智能網(wǎng)聯(lián)汽車先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用（微課版）課件 第3章 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)

任務(wù)3.1

認(rèn)識自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)技術(shù)任務(wù)導(dǎo)入任務(wù)導(dǎo)入在長途旅行自駕游或開車在高速公路的途中，經(jīng)常會長時間駕駛，致使駕駛員精神長時間高度集中產(chǎn)生疲勞、困倦等現(xiàn)象。這時長時間的行駛，或?qū)η胺匠霈F(xiàn)的車輛反應(yīng)不夠及時就容易造成車禍隱患。任務(wù)導(dǎo)入此時如果車輛可以在當(dāng)前道路上自行行駛，或根據(jù)前方出現(xiàn)的車輛及時調(diào)整車速以及前車距離，這樣一是可以減輕駕駛員疲勞，二是可以防止交通事故的發(fā)生，提高駕駛員和乘客的安全。具備這樣功能的系統(tǒng)就是自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的基本概念自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（AdaptiveCruiseControl，ACC）是一種高級駕駛輔助系統(tǒng)，可以按照駕駛員設(shè)定的車速勻速行駛，同時根據(jù)前方車速變動與前車保持安全距離。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的組成自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)主要組成：信息采集單元控制單元執(zhí)行單元信息采集單元是系統(tǒng)中獲得自車信息和外部環(huán)境信息的單元。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)中的信息采集單元主要包括車間距傳感器，用來檢測車間距信息；車速傳感器和橫擺角速度傳感器，用來檢測車輛行駛路線信息?？刂茊卧喈?dāng)于微型計算機(jī)，用來處理信息采集單元發(fā)送過來的信息，把發(fā)送來的信息通過特定的算法處理，生成相應(yīng)的命令發(fā)送給執(zhí)行單元。執(zhí)行單元元是該系統(tǒng)中最后執(zhí)行命令的部分，接收從控制單元發(fā)送的信號，轉(zhuǎn)變成車輛具體的操作。執(zhí)行單元的組成主要包括電子節(jié)氣門執(zhí)行器、制動執(zhí)行器等。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的工作原理自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)中信息采集單元可以感知自車信息及前方行駛環(huán)境。當(dāng)前方有車輛時檢測前車速度以及距離信息傳送給控制單元?？刂茊卧邮諄碜孕畔⒉杉瘑卧男畔?，若小于安全距離，ACC系統(tǒng)通過系統(tǒng)控制單元發(fā)出命令給執(zhí)行單元。執(zhí)行單元接受命令后進(jìn)行減速控制，確保自車車速減小到能夠與前車保持安全距離。當(dāng)沒有檢測到前方車輛時，ACC系統(tǒng)會使自車按照設(shè)定的速度行駛。

圖3.1自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)工作流程自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例福特汽車多臺車型配有自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，包括福特翼虎、福特蒙迪歐2020款、2020款福特撼路者以及全新福特領(lǐng)界S。該系統(tǒng)除了可以保持設(shè)定的巡航速度之外還可以設(shè)定自車與前車之間保持的行駛距離，最多有四種可供選擇的車距。

開啟自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)將變速器至于行駛擋D，按下系統(tǒng)啟動按鈕，具體如圖

3.2所示，信息顯示屏將顯示指示燈、當(dāng)前車距設(shè)置及設(shè)定車速。圖3.2福特汽車ACC啟動按鈕

當(dāng)ACC系統(tǒng)檢測到自車行駛速度低于前方車速，自車與前車距離無法保持在安全距離時，系統(tǒng)會執(zhí)行減速操作，自動降低車速，使自車與前車始終保持在安全距離圖3.3福特汽車ACC系統(tǒng)減速一汽大眾旗下多款車型配有自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，包括新CC.邁騰、高爾夫等。一汽大眾自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)可在車速處于30～160km/h范圍內(nèi)使用，支持定速巡航和車距保持功能。圖3.6一汽大眾ACC系統(tǒng)車輛行駛功能多功能方向盤上的按鈕操作方法啟動ACC按壓多功能方向盤上的按鈕此時啟動系統(tǒng)單尚未儲存巡航車速，也未控制車速。激活A(yù)CC控制功能按壓多功能方向盤上的按鈕。此時系統(tǒng)將把自車速度存儲下來，作為此時自車行駛速度。關(guān)閉ACC按壓多功能方向盤上的按鈕。此時系統(tǒng)關(guān)閉，同時將此次巡航車速記錄刪除。表3-1一汽大眾ACC系統(tǒng)操作方法感謝ThankYou任務(wù)3.2交通標(biāo)志識別應(yīng)用實(shí)踐任務(wù)導(dǎo)入任務(wù)導(dǎo)入道路交通事故發(fā)生的原因是多元化和復(fù)雜化的。交通標(biāo)志作為道路基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，他們?yōu)樗緳C(jī)提供關(guān)于路況的信息和合理的建議，以促進(jìn)道路行車安全。但是如果完全依靠駕駛員注意和發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)識并做出正確的反應(yīng)，難免會增加駕駛員的負(fù)擔(dān)、加速駕駛員疲勞，從而導(dǎo)致交通事故。任務(wù)導(dǎo)入在自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)中，交通標(biāo)志的識別可以為整車控制提供相應(yīng)的幫助，例如識別禁止類標(biāo)志可以幫助系統(tǒng)提前進(jìn)行危險預(yù)判；識別警告類標(biāo)志可以幫助系統(tǒng)提前進(jìn)行避障處理；識別指示類標(biāo)志可以幫助系統(tǒng)進(jìn)行控制預(yù)處理，以確保行車遵循道路指示。因此對交通標(biāo)志的準(zhǔn)確識別可以為自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)提供更加完美的助攻。任務(wù)導(dǎo)入鑒于各種交通標(biāo)志的重要程度，本文將以禁止類交通標(biāo)志中的限速標(biāo)志為例，詳述交通標(biāo)志識別的原理及應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)。交通標(biāo)志識別技術(shù)的相關(guān)知識3.2.1認(rèn)識交通標(biāo)志3.2.1認(rèn)識交通標(biāo)志3.2.2交通標(biāo)志識別的基本原理與方法道路交通標(biāo)識識別是通過安置于車輛前方的攝像頭進(jìn)行檢測與識別的，通過交通標(biāo)志的采集、處理、識別，將所獲取的信息以最快的速度第一時間傳送給駕駛員或直接對汽車采取相應(yīng)的操作，從而降低了交通安全隱患。交通標(biāo)志識別主要包括了兩個階段：檢測階段和識別階段。檢測階段主要的方法有基于顏色的方法和基于形狀的方法，每一類方法都包括了數(shù)種常用的方法；而識別階段主要有基于統(tǒng)計分析的方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法以及句法分類法等。鑒于各種交通標(biāo)志的重要程度，本書將以禁止類交通標(biāo)志中的限速標(biāo)志為例，采用模板匹配的方式對交通標(biāo)志進(jìn)行識別。3.2.3

HSV模型的認(rèn)知1．HSV模型介紹HSV（Hue，Saturation，Value）是根據(jù)顏色的直觀特性由A.R.Smith在1978年創(chuàng)建的一種顏色空間，稱為六角錐體模型（HexconeModel）。這個模型中顏色的參數(shù)分別是：色調(diào)（H），飽和度（S），明度（V）。2．HSV顏色分量范圍一般對顏色空間的圖像進(jìn)行有效處理都是在HSV空間進(jìn)行的，對于基本色中對應(yīng)的HSV分量需要給定一個范圍，如表3-2所示。3.2.4

NumPy庫的認(rèn)知NumPy是Python語言的一個擴(kuò)展程序庫，支持大量的維度數(shù)組與矩陣運(yùn)算，此外也針對數(shù)組運(yùn)算提供大量的數(shù)學(xué)函數(shù)庫。Numpy庫由多維數(shù)組對象組成，包含數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、形狀操作、排序、選擇、I/O、離散傅里葉變換、基本線性代數(shù)、基本統(tǒng)計運(yùn)算、隨機(jī)模擬等功能。一個圖像本質(zhì)上是包含像素數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)Numpy數(shù)組。因此，通過使用基本的Numpy操作，可以對圖像進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、壓縮、截取等操作。任務(wù)實(shí)施——搭建交通標(biāo)志識別技術(shù)實(shí)訓(xùn)環(huán)境任務(wù)清單：完成Python+PyCharm環(huán)境配置方法。完成OpenCV庫和NumPy庫的安裝。完成交通標(biāo)志識別應(yīng)用實(shí)踐，首先需要配置相應(yīng)的環(huán)境。我們使用Python+PyCharm進(jìn)行編程，并且使用OpenCV庫和NumPy庫。在項(xiàng)目二中已經(jīng)講解在Windows系統(tǒng)下，Python+PyCharm環(huán)境配置方法以及OpenCV庫的安裝，這里不過多贅述。下面講解一下NumPy庫的安裝。在項(xiàng)目2的指導(dǎo)操作下成功安裝python后，打開命令提示符（cmd），并使用pip安裝numpy。安裝方法：打開cmd，輸入pipinstallnumpy，等待安裝完畢，安裝效果圖如下：任務(wù)實(shí)施——交通標(biāo)志識別技術(shù)任務(wù)清單：交通標(biāo)志圖像預(yù)處理識別交通標(biāo)志圖像預(yù)處理的主要目的是消除圖像中無關(guān)的信息，恢復(fù)有用的真實(shí)信息，增強(qiáng)有關(guān)信息的可檢測性和最大限度地簡化數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)特征抽取、圖像分割、匹配和識別的可靠性。在預(yù)處理之前，為方便之后的操作，需要導(dǎo)入OpenCV模塊、NumPy模塊還有os模塊。這里介紹一下os（多種操作系統(tǒng)接口）模塊，里面包含了很多操作文件和目錄的函數(shù)，可以幫助我們直接對操作系統(tǒng)進(jìn)行操作。例如：調(diào)用操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件、命令，直接操作文件、目錄等。os模塊是Python中內(nèi)置的模塊，不需要提前安裝。6.2.4圖像預(yù)處理讀取圖像部分代碼運(yùn)行結(jié)果如圖3.13所示：2．轉(zhuǎn)換為HSV通道HSV色彩空間是基于顏色的圖像分割最合適的色彩空間。所以將原始圖像的顏色空間從BGR轉(zhuǎn)換為HSV圖像。轉(zhuǎn)換為HSV的代碼運(yùn)行結(jié)果如圖3.14所示。3．優(yōu)化處理（1）顏色過濾確定提取紅色的范圍（HSV顏色），然后通過inRange（）函數(shù)（參數(shù)圖片為HSV格式）提取紅色區(qū)域。inRange（）函數(shù)可以根據(jù)設(shè)定的閾值，去除閾值之外的背景部分。（2）進(jìn)一步優(yōu)化對圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理，把輪廓邊緣變得更加清晰。顏色過濾及優(yōu)化代碼運(yùn)行結(jié)果如下圖所示：3.2.7識別交通標(biāo)志這一節(jié)我們采用模板匹配的方法，對交通標(biāo)志中的數(shù)字進(jìn)行識別。模板匹配的基本原理是抽取未知文字的特征與事先存儲好的標(biāo)準(zhǔn)的文字特征進(jìn)行匹配，在一定的距離或相似度測度下，找出與未知文字的特征匹配得最好的標(biāo)準(zhǔn)特征,將該標(biāo)準(zhǔn)特征所代表的文字作為未知文字的識別結(jié)果。對圖像進(jìn)行預(yù)處理后，我們需要檢測標(biāo)志的輪廓，并獲取輪廓的外接矩形，根據(jù)矩形的坐標(biāo)，在原圖上進(jìn)行裁剪，得到目標(biāo)區(qū)域。接下來對他們進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作，提取矩形中間的數(shù)字和我們的模板進(jìn)行匹配，最終識別標(biāo)志中的數(shù)字。識別交通標(biāo)志部分代碼效果如圖3.17所示：任務(wù)小結(jié)本任務(wù)學(xué)習(xí)了自適應(yīng)巡航系統(tǒng)中交通標(biāo)志識別的部分，首先介紹了交通標(biāo)志、識別交通標(biāo)志的原理與方法、HSV模型以及第三方庫的安裝。接下來以禁止類交通標(biāo)志中的限速標(biāo)志為例，逐步介紹如何識別交通標(biāo)志。通過本任務(wù)的學(xué)習(xí)，需要掌握交通標(biāo)志識別的工作原理，工作流程。感謝ThankYou任務(wù)3.3激光雷達(dá)測距實(shí)踐任務(wù)導(dǎo)入任務(wù)導(dǎo)入由于激光雷達(dá)具有探測距離遠(yuǎn)、探測范圍廣、分辨率高、采集信息豐富和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，運(yùn)用光的直線傳播特性和光速傳播速度快的特性，提高車輛感知的實(shí)時性、完整性和準(zhǔn)確性，綜合以上特點(diǎn)，激光雷達(dá)符合自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的功能需求，本任務(wù)將以實(shí)訓(xùn)的形式重點(diǎn)學(xué)習(xí)激光雷達(dá)的相關(guān)特性。。激光雷達(dá)認(rèn)知1．激光雷達(dá)的定義激光雷達(dá)是工作在光波頻段的雷達(dá)，它通過發(fā)射激光來探測目標(biāo)。激光為原子受激輻射發(fā)出的光，具有光的特性。激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用于ADAS系統(tǒng)中的前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)和盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)等，是目前先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)中技術(shù)特性最優(yōu)良的雷達(dá)。2．激光雷達(dá)的工作原理與組成激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)以及信號處理與控制系統(tǒng)組成，發(fā)射系統(tǒng)為激光發(fā)射裝置主要負(fù)責(zé)發(fā)出激光信號；接收系統(tǒng)為激光接收裝置主要負(fù)責(zé)接收反射回來的激光信息；信號處理與控制系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)將接收回來的信號進(jìn)行處理。以機(jī)械式激光雷達(dá)為例，激光發(fā)射裝置固定在激光雷達(dá)的底部，沿激光雷達(dá)軸線向上方發(fā)射激光，由電機(jī)帶動反射鏡和透鏡組共同旋轉(zhuǎn)，將激光反射到激光雷達(dá)徑向，隨著反射鏡和透鏡組的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)激光對周圍環(huán)境的掃描，如圖3．激光雷達(dá)的布置位置激光遇到障礙物會發(fā)生光的反射，且激光雷達(dá)需要對周圍環(huán)境進(jìn)行360°的掃描，為了保證激光可以正常發(fā)射，激光雷達(dá)通常布置在車頂區(qū)域，如圖所示，這樣既能保證激光雷達(dá)不被遮擋，又能最大限度的提高激光雷達(dá)的采集范圍。激光雷達(dá)的測量原理1．測距原理激光雷達(dá)的測距原理是通過測算激光發(fā)射信號與激光回波信號的往返時間，從而計算出目標(biāo)的距離，即飛行時間法。2．激光雷達(dá)的分類按照有無機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件分為三類，分別是機(jī)械激光雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)和混合固態(tài)激光雷達(dá)，他們的區(qū)別如表類型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)機(jī)械激光雷達(dá)帶有控制激光發(fā)射角度的機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件。體積較大，價格較貴，機(jī)械部件易損壞，測量精度相對較高，一般置于車頂。固態(tài)激光雷達(dá)依靠電子部件來控制激光雷達(dá)的發(fā)射角度，無機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件。體積較小，技術(shù)成熟度不足，價格昂貴，需要布置多個滿足全方位數(shù)據(jù)采集。混合固態(tài)激光雷達(dá)帶有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件和電子控制激光雷達(dá)。兼具機(jī)械與固態(tài)激光雷達(dá)的特點(diǎn)（3）毫米波雷達(dá)的分類按照激光束數(shù)量分為兩類，分別是單線束激光雷達(dá)和多線束激光雷達(dá)，他們的區(qū)別如表類型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單線束激光雷達(dá)掃描一次只產(chǎn)生一條激光束。獲得的掃描數(shù)據(jù)是2D數(shù)據(jù)。多線束激光雷達(dá)掃描一次可產(chǎn)生多條激光束，包括4/8/16/32/64/128線束。獲得的掃描數(shù)據(jù)是3D數(shù)據(jù)。查看激光雷達(dá)基本參數(shù)以SK-Z系列的單線激光雷達(dá)為例，進(jìn)行激光雷達(dá)測距性能的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)。首先需要明確毫米波雷達(dá)的發(fā)射面，如圖3.23所示，激光雷達(dá)的正面為一個透鏡，此透鏡后面即為激光的發(fā)射源，在實(shí)訓(xùn)開始前需要明確激光的朝向，以免無法獲取激光雷達(dá)的測距結(jié)果。此款毫米波雷達(dá)的接口共有4個PIN腳，分別為VCC.TX、RX和GND，其功能如圖其中各引腳功能為：VCC引腳提供5V工作電壓；GND引腳提供接地；TX引腳為串口發(fā)送引腳，用來將激光雷達(dá)的測距結(jié)果以串口數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去；RX引腳為串口接收引腳，用來向激光雷達(dá)發(fā)送串口控制指令數(shù)據(jù)。查看激光雷達(dá)技術(shù)參數(shù)該型號激光雷達(dá)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)詳見表項(xiàng)目參數(shù)量程20m輸出頻率100Hz精度3-10cm分辨率1cm光源780nm一類安全激光數(shù)據(jù)接口TTL串口數(shù)據(jù)格式115200，8，n，1（波特率，一次傳輸8bit，無校驗(yàn)位，一個停止位）串口電平VTTL=3.3V工作溫度-10～60℃工作電壓DC+3～5.5V工作電流74mA功率0.37W體積20*22*14mm重量8g查看激光雷達(dá)通信協(xié)議由于激光雷達(dá)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)接口均為TTL串行接口，需提前明確串行接口的通信協(xié)議，以便正確讀取激光雷達(dá)返回的測試數(shù)據(jù)內(nèi)容。該型號激光雷達(dá)上電后會自動通過串口不斷發(fā)送設(shè)備到目標(biāo)物之間的距離數(shù)據(jù)，可以根據(jù)通訊協(xié)議編程解析目標(biāo)距離數(shù)據(jù)。協(xié)議數(shù)據(jù)幀以ASCII碼的方式進(jìn)行傳輸，以16進(jìn)制的方式進(jìn)行解析，協(xié)議詳細(xì)內(nèi)容見表1234567891011前導(dǎo)符設(shè)備地址命令碼寄存器地址高位寄存器地址低位數(shù)據(jù)高位數(shù)據(jù)低位CRC低位CRC高位結(jié)束符前導(dǎo)符～0x00～0xFF0x00～0xFF0～655350～655350～65535\r\n幀開始設(shè)備地址寄存器命令寄存器地址數(shù)據(jù)（實(shí)時距離；單位毫米）CRC校驗(yàn)結(jié)果；校驗(yàn)字節(jié)2～7幀結(jié)束應(yīng)用舉例：串口以ASCII碼的方式接收字符串：～01030100019AC5CD，對應(yīng)十六進(jìn)制ASCII為：7E30313033303130303031394143354344相應(yīng)解析如下：～：數(shù)據(jù)幀起始符Thedataframeinitializer；01：傳感器地址（十六進(jìn)制）Sensoraddress（hex）；03：狀態(tài)寄存器（十六進(jìn)制）Stat