 变 化 的 情 况 研 究 较 少。道路环境感知作为智能车辆进行局部避障路 径规划的基础，主 要 是 识 别 检 测 道 路 边 界 及 路 面 中的障碍物。由于双目视觉 环 ［７］ 境感知存在 对 应 点匹配困难和计 算 成 本 较 高 等 缺 点，本 文 采 用 单 目视觉传感器检 测 道 路 边 界，单 目 视 觉 传 感 器 与 激光测距雷达相结合的方式检测障碍物。向量场 直方图（ＶＦＨ）法［８］是常 用 的 局 部 路 径 规 划 方 法， 但它主要是针对 室 内 环 境，对 于 室 外 环 境 并 不 完 全 适 用 。 为 此 ，本 文 针 对 室 外 交 通 环 境 ，将 虚 拟 障 碍物和车载传感器探测到的真实障碍物相结合， 利用自适应阈值的向量场直方图算法对智能车辆 车道保持系统中避障路径进行局部路径规划。最 后，通过仿真实验 对 本 文 方 法 的 有 效 性 和 可 靠 性 进行验证。
图 ２ 道 路 边 界 检 测 结 果
２ 道 路 中 障 碍 物 的 检 测
道 路 中 最 常 见 的 障 碍 物 是 车 辆 、行 人 等 ，其 轮 廓可简化为 矩 形。 因 此，本 文 障 碍 物 检 测 算 法 主 要用于检测形状 规 则 的 矩 形 障 碍 物，包 括 激 光 测 距雷达的初步定位和视觉传感器准确检测。 ２．１ 激 光 测 距 雷 达 初 步 定 位
度来看，实现完全 意 义 上 的 无 人 驾 驶 目 前 还 有 一
综观智能车辆车道保持系统方面现有研究成
定差距。因此，车 辆 辅 助 安 全 技 术 成 为 国 内 外 学 果，可以发现，一般都是研究如何通过传感器检测
者研究的热点，车道保持系统 作 ［２－６］ 为其核 心 技 术
车路相对位置信 息，再 根 据 一 定 的 控 制 算 法 计 算
第３７卷 第２期 ２０１４ 年 ２ 月
合 肥 工 业 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Biblioteka Baidu
Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－５０６０．２０１４．０２．００１
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１４
激光测距 雷 达 采 集 的 一 维 距 离 图 像 的 特 点 如下：
（１）障碍 物 在 距 离 图 像 中 表 现 为 一 线 段，线 段区域连续且均匀。
（２）障 碍 物 区 域 内 像 素 点 的 纵 坐 标 （距 离 ）呈 局部极小。
（３）障 碍 物 与 背 景 的 边 界 非 常 明 显 。 根据以上特点，首 先 对 采 集 到 的 激 光 雷 达 距
智能车辆车道保持系统中避障路径规划
汪明磊， 陈无畏， 王家恩
（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 ２３０００９）
摘 要：文章针对车道保持系统在运行中存在障碍物的情 况，基 于 多 传 感 器 对 智 能 车 辆 的 局 部 避 障 路 径 规 划 问 题 进 行 了 研 究 。 首 先 利 用 单 目 视 觉 传 感 器 检 测 可 通 行 道 路 的 边 界 线 ，根 据 道 路 信 息 得 到 车 辆 行 驶 的 目 标 路 径并生成虚拟障碍物；然后利用激光 测 距 雷 达 与 视 觉 传 感 器 相 结 合 的 信 息 探 测 道 路 中 可 能 存 在 的 障 碍 物 信 息；最后将传感器感知的实际障碍物与虚拟障碍物相结合，采 用 改 进 的 向 量 场 直 方 图 方 法 进 行 局 部 避 障 路 径 规划。仿真实验结果表明该避障路径规划算法是有效的。 关 键 词 ：智 能 车 辆 ；辅 助 驾 驶 ；路 径 规 划 ；信 息 融 合 中 图 分 类 号 ：Ｕ２７０．１１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００３－５０６０（２０１４）０２－０１２９－０５
收 稿 日 期 ：２０１３－０５－２２；修 回 日 期 ：２０１３－０７－２１
基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５１０７５１１２）
作 者 简 介 ：汪 明 磊 （１９８４－ ），男 ，安 徽 利 辛 人 ，合 肥 工 业 大 学 博 士 生 ；
陈 无 畏 （１９５１－ ），男 ，湖 南 攸 县 人 ，博 士 ，合 肥 工 业 大 学 教 授 ，博 士 生 导 师 ．