基于雷視融合的高速公路智能巡檢機(jī)器人預(yù)警系統(tǒng)研究

引言

針對高速公路路面可能出現(xiàn)的異物或異常事件,需要一種可靠的監(jiān)測方式。目前 ,基于視頻圖像的監(jiān)控技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高速公路監(jiān)控當(dāng)中。但受限于建設(shè)成本 ,視頻監(jiān)控依然存在相當(dāng)大的盲區(qū)間隔,且易受天氣、光照等外界因素干擾。本文以自主研發(fā)的高速公路智能監(jiān)測預(yù)警機(jī)器人為載體,如圖1所示,搭建了雷達(dá)、視頻融合的高速公路異物與異常事件監(jiān)測系統(tǒng),利用雷達(dá)較強(qiáng)的抗干擾能力,結(jié)合視頻實(shí)現(xiàn)探測場景的可視化,實(shí)現(xiàn)高速公路異常事件的全天候監(jiān)測。

圖1高速公路智能監(jiān)測預(yù)警機(jī)器人

1基于雷達(dá)的路面異物識別

相較于毫米波雷達(dá) ,激光雷達(dá)具有精度高、測量距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢,適合本項(xiàng)目的高速公路監(jiān)測場景。針對激光雷達(dá),根據(jù)其發(fā)射線束的多少,有單線、多線之分,其中多線又可以分為4～128線等多種規(guī)格,不同的線束可以收集的信息不同,對應(yīng)的工作場景也不同。從技術(shù)成熟度來說,單線雷達(dá)相較于多線雷達(dá)在角頻率及靈敏度上反應(yīng)更快速 ,且具有較高的可靠性。多線雷達(dá)是由于車路協(xié)同無人駕駛等領(lǐng)域的興起而逐漸發(fā)展起來的,從系統(tǒng)性能需求與使用場景來看,多線雷達(dá)在壽命與穩(wěn)定性上還有所欠缺,這使得其在復(fù)雜的高速公路環(huán)境中的使用效果大打折扣。

為保證物體距離與尺寸的測量精度,并保證異物的識別效率與準(zhǔn)確性,本項(xiàng)目提出了一種基于雙激光雷達(dá)的測量方法?；驹韴D如圖2所示,機(jī)器人在行車方向兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)激光雷達(dá),并調(diào)節(jié)安裝角度,使兩個(gè)激光雷達(dá)聚焦于遠(yuǎn)端路側(cè) ,激光掃描范圍覆蓋整個(gè)檢測路面。在測量過程中,兩個(gè)單線激光雷達(dá)同時(shí)掃描,并錯(cuò)開其頻率,從而變相提高檢測頻率。

將激光雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并在三維坐標(biāo)系中重構(gòu)。

當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)過程中,路面正常無異物時(shí),在不考慮車輛遮擋的情況下,雷達(dá)的回波在圖像上的反映如圖3所示。從雷達(dá)的回波圖像上來看 ,當(dāng)路面無異物時(shí),基本只呈現(xiàn)出路面水平線與護(hù)欄輪廓線。

圖3無異物時(shí)回波

當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)過程中,路面有異物時(shí),在不考慮車輛遮擋的情況下,雷達(dá)的回波在圖像上的反映如圖4所示。可以看出在雷達(dá)對路面進(jìn)行掃描的過程中,由于異物遮擋,雷達(dá)回波呈現(xiàn)凸起,并且可以根據(jù)凸起的點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算出測量的異物高度。通過兩側(cè)激光雷達(dá)同時(shí)掃描,可以提高異物檢測的成功率。

由于本項(xiàng)目選取30Hz單線激光雷達(dá),在機(jī)器人行進(jìn)過程中 ,對于同一異物 ,無法完全呈現(xiàn)異物輪廓,需要根據(jù)雷達(dá)異物數(shù)據(jù)的回波數(shù)據(jù)大概推測出異物在行車方向上的尺寸。

基于上述雷達(dá)回波圖像特征,可以檢測到異物的速度、距離、角度等方位信息,并以此為主要依據(jù)來判斷當(dāng)前路面是否有異物存在。

2雷達(dá)與視頻融合系統(tǒng)

該系統(tǒng)不僅可以對異物信息進(jìn)行充分的描述,還可以通過雷達(dá)與視頻之間數(shù)據(jù)的互相驗(yàn)證,剔除虛假或無關(guān)信息,提高系統(tǒng)的魯棒性。

雷達(dá)系統(tǒng)已在上一節(jié)詳細(xì)描述。首先將雷達(dá)探測得到的目標(biāo)位置轉(zhuǎn)化為視覺系統(tǒng)坐標(biāo)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),護(hù)欄相對于路面的位置是基本一致的,這就使得在機(jī)器人安裝之后進(jìn)行簡單的傳感器位置標(biāo)定 ,即可確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的公式。

由于本系統(tǒng)面對的環(huán)境中有車輛信息干擾,針對此類情況,考慮車輛與異物尺寸在Z軸高度上差異較大,因此在監(jiān)測到異常事件后進(jìn)行Z坐標(biāo)尺寸識別,如果識別結(jié)果判定為車輛高度信息并且相對速度接近于機(jī)器人巡檢速度,則進(jìn)行車輛違停信息報(bào)警。主控板接收到報(bào)警信號可通過音頻與報(bào)警燈等方式通知車主盡快駛離現(xiàn)場,并控制高清球機(jī)針對檢測位置進(jìn)行準(zhǔn)確對焦,通過多種形式(攝像、照相以及定時(shí)攝像與定時(shí)照相）進(jìn)行圖像采集,并采用圖像識別算法,對已采集的圖像素材進(jìn)行圖像分割、圖像特征提取、圖像識別,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的車牌識別:圖片原始文件會跟隨記錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)保存,以便后期查閱。

3軟件實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)與視頻融合系統(tǒng)中視頻圖像監(jiān)測處理軟件模塊是實(shí)現(xiàn)以上功能的重要組成部分,其軟件功能主要擬實(shí)現(xiàn)視野范圍內(nèi)道路安全威脅目標(biāo)的探測,內(nèi)容包括:(1）圖像預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):(2）道路前景/背景分離算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):(3）算法軟件移植、集成及測試。

軟件整體界面如圖5所示,具有視頻查看、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、機(jī)器人運(yùn)行控制、報(bào)警信息顯示等功能。

3.1視頻查看

視頻查看區(qū)域可以顯示攝像機(jī)實(shí)時(shí)視頻畫面,"上移""下移""左移""右移"按鈕可以控制攝像機(jī)云臺做相應(yīng)動(dòng)作,"復(fù)位"按鈕可控制攝像機(jī)處于初始位置,"＋"和"- "按鈕可以調(diào)整攝像機(jī)焦距,"回放"按鈕可以查看歷史視頻。

圖5軟件平臺

3.2報(bào)警信息顯示

雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測區(qū)域顯示雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),橫坐標(biāo)為距離信息 ,縱坐標(biāo)為高度信息。橫坐標(biāo)為路面至護(hù)欄的水平距離,當(dāng)路面出現(xiàn)異物時(shí),通過橫坐標(biāo)可以判斷異物所處位置與護(hù)欄的水平距離,進(jìn)一步確定異物處于行車道還是超車道:縱坐標(biāo)為異物高度信息,路面出現(xiàn)異物時(shí),通過縱坐標(biāo)可以判斷異物的高度,進(jìn)一步判斷異物是否影響正常行車。雷達(dá)檢測到路面異物時(shí),觸發(fā)攝像機(jī)進(jìn)行抓拍,抓拍圖像信息在異物報(bào)警區(qū)域顯示 ,同時(shí)顯示抓拍的日期和時(shí)間、異物所處的位置,提醒道路管理人員及時(shí)處理。另外,通過"查看更多"按鈕,管理人員可以查看歷史異物報(bào)警信息。

4 結(jié)語

本文針對高速公路巡檢的應(yīng)用場景,設(shè)計(jì)了一種基于雷達(dá)、視頻融合的異物與異常事件監(jiān)測系統(tǒng),并開發(fā)了配套的識別軟件,應(yīng)用于高速公路智能監(jiān)測預(yù)警機(jī)器人中,有助于提高交通行業(yè)的智能化水平,減少人員投入,有效降低成本,提升運(yùn)營效率,升級行業(yè)效能,從而構(gòu)建智慧交通綜合解決方案。