視覺(jué)輔助駕駛系統(tǒng)多維度道路建模及車輛定位優(yōu)化.pdf

1、基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的駕駛員輔助系統(tǒng)(Vision-Based Driver Assistance System, VB-DAS)采用相機(jī)作為主要的傳感手段，以實(shí)現(xiàn)車輛的安全行駛為最終目標(biāo)。根據(jù)研究對(duì)象的不同，DAS主要分為兩個(gè)方向：車內(nèi)駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)和車外環(huán)境感知。車內(nèi)駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)通過(guò)采集駕駛員的臉部圖像，分析駕駛員在車輛駕駛過(guò)程中的狀態(tài)，包括疲勞狀況、注視方向等，以確保駕駛員對(duì)于車輛的有效控制；車外環(huán)境感知?jiǎng)t對(duì)車輛行駛過(guò)程中包括道路、行

2、人、其它車輛等交通環(huán)境下的各種主體進(jìn)行檢測(cè)和分析，克服駕駛員的觀測(cè)盲點(diǎn)，消除行駛中的安全隱患。道路是車輛行駛中最重要的環(huán)境對(duì)象，對(duì)道路的準(zhǔn)確感知有助于理解道路本身以及路面上的其它車輛、行人等目標(biāo)。因此道路建模和檢測(cè)是DAS的研究熱點(diǎn)；DAS中常用的功能，如車道偏離報(bào)警、道路避障、自適應(yīng)巡航等均離不開(kāi)道路的準(zhǔn)確建模。而車輛自身運(yùn)動(dòng)和位置信息對(duì)于從運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)車外環(huán)境目標(biāo)的準(zhǔn)確感知具有重要的意義。以相機(jī)作為運(yùn)動(dòng)傳感器件，視覺(jué)里程計(jì)可以在D

3、AS系統(tǒng)缺乏GPS信號(hào)或其它運(yùn)動(dòng)傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)車輛的自運(yùn)動(dòng)測(cè)量和定位。本文研究了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的DAS系統(tǒng)中，針對(duì)道路的多維度建模和檢測(cè)，以及評(píng)價(jià)建模結(jié)果準(zhǔn)確性的定量判據(jù)；研究了車輛的自身運(yùn)動(dòng)信息在新的道路模型中的融合，以及對(duì)于提高道路模型通用性的作用；提出了基于路面垂直輪廓?jiǎng)討B(tài)跟蹤的車輛定位優(yōu)化模型，研究了道路建模結(jié)果對(duì)于采用視覺(jué)里程計(jì)的車輛定位的偏移抑制作用。
　　本文首先針對(duì)現(xiàn)有基于全局幾何形狀假設(shè)的車道模型無(wú)法適應(yīng)實(shí)際

4、道路中形狀各異車道線的缺點(diǎn)，提出了一種新的任意形狀車道三維參數(shù)化模型，用于描述雙邊界車道中車道線點(diǎn)的三維幾何限制和約束條件。利用該模型對(duì)車道線進(jìn)行逐點(diǎn)搜索，可以實(shí)現(xiàn)任意形狀車道的實(shí)時(shí)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明新的車道模型適用于實(shí)際道路中具有任意形狀的雙邊界車道，并且本文提出的檢測(cè)算法能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境下車道的準(zhǔn)確和魯棒檢測(cè)。
　　針對(duì)道路車道模型無(wú)法有效處理路面無(wú)車道線、復(fù)雜多條車道線(如車輛進(jìn)行跨道行駛)等道路情況，本文提出了車?yán)饶Ｐ妥鳛橐?/p>

5、種新的道路建模方法，用于描述具有任意車道線情況的路面。通過(guò)把車輛自身的運(yùn)動(dòng)信息和車道線標(biāo)識(shí)進(jìn)行信息融合，車?yán)榷x了車輛前視距離內(nèi)具有相同寬度的一片路面區(qū)域。該區(qū)域符合車輛在車道內(nèi)行駛的假設(shè)，同時(shí)確保車輛能安全行駛通過(guò)。本文提出了車?yán)鹊臋z測(cè)算法，并通過(guò)各種道路實(shí)驗(yàn)證實(shí)了算法的有效性。車?yán)群蛙嚨赖膶?duì)比實(shí)驗(yàn)證明，融合了車輛運(yùn)動(dòng)信息的車?yán)饶Ｐ捅溶嚨滥Ｐ蛯?duì)于實(shí)際道路有更好的適應(yīng)性。
　　車輛在戶外道路上行駛過(guò)程中，當(dāng)路面出現(xiàn)上下坡或起伏不平

6、時(shí)，DAS中常用的路面平面假設(shè)就會(huì)失效，此時(shí)需要對(duì)于路面的垂直輪廓進(jìn)行建模。與直線或二次曲線相比，B樣條曲線具有更強(qiáng)的建模能力，可適應(yīng)更復(fù)雜的路面高度變化。本文通過(guò)尺度不變特征流計(jì)算路面區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后對(duì)路面點(diǎn)的高度進(jìn)行B樣條曲線擬合。實(shí)驗(yàn)表明B樣條曲線能有效地描述包括道路上下坡等復(fù)雜地形下的路面垂直輪廓。針對(duì)路面垂直輪廓建模結(jié)果準(zhǔn)確性的定量評(píng)價(jià)，本文首先利用路面垂直輪廓建模結(jié)果建立了針對(duì)一般路面圖像的逆透視變換公式；然后利用該

7、逆透視變換把平行車道線圖像變換到俯視圖，以俯視圖中車道線的平行度作為定量判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于路面垂直輪廓建模結(jié)果準(zhǔn)確性的定量評(píng)價(jià)。相對(duì)誤差累積導(dǎo)致的偏移是視覺(jué)里程計(jì)用于車輛自運(yùn)動(dòng)估計(jì)和定位中普遍存在的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了一種新的視覺(jué)里程計(jì)偏移分布模型。該模型建立了由視覺(jué)里程計(jì)估計(jì)車輛自運(yùn)動(dòng)得到的定位偏移量與行駛路徑的關(guān)系，給出了路徑任意位置處的偏移分布。該偏移分布模型提供了針對(duì)一般視覺(jué)里程計(jì)的誤差分析方法，可以用于比較不同視覺(jué)里程計(jì)算

8、法的定位偏移性能。針對(duì)三種不同視覺(jué)里程計(jì)的蒙特卡羅仿真實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的理論偏移分布和蒙特卡羅仿真得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。
　　基于以上提出的路面垂直輪廓模型和視覺(jué)里程計(jì)的偏移特性，本文最后提出了基于路面垂直輪廓?jiǎng)討B(tài)跟蹤的車輛定位優(yōu)化模型。由于道路建模和視覺(jué)里程計(jì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)之間存在時(shí)間上的不同步，本文采用了帶固定滯后的卡爾曼濾波器。通過(guò)向量擴(kuò)展法，本文得出了時(shí)間序列下固定滯后卡爾曼濾波器的狀態(tài)向量；然后基于車輛緊貼路面行駛假設(shè)，建立