基于激光雷达点法向量的车辆实时位姿估计

为解决复杂交通场景下激光雷达获取运动车辆点云残缺而导致位姿信息难以提取的问题,提出一种基于点法向量特征的动态刚性目标实时位姿估计方法。利用最小二乘拟合算法求解目标表面点法向量,采用自适应聚类算法求解点法向量聚簇中心数量,求取聚类点拟合平面,选择互相垂直的平面代表点法向量分别作为待测目标所属坐标系内X轴和Y轴,通过运动学方程完成目标三维姿态角的求解。试验结果表明,该方法能实时估计直线和曲线运动车辆的位姿参数,表现出较好的鲁棒性。     

基于特征几何关系的无人车轨迹回环检测

为了在GPS盲区中利用激光雷达构建地图,提出了一种基于回环检测的高精度2D激光点云地图构建方法。首先,从2D激光雷达观测数据中获得无人车的位姿,在2D高斯概率密度空间中提取每帧数据中的环境特征以及求得高斯映射值累加和。其次,利用粒子滤波对车辆位姿与环境特征进行融合优化得到低精度的点云地图和特征地图。然后,利用数据帧中环境特征的数量、车辆位姿以及高斯映射累加和,计算发生轨迹回环的可能性;遍历所有观测帧后得到无人车轨迹回环帧;利用三角剖分法求解回环帧之间的真实转换关系。最后,利用图优化方法得到全局最优的无人车位姿和高精度点云地图与特征地图。试验结果表明:特征地图中同一特征的多次识别结果之间的标准差小于5mm;利用车辆位姿、环境特征和高斯映射累加和能够有效发现路径回环的可能性,其处理2 499帧耗时1.61s;利用Delaunay三角剖分能够准确计算路径回环点,单次运行用时小于1s。     

基于三维激光雷达的动态障碍物检测和追踪方法

为解决无人驾驶车辆在城市路况下对多个动态障碍物同时检测和跟踪的关键问题,提出一种基于三维激光雷达的多目标实时检测和跟踪方法。通过对单帧激光雷达点云数据进行聚类,提取障碍物外接矩形轮廓特征;采用多假设跟踪模型(MHT)算法对连续两帧的障碍物信息进行数据关联;利用卡尔曼滤波算法对动态障碍物进行连续地预测和跟踪。试验结果表明,该算法能够在自行搭建的智能车平台上以每帧100 ms的速度准确、稳定地检测和跟踪。     

基于卷积神经网络的车辆位姿估计算法

针对基于双目视觉和激光雷达对车辆进行位姿估计时计算量大、成本高等问题,提出一种单目视觉位姿估计算法,设计多任务卷积神经网络作为车辆位置和姿态估计的网络。将目标车辆视为刚体,分别对其尺寸、姿态角、3D中心点建模,以KITTI数据集中相关数据对模型进行训练,并分析训练后的网络,估计模型的计算速度和精度。结果表明,该位姿估计网络实时性良好,帧速率达50帧/s,平均姿态角相似度达86.14%。     

基于视觉标记板的自动驾驶车辆激光雷达与相机在线标定研究*

针对传统的高清相机和激光雷达外部参数手动或半自动化标定程序繁琐和耗时问题,提出一种适用于地面无人平台车载激光雷达和相机在线自动标定的方法,以安装标记板(Marker)的移动车辆为标定目标,实现车辆的快速识别和位姿估计。同时获取在两种传感器中得到的位姿估计结果,利用经典的定向求解方法计算得到相机与激光雷达之间的刚性转换关系,并在真实城区环境中利用最优评估优化减小标定误差,试验结果证明了所提方法的准确性与可靠性。     

基于稀疏卷积神经网络的车载激光雷达点云语义分割方法

对车载激光雷达扫描得到的点云进行语义分割是保证行车安全、加强驾驶员对周边环境理解的重要手段之一。因为内存限制和大规模点云场景更加稀疏的特点,将传统神经网络的方法直接沿用到车载激光雷达扫描得到的点云场景中的效果不佳。本文中针对大规模点云的稀疏性,利用稀疏卷积神经网络对体素化点云进行特征提取。考虑到逐点处理分支抑制点云数据的密度不一致性导致的信息损失,另外设计了3D-CA和3D-SA模块,使稀疏卷积神经网络更好地提取特征。实验结果表明,与传统卷积神经网络的方法和将点云投影到平面的方法相比,使用稀疏卷积神经网络对大规模点云进行语义分割,可将平均交并比提升4.1%和3.4%,证明了该方法的有效性。     

基于运动约束的激光雷达与车体坐标系旋转参数标定

激光雷达是智能网联汽车环境感知的重要传感器,多坐标系空间标定是激光雷达精准环境感知的前提条件。针对激光雷达与车体坐标系空间同步面临传感器观测单一的问题,提出基于激光雷达与车辆的平面运动和直线运动约束2步标定方法。为构建运动约束,基于激光里程计获取激光雷达运动位姿信息,通过激光雷达运动轨迹信息和时域上多帧地面平面拟合信息进行平面行驶识别,在满足平面路况下构建平面运动约束标定,进而标定横滚角与俯仰角;基于俯仰角和横滚角对车辆轨迹进行修正,通过激光运动轨迹建立直线行驶判别模型判别车辆运动状态,在满足车辆直线行驶路况下构建直线运动约束,从而标定偏航角。最后,在智能驾驶试验车上开展了激光雷达与车辆坐标系标定的实车试验,通过实车采集的数据验证了提出的空间同步方法的可行性。试验结果表明：提出的激光雷达与车体坐标系标定方法优于基于标定物的方法,在原始数据上可以保证标定后的旋转误差降低至0.61,误差率降低约47.4%。在手动调整的扩充数据上标定后的旋转误差降至1.64,误差率降低约40.6%。相对于基于标定物的方法,其旋转误差均有降低且不需要借助特定的标定物与标定场,降低了对环境的依赖程度。同时通过消...     

一种混合视觉的车载激光雷达即时定位与地图构建方法

为提高地图的构建精度,提出一种混合视觉即时定位与地图构建方法。利用相机和激光雷达标定获得具有颜色信息的点云,并对点云数据进行预处理,选取相邻帧点云之间的特征点,制定匹配策略,对匹配点采取未解耦的位姿求解算法,获取两帧间的变换矩阵作为后续帧间匹配的初值。分别利用KITTI数据集和实车试验数据进行验证,结果表明,所提出的方法轨迹点均方根误差分别优化了6.84%和4.53%,验证了所提出方法的有效性。     

一种基于断面剖分的线状道路特征提取方法

针对既有道路特征精确提取的难题,该文提出了一种基于断面剖分的线状道路特征提取方法。通过引入断面剖分思想,将所采集的密集三维激光点云投影到二维剖分切片中进行处理,简化了特征提取难度。针对不同的特征形态,分别采用基于RANSAC稳健估计直线拟合求交的方法和基于道路特征点云模板配准的方法来获取道路特征点的精确位置。通过对某公路工程路缘石、护栏等简单和复杂线状道路特征进行试验,验证了该文方法的有效性。     

基于改进Gmapping的室内ROS智能车同步定位与建图系统设计

室内移动机器人是近年来研究的热点问题,同步定位与建图技术更是移动机器人的关键技术之一。为此文章设计了基于机器人操作系统（ROS）智能车的同步定位与建图系统,以Gmapping为核心算法,首先采用电机编码器构建的里程计对单线激光雷达的每帧数据进行运动畸变补偿,以运动畸变补偿后的激光雷达数据和里程计数据作为Gmapping算法输入;然后通过Gmapping算法粒子初始化,构建考虑观测量的提议分布并对粒子进行采样以估计智能车位姿,以重采样重要性系数对粒子进行重采样并设置重采样阀值,利用二值贝叶斯滤波器对每个粒子的地图状态更新;最后基于Gmapping算法输出智能车的位姿估计和地图数据。试验结果表明,所设计的同步定位与建图系统,在小尺寸环境下对智能车位姿估计和构建的地图较为准确,满足设计目标要求。     

激光雷达的内参建模与点云修正方法

本文中建立了一种针对机械式激光雷达参数较少的内参模型;考虑到偏心结构对于点云的影响,提出了角度修正和距离修正两种点云修正方法,对两种方法的修正效果进行仿真,并通过实际点云加以验证。最后还用位姿估计算法验证修正算法的有效性。     

特征稀疏场景下基于标签的车辆视觉SLAM

在智能车辆的同时定位与建图中，视觉特征点法通过对特征点的提取和匹配进行车辆位姿估计，但当环境缺少纹理或动态变化时，场景的特征稀疏、稳定性差，基于自然特征定位易导致精度下降甚至定位失败。在环境中加入视觉标签可有效解决特征稀疏问题，但基于视觉标签的定位方法高度依赖人工标定，且常因视角变化出现位姿抖动，影响定位的精度。为此，本文提出了一种基于标签的车辆视觉SLAM方法，充分利用标签信息，引入内外角点约束降低标签位姿抖动，同时借助视觉里程计建立低漂移、全局一致的地图；在定位时基于标签估计车辆位姿，并联合优化标签地图与车辆位姿，从而构建低成本、高鲁棒的视觉SLAM系统。试验结果表明，本文方法使用内外角点约束有效降低了标签的位姿抖动，使标签建图精度的提升率超过60%，定位精度的平均提升率超过30%，显著地提高了基于标签定位的精度与鲁棒性，有利于智能车辆的安全运行。     

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。     

基于激光雷达的纵向坡路动态可行驶性预测

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。     

基于雷达测距的车辆识别与跟踪方法

本文中提出了一种基于雷达测距的车辆识别与跟踪方法,以准确地识别道路上的车辆目标。首先对采集到的每帧数据采用自适应距离阈值的方法进行聚类分析。在聚类内部采用端点迭代拟合算法提取线段,在此基础上得出目标的特征向量,并据之识别车辆目标。然后通过计算特征向量的代价函数进行多目标关联,利用卡尔曼滤波器根据关联结果更新目标的状态。最后,以智能车辆BJUT-IV配备LMS291激光雷达在校园道路上对本方法进行验证测试,结果表明,提出的方法能够准确地对多个行驶车辆进行跟踪。     

城市混合交通场景中的多目标参数检测

针对城市混合交通的复杂场景图像中多目标及其参数的检测问题,提出了一种由改进的帧间差分与边缘提取相结合的算法。利用帧间差分法检测车辆的存在,对帧差图像运用统计滤波算法提取多运动目标,通过形态学方法提取并细化目标边缘,根据主边缘（轮廓）信息完成车辆定位,最终结合摄像机标定结果计算出多目标交通参数。算法避免了复杂场景的背景建模,减少了运算量。实验结果表明,该算法不仅能较为准确地检测多运动目标的参数,而且具有较强的实时性。     

基于激光雷达的自动驾驶同步定位与建图方法综述

同步定位与建图（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）技术可使自动驾驶车辆在未知环境中根据车载传感器采集到的数据估计自身位姿,建立环境地图,为车辆的规划、决策提供定位信息,是近年来自动驾驶技术研究的热点之一。基于车载激光雷达的点云数据,聚焦SLAM技术在自动驾驶领域的应用,围绕前端里程计、后端优化和回环检测技术,对国内外相关研究进行综述。考虑到单一传感器的局限性,结合目前多传感器融合研究的热点与难点,展望了自动驾驶多传感器融合SLAM技术在自动驾驶领域的机遇与挑战。     

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。     

基于三维激光雷达的道路可通行区域分割提取方法

为实现无人驾驶车辆利用车载三维激光雷达提取道路可通行区域,提出了一种基于小波变换结合模糊线段拟合的道路分割提取方法。利用探测倾角聚类的方法分割激光雷达扫描线在地面上的投影,通过小波变换初步确定路沿和障碍物位置,再使用模糊线段的方法精确定位路沿和障碍物。试验结果表明,该方法具有较高的精度与实时性。