面向智能车定位的道路环境视觉地图构建

为实现智能车视觉定位,提出了一种基于多视角、多维度道路环境表征的高精度视觉地图构建方法,该方法明确了视觉地图的表征模型,包括视觉特征、场景结构信息以及轨迹信息等。在视觉特征中,运用前视场景全局特征描述道路环境,视觉特征不局限于某一种特征描述子;在场景结构信息中,运用俯视路面的2D结构信息进行描述,该特征与前视视觉特征构成多视角;轨迹信息则通过视觉维度以及地理维度的多维度方式完成计算,在视觉维度中,通过平面单应性计算节点间的轨迹;地理维度中,通过高精度经纬度信息消除累积误差问题。试验选取武汉理工大学内长约700 m的半开放式环形路段进行试验。试验结果表明：制图的单节点平均误差为3.1 cm,标准差为2.3 cm,最大节点误差为9.3 cm,累积误差率为0.5%。运用所制地图进行定位检测,平均定位误差约为11.8 cm,因此,研究所提出的方法可应用于半开放式路段或固定场景的视觉地图构建,为实现智能车在上述场景的定位打下基础。同时,研究提出的制图方法不需使用双目摄像机,在降低数据存储量以及制图成本的前提下,实现了对道路环境的充分表征;此外,运用路面2D特征结构信息计算轨迹,解决了视觉3D重建精度不稳定的问题,为视觉地图构建提供了新的构建思路。     

"道路指纹"关键技术及其在智能车路系统中的应用

针对智能网联汽车与车路协同系统中的高精度定位核心技术问题,提出了"道路指纹"的概念与表征模型,并在"道路指纹"的基础上提出了面向智能车路系统的高精度定位方法."道路指纹"是通过车载传感器数据提取的高稳定性与高辨识度的道路场景特征信息.在"道路指纹"表征模型中,分别从表征的唯一性、计算的快速性、特征的稳定性以及表征的精准性等4个方面完成建模工作.其中,针对表征唯一性需求,提出基于多视角(包括俯视、前视、侧视等)与多传感器的表征方法;针对计算快速性要求,提出了全局特征与语义特征的表征方法;还提出基于深度卷积神经网络(D-CNN)的深度学习特征提取方法,大幅度提高特征表征的鲁棒性;最后,通过提取路面的局部特征,实现特征的精准性(亚像素精度)表征.通过对上述特征进行层次化组织,完成"道路指纹"的表征建模.通过对道路上各个节点进行"道路指纹"计算与建模,并同步获取节点的传感器位姿、场景结构信息,完成道路指纹库构建工作.在定位过程中,首先通过车载传感器获取的数据实时完成"道路指纹"计算,然后通过匹配道路指纹库,完成车辆的高精度位置计算.在开发的"道路指纹"技术基础上,分别从视觉道路指纹定位、LiDAR道路指纹定位以及道路资产管理等3个应用案例给出了该技术的应用前景.所提出的"道路指纹"技术,为解决智能车路系统中的高精度定位问题,特别是卫星信号盲区下的高精度定位问题,提供了一种新的解决思路.      

基于激光雷达点云的道路几何信息提取与数字化建模研究

为实现快速、自动化的道路几何信息提取和数字化建模，基于激光雷达点云提出了一套从道路语义分割、几何线形提取到集成化建模的通用框架。首先，基于空间上下文特征基础框架，将局部特征的最大值和邻域均值进行聚合以作为局部特征，使用径向分布参数与三维坐标描述全局上下文特征，构建道路语义分割网络。其次，基于道路场景分割结果，通过体素降采样和半径滤波法减少点云数据量、去除离群点，并利用可变半径Alpha Shapes (VA-Shapes)算法提取道路边线，结合获取的边线横纵坐标，计算路段几何信息(路宽、纵坡、横坡等),使用inshape函数和插值法构建交叉口的数字高程模型。最后，采用Dynamo for Revit将道路几何信息导入并生成道路路线，通过Revit软件设计道路自适应族构件及不同类别基础设施族构件，实现精细化道路数字建模。利用开源数据集Semantic3D进行训练和测试，分析与评价道路几何信息提取效果。研究结果表明：所提出的算法总体准确度为95%,路面的单类交并比为97.9%,能够很好地实现道路点云场景的自动化语义分割；相比于传统的固定半径Alpha Shapes算法，VA-Shapes算...     

基于LiDAR场景建模的智能车路径规划

针对智能车路径规划问题,研究了基于激光雷达(LiDAR)数据的智能车驾驶场景建模方法,采集待建模场景的三维激光雷达点云数据,通过点云分割处理,去除车辆行驶道路上的点云,然后将三维点云进行俯视投影,实现二维栅格地图建模;从搜索邻域和搜索方向2个方面对传统A*算法进行改进:根据当前节点附近障碍物的分布情况,自适应地选择4邻域或8邻域搜索策略,在此基础上研究了一种自适应搜索方向A*算法,所提出的算法将搜索方向缩小至3个,根据路径规划终点相对起点的方向,确定算法的搜索方向.仿真实验表明,相较于传统A*算法(4邻域搜索),所提出的算法在规划的路径长度方面降低了约15.5%,在计算时间上降低约38.2%;对比传统A*算法(8邻域搜索),所提出的算法在计算时间上降低约47.2%,在规划路径长度和计算时间上,所提出的算法明显优于传统算法.      

基于3D视觉的机械臂无规则零件抓取系统

为解决机械臂抓取零件定位不准或抓取精度不高的问题，提出了一种基于3D视觉机械臂无规则零件抓取方法，该方法主要包括系统空间标定、零件点云定位分割、零件位姿估计算法模块，提出了基于2D图像的点云相机外参标定方法及基于图像语义分割的零件点云分割方法。经试验验证，所提出的标定方法达到1 mm的系统精度误差，而且求解效率高、通用性强；与常用的聚类分割相比，零件点云分割方法精度及效率更高。所设计的二阶段零件空间位姿计算方法能准确估计零件在空间中的6自由度位姿，相比单一阶段匹配方法精度提高约1.8倍。所提出的基于3D视觉的机械臂无规则零件抓取系统精度高、可扩展性强、适应情形广。     

基于三维锥形栅格的激光点云语义分割方法EI北大核心CSCD

激光点云语义分割是自动驾驶系统中道路场景感知的重要分支。虽然主流方法将点云转换为规则的二维图像或笛卡尔栅格进行处理,减少因点云非结构化所带来的计算量,但二维图像方法不可避免地改变点云的三维几何拓扑结构,而笛卡尔栅格忽略了室外激光点云的密度不一致性,从而限制了包括行人和自行车等小物体的语义分割能力。因此,本文中提出了一种基于三维锥形栅格和稀疏卷积的激光点云语义分割方法,利用锥形栅格分区解决了点云的稀疏性和密度不一致的问题;为提高模型推理速度,设计了重参数化三维稀疏卷积网络。在SemanticKITTI和nuScenes两个大规模数据集上对所提方法进行评估。结果表明,与目前最新的点云分割方法相比,所提方法的平均交并比分别提升了1.3%和0.8%,尤其对小物体识别有显著的提升。     

基于公交车辆定位数据的公交运送速度计算模型

提出一套基于公交车辆GPS定位数据的公交运送速度计算模型,以公交车辆实时GPS数据和公交线站GIS数据为基础,借助地图匹配修正GPS坐标,确定公交车辆所处弧段和弧段百分比位置.基于公交车辆定位数据点与公交站点位置匹配流程,通过识别公交车辆到站时间,计算车辆在公交站点区间内的行程时间和运送速度,并进一步修正公交车辆到站时间误差和公交线站基础信息来改善模型精度.论文选取北京不同道路等级和时段的21条线路进行调查,验证模型误差和有效性.结果表明,模型的平均精度可达到91. 4%,站点区间所在道路等级越高,计算结果越准确.论文所提出的公交运送速度计算模型,能为加强公共交通运行监测与管理、提升出行服务质量等提供重要支撑.     

基于GPS/GIS的交通数据采集方法

介绍一种基于短周期（1s间隔）的将探测车采集的道路交通数据——GPS数据转换GIS电子数据的方法（简称为采集方法），主要包括坐标转换、地图匹配和道路交通信息统计。通过对GPS点进行跟踪匹配，可以准确地将GPS点匹配到各个路段上，从而获得准确的交通数据。     

基于室内标志的视觉定位方法

为解决室内交通场景中智能汽车和移动机器人进行定位计算的问题, 利用室内场景中已存在的各类标志, 引入BEBLID算法, 提出1种视觉定位方法。对BEBLID算法进行改进, 赋予其对图像整体进行特征表征的能力。将定位过程分解为离线阶段和在线阶段, 离线阶段构建场景标志地图。在线阶段中, 首先通过全局特征匹配, 引入KNN方法确定最近节点和最近图像。通过局部特征匹配获得特征点一一对应关系。利用场景特征地图中存储的标志坐标信息, 进行度量计算, 获取当前位置信息。在教学楼、办公楼和室内停车场场景进行实验, 实验中对场景标志的正确识别率达到90%, 平均定位误差小于1 m, 与传统方法相比, 同一样本下识别精度相对提升约10%, 实验验证了算法的有效性。      

卫星收费系统GPS定位信息和路段匹配方法研究

描述了1种GPS定位信息和电子地图收费路段匹配的方法,分为地图精简和地图匹配2部分。根据GPS定位收费系统对地图及地图匹配的要求,对电子地图进行了精简。路段识别采用了GPS位置点和路段收费位置节点的匹配方法,通过设定收费标示值,配合路段间拓扑关系、路段的收费属性值信息,进行地图匹配计算,判断当前车辆是否行驶在收费路段上,从而对行驶在收费路段的车辆进行通行费用计算、对收费地图信息进行精简处理、探讨分析影响地图匹配精度的因素、描述地图匹配的方法。该方法经过实验检测,并在高速公路卫星收费实验系统中实际运行,效果良好。     

基于激光雷达的纵向坡路动态可行驶性预测（双语出版）

为解决智能汽车在含有纵向坡路的环境中行驶时所涉及的环境感知与路面可行驶性理解问题，提出了一种基于激光雷达的动态、不确定性路面可行驶性预测方法。首先，利用PreScan，CarSim与MATLAB软件搭建虚拟行驶环境，并建立激光雷达物理模型提高虚拟点云的保真度。其次，进行基于激光雷达的动态可行驶性研究，利用路面激光雷达点云数据基于车辆未来行驶方向建立笛卡尔坐标系下的间隔栅格地图；在间隔内进行平面拟合得到路面的法向量，利用平面法向量计算路面纵向坡角并利用车辆姿态补偿得到大地坐标系下的间隔坡角和道路轮廓信息，并探讨天气对道路轮廓估计结果的影响；基于车辆纵向动力学特性和道路参数估计结果，计算可行驶性概率并预测可行驶性。为了快速仿真验证所提出的可行驶性预测方法，搭建相应的自动测试环境并设计测试方法。首先分析并测试车辆行驶过程中容易因失效造成预测失败的临界关键工况，接着在虚拟行驶环境中建立自动化测试流程，加强对关键工况区的采样，总计通过402组测试工况验证可行驶性预测算法，预测准确率达到87.81%。最后，在实车平台和真实测试道路上对算法流程进行验证。研究结果表明：该方法能够很好地对车辆在纵向坡路上的可行驶性进行动态的、基于概率性指标的预测。     

基于M形深度架构的非结构化道路可行驶区域推荐模型

针对边界模糊、路况多变的非结构化道路，为满足智能汽车在正常、应急等复杂行驶工况下对可行驶区域的视觉检测需求，提出一种在M形深度架构下融合多尺度交互策略和双重注意力机制的可行驶区域推荐模型，能够在复杂驾驶场景中精细分割出非结构化道路的强推荐、弱推荐、不推荐行驶区域。首先，在编码器-解码器的骨架基础上，构建倒金字塔式的多尺度分层输入和分层输出结构，以有效融合非结构化道路的浅层形态学特征与深层语义信息，并平衡模型在不同尺度上的预测偏倚，提升复杂驾驶场景下对多尺度与变尺度目标的分割精度；其次，构建集成通道注意力和空间注意力的跳跃连接结构，使模型在实现编码特征与解码特征高效传递的同时，聚焦于学习与道路可行驶性相关的重要特征，进一步强化模型对非结构化道路的检测性能。通过多种途径构建包含城郊、乡村、园区等真实场景的非结构化道路驾驶数据集。试验结果表明：得益于M形深度架构对多尺度交互策略和双注意力机制的融合，提出的模型在多种真实驾驶场景下均能较好地实现强推荐行驶区域、弱推荐行驶区域、不推荐行驶区域和背景区域的精细分割，平均交并比达到92.46%，平均检测速度达到22.7帧·s^-1；与现有其他主流模型相比，提出的模型兼顾了分割精度和时间效率，在非结构化道路可行驶区域检测任务上有明显优势。     

基于地图匹配的城市道路实时交通状态模糊综合判别方法

依托于浮动车数据,基于地图匹配对城市道路交通状态模糊综合判别方法进行深入研究.首先根据浮动车数据特点和道路交通信息,基于Mapbasic编程对数据进行地图匹配,并进行MapInfo二次开发,通过相关模型计算指定时段内的道路交通参数.建立模糊综合评价判别模型,对判别结果量化处理,以最大隶属度原则确定道路交通状态.最后,选...     

A weight-based map-matching algorithm for vehicle navigation in complex urban networks

A map-matching algorithm is an integral part of every navigation system and reconciles raw and inaccurate positional data (usually from a global positioning system [GPS]) with digital road network data. Since both performance (speed) and accuracy are equally important in real-time map-matching, an accurate and efficient map-matching algorithm is presented in this article. The proposed algorithm has three steps: initialization, same-segment, and next-segment. Distance between the GPS point and road segments, difference between the heading of the GPS point and direction of road segments, and difference between the direction of consecutive GPS points and direction of road segments are used to identify the best segment among candidates near intersections. In contrast to constant weights applied in existing algorithms, the weight of each criterion in this algorithm is dynamic. The weights of criteria are calculated for each GPS point based on its: (a) positional accuracy, (b) speed, and (c) traveled distance from previous GPS point. The algorithm considers a confidence level on the assigned segment to each GPS point, which is calculated based on the density and complexity of roads around the GPS point. The evaluation results indicate 95.34% correct segment identification and 92.19% correct segment assignment. The most important feature of our algorithm is that the high correct segment identification percentage achieved in urban areas is through a simple and efficient weight-based method that does not depend on any additional data or positioning sensors other than digital road network and GPS.     

高速公路相机自动标定及道路坐标系构建

为解决高速公路场景下利用视频监控系统正确描述车辆相对于道路的空间位置问题，通过引入Frenet坐标系概念，提出一种基于相机自动标定的道路坐标系模型。在相机自动标定阶段，利用线分段拟合方法从曲线车辆轨迹中提取平行于直线路段的轨迹点，并通过级联霍夫变换精确估计道路方向的消失点。然后,根据多车辆三维模型约束，对相机参数进行迭代优化。基于标定结果，将车辆轨迹映射到世界坐标系平面上，并用3次样条插值进行拟合。根据大量运动车辆在道路平面内形成的轨迹域分布特征，综合边界约束估计道路中心点。最后，结合道路中心线在各点处的法线向量与车道宽度信息确定平移量，并利用点平移运动拟合车道线，实现道路坐标系的自动建立。使用真实高速公路视频数据，在多种道路条件下进行试验。研究结果表明:在标定阶段，构建方法对不同高速公路场景的最大标定误差不超过11.55%;与最新的方法相比，直线道路平均标定误差分别降低6.68%和3.58%，弯曲道路平均标定误差分别降低7.43%和2.61%;在道路坐标系构建阶段，构建方法的平均投影距离为0.077 m，接近最新方法的0.069 5 m；而其平均精度为0.916，显著优于最新方法的0.663；所提道路坐标系能够自适应道路形态的变化，有效解决了从监控视频中描述车辆与道路之间相对位置关系的问题。     

A Trajectory-Based Map-Matching System for the Driving Road Identification in Vehicle Navigation Systems

Driving road identification is the key issue of a vehicle navigation system that supports various services of intelligent transportation systems. The method for driving road identification is also known as map matching (MM). In spite of the development of MM algorithms, limitations still exist in obtaining the positioning data and preparing candidate roads (CRs) that may result in mismatches in some special difficult road configurations such as flyovers and parallel roads. To overcome the limitations, an integrated trajectory-based MM (tbMM) system is proposed based on the trajectory similarity evaluation method. The system can fuse the information from global positioning systems (GPS) and inertial sensors to generate the vehicle trajectory that represents the vehicle continuous movement in three dimensions. The elevation data of vehicle and roads are involved to enhance the trajectory-based matching process. Also the method employs an optimized mechanism for generating and maintaining CRs. Using the mechanism, separated road segments in a digital map are reorganized in the form of possible driving roads and the topology among them is guaranteed. Moreover, the CRs are obtained considering all the possibilities in determining the driving road so that the valuable historical information can be effectively reserved to provide more reliable matches in ambiguous situations. The tbMM system was evaluated using a number of real-world vehicle-level test datasets in urban areas in Beijing. Also a comparison test was performed to evaluate the driving road identification accuracy against existing MM algorithms. The results show that the tbMM system can provide reliable matches with about 99% accuracy in all the difficult scenarios and outperforms the existing algorithms.     

车路协同信息融合的智能汽车行驶状态模糊评判

为了监测与评判道路上行驶的智能汽车的实时状态,基于研发的智能汽车的车载感知系统,包括通过视觉传感器、激光雷达、GPS定位、车载传感器系统及车载总线获取车内及周围环境信息。采用V2X通讯设备等获取路侧端雷视一体机、路侧传感器、气象传感器传输的交通信息,通过V2X通讯设备、4G通讯模块传送到云服务器并建立模糊评判模型。基于可信度的模糊推理算法对环境信息和交通信息进行融合,并以此为依据对行驶车辆的状态进行评判。首先,建立针对车辆行驶状态的模糊评判集合和各参数隶属度函数,计算出各参数的隶属度,并对行驶车辆的各个参数建立典型的行驶状态评判参数数据集合。其次,采用模糊假言推理方法,以典型的数据集合为基础建立带可信度和阈值的模糊规则库。应用麦姆德尼方法,建立与规则库的每个规则所对应的模糊关系矩阵库。以车辆行驶时接收到的车载端和路侧端信息作为输入,应用规则库规则进行带有可信度的模糊推理。然后,以相似度作为匹配度,对推理规则设定阈限,按照证据与规则的前件不相等的情况,计算结论的可信度得出结论。对结论进行冲突消解时,冲突消解的策略为取可信度高的结论。最后,应用匹配度对结论的可靠性进行验证,并在多个道路场景实时行驶的车辆上对算法进行试验验证。研究结果表明:算法对行驶车辆状态的评判与实车的状态相一致,可实现对车辆不安全状态的报警与行驶状态的干预,对保障行车安全有显著积极的实际应用意义。     

基于神经网络的智能驾驶模式识别研究

为满足智能驾驶汽车高级驾驶辅助系统(ADAS)功能研发和验证的需求,提高ADAS功能的准确性,设计了一款基于神经网络的智能驾驶模式识别程序,该程序由数据采集、目标检测、场景识别预测3个模块组成.数据采集模块利用ESR毫米波雷达、前置摄像头对交通环境及周围车辆的数据信息进行采集;目标监测模块通过控制算法选择判断触发各类A...     

基于多级网络划分的匹配道路初筛方法研究

针对GPS车辆定位系统地图匹配过程中传统匹配道路初筛方法在筛选速度和准确性方面的不足,提出了一种基于多级网络划分的匹配道路筛选方法。算法采用多级网络简单划分、层层筛选的策略,保证了初筛区域的快速、准确定位与初筛路段的准确获取,与多种传统的筛选方法,进行了基于实际数据的运行效果的对比。实证分析可知,文中提出的方法效果较好。