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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)場(chǎng)景的可視化,實(shí)現(xiàn)高速公路異常事件的全天候監(jiān)測(cè)。

圖1高速公路智能監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)器人

1基于雷達(dá)的路面異物識(shí)別

相較于毫米波雷達(dá) ,激光雷達(dá)具有精度高、測(cè)量距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì),適合本項(xiàng)目的高速公路監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。針對(duì)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(duì)應(yīng)的工作場(chǎng)景也不同。從技術(shù)成熟度來(lái)說(shuō),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(chē)路協(xié)同無(wú)人駕駛等領(lǐng)域的興起而逐漸發(fā)展起來(lái)的,從系統(tǒng)性能需求與使用場(chǎng)景來(lái)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(cè)量精度,并保證異物的識(shí)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(cè)量方法?；驹韴D如圖2所示,機(jī)器人在行車(chē)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(cè)路面。在測(cè)量過(guò)程中,兩個(gè)單線激光雷達(dá)同時(shí)掃描,并錯(cuò)開(kāi)其頻率,從而變相提高檢測(cè)頻率。

將激光雷達(dá)實(shí)測(cè)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(guò)程中,路面正常無(wú)異物時(shí),在不考慮車(chē)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(lái)看 ,當(dāng)路面無(wú)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(wú)異物時(shí)回波

當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中,路面有異物時(shí),在不考慮車(chē)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?？梢钥闯鲈诶走_(dá)對(duì)路面進(jìn)行掃描的過(guò)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(cè)量的異物高度。通過(guò)兩側(cè)激光雷達(dá)同時(shí)掃描,可以提高異物檢測(cè)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(guò)程中 ,對(duì)于同一異物 ,無(wú)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(cè)出異物在行車(chē)方向上的尺寸。

基于上述雷達(dá)回波圖像特征,可以檢測(cè)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(lái)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(duì)異物信息進(jìn)行充分的描述,還可以通過(guò)雷達(dá)與視頻之間數(shù)據(jù)的互相驗(yàn)證,剔除虛假或無(wú)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(cè)得到的目標(biāo)位置轉(zhuǎn)化為視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),護(hù)欄相對(duì)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(jiǎn)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(duì)的環(huán)境中有車(chē)輛信息干擾,針對(duì)此類(lèi)情況,考慮車(chē)輛與異物尺寸在Z軸高度上差異較大,因此在監(jiān)測(cè)到異常事件后進(jìn)行Z坐標(biāo)尺寸識(shí)別,如果識(shí)別結(jié)果判定為車(chē)輛高度信息并且相對(duì)速度接近于機(jī)器人巡檢速度,則進(jìn)行車(chē)輛違停信息報(bào)警。主控板接收到報(bào)警信號(hào)可通過(guò)音頻與報(bào)警燈等方式通知車(chē)主盡快駛離現(xiàn)場(chǎng),并控制高清球機(jī)針對(duì)檢測(cè)位置進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)焦,通過(guò)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(shí)別算法,對(duì)已采集的圖像素材進(jìn)行圖像分割、圖像特征提取、圖像識(shí)別,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的車(chē)牌識(shí)別:圖片原始文件會(huì)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(cè)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(cè),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(cè)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(cè)、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(huà)面,"上移""下移""左移""右移"按鈕可以控制攝像機(jī)云臺(tái)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(tái)

3.2報(bào)警信息顯示

雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(guò)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(chē)道還是超車(chē)道:縱坐標(biāo)為異物高度信息,路面出現(xiàn)異物時(shí),通過(guò)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(chē)。雷達(dá)檢測(cè)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(guò)"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(yǔ)

本文針對(duì)高速公路巡檢的應(yīng)用場(chǎng)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(cè)系統(tǒng),并開(kāi)發(fā)了配套的識(shí)別軟件,應(yīng)用于高速公路智能監(jiān)測(cè)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(yíng)效率,升級(jí)行業(yè)效能,從而構(gòu)建智慧交通綜合解決方案。