利用激光雷达检测车道线的4种方法.doc

利用激光雷达检测车道线的4种方法通过理论分析和实验验证可知一二两层返回的信息主要包括路面、车道线、少量障碍物和边界数据；三四两层主要返回道路边界、障碍物和少量路表信息，所以在特征种子点提取阶段需要重点分析一二两层的雷达数据，这部分数据中对于车道线检测最大的干扰在于路面，提取车道线种子点特征的重点就是分离车道线特征与路面特征。基于视觉系统的车道线检测有诸多缺陷首先，视觉系统对背景光线很敏感，诸如阳光强烈的林荫道，车道线被光线分割成碎片，致使无法提取出车道线。其次，视觉系统需要车道线的标识完整，有些年久失修的道路，车道线标记不明显，不完整，有些刚开通几年的道路也是如此。第三，视觉系统需要车道线的格式统一，这对按照模型库识别车道线的系统尤其重要，有些车道线格式很奇特，比如蓝颜色的车道线，很窄的车道线，模型库必须走遍全国将这些奇特的车道线一一收录，才能保证顺利检测。再次，视觉系统无法对应低照度环境，尤其是没有路灯的黑夜。一般LKW要求时速在72公里以上才启动，原因之一是速度比较高时人不会轻易换道，另一个原因就是比较低的车速意味着视觉系统的取样点不足，拟合的车道线准确度较低。而激光雷达的有效距离一般是视觉系统的4-5倍，有效的采样点比较多，车速较低时检测准确度远高于视觉系统。最后，如果车道线表面被水覆盖，视觉系统会完全无效。视觉系统最大的优点就是成本低。因此自2008年后，学术界已经很少研究基于视觉系统的车道线检测，转而利用激光雷达检测车道线，激光雷达可以解决上述所有问题，包括车道线被水覆盖，激光雷达最大可穿越70米的水深。激光雷达唯一的缺点就是成本太高。基于雷达扫描点密度的车道线检测早期激光雷达检测车道线是基于雷达扫描点密度的车道线检测方法，该方法通过获取雷达扫描点的坐标并转换成栅格图，用原始数据映射栅格图，可以是直接坐标栅格图也可以是极坐标栅格图。按照后期处理需要进行选择，极坐标栅格图被直接用于车道线识别，即有多个点映射的栅格就被认为是车道线点，该识别方法对特征提取的要求很高，且受距离影响严重，因为极坐标栅格距离越近栅格精度越高，车道线识别的精度越高，距离越远栅格精度越低导致识别车道线的精度就越低然后利用栅格图中点的密度提取车道线。对于点密度的求取可以采用直方图统计的方式，通过直方图统计点密度快捷直观，容易理解。由于基于扫描点密度的检测方法没有很复杂的中间过程，所以实时性高，在快速检测中受到大家的青睐。但是该方法只获取了扫描点的位置信息，对于雷达反馈的其他信息都没有进一步分析，容易把一些与车道线扫描点密度类似的道路信息混进车道线检测结果中；或者在车道线与其他障碍物靠近或重合时，无法区分出障碍物和车道线，他们只能被当作一个整体保留或剔除。所以此方法的抗干扰能力差，容易出现误检。这种方法目前已经不常使用。激光雷达检测车道线的四种方法目前激光雷达检测车道线主要有四种方法： 基于激光雷达回波宽度； 基于激光雷达反射强度信息形成的灰度图，或者根据强度信息与高程信息配合，过滤出无效信息； 激光雷达SLAM与高精度地图配合，不仅检测车道线还进行自车定位； 利用激光雷达能够获取路沿高度信息或物理反射信息不同的特性，先检测出路沿，因为道路宽度是已知，根据距离再推算出车道线位置。对于某些路沿与路面高度相差低于3厘米的道路，这种方法无法使用。后三种方法需要多线激光雷达，最少也是16线激光雷达。前者可以使用4线或单线激光雷达，考虑到奥迪A8已经开始使用4线激光雷达，4线激光雷达已经进入实用阶段。当然，这四种方法也可以混合使用。车道线检测两步走车道线检测基本分两部走：提取几何或物理特征，利用离散数据拟合成车道线。无论是视觉还是激光雷达，通常都是用最小二乘法拟合车道线。离散数据拟合车道线Ibeo是最适合第一种方法的激光雷达。Ibeo的激光雷达特有三次回波技术。每点激光返回三个回波，返回信息能够更加可靠地还原被测物体，同时能够精确分析相关物体数据，并能识别雨、雾、雪等不相关物体的数据。如图所示，其中W表示回波脉冲宽度，d表示扫描目标的距离。反射率作为物体的固有属性，受物体材质、颜色等的影响，能够很好地反映物体特征，不同颜色。密度的物体的反射率都有一定的差异，物体反射率决定Ibeo回波脉冲宽度特性，路面和车道线有着明显的差异，所以可以利用回波脉冲宽度的差异对目标进行区分。上图为典型的车道线标识回波宽度很明显，路面的回波宽度在2米左右，车道线的回波宽度在4米左右。根据Ibeo的特性知道其垂直方向上的扫描角度为3.2度，共分四层扫描，即每层0.8度，在Ibeo水平安装的情况下，并考虑到实际情况一一Ibeo的高度受车体的限制，其下面两层（一、二层）主要返回道路表面的信息，而上面两层（三、四层）主要返回有一定高度的道路信息。根据激光雷达的特性知道激光束扫描到物体会立即产生回波，一二两层的扫描距离远小于三四两层。通过理论分析和实验验证可知一二两层返回的信息主要包括路面、车道线、少量障碍物和边界数据；三四两层主要返回道路边界、障碍物和少量路表信息，所以在特征种子点提取阶段需要重点分析一二两层的雷达数据，这部分数据中对于车道线检测最大的干扰在于路面，提取车道线种子点特征的重点就是分离车道线特征与路面特征。最小二乘法拟合车道线通过最小类内方差算法找到路面与车道线的分割阈值，利用误差分析原理剔除车道线集合范围内的粗大误差，即剔除干扰信息，提取出车道线特征种子点。然后再拟合成车道线。最小类内方差是一种自适应阈值的求取方法，也是一种模糊聚类方法。其基本思想是使用一个阈值将整体数据分成两个类，因为方差是数值分布是否均匀的度量，两个类的内部的方差和越小则每一类内部的差别就越小，那么两个类之间的差别就越大。如果存在一个阈值使得类内方差和最小则说明这个阈值就是划分两类的最佳阂值，使用最佳阈值划分意味着划分两类出现偏差的概率最小。通过回波脉冲宽度利用最小类内方差算法建模分割车道线特征与路面特征，剔除车道线特征提取的最大干扰。对回波脉冲宽度进行统计分析，并划分脉冲宽度级别，因为直接使用脉冲宽度值其分布不利于统计，采用对脉冲宽度平均区域划分即脉冲宽度级，统计各级内的点数，从而得到回波脉冲宽度分布直方图。再利用诸如模糊聚类分析方法剔除干扰值。最小二乘法近似求解不断优化靠近真实值的数学方法，它可以利用己知数据简便地求得未知数据，并不断优化保证求得的数据与真实数据问的误差的平方和最小。利用最小二乘法拟合曲线，就是不断优化求取某条曲线使其最能体现已有数据点的变化趋势，具体过程是利用已知的数据点优化求取最优的未知数据合成一条最佳的曲线，并保证已有数据点到曲线的距离的平方和最小。也就是说，曲线拟合不要求近似曲线过所有数据点，只需要己知的数据点都距离在这条曲线的不远处，即这条曲线能反映数据点的整体分布，又不至于出现较大的局部波动，已知数据与曲线的偏差的平方和达到最小就能有效控制波动。简而言之，最小二乘法拟合就是利用最小化误差的平方和求取数据的最佳函数匹配。基于激光雷达反射强度信息根据反射强度值做的车道线检测，在车载激光雷达获取的道路周围环境点云数中，可以轻松区分出道路与车道线。具体到车载激光雷达获取的道路周围环境三维点云数据中，可以看作一个局部均值变点模型，每一激光层采集的可行驶区域内回波强度值就是一组输出序列，其回波强度值变化的点就是所要求的车道标线点集。现在只须在每一激光层采集的可行驶区域内回波强度值输出序列中检测是否有变化点，若存在则标记并提取这些变点。基于车载雷达获取的智能车感兴趣区域内海量点云数据中的T坐标值有一定高程特点进行滤波，确定可行驶区域进而剔除与车道标线回波强度值相近的障碍物。由于车载激光雷达获取的道路周围环境点云数据是分层存储的，不同激光层获取的道路周围环境点云数据相邻两点间距与到雷达坐标系原点的距离有关。