专利名称：一种非接触式无人驾驶车辆行驶状态测量系统及测量方法
技术领域：
本发明涉及无人驾驶车辆行驶状态测量系统技术领域，具体地涉及一种非接触式无人驾驶车辆行驶状态测量系统及测量方法。
背景技术：
对无人驾驶车辆在复杂环境下智能行为的监控及对其行驶状态参数(如速度、行驶位置)的测量，是实现对无人驾驶车辆环境感知、行为决策等关键技术研究水平进行科学评价的前提条件。为保证监控测量准确有效且可靠实用，必须设计一种无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统，实现对无人驾驶车辆的准确监控测量。无人驾驶车辆本身一般都安装有GPS、惯性导航系统、里程计等，可以获取无人驾驶车辆自身的位置和速度信息，所以，现有的无人驾驶车辆行驶状态测量系统有的就是采用一种方法:要求无人驾驶车辆在运行时，将速度和位置等信息实时保存下来，测试结束后，将数据绘制成曲线。这种方法存在的问题是，它无法在无人驾驶车辆运行过程中实时地进行观看相应曲线。另外一些方法是，设计一辆有人驾驶的车辆跟驰在无人驾驶车辆后面，在有人驾驶的车辆上安装有激光雷达和GPS接收器，通过激光雷达获取有人驾驶车辆与无人驾驶车辆之间的位置关系，通过GPS接收器获取有人驾驶车辆的速度和位置信息，综合二者推算出无人驾驶车辆的速度和位置信息。这种方法的问题在于，激光雷达测距的范围有限，例如某款6万元的激光雷达，其有效测距范围仅为45米左右。而对于低反射率材质，如黑色车辆，其有效范围更低，仅能保证20-30米测距范围。而实际上无人驾驶车辆在高速行进时，为了保持安全车距，有人驾驶车辆与无人驾驶车辆的间距往往超过上述激光雷达的测距范围。针对上述各种方法的不足，本发明提出一种非接触式的无人驾驶车辆行驶状态测量系统。它采用有人驾驶车辆跟驰的方案，在有人驾驶的车辆上安装毫米波雷达和GPS接收器；同等价位的毫米波雷达比激光雷达工作距离远，可达150米，且可直接获取无人驾驶车辆与有人车辆的相对速度信息(而激光雷达获取的速度信息系推算得到)。通过毫米波雷达获取有人驾驶车辆与无人驾驶车辆之间的位置关系，通过GPS接收器获取有人驾驶车辆的速度和位置信息，综合二者推算出无人驾驶车辆的速度和位置信息。此外，通过功放型远距离电子标签标识前方无人驾驶车辆，并与毫米波雷达检测结果进行匹配，得到无人驾驶车辆准确位置。并通过摄像机实时获取并保存前方无人驾驶车辆行驶时的图像，结合车道线检测结果，判断无人驾驶车辆是否跨压车道线；当检测到无人驾驶车辆跨压车道线时，自动将跨压车道线的视频单独保存，方便后续查找观看。将无人驾驶车辆视频图像与速度曲线、位置曲线综合显示在同一个屏幕中显示，并通过无线图像传输系统传输到终端监控室，供终端工作人员实时监控。
发明内容
为了达到上述目标，本发明提出的无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统，其包括无人驾驶车辆及设置在所述无人驾驶车辆上的功放型远距离电子标签，跟驰所述无人驾驶车辆的有人驾驶车辆，设置在所述有人驾驶车辆上的毫米波雷达、航向传感器、GPS接收器、摄像机、功放型远距离电子标签读卡器、无人驾驶车辆行驶状态测量装置、视频图像记录装置、综合信息显示装置；其中，所述摄像机获取所述无人驾驶车辆行驶时的视频图像信息；所述功放型远距离电子标签向所述功放型远距离电子标签读卡器发送用于标识所述无人驾驶车辆的编码信息；所述毫米波雷达用于检测所述无人驾驶车辆与所述有人驾驶车辆之间的横向距离、纵向距离以及相对速度；所述航向传感器用于检测所述有人驾驶车辆的航向角；所述GPS接收器获取所述有人驾驶车辆的经度、纬度、海拔高度、速度信息；所述无人驾驶车辆行驶状态测量装置通过所述编码信息，所述无人驾驶车辆与所述有人驾驶车辆之间的横向距离、纵向距离以及相对速度，所述有人驾驶车辆的航向角以及所述有人驾驶车辆的经度、纬度、海拔高度、速度信息，推算得到所述无人驾驶车辆的速度和位置信息；所述视频图像记录装置实时保存所述无人驾驶车辆行驶时的视频图像信息，并判断所述无人驾驶车辆是否跨压车道线；当判断到所述无人驾驶车辆跨压车道线时，自动将跨压车道线的视频图像信息单独保存；所述综合信息显示计算机通过所述无人驾驶车辆的速度和位置实时绘制所述无人驾驶车辆的速度曲线、位置曲线，并将所述速度曲线、位置曲线与所述无人驾驶车辆行驶时的视频图像信息在所述综合信息显示计算机的屏幕中显示。所述摄像机经过视频分配器、视频采集卡分别与所述无人驾驶车辆行驶状态测量装置、视频图像记录装置、综合信息显示装置相连；所述功放型远距离电子标签安装在所述无人驾驶车辆的后部；所述毫米波雷达安装在所述有人驾驶车辆的前端下部；所述摄像机安装在所述有人驾驶车辆的前端顶部，且所述摄像机为数字摄像机。所述无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统还包括设置在所述有人驾驶车辆上的无线图像发射装置，以及位于远程的终端接收与显示装置；所述无线图像发射装置将所述综合信息显示计算机屏幕中显示的信息无线发送至所述终端接收与显示装置。所述无线图像发射装置包括无线图像发射机、视频数模转换器，所述视频数模转换器的一端与所述综合信息显示计算机相连，另一端与所述无线图像发射机相连。其中，所述终端接收与显示装置包括无线图像接收机、接收机天线、视频网络服务器、Internet网络路由器、终端显示计算机。所述无线图像接收机放置于室内，所述接收机天线放置于房顶上，通过线缆与所述无线图像接收机相连。无线图像接收机通过视频线与视频网络服务器相连，视频网络服务器通过网线与Internet网络路由器相连。车载供电装置由大容量铅酸蓄电池、4个电流保险盒、4个开关和相应线缆组成。分别为无人驾驶车辆行驶状态测量装置、视频图像记录装置、综合信息显示装置、车载无线图像发射装置等4个装置供电，4个电流保险盒、4个开关为每个装置各提供一个。通过功放型远距离电子标签标识前方无人驾驶车辆，并与毫米波雷达检测结果进行匹配，得到无人驾驶车辆准确位置，进而结合有人驾驶车辆GPS信息推算得到无人驾驶车辆的速度和信息，实现对无人驾驶车辆行驶状态的自动化测量。通过摄像机实时获取并保存前方无人驾驶车辆行驶时的视频图像，结合车道线检测结果，判断无人驾驶车辆是否跨压车道线；当检测到无人驾驶车辆跨压车道线时，自动将跨压车道线的视频单独保存。本系统通过引入视频网络服务器，将接收到的无线视频实时存放在服务器中，这样在全球任何地方与路由器建立了物理联系的任何一台计算机都可以通过访问服务器地址来实时浏览到无人驾驶车辆的实时画面及行驶速度和位置曲线。该系统具有的功能是通过非接触方式实时测量得到前方无人驾驶车辆行驶状态参数，如位置和速度，并实时绘制无人驾驶车辆速度曲线和位置曲线；通过摄像机实时获取并保存前方无人驾驶车辆行驶时的图像，对于无人驾驶车辆跨压车道线的视频即时单独保存，方便后续查找观看；将无人驾驶车辆视频图像与速度曲线、位置曲线综合显示在同一个屏幕中显示，并通过无线图像传输装置传输到终端监控室中的终端接收与显示装置，供终端工作人员实时监控。本发明提出的无人驾驶车辆行驶状态监控测量方法包括如下步骤:步骤一，系统上电。步骤二，通过摄像机获取所述无人驾驶车辆的视频图像信息；步骤三，所述无人驾驶车辆行驶状态测量装置通过所述功放型远距离电子标签读卡器获取所述功放型远距离电子标签发送的编码信息，所述编码信息包括所述功放型远距离电子标签的编码以及所述功放型远距离电子标签与所述功放型远距离电子标签读卡器之间的距离，确定无人驾驶车辆所在的大致范围；步骤四，所述毫米波雷达检测目标；步骤五，将所述毫米波雷达检测的目标融合到所述无人驾驶车辆的视频图像信息中；步骤六，在所述大致范围中找到所述毫米波雷达所检测到的带有所述编码的那一个目标；步骤七，通过所述雷达检测所述带有编码的目标与所述有人驾驶车辆之间的横向距离、纵向距离、相对速度；通过所述航向传感器获取所所述有人驾驶车辆的航向角；步骤八，所述无人驾驶车辆行驶状态测量装置利用所述横向距离、纵向距离、相对速度、航向角以及所述GPS接收器所获取的所述有人驾驶车辆的经度、纬度、海拔高度、速度信息进行融合计算，获得所述无人驾驶车辆的速度与位置；步骤九，所述视频图像记录装置利用机器视觉图象处理进行车道线检测及判断；根据左右车道线在所述视频图像信息中的位置以及所述无人驾驶车辆在所述视频图像信息中的位置判断所述无人驾驶车辆是否跨压所述左右车道线；步骤十，当所述无人驾驶车辆跨压所述左右车道线时，向所述视频图像记录装置发送跨压车道线标志，所述视频图像记录装置自动开始保存所述无人驾驶车辆跨压所述左右车道线的视频图像信息；
步骤十一、将所述无人驾驶车辆的速度和位置信息发送至所述综合信息显示装置，所述综合信息显示装置绘制所述无人驾驶车辆的速度曲线和位置曲线；步骤十二、所述综合信息显示装置将所述无人驾驶车辆的视频图像信息与所述速度曲线和位置曲线综合显示在同一个屏幕中，并通过所述无线图像传输装置将所述屏幕中显示的信息发送至所述终端接收与显示装置。此外，当所述无人驾驶车辆返回原来所在车道，即再次跨压所述左右车道线时，向所述视频图像记录装置再次发送跨压车道线标志，所述视频图像记录装置结束所述无人驾驶车辆跨压所述左右车道线的视频图像信息的保存。应用本发明，可以取得以下有益效果:采用本发明提出的无人驾驶车辆行驶状态测量系统可以实现非接触式的测量，不会对被测试无人驾驶车辆产生任何干扰。本系统中采用毫米波雷达，比激光雷达成本要低，且检测距离远，不需要计算即可直接获取准确的相对速度。本发明使用功放型远距离电子标签，可以实现100米以上的测距。本系统采取电子标签初步确定无人驾驶车辆所在位置，计算出感兴趣区域。在感兴趣区域内，提取毫米波雷达检测结果，得到无人驾驶车辆的准确位置，进而结合有人驾驶车辆GPS信息推算得到无人驾驶车辆的速度和信息，实现对无人驾驶车辆行驶状态的自动化测量。通过摄像机实时获取并保存前方无人驾驶车辆行驶时的图像，结合车道线检测结果，判断无人驾驶车辆是否跨压车道线，当检测到无人驾驶车辆跨压车道线时，自动将跨压车道线的视频单独保存，方便后续查看。将无人驾驶车辆视频图像与速度曲线、位置曲线综合显示在同一个屏幕中显示，并通过无线图像传输装置传输到终端监控室，供终端工作人员实时监控。
下列附图在此作为本发明的一部分以便于理解，附图中:图1为本发明中无人驾驶车辆行驶状态测量系统的整体框图；图2为本发明中无人驾驶车辆行驶状态测量系统各装置部件的实际位置布置示意图；图3为本发明中计算机及数据连接装置的结构示意图；图4为本发明中无线图像发射装置的示意图；图5为本发明中终端接收与显示装置的示意图；图6为本发明中车载供电装置的示意图；图7为本发明中无人驾驶车辆行驶状态测量系统的计算机程序界面；图8为本发明中感兴趣区域确定方法的示意图；图9为本发明中雷达坐标系的示意图；图10为本发明中图像坐标系的示意图；图11为本发明中视频图像记录装置的计算机程序界面；图12为本发明中综合信息显示装置的计算机程序界面；
图13为本发明中无人驾驶车辆行驶状态测量系统的工作流程图。
具体实施例方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。下面结合附图，说明本发明的实施方式。如图1-图3所示，本发明提出的无人驾驶车辆行驶状态测量系统包括无人驾驶车辆8及设置在无人驾驶车辆8后部的功放型远距离电子标签111，跟驰无人驾驶车辆8的有人驾驶车辆101，设置在有人驾驶车辆101上的无人驾驶车辆行驶状态测量装置1、视频图像记录装置2、综合信息显示装置3、和无线图像发射装置4和车载供电装置6，以及可设置在终端监控室中的远程终端接收与显示装置5。如图1所示，无人驾驶车辆行驶状态测量装置I的计算结果输出至视频图像记录装置2和综合信息显示装置3，综合信息显示装置3的显示结果输出到无线图像发射装置4，无线图像发射装置4通过无线方式将显示结果发送到远程终端接收与显示装置5。车载供电装置6为无人驾驶车辆行驶状态测量装置1、视频图像记录装置2、综合信息显示装置3和无线图像发射装置4供电。如图2-图3所示，在本发明所提出的无人驾驶车辆行驶状态测量系统中，有人驾驶车辆101上设置有毫米波雷达102、航向传感器120、摄像机105、GPS天线104、无线图像发射机401、发射机天线402、、车载供电装置6、计算机及数据连接装置7、功放型远距离电子标签读卡器109。如图2所示，毫米波雷达102安装在有人驾驶车辆101的前端下部，摄像机105安装在有人驾驶车辆的前端顶部，GPS天线104放置在有人驾驶车辆顶部偏前任意位置，发射机天线402放置在有人驾驶车辆顶部偏后任意位置。无线图像发射机401及车载供电装置6放于车厢内后部位置。计算机及数据连接装置7放于车厢内驾驶室后的机柜内。如图3所示，计算机及数据连接装置7包括视频分配器701、视频采集卡205、视频采集卡303、视频采集卡702、行驶状态测量计算机106、视频图像记录计算机203、综合信息显示计算机302、网线107、网线204、网线301、HUB集线器108、功放型远距离电子标签读卡器109、GPS接收器103、航向传感器120、视频数模转换器403。摄像机105拍摄的视频图像经视频分配器701分配后，再分别经视频采集卡702、视频采集卡205、视频采集卡303与行驶状态测量计算机106、视频图像记录计算机203、综合信息显示计算机302相连。视频数模转换器403的一端与综合信息显示计算机302的显示器接口相连。该摄像机105既可以是数字摄像机，也可以是模拟摄像机。网线107的一端与HUB集线器108相连，另一端与行驶状态测量计算机106相连。网线204的一端与HUB集线器108相连，另一端与视频图像记录计算机203相连。网线301一端与HUB集线器108相连，另一端与综合信息显示计算机302相连。功放型远距离电子标签读卡器109、GPS接收器103、航向传感器120分别通过各自的线缆与行驶状态测量计算机106相连。如图2-图3所示，无人驾驶车辆行驶状态测量装置I由有人驾驶车辆101、毫米波雷达102、GPS接收器103、GPS天线104、摄像机105、视频分配器701、视频采集卡702、网线107、HUB集线器108、功放型远距离电子标签读卡器109、功放型远距离电子标签111、行驶状态测量计算机106组成。毫米波雷达102安装在有人驾驶车辆101的前端下部，摄像机105安装在有人驾驶车辆101的前端顶部，GPS接收器103、航向传感器120和行驶状态测量计算机106安装在有人驾驶车辆101内部后舱位置，HUB集线器108放置于车内行驶状态测量计算机106旁边，GPS天线104放置在有人驾驶车辆101后端顶部。网线107的一端与HUB集线器108相连，另一端与行驶状态测量计算机106相连。功放型远距离电子标签读卡器109放于有人驾驶车辆101的适当位置。如图2-3所示，视频图像记录装置2由摄像机105、视频分配器701、视频采集卡205、视频图像记录计算机203组成。摄像机105通过视频分配器701、视频采集卡205与视频图像记录计算机203相连。网线204的一端与HUB集线器108相连,另一端与视频图像记录计算机203相连。视频图像记录计算机203的程序界面如图11所示。单击图11界面中的“打开图像”，在上部界面中将显示摄像机105获取的前方图像。在“车号”编辑框中输入当前被测试无人驾驶车辆的车号num，并单击“开始保存”，此时在视频图像记录计算机203的磁盘上将开始记录并保存视频文件，当测试结束时，单击“结束保存”，此时在视频图像记录计算机203的磁盘上将显示文件名为“num.avi”的视频文件。在测试开始时，同时单击“计数开始”按钮，在“显示时间”编辑框中将出现时间，其格式为hh-mm-ss，初始值为00-00-00。在测试过程中，后台程序一直经由HUB集线器108读取来自行驶状态测量计算机106的跨压车道线标志，如果标志是10，说明无人驾驶车辆8跨压左车道线，假设此时“显示时间”编辑框中显示为“00-28-54”，后台程序将自动获取该时间，此时在视频图像记录计算机203的磁盘上将开始记录并保存无人驾驶车辆8本次跨压车道线视频文件，当无人驾驶车辆8回到本车道时，即读取到来自行驶状态测量计算机106的跨压车道线标志变为00，此时后台程序将结束本次保存。此时在视频图像记录计算机203的磁盘上将显示文件名为“00-28-54-left, avi”的无人驾驶车辆8本次跨压车道线视频文件。类似地，如果标志是01，说明无人驾驶车辆8跨压右车道线，则在视频图像记录计算机203的磁盘上将显示文件名为“00-28-54-right, avi”的无人驾驶车辆8本次跨压右车道线视频文件。测试结束后，在视频图像记录计算机203的磁盘上文件名为“num.avi”的视频文件即为本次测试中无人驾驶车辆的全过程视频；在视频图像记录计算机203的磁盘上文件名为类似于“00-28-54-left, avi”的所有视频文件均为本次测试过程中无人驾驶车辆8跨压车道线的视频，这样不需要从“num.avi”的视频文件中进行查找，即可快速找到跨压车道线的视频，而且由于文件名中含有时间信息，可以方便地统计出跨压车道线的时间长度。如图2-3所示，综合信息显示装置3由摄像机105、视频分配器701、视频采集卡303、综合信息显示计算机302组成。网线301 —端与HUB集线器108相连，另一端与综合信息显示计算机302相连。综合信息显示计算机302安装在有人驾驶车辆101内部后舱位置。摄像机105通过视频分配器701、视频采集卡303与综合信息显示计算机302相连。综合信息显示计算机302的程序界面如图12所示。界面左侧为摄像机105实时获取的无人驾驶车辆视频图像信息，与图11界面中上部图像一样。右侧界面分别为无人驾驶车辆位置曲线、速度曲线，由行驶状态测量计算机106通过网线301将计算的位置(e3，n3)和速度v3实时传输过来，在图中实时绘制而成。绘制的过程如下:第一个位置传来时，在图中标出来；第二个位置传来时，也在图中标出来，把两位置用直线相连，依此类推。速度的曲线也是一样。系统工作后，综合信息显示计算机302程序界面的实时内容将由无线图像发射机401发射出去。如图4所示，无线图像发射装置4由无线图像发射机401、发射机天线402、视频数模转换器403组成。无线图像发射机401安装在有人驾驶车辆101内部后舱。发射机天线402放置在有人驾驶车辆101顶端后部，通过线缆与无线图像发射机401相连。视频数模转换器403的VGA接口 一端与综合信息显示计算机302的显示器接口相连，另一端S端子与无线图像发射机401相连。系统工作后，综合信息显示计算机302程序界面的实时内容将由无线图像发射机401发射出去。如图5所示，可设置在终端监控室中的远程终端接收与显示装置5由无线图像接收机501、接收机天线502、视频线503、大屏幕显示器504、视频网络服务器505、Internet网络路由器506、终端显示计算机507组成。无线图像接收机501放置于室内，接收机天线502放置于房顶上，通过线缆与无线图像接收机501相连。视频线503 —端与无线图像接收机501的视频输出口相连，另一端与视频网络服务器505的视频输入口相连。视频网络服务器505通过网线与Internet网络路由器506相连。终端显示计算机507通过另一根网线与Internet网络路由器506的任一网线接口相连。终端显示计算机507的VGA显示器接口与大屏幕显示器504相连。根据Internet网络路由器506的配置设置好视频网络服务器505的IP地址、子网掩码、网关地址、DNS服务器地址等参数。系统工作后，综合信息显示计算机302程序界面的实时内容将经无线图像发射机401发射出去、经无线图像接收机501接收，并将视频图像输入到视频网络服务器505，在终端显示计算机507中访问视频网络服务器505的IP地址，即可浏览到远程无人驾驶车辆的实时画面及行驶速度和位置曲线，同时在大屏幕显示器实时显示出来，达到远程实时监控的效果。如果Internet网络路由器506与公网相连,贝U在全球任何地方与Internet网络路由器506建立了物理联系任何一台计算机都可以通过访问视频网络服务器505的IP地址来实时浏览到无人驾驶车辆的实时画面及行驶速度和位置曲线。如图6所示，车载供电装置6由大容量铅酸蓄电池601、4个电流保险盒602、603、604,605,4个开关606、607、608、609和相应线缆组成。分别为无人驾驶车辆行驶状态测量装置1、视频图像记录装置2、综合信息显示装置3、车载无线图像发射装置4等4个装置供电，4个电流保险盒、4个开关为每个装置各提供一个。下面结合图7-13，说明本发明提出的无人驾驶车辆行驶状态测量系统的工作流程。本发明提出的无人驾驶车辆行驶状态测量系统具有的功能是通过非接触方式实时测量得到前方无人驾驶车辆行驶状态参数，如位置和速度，并实时绘制无人驾驶车辆速度曲线和位置曲线；通过摄像机实时获取并保存前方无人驾驶车辆行驶时的图像，对于无人驾驶车辆跨压车道线的视频即时单独保存，方便后续查找观看；将无人驾驶车辆视频图像与速度曲线、位置曲线综合显示在同一个屏幕中显示，并通过无线图像传输装置至位于终端监控室中的远程终端接收与显示装置，供终端工作人员实时监控。上电后，功放型远距离电子标签111不断向外发出无线信号，能够传很远的距离(最大300米)，该无线信号带有编码，每个电子标签的编码是唯一的。功放型远距离电子标签读卡器109接收到无线信号后进行解码，然后将解码信息发送给行驶状态测量计算机106，上述解码信息包括电子标签111的唯一编码以及它与电子标签读卡器109的距离。有人驾驶车辆101跟驰在被测试的无人驾驶车辆8后方，与无人驾驶车辆8保持30 - 120米的距离。毫米波雷达102可输出8个检测目标、水平方位角探测范围15°、检测距离最大为150米，每个目标返回4个值，分别为目标序号、目标与毫米波雷达之间的横向距离、纵向距离、相对速度；它的数据输出接口为CAN总线形式，通过CAN转USB转换器与行驶状态测量计算机106相连。航向传感器120可检测有人驾驶车辆101的航向角Θ。GPS接收器103通过GPS天线104，可获取有人驾驶车辆101的经度、纬度、海拔高度、速度，通过RS232串口与行驶状态测量计算机106相连。摄像机105用来获取前方无人驾驶车辆的图像信息，它的数据输出为1394火线，通过视频分配器701、视频采集卡702与行驶状态测量计算机106相连。行驶状态测量计算机106的程序界面如图7所示。单击“系统开始工作”，后台程序依次完成以下工作(在整个测试过程中，这些工作是不断循环进行的，直到测试结束):(I)行驶状态测量计算机106获取由功放型远距离电子标签读卡器109发送来的解码信息，包括电子标签111的唯一编码以及它与电子标签读卡器109的距离。由于电子标签111放置于无人驾驶车辆8上，电子标签读卡器109放于有人驾驶车辆101上，因此可初步得到两车的距离R。(2)确定感兴趣区域，即无人驾驶车辆所在的大致范围如图8所示，由于电子标签111检测距离有误差，假设误差为正负5米，以有人驾驶车辆101 (图8中圆心位置的方框)作为圆心，分别以(R + 5)、(R — 5)为半径画出2个圆，直线21、23、24、26分别为三条车道的车道线。直线22是车道线23向外偏移一个车宽(如2米)后的直线；直线25是车道线24向外偏移一个车宽(如2米)后的直线。由于无人驾驶车辆8 (图8中斜线区域中的方框)可能跨压车道线行驶，所以在本车道线宽度范围内向外扩展了一个车道宽度。则最小圆、最大圆与直线22、25构成的区域即为感兴趣区域，如图8中斜线所示，从而可确定无人驾驶车辆所在的大致范围。( 3)毫米波雷达检测目标，并将目标融合到图像中本发明中毫米波雷达102可以检测到前方8个目标，可以得到每个目标与毫米波雷达102之间的横向距离和纵向距离，即图9中x，y方向的距离。由于毫米波雷达102的水平视场角为15度，所以这8个目标一定分布在图9中的两条虚线夹角范围内。以毫米波雷达102为原点，可以建立图9所示x-y坐标系，即雷达坐标系。用毫米波雷达102检测到的每个目标的横向距离和纵向距离即是在这个坐标系下(单位为米)。而用视觉获得的图像，是在图10中所示的图像坐标系下，以分辩率为800*600为例，即表示图像的宽度(图10中的u方向)为800像素，高度(图9中的V方向)为600像素。图像坐标系的单位为像素。为了把毫米波雷达102检测到的目标显示在图像坐标系中，需要进行坐标系和单位的转换，这个过程称为融合。融合的过程是本领域公知的，下面简单介绍本发明中图像融合的主要原理。毫米波雷达检测点可以通过相关转换关系直接投影到图像像素坐标系上，转换关系如下所示:Pc = Φ (P1- Δ) (I)这里P。是3维空间中点P在图像坐标系中的点,P1则是点P在毫米波雷达坐标系中的点。Λ是平移向量；Φ是从摄像机坐标系到毫米波雷达坐标系的旋转矩阵。通过不同位置的多个特征点建立方程，最后通过线性方程组求解，可获得旋转矩阵和平移向量。。通过不同位置的多个特征点建立约束方程，最后通过线性方程组求解，可获得旋转矩阵和平移向量。当毫米波雷达102与摄像机105在有人驾驶车辆101上安装好以后，以上参数的求取，只需要进行一次。系统工作时，每次毫米波雷达102检测到目标后，用公式(I)即可实用计算出其在图像坐标系中的点，即可在图像中实时显示。融合后的结果就是在图像中标出毫米波雷达检测到的8个目标。如图7中所示。(4)毫米波雷达102检测到8个目标后，对每个目标会自动编号，从nl — n8，在nl-n8中找到带有电子标签111编码信息的那个目标，即为无人驾驶车辆8。在上面所述的感兴趣区域中找到无人驾驶车辆8后，将该目标序号m (图7中是n3)，赋值给η。(5)读取毫米波雷达102检测目标序号为η的目标与有人驾驶车辆101的横向距离、纵向距离、相对速度，并与GPS数据综合进行计算，可获得无人驾驶车辆8的速度与位置。首先将有人驾驶车辆实时获取的GPS输出的ECEF (地心地固坐标系Earth-Centered, Earth-Fixed)坐标系统下的讳度(λ )、经度(P)和高度(h),转化成平面坐标系 UTM (Universal Transverse Mercartor Grid System,通用横墨卡托格网系统下)下的坐标(e，n)。假设有人驾驶车辆在整个测试刚开始时，计算得到的平面坐标为(eO，n0)。又，假设计算得到的有人驾驶车辆在某一时刻根据获取的GPS值计算得到的平面坐标为(el，nl)，相对于大地的速度为vl，以及由航向传感器120获取航向角Θ ;另外，根据毫米波雷达得到的有人驾驶车辆与无人驾驶车辆的纵向距离为x2，相对速度为v2，则可求得无人驾驶车辆相对于起点的位置信息，用坐标表示为:e3=el-e0+x2cos Θ ；n3=nl-n0+x2sin θ ；无人驾驶车辆相对于大地的速度为:v3=vl+v2;(6)车道线检测及判断运用机器视觉图象处理进行车道线检测及判断；即根据左右车道线在图像中的位置以及无人驾驶车辆在图像中的位置可以判断无人驾驶车辆是否跨压车道线，并向视频图像记录计算机203发送标志位，跨压左车道线发送标志位10、跨压右车道线时发送标志位
01、未跨压时发送标志位00。
上述机器视觉图象处理技术为本领域内公知的技术，这里不再详细描述，下面仅给出其中的一种处理算法，即分为以下步骤:A、获取输入图像，采用3X3模板的中值滤波对图像滤波；B、用sobel算子进行边缘检测；C、使用阈值T对图值二值化，阈值T求取方法如下:计算出图像中像素的最大阈值Zh和最小阈值Π ；求取Zh和Zl的平均值TO ；
以TO为界，求取图像中阈值小于TO的像素阈值平均值Z0，再求取阈值大于TO的像素阈值平均值Zb ；求取ZO和Zb的平均值作为该帧图像中动态窗口图像的阈值T。D、直线拟合使用Hough变换对车道标志线进行直线拟合。进而确定车道标志线。(本领域中公知的一种方法)其中，需要说明的一点是，由于上文中毫米波雷达所检测到的目标实际上是无人驾驶车辆上电子标签所代表的点，而无人驾驶车辆是有一定宽度的，为了更精确的判断是否跨压车道线。具体判断时，可以根据电子标签在无人驾驶车辆上的具体位置，考虑电子标签距无人驾驶车辆最左侧或最右侧的距离，在进行跨压车道线判断时，将上述距离加以修正。这种修正对于本领域技术人员来说同样是显而易见的，在此不再赘述。下面结合图13详细说明系统的工作流程步骤一，系统上电。步骤二，通过摄像机获取无人驾驶车辆行驶图像信息；步骤三，行驶状态测量计算机106通过usb接口获取由功放型远距离电子标签读卡器109发送来的解码信息，包括电子标签111的唯一编码以及它与109的距离。由于电子标签111放置于无人驾驶车辆8上，读卡器109放于有人驾驶车辆上，因此可初步得到两车的距离R。根据两车的距离R及电子标签测量误差，可确定无人驾驶车辆所在的大致范围。步骤四，毫米波雷达检测目标。步骤五，将毫米波雷达检测的目标融合到无人驾驶车辆行驶图像中。步骤六，在无人驾驶车辆所在的大致范围中找到毫米波雷达所检测到的带有电子标签编码的那一个目标，即为无人驾驶车辆。步骤七，将该目标序号m，赋值给η。步骤八，读取毫米波雷达检测目标序号为η的目标与有人驾驶车辆的横向距离、纵向距离、相对速度；步骤九，将毫米波雷达检测的上述信息结合航向角及GPS数据进行融合计算，获得无人驾驶车辆的速度与位置。步骤十，利用机器视觉图象处理进行车道线检测及判断；根据左右车道线在图像中的位置以及无人驾驶车辆在图像中的位置判断无人驾驶车辆是否跨压车道线。步骤i^一，向视频图像记录计算机203发送无人驾驶车辆是否跨压车道线标志位；向综合信息显示计算机302发送计算得到的无人驾驶车辆位置和速度。在测试过程中，视频图像记录计算机203的后台程序一直经由HUB集线器108读取来自行驶状态测量计算机106的跨压车道线标志，根据标志确定是否启动跨压车道线保存程序。步骤十二，如果判断出无人驾驶车辆跨压车道线，则启动跨压车道线保存程序。如上文所述，例如如果标志是10，说明无人驾驶车辆8跨压左车道线，假设此时“显示时间”编辑框中显示为“00-28-54”，后台程序将自动获取该时间，此时在视频图像记录计算机203的磁盘上将开始记录并保存无人驾驶车辆8本次跨压车道线视频文件，当无人驾驶车辆8回到本车道时，即读取到来自行驶状态测量计算机106的跨压车道线标志变为00，此时后台程序将结束本次保存。步骤十三，综合信息显示计算机302 —直经由HUB集线器108读取来自行驶状态测量计算机106的计算的无人驾驶车辆位置(e3，n3)和速度ν3，并在实时绘制出无人驾驶车辆的位置曲线和速度曲线。步骤十四，系统工作后，综合信息显示计算机302程序界面的实时内容经无线图像发射机401发射出去、经无线图像接收机501接收，并将视频图像输入到视频网络服务器505。在终端显示计算机507中访问视频网络服务器505的IP地址，即可浏览到远程无人驾驶车辆的实时画面及行驶速度和位置曲线，同时在大屏幕显示器实时显示出来，达到远程实时监控的效果。本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
权利要求
1.一种无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统，其包括无人驾驶车辆及设置在所述无人驾驶车辆上的功放型远距离电子标签，跟驰所述无人驾驶车辆的有人驾驶车辆，设置在所述有人驾驶车辆上的雷达、航向传感器、GPS接收器、摄像机、功放型远距离电子标签读卡器、无人驾驶车辆行驶状态测量装置、视频图像记录装置、综合信息显示装置；其中， 所述摄像机获取所述无人驾驶车辆行驶时的视频图像信息； 所述功放型远距离电子标签向所述功放型远距离电子标签读卡器发送用于标识所述无人驾驶车辆的编码信息； 所述雷达用于检测所述无人驾驶车辆与所述有人驾驶车辆之间的横向距离、纵向距离以及相对速度； 所述航向传感器用于检测所述有人驾驶车辆的航向角； 所述GPS接收器获取所述有人驾驶车辆的经度、纬度、海拔高度、速度信息； 所述无人驾驶车辆行驶状态测量装置通过所述编码信息，所述无人驾驶车辆与所述有人驾驶车辆之间的横向距离、纵向距离以及相对速度，所述有人驾驶车辆的航向角以及所述有人驾驶车辆的经度、纬度、海拔高度、速度信息，推算得到所述无人驾驶车辆的速度和位置信息； 所述视频图像记录装置实时保存所述无人驾驶车辆行驶时的视频图像信息，并判断所述无人驾驶车辆是否跨压车道线；当判断到所述无人驾驶车辆跨压车道线时，自动将跨压车道线的视频图像信息单独保存； 所述综合信息显示 计算机通过所述无人驾驶车辆的速度和位置实时绘制所述无人驾驶车辆的速度曲线、位置曲线，并将所述速度曲线、位置曲线与所述无人驾驶车辆行驶时的视频图像信息在所述综合信息显示计算机的屏幕中显示。
2.如权利要求1所述的无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统，其特征在于: 所述摄像机经过视频分配器、视频采集卡分别与所述无人驾驶车辆行驶状态测量装置、视频图像记录装置、综合信息显示装置相连；
3.如权利要求1或2所述的无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统，其特征在于: 所述功放型远距离电子标签安装在所述无人驾驶车辆的后部；所述雷达安装在所述有人驾驶车辆的前端下部；所述摄像机安装在所述有人驾驶车辆的前端顶部，且所述摄像机为数字摄像机。
4.如权利要求1或2所述的无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统，其特征在于: 所述无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统还包括设置在所述有人驾驶车辆上的无线图像发射装置，以及位于远程的终端接收与显示装置；所述无线图像发射装置将所述综合信息显示计算机屏幕中显示的信息无线发送至所述终端接收与显示装置。
5.如权利要求4所述的无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统，其特征在于: 所述无线图像发射装置包括无线图像发射机、视频数模转换器，所述视频数模转换器的一端与所述综合信息显示计算机相连，另一端与所述无线图像发射机相连。
6.一种采用权利要求1所述无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统的无人驾驶车辆行驶状态监控测量方法，包括如下步骤: 步骤一,系统上电。
步骤二，通过摄像机获取所述无人驾驶车辆的视频图像信息；步骤三，所述无人驾驶车辆行驶状态测量装置通过所述功放型远距离电子标签读卡器获取所述功放型远距离电子标签发送的编码信息，所述编码信息包括所述功放型远距离电子标签的编码以及所述功放型远距离电子标签与所述功放型远距离电子标签读卡器之间的距离，确定无人驾驶车辆所在的大致范围； 步骤四，所述雷达检测目标； 步骤五，将所述雷达检测的目标融合到所述无人驾驶车辆的视频图像信息中； 步骤六，在所述大致范围中找到所述雷达所检测到的带有所述编码的那一个目标；步骤七，通过所述雷达检测所述带有编码的目标与所述有人驾驶车辆之间的横向距离、纵向距离、相对速度；通过所述航向传感器获取所所述有人驾驶车辆的航向角； 步骤八，所述无人驾驶车辆行驶状态测量装置利用所述横向距离、纵向距离、相对速度、航向角以及所述GPS接收器所获取的所述有人驾驶车辆的经度、纬度、海拔高度、速度信息进行融合计算，获得所述无人驾驶车辆的速度与位置； 步骤九，所述视频图像记录装置利用机器视觉图象处理进行车道线检测及判断；根据左右车道线在所述视频图像信息中的位置以及所述无人驾驶车辆在所述视频图像信息中的位置判断所述无人驾驶车辆是否跨压所述左右车道线； 步骤十，当所述无人驾驶车辆跨压所述左右车道线时，向所述视频图像记录装置发送跨压车道线标志，所述视频图像记录装置自动开始保存所述无人驾驶车辆跨压所述左右车道线的视频图像信息； 步骤十一、将所述无人驾驶车辆的速度和位置信息发送至所述综合信息显示装置，所述综合信息显示装置绘制所述无人驾驶车辆的速度曲线和位置曲线； 步骤十二、所述综合信息显示装置将所述无人驾驶车辆的视频图像信息与所述速度曲线和位置曲线综合显示在同一个屏幕中，并通过所述无线图像传输装置将所述屏幕中显示的信息发送至所述终端接收与显示装置。
7.如权利要求6所述的无人驾驶车辆行驶状态监控测量方法，其特征在于: 当所述无人驾驶车辆返回原来所在车道，即再次跨压所述左右车道线时，向所述视频图像记录装置再次发送跨压车道线标志，所述视频图像记录装置结束所述无人驾驶车辆跨压所述左右车道线的视频图像信息的保存。
全文摘要
一种非接触式无人驾驶车辆行驶状态监控测量系统及测量方法，该系统包括无人驾驶车辆及设置在所述无人驾驶车辆后部的功放型远距离电子标签，所述无人驾驶车辆的有人驾驶车辆，设置在所述有人驾驶车辆上的毫米波雷达、航向传感器、GPS接收器、摄像机、功放型远距离电子标签读卡器、无人驾驶车辆行驶状态测量装置、视频图像记录装置、综合信息显示装置、和无线图像发射装置，以及位于远程的终端接收与显示装置。该方法通过非接触方式实时测量得到前方无人驾驶车辆行驶状态参数，如轨迹和速度，并实时绘制无人驾驶车辆速度曲线和轨迹曲线。
文档编号G01S17/50GK103150786SQ20131012083
公开日2013年6月12日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者熊光明, 龚建伟, 刘鹏, 李勇, 陈慧岩 申请人:北京理工大学