降雨条件对车载激光雷达性能影响的试验研究

激光雷达是自动驾驶车辆最为关键的传感器之一，被广泛用于车辆定位、目标检测与跟踪等任务。然而，激光雷达的点云数据会受到恶劣天气（如雨、雾、雪等）的严重影响，致使自动驾驶全天候行驶仍然面临着巨大挑战。为了量化评估恶劣天气对激光雷达性能的影响，分析了降雨环境下激光雷达的性能，基于构建的场地降雨模拟系统控制降雨量，通过多视角的静、动态试验定性与定量分析激光雷达测距精度、典型目标点密度、有效检测距离等性能参数与降雨量之间的关系。试验结果表明：车辆作为目标物时，目标物上的激光点云受降雨的影响最大，相较于无雨环境，中雨时打在汽车上的激光点数降低幅度超过了60%，检测距离下降了69%，并且随着降雨量的增大激光雷达对目标的有效检测距离持续下降；试验方法和结果对于测试评价自动驾驶性能及提升降雨环境下的激光感知能力具有重要意义。     

多线索融合的结构化道路检测算法研究

为实现结构化道路的检测，提出了一种用于道路检测的激光雷达和视觉融合法，通过提取激光雷达在道路边缘的三维点云信息，将其投影到视觉图像上，形成激光点云与图像的映射关系，生成激光雷达似然图。通过改进提取道路的颜色、纹理、水平线等特征的方法，生成相对应的视觉似然图。在贝叶斯框架下将激光雷达和视觉生成的似然图进行融合。在KITTI数据集上测试可知，精度达到94%，准确率达到86%，表明该道路检测法具有较好的道路检测果。     

基于体素柱形的激光雷达点云车辆目标检测算法

环境车辆是自动驾驶汽车行驶时的主要障碍物之一，对环境车辆的尺寸、位置、朝向等空间信息进行感知对于保障行驶安全具有重要意义。激光雷达点云数据包含了场景中物体表面扫描点的三维坐标，是实现车辆目标检测任务的重要数据来源。结合SECOND与PointPillars方法，提出一种基于体素柱形的三维车辆目标检测模型，利用三维稀疏卷积聚合点云局部特征，在体素特征图上构造柱形并进行特征编码，有效解决点柱形方法缺乏柱形间特征交互问题，增强点云特征的空间语义信息；基于均值池化操作生成锚框点云占据位图并提出一种简单负样本过滤策略，在模型训练阶段筛除预设在无点云覆盖区域的无效锚框，缓解正负样本或难易样本不均衡问题；在目标框回归模块中，使用类别置信度与交并比(IoU)预测值计算混合置信度，改善分类分支与位置回归分支结果不一致问题，并使用KITTI三维目标检测数据集进行模型训练与评估。研究结果表明：在严格判定标准下(IoU阈值设置为0.7),所提算法在简单、中等、困难3种难度级别下分别获得了89.60%、79.17%、77.75%的平均检测精度(AP_3D),与SECOND、PointPill...     

发动机进气系统水分离计算研究

自然降雨的雨滴粒径分布可通过Rosin-Rammler方程进行简化，由此可计算不同工况下发动机进气口的雨滴粒径范围。利用DPM-EWF耦合模型，可以较好的模拟进气道内的水滴颗粒轨迹和液膜分布，并由此提出提高进气道水分离效率的思路。     

凸凹不平道路几何参数识别和模型重构方法研究

自动驾驶汽车的凸凹不平道路和异常路面行驶，不仅要考虑道路曲率等因素，还需要对路面凸起、凹坑等特征和病害进行识别建模，提高车辆通过性、安全性和舒适性。为此，本文提出了一种基于激光雷达的凸凹不平道路几何参数识别和模型重构方法。首先，将局部加权散点平滑方法（Lowess）首次应用于激光雷达点云处理，提高了激光雷达点云数据的平滑性；其次，提出了基于斜率阈值分割的路面几何参数识别方法，通过设置斜率阈值对道路凸起与凹坑进行识别提取；再次，通过识别特征点云边界构建了带约束的分段多项式函数路面连续典型特征拟合数学模型。最后，通过建立的室内路面典型特征沙盘模型及路面实测数据，应用本文提出的方法，对凸凹不平道路的凹坑和凸起等特征进行了识别和模型重构。结果表明，分段多项式拟合方法在拟合次数5～6次时达到拟合效果极限位置，此时各个场景中92%的数据点拟合均方根误差在0～0.015 m范围内，本文提出的方法能准确完成凸凹不平道路几何参数识别，实现路面典型特征三维数学模型重构。     

基于高密度激光点云和深度学习的高速公路标线识别

道路标线的自动识别是智慧城市建设中急需解决的重要难题，也是绘制高精地图及无人驾驶所需的核心技术。提出一种激光雷达数据环境下高速公路常见标线自动识别方法：基于端到端PointNet语义分割功能自动提取道路标线点云；采用体素降采样及半径式离群点剔除去除路面噪点；应用DGCNN自动区分典型交通标线(实线、长虚线、短虚线、箭头、导流带),实现道路标线识别。应用京承高速公路某段激光雷达数据测试验证。结果表明：道路标线分类准确率达到94.73%,F1达到74.18%,AUC达到0.98。证明了解决道路标线识别方法的可行性，为智能驾驶环境下道路标线的自动感知和识别提供了一种新的思路。     

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。     

基于稀疏彩色点云的自动驾驶汽车3D目标检测方法

针对目前在自动驾驶汽车中,目标检测的点云分割与识别算法的准确率低等问题,提出一种稀疏彩色点云结构,该结构由摄像头采集的图像信息与激光雷达采集的点云信息进行空间匹配与特征叠加后生成。通过改进的PointPillars神经网络算法对融合后的彩色稀疏点云进行运算。实验结果表明,本方法在平均精度上比原算法有较大的提升,尤其是对行人和骑单车人的识别平均精度的提升更为明显,在中等难度下的行人和骑单车人3D检测的平均精度值分别提升13.8%和6.6%,显示了本方法的有效性。     

交通图像大气加雾模型设计与评价

针对数字孪生过程中，交通雾霾图像的采集受天气限制，数据库获取困难导致样本不足等问题，提出了一种新的大气加雾模型，并用于扩展不同浓度的交通雾霾图像数据库。首先，结合暗特征原理，求解大气光值，并提出了一种基于区域方差的大气光补偿方法来获取大气光估计；其次，利用颜色衰减先验估计场景深度，求解初始透射率；然后构建了图像大气加雾模型，将计算的大气光估计与大气加雾透射率代入模型，并利用雾霾系数调整加雾浓度；最后设计了多组交通视频加雾实验并进行评价。实验结果表明，提出的算法能随着预置雾霾系数增大，使得图像主观上明显趋于模糊，客观指标随之逐步发生变化，图像降质规律与真实的含雾场景基本一致，可用于扩充雾霾数据集，具有很好的有效性和实用性。利用不同去雾算法评价对比加雾图像可知，复原图像效果与针对实际图像的去雾效果基本无异，进一步反向验证了加雾模型的有效性。     

降雨对高速公路交通流特征的影响

为量化分析不同降雨强度对高速公路交通流特征的影响,以海南省东线高速公路交通流和降雨量数据为基础,研究了不同降雨天气下高速公路交通流参数中车速与密度的分布规律,标定了不同降雨气象条件下高速公路速度-密度分布的二阶段Greenshields交通流模型,回归分析得到了降雨强度与能见度对高速公路交通流模型各参数的天气影响系数。结果表明:随着降雨强度增大,该系数对高速公路最大流量和自由流车速的影响越大,与无雨天气相比,小雨、中雨和大雨天气下高速公路最大流量分别下降15.7%、19.1%和32.5%,自由流车速分别下降4.4%、7.3%和10.6%,而交通流模型中临界密度、截距速度受不同降雨的影响趋势并不明显。     

基于多传感器融合的紧耦合SLAM系统

同时建图与定位(SLAM)是自动驾驶功能重要的组成部分,现有算法以激光或视觉惯性里程计为主,未充分利用多模态传感器各自的优势,对特征缺失的场景鲁棒性不足.针对此问题,本文中提出了一种采用激光雷达、摄像头和惯性测量单元(IMU)的多传感器紧耦合SLAM系统.首先它改善了激光雷达点云特征提取和平面拟合的方案,提升了利用点云...     

超长服役的半刚性基层模量衰减机理研究

针对超长服役的高速公路路面基层开展FWD、三维探地雷达与取芯检测，分析比对半刚性基层模量衰减影响因素的相关系数，明确模量衰减关键影响因素。通过开展关键影响因素——基层横向裂缝与模量关系模型研究，提出基层横向裂缝率在模量衰减过程中的变化趋势。通过建立关键影响因素——交通量与模量关系模型，提出半刚性基层带裂缝工作状态与碎石化工作状态分界点模量数值。通过多模型参数拟合分析，结合基层横向裂缝、交通量与模量模型研究成果，提出基层模量衰减受交通量与基层横向裂缝率双重影响的思路，为实体工程的半刚性基层模量衰减模型研究提供新的方向。     

反求工程中残缺点云建模方法研究

针对反求工程中残缺点云建模问题，把点云按残缺的位置和特征进行分类，并利用规则曲面重构、不规则NURBS曲面拟合以及神经网络曲面构造相结合的方法，提出了一些针对残缺点云建模关键的算法。工程实践表明这些方法简单、实用，生成的曲面CAD模型满足曲面连续性和光顺性的要求，能获得满意的设计效果。     

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...     

基于光学超精密检测的新能源汽车电池缺陷检测技术

针对新能源汽车电池表面缺陷,提出了基于超精密检测的新能源汽车电池表面缺陷检验方法。构建光学超精密成像模型,通过超精密激光扫描技术完成能源汽车电池表面的激光成像,获得其 纹理分布情况和边缘轮廓特征。将区域信息与图像边缘相融合,定位新能源汽车电池表面缺陷,检测 其表面纹理异常点。通过仿真试验证实,利用该方式判断新能源汽车表面缺陷具有准确性高、抗噪性强等特点,能有效提升汽车电池表面缺陷检测效率。     

基于相机与激光雷达融合多目标检测算法研究

准确的多目标感知系统是自动驾驶技术的关键。本文提出了一种基于相机与激光雷达融合的多目标检测算法。针对相机传感器无法获得准确的目标距离等深度信息,激光雷达无法获得准确的目标类别信息的问题,首先采用嵌入自适应特征融合模块的YOLOv7网络处理相机数据,同时对激光雷达数据进行点云预处理以消除无用的噪声点;其次,利用坐标变换将激光点云数据和相机数据转换到像素坐标系中;最后,采用基于ROI感兴趣区域的方法对点云进行聚类处理,以参数加权的方式融合两种传感器的检测结果。实验结果表明,嵌入改进YOLOv7网络的融合算法能够检测出更加准确的目标信息。     

基于多传感器信息融合的3维目标实时检测

针对基于多传感器信息融合的3维目标检测，提出了一种实时高精度的双阶段深度神经网络PointRGBNet。第1阶段，在区域提案网络中，首先将3维点云投影到2维图像上生成6维RGB点云，然后对输入的6维RGB点云进行特征提取，得到低维特征图与高维特征图，利用融合后的特征图生成大量置信度较高的提案；第2阶段，在目标检测网络中，利用第1阶段生成的提案进行RoI池化，得到特征图上与每个提案对应的特征集合，通过针对性地学习提案的特征集合，实现了更精准的3维目标检测。在KITTI数据集上的公开测试结果表明，PointRGBNet在检测精度上不仅优于仅使用2维图像或3维点云的目标检测网络，甚至优于某些先进的多传感器信息融合网络，而且整个网络的目标检测速度为12帧/s，满足实时性要求。     

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。     

云南省通建高速公路沿线滑坡降雨阈值估计

山区高速公路沿线每年雨季常发生滑坡，严重威胁高速公路的安全运营。目前，降雨阈值估计已成为降雨诱发滑坡气象预警最常使用的方法。然而，有些研究区数据不全(如历史滑坡以及对应的降雨事件),经验统计方法往往受到限制；同时，经验统计方法通常提供的是一个区域阈值，对于高速公路这种线形工程适用性不强。针对以上问题，以云南省通建(通海县-建水县)高速公路为研究对象，利用数值模型(TRIGRS)和最小二乘支持向量机(LSSVM)开发了基于物理模型的降雨阈值计算方法；最终，获得了研究区降雨阈值的空间分布。结果表明，与简单的经验阈值相比，通过数值模型给出的降雨阈值空间分布，不仅能反映研究区不同位置地形条件、土壤厚度等关键指标的差异对降雨阈值的影响，也能给出在不同降雨强度下最容易发生滑坡的区域，可为区域滑坡气象预警提供依据。     

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。