一种多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统技术方案

本发明专利技术属于无人驾驶技术领域，公开了一种多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统。本发明专利技术包括控制系统和车顶激光雷达、车载单目视觉摄像头前方探测微波雷达组、后方探测微波雷达、前方激光雷达组和后方激光雷达组，控制系统包括上位机和下位机，所述下位机为由FPGA和ARM构成的双核控制器。本发明专利技术价格低廉、性价比相对较高，具有很强的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统
本专利技术属于无人驾驶
，具体涉及一种多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统。
技术介绍
伴随着经济的快速发展，汽车已经成为了人们生活中越来越重要的组成部分。驾驶员们的疏忽大意都会导致许多事故，每年在全世界交通事故中死亡的人数大约有100万人，我国每年大概有近10万人死于交通事故。既然驾驶员失误百出，汽车制造商们当然要集中精力设计能确保汽车安全的系统，安全是拉动无人驾驶车需求增长的主要因素之一；其次，我国大城市里严重的交通阻塞让开车并非那么美好，让人工智能的无人车代替有人驾驶可以完全解决交通阻塞等问题；另外，糟糕的空气状况也是推广无人驾驶汽车的“催化剂”。无人驾驶汽车是通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能汽车。它是利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。无人驾驶汽车集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。目前，无人车发展还处于起步阶段，各国都相继开始了智能无人驾驶汽车的研究。无论是何种程度的智能驾驶，第一步都是感知，也就是感知车辆周边复杂的路况环境，在这个基础上才能做出相应的路径规划和驾驶行为决策，感知传感器的选择是无人车成功避障的前提。常用的测距感知传感器有：超声波测距传感器、红外测距传感器、CCD视觉系统、毫米波雷达、微波雷达和激光雷达等等。激光雷达实际上是一种工作在光学波段（特殊波段）的雷达，激光雷达属于主动探测，不依赖于外界光照条件或目标本身的辐射特性，它只需发射自己的激光束，通过探测发射激光束的回波信号来获取目标信息。激光波长短，可发射发散角非常小的激光束，多路径效应小，可探测低空/超低空目标。单线激光雷达是激光雷达中的一种，由于只有一路发射和一路接收，结构相对简单，使用也比较方便；单线激光雷达扫描周期较短，对前进方向环境的扫描速度快，角度分辨率较高，雷达本身体积较小，重量相对较轻，功耗也比较低，可靠性较高，成本相对低廉；单线激光雷达探测范围相对较广，能提供大量环境扫描点距离信息，可以为控制决策提供较大的方便，以上优点使得单线激光雷达成为了无人车感知未知环境的一个优先选择。一般普通的简易无人驾驶车结构如图1，探测和避障系统原理如图2。无人驾驶车由（单线或多线）激光雷达传感器探测系统探测环境并输送给PC机（上位机），然后PC机经过编码处理，发送控制指令给基于单片机的下位机，单片机控制模块经过通讯解码后发送控制指令给直流无刷电机控制器，控制器驱动多个直流无刷电机运动；单片机控制系统根据外围环境的变化来调节电机的速度，进而控制无人车在实际环境中的位置，实现无人车在实际工况当中的行走和避障，现有的简易无人车控制系统均是由单个单片机控制单个单线激光雷达传感器或多线激光雷达传感器来实现上述功能的。但是，上述技术方案长时间运行会发现存在着诸多问题，主要有：（1）由于无人车受周围环境不稳定因素干扰，基于单片机的控制器抗干扰能力较差，经常会出现异常，引起无人车失控。（2）现有的无人驾驶车均采用低级的DSP、ARM系列芯片，工作频率最大才100兆赫兹左右，无法满足无人车复杂数据的快速运算。（3）受无人车PC机性能影响，无人车的传感器采集数据无法快速计算和储存。（4）单线激光雷达获取的数据为2D数据，无法区别目标的高度等信息，一些小型物体会被忽略，最终成为障碍物，单一单线激光雷达传感器导航成为车载领域的瓶颈。（5）单一的单线激光雷达无法获取路面信息，需要配合其它传感器对地面信息进行读取和判别。（6）多线激光雷达虽然可以实现2.5D或3D数据，可以判断障碍物的高度，处理地面的信息等，但是价格相对比较昂贵，一台64束的激光雷达售价高达70万人民币，无法大面积推广使用。（7）单一的单线激光雷达无法探测到弯角、路崖等信息，需要配合其它传感器使用才可以读取到周围障碍物信号或定位传感器标志。（8）现在的无人车基本上只考虑前向探测和避障，均未考虑后方的障碍物信息，有的时候后方出现的障碍物会伤害到无人车本体，而无人车无法实现加速躲避。（9）基于单一的单线激光雷达无人车在刚启动瞬间存在着一个探测盲区，一旦有障碍物处于盲区，易于产生交通事故。（10）基于单一的单线激光雷达无人车在实际行驶过程中也会出现探测盲区，一旦在运动过程中有障碍物进入运动盲区也会产生交通事故。（11）基于单线激光雷达的无人车对前方道路图像采集速度较慢，影响了无人车快速行进。（12）在长距离行驶中，基于单线激光雷达的无人车对周围环境辨认较差，无法实现精确定位。（13）在规则交通中，无人车行驶路径的地面上具有各种交通标志，但是单线激光雷达无法辨认，失去了无人车快速行进时的辅助导航。（14）在规则交通中，无人车行驶路径的空中具有红绿灯等标志，但是单线激光雷达无法辨认，削弱了无人车快速行进时安全性。（15）受激光雷达价格和性能的影响，一般性价比比较高的激光雷达探测范围不足100米，这个距离不利于无人车快速行进障碍物的判断。视觉传感器的原理和结构与人类的感官组织类似，并且视觉传感器具有体积小、成本低、安装方便、隐蔽性好，具有探测范围广和包含的信息量大等优点。在无人车环境探测系统中加入摄像头可以实时感应周围的环境，收集数据，进行静态、动态物体的辨识、侦测与追踪，并结合导航仪地图数据，进行系统的运算与分析，可以预先让控制器察觉到可能发生的危险，有效增加汽车驾驶的舒适性和安全性；但是，激光雷达和视觉采集传感器也有自身的缺点：（1）无论是单线激光雷达、多线激光雷达或摄像机对有雨雾的天气非常敏感，雨雾对激光雷达和视频采集吸收很厉害，所以在有雨有雾的天气，激光雷达和视频信号性能会大大下降，对无人车的安全性造成较大的影响。（2）无论是单线激光雷达、多线激光雷达或摄像机对有烟雾的环境非常敏感，烟雾对激光雷达和视频采集吸收很厉害，所以在有烟雾的天气，激光雷达和视频信号性能会大大下降，对无人车的安全性造成较大的影响。（3）无论是单线激光雷达、多线激光雷达或摄像机对有灰尘的环境非常敏感，灰尘对激光雷达和视频采集吸收很厉害，所以在有灰尘的天气，激光雷达和视频信号性能会大大下降，对无人车的安全性造成较大的影响。（4）无论是单线激光雷达、多线激光雷达或摄像机对有强光的天气非常敏感，强烈的阳光有时候可以使激光雷达和摄像机性能会大大下降，有时候甚至没有信号输出，对无人车的安全性造成较大的影响。微波是波长很短的无线电波，微波的方向性很好，速度等于光速。微波遇到障碍物立即被反射回来，可以被雷达计接收。微波雷达根据电磁波往返时间测得障碍物的距离。与红外、激光等光学导引相比，微波穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候（大雨天除外）全天时的特点；为了满足无人车全天候工作，现对基于DSP或ARM控制的单线激光雷达、多线激光雷达和具有视频采集的无人驾驶探测系统进行重新设计，引入探测范围较广、且性价比较高的全天候工作的微波雷达传感器，形成一套价格低廉、性价比相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统，包括控制系统和车顶激光雷达，其特征在于，还包括车载单目视觉摄像头、前方探测微波雷达组、后方探测微波雷达、配置在无人车车体下部的前方激光雷达组和后方激光雷达组，其中：所述车顶激光雷达用于探测到无人车前方道路的起伏以及与前方激光雷达组一并探测无人车前方运动路径中的障碍物情况；所述前方激光雷达组还用于探测无人车左前方和右前方运动路径中的障碍物情况；所述后方激光雷达组用于探测无人车后方的障碍物情况；所述车载单目视觉摄像头用于识别无人车前方的标示及配合探测障碍物情况；所述前方探测微波雷达组和后方探测微波雷达用于中远距离障碍物探测；所述控制系统包括上位机和下位机，上位机实时接收各激光雷达反馈信号并解码，然后与下位机通讯并传输输入控制信号给下位机；所述下位机为由FPGA和ARM构成的双核控制器，其中FPGA获取和处理车载单目视觉摄像头的图像数据，ARM根据FPGA处理的数据进行图像匹配，进行微波雷达测距计算，并结合解码的输入控制信号控制无人车行驶。

【技术特征摘要】
1.一种多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统，包括控制系统和车顶激光雷达，其特征在于，还包括车载单目视觉摄像头、前方探测微波雷达组、后方探测微波雷达、配置在无人车车体下部的前方激光雷达组和后方激光雷达组，其中：所述车顶激光雷达用于探测到无人车前方道路的起伏以及与前方激光雷达组一并探测无人车前方运动路径中的障碍物情况；所述前方激光雷达组还用于探测无人车左前方和右前方运动路径中的障碍物情况；所述后方激光雷达组用于探测无人车后方的障碍物情况；所述车载单目视觉摄像头用于识别无人车前方的标示及配合探测障碍物情况；所述前方探测微波雷达组和后方探测微波雷达用于中远距离障碍物探测；所述控制系统包括上位机和下位机，上位机实时接收各激光雷达反馈信号并解码，然后与下位机通讯并传输输入控制信号给下位机；所述下位机为由FPGA和ARM构成的双核控制器，其中FPGA获取和处理车载单目视觉摄像头的图像数据，ARM根据FPGA处理的数据进行图像匹配，进行微波雷达测距计算，并结合解码的输入控制信号控制无人车行驶。2.根据权利要求1所述的多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统，其特征在于，所述车顶激光雷达为1颗单线激光雷达，位于略高于车顶且与水平面近似成斜向下5~15度的车顶前部中心位置。3.根据权利要求2所述的多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统，其特征在于，所述车顶激光雷达为LMS151单线激光雷达。4.根据权利要求1所述的多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统，其特征在于，所述前方激光雷达组由3颗单线激光雷达组成，其中有两颗分别位于车头的左前部和右前部，两者中心方向均远离无人车前进方向有一个近似30度的夹角，剩余一颗位于两者的中心位置，其中心方向与无人车前进方向一致。5.根据权利要求4所述的多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统，其特征在于，所述前方激光雷达组的设置高度约离地40cm。6.根据权利要求4所述的多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统，其特征在于，所述前方激光雷达组均为LMS151单线激光雷达。7.根据权利要求1所述的多传感器融合全天候中速无人车探测避障系统，其特征在于，所述后方激光雷达组由两颗与水平面平行的单线激光雷达组...

【专利技术属性】
技术研发人员：张好明，李华京，
申请(专利权)人：江苏若博机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32