摘 要：以機(jī)器人為載體，搭建了雷達(dá)、視頻融合的高速公路異物與異常事件監(jiān)測系統(tǒng)，利用雷達(dá)較強(qiáng)的抗干擾能力，結(jié)合視頻實(shí)現(xiàn)探測場景的可視化，實(shí)現(xiàn)高速公路的全天候監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人;高速公路護(hù)欄;雷達(dá);視頻

0? ? 引言

針對(duì)高速公路路面可能出現(xiàn)的異物或異常事件，需要一種可靠的監(jiān)測方式。目前，基于視頻圖像的監(jiān)控技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高速公路監(jiān)控當(dāng)中。但受限于建設(shè)成本，視頻監(jiān)控依然存在相當(dāng)大的盲區(qū)間隔，且易受天氣、光照等外界因素干擾[1]。本文以自主研發(fā)的高速公路智能監(jiān)測預(yù)警機(jī)器人為載體，如圖1所示，搭建了雷達(dá)、視頻融合的高速公路異物與異常事件監(jiān)測系統(tǒng)，利用雷達(dá)較強(qiáng)的抗干擾能力，結(jié)合視頻實(shí)現(xiàn)探測場景的可視化，實(shí)現(xiàn)高速公路異常事件的全天候監(jiān)測。

1? ? 基于雷達(dá)的路面異物識(shí)別

相較于毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)具有精度高、測量距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢[2]，適合本項(xiàng)目的高速公路監(jiān)測場景。針對(duì)激光雷達(dá)，根據(jù)其發(fā)射線束的多少，有單線、多線之分，其中多線又可以分為4～128線等多種規(guī)格，不同的線束可以收集的信息不同，對(duì)應(yīng)的工作場景也不同。從技術(shù)成熟度來說，單線雷達(dá)相較于多線雷達(dá)在角頻率及靈敏度上反應(yīng)更快速，且具有較高的可靠性。多線雷達(dá)是由于車路協(xié)同無人駕駛等領(lǐng)域的興起而逐漸發(fā)展起來的，從系統(tǒng)性能需求與使用場景來看，多線雷達(dá)在壽命與穩(wěn)定性上還有所欠缺，這使得其在復(fù)雜的高速公路環(huán)境中的使用效果大打折扣[3]。

為保證物體距離與尺寸的測量精度，并保證異物的識(shí)別效率與準(zhǔn)確性，本項(xiàng)目提出了一種基于雙激光雷達(dá)的測量方法?；驹韴D如圖2所示，機(jī)器人在行車方向兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)激光雷達(dá)，并調(diào)節(jié)安裝角度，使兩個(gè)激光雷達(dá)聚焦于遠(yuǎn)端路側(cè)，激光掃描范圍覆蓋整個(gè)檢測路面。在測量過程中，兩個(gè)單線激光雷達(dá)同時(shí)掃描，并錯(cuò)開其頻率，從而變相提高檢測頻率。

將激光雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并在三維坐標(biāo)系中重構(gòu)。

當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)過程中，路面正常無異物時(shí)，在不考慮車輛遮擋的情況下，雷達(dá)的回波在圖像上的反映如圖3所示。從雷達(dá)的回波圖像上來看，當(dāng)路面無異物時(shí)，基本只呈現(xiàn)出路面水平線與護(hù)欄輪廓線。

當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)過程中，路面有異物時(shí)，在不考慮車輛遮擋的情況下，雷達(dá)的回波在圖像上的反映如圖4所示?？梢钥闯鲈诶走_(dá)對(duì)路面進(jìn)行掃描的過程中，由于異物遮擋，雷達(dá)回波呈現(xiàn)凸起，并且可以根據(jù)凸起的點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算出測量的異物高度。通過兩側(cè)激光雷達(dá)同時(shí)掃描，可以提高異物檢測的成功率。

由于本項(xiàng)目選取30 Hz單線激光雷達(dá)，在機(jī)器人行進(jìn)過程中，對(duì)于同一異物，無法完全呈現(xiàn)異物輪廓，需要根據(jù)雷達(dá)異物數(shù)據(jù)的回波數(shù)據(jù)大概推測出異物在行車方向上的尺寸。

基于上述雷達(dá)回波圖像特征，可以檢測到異物的速度、距離、角度等方位信息，并以此為主要依據(jù)來判斷當(dāng)前路面是否有異物存在。

2? ? 雷達(dá)與視頻融合系統(tǒng)

該系統(tǒng)不僅可以對(duì)異物信息進(jìn)行充分的描述，還可以通過雷達(dá)與視頻之間數(shù)據(jù)的互相驗(yàn)證，剔除虛假或無關(guān)信息，提高系統(tǒng)的魯棒性。

雷達(dá)系統(tǒng)已在上一節(jié)詳細(xì)描述。首先將雷達(dá)探測得到的目標(biāo)位置轉(zhuǎn)化為視覺系統(tǒng)坐標(biāo)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，護(hù)欄相對(duì)于路面的位置是基本一致的，這就使得在機(jī)器人安裝之后進(jìn)行簡單的傳感器位置標(biāo)定，即可確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的公式。

由于本系統(tǒng)面對(duì)的環(huán)境中有車輛信息干擾，針對(duì)此類情況，考慮車輛與異物尺寸在Z軸高度上差異較大，因此在監(jiān)測到異常事件后進(jìn)行Z坐標(biāo)尺寸識(shí)別，如果識(shí)別結(jié)果判定為車輛高度信息并且相對(duì)速度接近于機(jī)器人巡檢速度，則進(jìn)行車輛違停信息報(bào)警。主控板接收到報(bào)警信號(hào)可通過音頻與報(bào)警燈等方式通知車主盡快駛離現(xiàn)場，并控制高清球機(jī)針對(duì)檢測位置進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)焦，通過多種形式（攝像、照相以及定時(shí)攝像與定時(shí)照相）進(jìn)行圖像采集，并采用圖像識(shí)別算法，對(duì)已采集的圖像素材進(jìn)行圖像分割、圖像特征提取、圖像識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的車牌識(shí)別;圖片原始文件會(huì)跟隨記錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)保存，以便后期查閱。

3? ? 軟件實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)與視頻融合系統(tǒng)中視頻圖像監(jiān)測處理軟件模塊是實(shí)現(xiàn)以上功能的重要組成部分，其軟件功能主要擬實(shí)現(xiàn)視野范圍內(nèi)道路安全威脅目標(biāo)的探測，內(nèi)容包括：（1）圖像預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);（2）道路前景/背景分離算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);（3）算法軟件移植、集成及測試。

軟件整體界面如圖5所示，具有視頻查看、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、機(jī)器人運(yùn)行控制、報(bào)警信息顯示等功能。

3.1? ? 視頻查看

視頻查看區(qū)域可以顯示攝像機(jī)實(shí)時(shí)視頻畫面，“上移”“下移” “左移” “右移”按鈕可以控制攝像機(jī)云臺(tái)做相應(yīng)動(dòng)作，“復(fù)位”按鈕可控制攝像機(jī)處于初始位置，“+”和“-”按鈕可以調(diào)整攝像機(jī)焦距，“回放”按鈕可以查看歷史視頻。

3.2? ? 報(bào)警信息顯示

雷達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)測區(qū)域顯示雷達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)為距離信息，縱坐標(biāo)為高度信息。橫坐標(biāo)為路面至護(hù)欄的水平距離，當(dāng)路面出現(xiàn)異物時(shí)，通過橫坐標(biāo)可以判斷異物所處位置與護(hù)欄的水平距離，進(jìn)一步確定異物處于行車道還是超車道;縱坐標(biāo)為異物高度信息，路面出現(xiàn)異物時(shí)，通過縱坐標(biāo)可以判斷異物的高度，進(jìn)一步判斷異物是否影響正常行車。雷達(dá)檢測到路面異物時(shí)，觸發(fā)攝像機(jī)進(jìn)行抓拍，抓拍圖像信息在異物報(bào)警區(qū)域顯示，同時(shí)顯示抓拍的日期和時(shí)間、異物所處的位置，提醒道路管理人員及時(shí)處理。另外，通過“查看更多”按鈕，管理人員可以查看歷史異物報(bào)警信息。

4? ? 結(jié)語

本文針對(duì)高速公路巡檢的應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)了一種基于雷達(dá)、視頻融合的異物與異常事件監(jiān)測系統(tǒng)，并開發(fā)了配套的識(shí)別軟件，應(yīng)用于高速公路智能監(jiān)測預(yù)警機(jī)器人中，有助于提高交通行業(yè)的智能化水平，減少人員投入，有效降低成本，提升運(yùn)營效率，升級(jí)行業(yè)效能，從而構(gòu)建智慧交通綜合解決方案。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳釗正，張善關(guān)，杜飛，等.基于視頻圖像檢測的高速公路車型分道行駛監(jiān)測系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（9）：3682-3688.

[2] 劉兆倫，周明，周延，等.超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2021（2）：17-18.

[3] 郭新民.面向多傳感器數(shù)據(jù)融合的雷達(dá)顯控終端的設(shè)計(jì)方法[J].雷達(dá)與對(duì)抗，2016，36（4）：53-55.

收稿日期：2021-08-05

作者簡介：劉博（1988—），男，山西太原人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械工程。