虚拟环境下基于视觉传感的汽车换道辅助系统研究

【摘要】汽车行驶安全一直是驾驶员以及汽车研究者所关注的热门话题之一，传感器技术日趋成熟，这为汽车智能辅助驾驶技术提供良好的发展契机。基于雷达或者视觉的汽车安全预警系统或避撞系统层出不穷，然而天气、路况、树木、建筑等都可能影响传感器对于目标的检测和识别，为验证系统的鲁棒性，需要对不同因素进行大量重复性试验，这样就增加了系统的开发成本以及开发周期。本文提出一种在虚拟环境下开发的基于视觉传感的汽车安全换道预警系统。虚拟环境是一种基于计算机图形学创建的数字虚拟的交通环境，其中包括树木、道路、车道线、车辆、建筑物以及各种天气等等，并通过虚拟的相机模型获取图像信息，借助该虚拟环境开发辅助驾驶系统可以重复地对其鲁棒性进行验证，从而降低开发成本，缩短开发周期；而且，该虚拟环境可以通过相对距离、相对速度等准确信息得到碰撞时间，从而更好地验证预警系统的准确率；更重要的是，在该虚拟环境下，可以完全避免在极限工况下容易发生碰撞、受伤的情况。本文的主要研究工作包括：（1）构建虚拟驾驶环境仿真平台。该平台包括离线非实时仿真平台和实时仿真平台。其中，离线非实时仿真平台运行在一台装有MATLAB/Simulink和虚拟驾驶环境仿真软件的PC机上。而实时仿真平台则由若干个运行于不同硬件系统的子系统组成，包括一个3D虚拟驾驶环境用于为驾驶员显示虚拟环境；配有虚拟相机模型的非线性主车车辆动力学模型和若干个简化的交通车辆动力学模型，运行于dSPACE实时仿真模拟器，来实时计算车辆的状态，使之能够在虚拟驾驶环境中行驶；一个六自由度运动平台，以便驾驶员评价整个智能辅助驾驶系统的性能；一个基于视觉传感的智能辅助驾驶系统快速原型系统组成。该虚拟环境还包括各种天气、光照等效果，以及虚拟的树木、道路及建筑物等等实车试验时常见的元素。（2）为了验证该虚拟行驶环境的真实度，本文还针对环境中的虚拟道路和虚拟车辆分别应用不同几种图像处理算法与真实道路和车辆对比。对于道路部分，本文使用了颜色通道直方图和道路区域梯度直方图来对比两个相似的场景。而对于虚拟车辆模型与真实车辆的对比，本文是基于现在常用的几种车辆检测算法来实现的，包括车底阴影检测、车辆水平边缘检测以及基于车辆的Haar特征检测。通过以上对比，当应用同一个图像处理算法能得到同一结果时，则认为该虚拟环境具有一定的真实度，可以用来开发基于视觉的智能辅助驾驶系统。（3）最后，利用以上提出的有效的实时虚拟行驶环境来开发一个基于视觉传感的车辆换道辅助驾驶系统，该系统主要包括三个模块：一个数字信号处理单元，用于运行图像处理算法；一个dSPACE1401快速原型开发系统，用于运行换道辅助算法；一个运行于ARM板的人机交互界面，来交互驾驶员和预警信息。图像处理算法试图准确检测出自车侧后方的障碍物和车道线信息，并降低多变的环境对其的影响。换道辅助算法包括换道意图识别、障碍物跟踪、碰撞点估计以及碰撞可能性分析四个模块。出于换道时转向灯开启率较低的考虑，本文提出采用以本车偏离本车道行驶的时间和转向灯结合的方法来识别换道意图，并根据两个相切圆和侧后方障碍物的位置来估计潜在的碰撞点，最后通过侧后方障碍物的阴影坐标来估计两车的相对运动状态，并利用一个时变观测误差矩阵的Kalman滤波来平滑参数，最终判断此次换道行为是否存在危险。
【作者】韩飞；
【导师】邓伟文；
【作者基本信息】吉林大学，车辆工程，2014，硕士
【关键词】换道安全；车辆检测；车道线检测；机器视觉；虚拟环境；

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