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汽車主動安全環(huán)境感知共性技術初探

文檔作者：王濤文檔來源：中國汽車技術研究中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月27日
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4 技術縱橫 輕型汽車技術2010(5／6)總249／250
汽車主動安全環(huán)境感知共性技術初探
王 濤
(中國汽車技術研究中心)
摘要
本文對汽車主動安全環(huán)境感知共性技術進行了研究和探討。首先介紹了國內外環(huán)境
感知技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。隨后提出了以CCD和雷達為感知手段，嵌入式系統(tǒng)為處
理器的汽車主動安全感知平臺，其中包括機器視覺技術，雷達信息處理技術，傳感器融合
技術和嵌入式處理技術四項共性技術，并分別對其進行了論述，為研發(fā)各種主動安全系
統(tǒng)奠定了堅實的基礎。
關鍵詞：主動安全環(huán)境感知共性技術
引 言
隨著汽車保有量的增長，道路交通事故已成為
世界性的社會問題。全世界每年死于道路交通事故
的人數(shù)估計超過5O萬人，傷1000萬人，而我國道路
交通安全問題也非常突出。嚴峻的現(xiàn)實使人們不能
不正視汽車安全性問題。進入9O年代以來，無論是
汽車消費者還是政府管理者都對未來汽車安全性的
期望值愈來愈高。
傳統(tǒng)的針對沖撞后的乘員保護技術和措施已經
遠遠不能滿足現(xiàn)代交通對汽車安全性的要求，把以
沖撞安全為核心的傳統(tǒng)汽車被動安全技術發(fā)展為以
預防為核心的現(xiàn)代汽車主動安全技術已成為現(xiàn)代交
通的迫切要求。先進汽車主動安全涵蓋面廣、技術含
量高，有眾多的衍生產品，例如早期的ABS、EBD和
現(xiàn)在的ESP系統(tǒng)，還有正在研究的車道定位系統(tǒng)、
前車距離控制系統(tǒng)、自動制動系統(tǒng)、障礙警報系統(tǒng)、
駕駛員打盹報警系統(tǒng)和夜間行人報警等。隨著這些
主動安全產品的逐漸成熟和廣泛應用，行車安全性
必定會大幅提高。
道路環(huán)境感知是先進汽車主動安全系統(tǒng)的核心
技術，它們都需要實時的掌握車輛行駛的道路狀況，
各種預警和避撞策略都建立在車輛準確全面的感知
道路環(huán)境的基礎上。道路環(huán)境感知技術是研發(fā)各種
先進汽車主動安全系統(tǒng)的共性技術，實時準確的道
路環(huán)境感知是先進主動安全系統(tǒng)的基礎。因此對于
道路環(huán)境感知共性技術研究的重要性不言而喻。
2 環(huán)境感知技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀
和趨勢
2．1 國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
國外對于汽車主動安全環(huán)境感知技術的研究
起步于20世紀8O年代，最初的研究目的是為了軍
事領域的應用，后來逐步滲透到民用領域，比較知
名的研究機構包括：
(1)美國國防部及下屬研究機構
2O世紀80年代中期，美國國防部及其下屬的
DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency
)啟動并支持了ALV計劃(Autonomous Land Vehi—
cle)。從1991年到1996年，DARPA和JRP(Joint
Robotics Program)聯(lián)合資助了Demo II項目，該項目
主要研究UGV(Unmanned Ground Vehicle)的自動
操作，包括“On—Road”和“Of-Road”的自動導航、
目標物識別等技術。美國國防部后續(xù)又開發(fā)了智
能偵察車三代平臺Demo III，該平臺上裝備了多種
傳感器，包括一對彩色攝像機、一對單色攝像機、一
對紅外攝像機以及雷達、DGPS等。該車的研究目的
主要是為了研發(fā)并演示一個小型的，能夠自動駕駛
輕型汽車技術2010(5／6)總249／250 技術縱橫 5
并參與野外軍事任務的無人戰(zhàn)車?；谶@樣的研究
目的，要求Demo III的環(huán)境感知系統(tǒng)能夠檢測各種
各樣的障礙物與地形，并在非結構化道路環(huán)境中完
成行駛環(huán)境檢測任務。
2004年3月，DARPA為了激發(fā)AGV領域的研
究熱潮，組織了一場全長為142英里的無人車大賽。
整個賽程中絕大部分為非結構化道路，共有19支隊
伍參賽，其中包括企業(yè)、大學研究機構，也包括一些
個人參賽，遺憾的是沒有隊伍順利地完成比賽。
(2)德國的聯(lián)邦國防大學(簡稱UBM)
德國的聯(lián)邦國防大學開發(fā)了VaMP和VaMoRs
兩款智能車平臺以及EMS—Vision視覺導航系統(tǒng)、
MarVEye視覺傳感器系統(tǒng)等Ill。UBM在1 983年開發(fā)
了第一代的VaMoRs智能車，到2001已經發(fā)展到了
第五代。同樣也是在1986年，UBM利用VaMoRs智
能車進行了第一次實車試驗，由機器視覺系統(tǒng)同時
對智能車進行縱向和橫向控制。1995年，UBM研制
的VaMP智能車系統(tǒng)進行了從德國Munich到丹麥
Odense的道路試驗。試驗目的在于測試該系統(tǒng)識別
道路的能力和可靠性以及在高速公路自主駕駛中的
性能表現(xiàn)。自動駕駛的項目有：車道跟蹤、橫向控制、
防撞、換道等駕駛操作。車輛前進速度則由駕駛員根
據(jù)交通信號、環(huán)境條件等進行控制。在試驗中，系統(tǒng)
運行了1600公里，95％的路段是自動駕駛，包括400
多次自動換道駕駛。試驗中遇到的主要問題是當車
輛行駛在車道標志線模糊的地方時，一旦出現(xiàn)誤判
后，RDT(Road Detecting and Tracking)模塊不能自動
糾正。另外，視覺系統(tǒng)在使用中表現(xiàn)出其動態(tài)能力不
足，容易因為陽光反射造成的眩暈而失效。其它方
面，由于ODT(Obstacle Detecting and Tracking)模塊
所依靠的障礙物模型過于簡單，因而在試驗中利用
該模型不僅檢測到車輛，有時也檢測到其它物體甚
至橋的影子，從而造成誤判。
(3)意大利的帕爾馬大學
意大利的帕爾馬大學開發(fā)了ARGO智能車平
臺以及配套的GOLD視覺導航系統(tǒng)。其特點是完全
依靠雙目立體視覺系統(tǒng)實現(xiàn)道路識別、障礙物檢測
等工作。為了驗證系統(tǒng)在不同交通環(huán)境、道路環(huán)境與
氣候條件下的適應能力，1998年6月ARGO試驗車
進行了2000公里的道路試驗。在試驗中，ARGO自
動駕駛里程達94％，經過了平坦區(qū)域、山區(qū)、高架橋
和隧道。試驗中反映出的主要問題包括：車道線殘缺
或模糊不清時，容易引起道路識別困難；陽光反射
使攝像機得到的圖像過度曝光或圖像中形成弦暈
圈，引起識別困難；攝像機動態(tài)能力不足，不能適應
光照劇烈變化情況(如出入隧道時)圓。
(4)Mobileye公司
該公司始終致力于開發(fā)基于機器視覺的主動
安全系統(tǒng)，該公司已經開發(fā)了基于單目視覺的車輛
檢測算法，并在此基礎上實現(xiàn)了前撞報警系統(tǒng)和
ACC系統(tǒng)；在橫向主動安全系統(tǒng)方面，在車道識別的
基礎上實現(xiàn)了車道偏離報警系統(tǒng)；利用后視攝像
機，實現(xiàn)了換道輔助系統(tǒng)；同時開展了行人檢測算
法的研究，并將此研究應用到了行人保護系統(tǒng)當中
嘲
。
除了上述的研究型智能汽車實驗平臺，也有一
些企業(yè)開發(fā)了基于汽車主動安全技術的產品，例如
由德國的DaimlerChrysler公司和美國的Itefis公司
聯(lián)合開發(fā)的AutoVue系統(tǒng)、Mobileye公司開發(fā)的
AWS系統(tǒng)、Nissan公司的北美分公司Infiniti公司研
發(fā)的LDW系統(tǒng)、豐田公司開發(fā)的STAR系統(tǒng)等。這
幾個系統(tǒng)都是利用單一攝像機獲取行駛環(huán)境信息，
在此基礎上實現(xiàn)了車道偏離報警功能。
2．2 國內發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
國內對于環(huán)境感知技術方面的研究比國外起
步要晚，一些科研院所從20世紀90年代開始進行
相關領域的研究工作。
(1)吉林大學
吉林大學智能車輛課題組從2O世紀90年代
開始自動引導車的研究，先后開發(fā)出多個型號的自
動引導車輛。JLUIV一4實驗型智能汽車是以一輛三
菱前置前驅動轎車作為平臺進行改裝而成，采用的
是“有線式”視覺導航。其視覺系統(tǒng)采用單目視覺
系統(tǒng)，CCD攝像機選擇德國Basler公司生產的
A301f攝像機。在這些試驗平臺的基礎上，吉林大學
智能車輛課題組開展了車道識別技術、車輛檢測技
術等應用于物流領域的AGV等方面的研究。從
2006年開始，該課題組也開始了一項軍工項目，
《月球表面環(huán)境感知技術研究》。主要研究利用雙
目視覺來實現(xiàn)石塊和坑的檢測，從而實現(xiàn)對月球車
周邊環(huán)境的正確感知，為月球車的自主路徑規(guī)劃提
供必要的信息。
(2)清華大學
清華大學計算機系和汽車系在道路環(huán)境感知
6 技術縱橫 輕型汽車技術2010(5／6)總249／250
方面均有研究。清華大學汽車系主要針對駕駛安全
輔助技術開展研究工作，在車道識別技術、車輛檢測
技術等關鍵技術方面取得了一系列突破，建立了
THASV—II安全汽車平臺(詳細情況參見研究基礎
一欄內容)。清華大學計算機系主要依托國防項目
以無人作戰(zhàn)平臺為目標開展相關技術的研究工作，
開發(fā)了THMR系列智能汽車實驗平臺。其最新的
THMR—V系統(tǒng)車體采用道奇7座廂式車改裝，裝備
有彩色攝像機、GPS、磁羅盤光碼盤定位系統(tǒng)、激光測
距儀LMS220等。該課題組在車輛遙控技術方面做
出了很多研究成果。其智能車在行駛時通過攝像機
和激光雷達兩只”眼睛”來探路，它們把”看”到的
路況及時傳達給車體模擬駕駛臺。模擬駕駛臺上的
方向盤、油門踏板、剎車踏板都裝有位置傳感器，并
和計算機相連。模擬駕駛臺收到路況信息后，會通過
計算機指揮方向盤、油門等裝置迅速做出相應的動
作，使車體能夠自動躲避障礙、加速或者慢行。
上面只是列舉了一些事例，國內對該領域技術
的研究工作還有其他一些單位，目前，總體情況是，
該技術正在蓬勃發(fā)展。
3 環(huán)境感知共性技術
從道路環(huán)境感知技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢中
可以看出，主流的感知方式是基于紅外和彩色CCD
的機器視覺和雷達等多傳感器感知[415]。利用CCD攝
像機、雷達和紅外攝像機等信息感知手段獲取車輛
道路環(huán)境信息，并與車輛本身信息充分融合可以構
廣一一一、
I 道路環(huán)境I
I l
' _
- _ ．．_，
建一個以道路環(huán)境信息感知增強為目標、以輔助控
制和預警提示為輸出、以提高駕駛安全為宗旨的汽
車主動安全感知技術平臺。在此平臺的基礎上，先
進汽車主動安全的各種產品如：車道偏離預警系
統(tǒng)、前向碰撞預警系統(tǒng)，前車距離控制系統(tǒng)、和夜間
行人報警等都可以隨之衍生出來。構建此平臺主要
的共性技術包括機器視覺技術，雷達信息處理技
術，傳感器信息融合技術和嵌入式處理技術。該平
臺的技術框架如圖1所示。
3．1 機器視覺技術
機器視覺技術是目前汽車主動安全領域發(fā)展
最快的技術之一，機器視覺必須具備實時性、魯棒
性、實用性這三個特點，與其它傳感器相比，機器視
覺具有檢測信息大、能夠遙測等優(yōu)點，但數(shù)據(jù)處理
量大，容易導致系統(tǒng)的實時性問題。
通過對比和研究，利用彩色和紅外CCD采集道
路圖像，使用嵌入式系統(tǒng)進行圖像處理是當前較為
成熟可行的方案。該系統(tǒng)辨識提取道路標識線，車
輛障礙物和行人的特征信息，在圖像上標記位置。
這些特征信息辨識方法有很多，例如邊緣提取，模
式匹配等。在不同的道路環(huán)境、變化的氣候條件下，
對于特征信息提取和識別的算法是本系統(tǒng)的關鍵
所在，從而達到提高路徑和障礙物的識別能力的目
的。在算法測試驗證的同時，算法的實時l生也是一
個關鍵問題。通過特定的優(yōu)化技術對算法進行優(yōu)
化，提高系統(tǒng)的處理效率。
3．2 雷達信息處理技術
線。車輛和行人的特征
圖1 汽車主動安全感知技術框架
輕型汽車技術2010(5／6)總249／250 技術縱橫 7
雷達的測量值可能來源于目標車輛，也可能來
源于其他干擾物。由于雷達自身工作的不穩(wěn)定及目
標回波能量的分布不均，還可能出現(xiàn)虛假目標。同
時，隨著車輛行駛中的隨機顛簸和擺動，雷達測量信
號可能出現(xiàn)短暫丟失，從而導致目標物信息的較大
波動。
雷達對車前目標檢測和識別分為三部分內容：
目標初選，目標信息的預測和目標的一致性檢驗。其
中，目標初選的目的是按照一定準則，從雷達檢測到
的所有目標中選擇一個有效目標。有效目標的定義
與駕駛員輔助系統(tǒng)的類型相關。例如，對于自適應巡
航控制系統(tǒng)(ACC)來說，有效目標是本車道、本車
前方、與本車最近的移動車輛；對于前向報警系統(tǒng)，
有效目標是本車道、本車前方、與本車最近的任何靜
止或者運動的障礙物。目標信息預測用于估計有效
目標未來的運動狀態(tài)，為目標的一致性檢驗做準備。
而目標的一致性檢驗則利用目標的預測值與初選目
標信息的近似程度進行評價和判定，實現(xiàn)有效目標
的跟蹤功能。
目前，國內外在車載雷達有效目標的選取方面
進行了一些研究。其主要原理為：使用一定的范圍限
制準則來進行目標的同車道識別，通過臨界車間距
離來判斷兩車相對運動的危險程度，使用Kalman濾
波方法進行目標信息提取，再利用假設檢驗的方法
進行目標跟蹤。
3．3 傳感器信息融合技術
各傳感器數(shù)據(jù)信息的有效融合可以彌補現(xiàn)有單
一的傳感器普遍存在的有效探測范圍小、數(shù)據(jù)可靠
性低等缺點。依照某一準則采用傳感器融合技術對
檢測數(shù)據(jù)進行分析和綜合，利用數(shù)據(jù)間的冗余和互
補特性進行容錯處理，形成對環(huán)境某一特征的一致
性描述或解釋，使環(huán)境信息具有冗余性、互補性、實
時性和低成本的特點。
不同傳感器有不同的特性和不同的使用范圍，
單個傳感器的信息都有一定的局限性。為了提高對
目標的識別和估計能力，提高測量的可靠性，就要利
用數(shù)據(jù)相關技術，對分布在不同位置的多個同類或
異類傳感器所提供的局部不完整觀察量進行數(shù)據(jù)融
合。從而消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和
矛盾，充分利用各傳感器數(shù)據(jù)的互補性，降低量測值
的不確定性，確定符合實際的測量值，形成對系統(tǒng)環(huán)
境相對一致的感知描述，從而提高系統(tǒng)決策的正確
性。
攝像機和雷達信息的融合技術，發(fā)揮兩者在感
知目標物方面的各自優(yōu)勢，提高對目標的探測和跟
蹤能力以及對目標狀態(tài)的估計精度。CCD圖像處理
得出道路標識線，車輛障礙物和行人的圖像位置信
息，同時參照雷達過濾篩選后的信息進行比對。這
樣可以排除圖像的錯誤識別和雷達的干擾信息。在
比對的同時，將圖像處理得出的特征和雷達的距離
信息一一對應，可以較為準確地反應真實的道路環(huán)
境狀況。
3．4 嵌入式處理技術
傳統(tǒng)的使用PC機進行圖像和信息的處理已經
不能滿足車載主動安全系統(tǒng)的特定的工作環(huán)境、電
壓和數(shù)據(jù)處理的實時性要求。而結構小巧，工作電
壓靈活和實時處理較好的嵌入式處理系統(tǒng)成為主
動安全產品的首選硬件平臺。原來的嵌入式處理器
處理速度較慢，不能滿足大量的圖像和信息的處理
要求，但今年來隨著嵌入式系統(tǒng)技術的突飛猛進，
處理速度已經不是瓶頸。但嵌入式系統(tǒng)構成復雜，
沒有統(tǒng)一的開發(fā)平臺，調試手段也不豐富，對其進
行特定功能的開發(fā)是一個比較大的挑戰(zhàn)。研究嵌入
式系統(tǒng)的開發(fā)技術，建立基于嵌入式系統(tǒng)的圖像和
信息處理平臺，開發(fā)出基于該平臺的處理算法和控
制策略，作為未來研發(fā)先進汽車主動安全產品的硬
件和軟件平臺。
4 結束語
本文通過研究國內外汽車主動安全環(huán)境感知
技術的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，總結歸納出四個環(huán)境感知
共性技術，并提出了基于CCD和雷達為感知手段，
嵌入式系統(tǒng)為處理器的主動安全感知平臺。在此平
臺上可構建多項主動安全系統(tǒng)，為后續(xù)的應用研究
奠定堅實的基礎。
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