郅曉昌，李曉雷

(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

由于路燈大都處在露天場(chǎng)所，長(zhǎng)期使用后燈罩上會(huì)堆積大量灰塵從而影響路面的照明效果，對(duì)道路安全構(gòu)成危害。本文設(shè)計(jì)了基于激光雷達(dá)的路燈燈罩定位系統(tǒng)，為路燈清洗設(shè)備的舉升移動(dòng)提供精確的位置信息。

激光雷達(dá)由于可以獲得極高的角度、距離分辨率和良好的抗干擾能力，被大量應(yīng)用于目標(biāo)的識(shí)別和定位中。文獻(xiàn)[1]采用單線激光雷達(dá)檢測(cè)障礙物的位置和移動(dòng)速度，在低速駕駛的條件下，該方法能夠有效識(shí)別車輛前方30 m的移動(dòng)障礙物并檢測(cè)其位置和速度；文獻(xiàn)[2]提出了一種基于雷達(dá)測(cè)距的車輛識(shí)別與跟蹤方法，通過提取車輛目標(biāo)的直線和直角特征來識(shí)別車輛，并利用卡爾曼濾波器根據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)果更新目標(biāo)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行駛車輛的跟蹤；文獻(xiàn)[3]通過車載激光掃描實(shí)現(xiàn)電線桿的自動(dòng)識(shí)別與定位，該識(shí)別系統(tǒng)通過將電線桿的點(diǎn)云桿狀數(shù)據(jù)擬合成為一條空間直線，以電線桿的幾何特性作為期望值和方差，自動(dòng)識(shí)別電線桿；文獻(xiàn)[4]通過雷達(dá)自動(dòng)采集參考目標(biāo)來計(jì)算船舶的距離和方位，并結(jié)合航跡數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)定位。

本文利用路燈桿的幾何特點(diǎn)，建立了燈罩的識(shí)別定位系統(tǒng)。首先在燈桿的識(shí)別過程中，劃定識(shí)別的ROI區(qū)域，并對(duì)雷達(dá)點(diǎn)云進(jìn)行聚類、擬合處理，識(shí)別出燈桿，再通過路燈的幾何尺寸得到燈罩的空間坐標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的路燈識(shí)別定位系統(tǒng)為路燈的清潔提供了精確的位置信息，對(duì)道路照明、行人行車的安全和城市美化都具有重要的工程價(jià)值。

1 路燈定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

為實(shí)現(xiàn)燈桿、燈罩的識(shí)別及定位，建立了路燈的定位系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)采用兩個(gè)激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)燈罩定位，系統(tǒng)以清洗平臺(tái)上表面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，清洗車行駛的方向?yàn)閥軸，與車輛行駛方向垂直的方向?yàn)?x 軸，豎直方向?yàn)閦軸。傳感器安裝方式如下：將一個(gè)雷達(dá)放置在清洗平臺(tái)下表面，即原點(diǎn)O的正下方，用于測(cè)量清洗平臺(tái)上升的高度；另一個(gè)激光雷達(dá)放置在車的最右側(cè)，盡可能減少公路上機(jī)動(dòng)車等雜物干擾燈桿的識(shí)別，同時(shí)為減少計(jì)算量，將它放置在測(cè)高傳感器的正右方，即x軸上。

2 燈桿的識(shí)別

2.1 激光雷達(dá)測(cè)距原理

激光雷達(dá)使用的測(cè)距技術(shù)是飛行時(shí)間(TOF，Time of Flight)，即根據(jù)發(fā)射的激光束遇到障礙物后的折返時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)距雷達(dá)的距離，從而完成目標(biāo)的定位[4]，其工作原理如圖2所示。

激光器Laser以一定的角度beta射出一束激光，沿激光方向距離為d的物體反射激光。焦距是f，物體離平面的垂直距離是q，激光器和焦點(diǎn)間的距離是s，過焦點(diǎn)平行于激光方向的虛線，物體激光反射后成像在Imager上的點(diǎn)位置離該處的距離為x。f/x=q/s，則q=f*s/x，又由于sin(beta)=q/d，可得d=q/sin(beta)，最終得：d=f*s/(x*sin(beta))。

三維激光雷達(dá)能夠獲得目標(biāo)物豐富的點(diǎn)云信息，但價(jià)格昂貴，給清洗車輛普及帶來較大的挑戰(zhàn)，本文采用思嵐二維激光雷達(dá)RPLIDAR A1，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且價(jià)格低廉，可進(jìn)行每秒高達(dá)8000次以上的測(cè)距動(dòng)作。雷達(dá)的參數(shù)如表1。

表1 RPLIDAR A1雷達(dá)性能參數(shù)

2.2 燈桿點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

2.2.1 燈桿識(shí)別ROI區(qū)域的劃定

由于思嵐二維激光雷達(dá)獲取360°的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，處理的數(shù)據(jù)量較大，而在實(shí)際路燈定位工作中，燈桿總位于清洗車的右前方，根據(jù)這一工況，劃定了燈桿識(shí)別的感興趣區(qū)域(圖3)，設(shè)定車輛前進(jìn)的方向?yàn)?°，順時(shí)針為正方向，劃定閾值30°～120°，以雷達(dá)中心為半徑的d1～d2區(qū)域?yàn)镽OI區(qū)域(圖3)，這樣可以縮小點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理量，加快處理速度。

2.2.2 燈桿點(diǎn)云聚類分析

為方便燈桿的擬合，首先對(duì)ROI區(qū)域中的點(diǎn)云進(jìn)行聚類分析。聚類即按照某個(gè)特定標(biāo)準(zhǔn)(如距離準(zhǔn)則，即數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離)把一個(gè)數(shù)據(jù)集分割成不同的類或簇，使得同一個(gè)簇內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)象的相似性盡可能大，同時(shí)不在同一個(gè)簇中的數(shù)據(jù)對(duì)象的差異性也盡可能大。目前，常用的聚類方法有劃分方法、層次方法、基于密度的方法，本文采用 DBSCAN聚類算法進(jìn)行分析。

DBSCAN是一種典型的基于密度的聚類算法，該算法的基本思想是：每個(gè)簇的內(nèi)部點(diǎn)的密度比簇外點(diǎn)的密度高得多，定義為密度相連的最大對(duì)象集。為提高聚類的效果，降低算法的復(fù)雜度，數(shù)據(jù)點(diǎn)間的相似度直接采用歐式距離[6]。若兩個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)間的距離大于閾值Dmax，則認(rèn)為兩點(diǎn)不連續(xù)，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：pn、pn-1為連續(xù)兩個(gè)點(diǎn)云的距離值。

由于激光雷達(dá)的激光束成扇形的掃描特性，且角度分辨率是確定的，所以相鄰兩激光反射點(diǎn)間的距離是隨光束的延長(zhǎng)而線性增加的，故距離閾值Dmax應(yīng)取決于數(shù)據(jù)點(diǎn)的深度值，即該點(diǎn)到雷達(dá)間的距離值。Borges等人提出了一種根據(jù)深度值來確定距離閾值的方法，計(jì)算式如下：

(2)

式中：rn-1為點(diǎn)pn-1的深度值，σr為激光雷達(dá)的測(cè)量誤差，Δ?為激光雷達(dá)的角度分辨率，λ為閾值因數(shù)，一般通過經(jīng)驗(yàn)獲得。

2.2.3 燈桿點(diǎn)云擬合

對(duì)點(diǎn)云聚類分析后，需對(duì)每個(gè)聚類結(jié)果進(jìn)行擬合，得到掃描物的輪廓特征用于燈桿的識(shí)別。考慮到識(shí)別的對(duì)象是呈圓柱形，經(jīng)雷達(dá)掃描出的是一段圓弧(小于180°)，如圖4所示。

本文采用Matlab對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合[7]。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)聚類內(nèi)點(diǎn)集進(jìn)行曲線擬合，而不用在整幅圖像內(nèi)實(shí)施IEPF算法和直線擬合，提高了實(shí)時(shí)性，并且避免了不同的聚類連接在一起的可能性。

在聚類內(nèi)部擬合出圓弧特征后，在燈桿識(shí)別過程中，根據(jù)擬合的圓弧直徑是否等于燈桿直徑排除廣告燈牌、樹木等圓柱形立柱，從而確定燈桿目標(biāo)。

3 燈桿、燈罩的定位

在識(shí)別出燈桿輪廓后，根據(jù)雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定燈桿的二維坐標(biāo)，再由路燈的幾何尺寸，雷達(dá)在清洗平臺(tái)上的安裝位置，獲得燈罩的三維坐標(biāo)，定位原理如圖5所示，其中，L1表示兩雷達(dá)在x軸方向的距離，L2表示燈桿長(zhǎng)度，L3為燈罩懸臂長(zhǎng)，θ為懸臂傾角，L4表示清洗車地盤高度，L5表示清洗平臺(tái)厚度，h為清洗平臺(tái)下表面到汽車底盤的距離，用于檢測(cè)平臺(tái)上升的高度。

激光雷達(dá)每次掃描采集到n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合以極坐標(biāo)形式表示為：

R={(ri，?i)|i=1，2，3，…n}

(3)

其中：ri為第n個(gè)點(diǎn)云的距離值，?i為第n個(gè)點(diǎn)云的角度值。根據(jù)公式(4)、(5)將點(diǎn)云的極坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)(xi，yi)：

xi=ricos?i

(4)

yi=risin?i

(5)

因激光雷達(dá)位于原點(diǎn)X軸上，坐標(biāo)為(L1，0，z)，則確定燈桿軸心距雷達(dá)中心的距離為：

(6)

其中，min{r}是指代表燈桿的擬合曲線r的最小值，其對(duì)應(yīng)角度記為?m。

燈桿軸心的坐標(biāo)為(xg，yg)：

xg=Lcos?m+L1

(7)

yg=Lsin?m

(8)

測(cè)高傳感器輸出高度為h，設(shè)燈罩形心的坐標(biāo)為(xz，yz，zz)：

xz=xg-L3cosθ=Lcos?m+L1-L3cosθ

(9)

yz=Lsin?m

(10)

zz=L2+L3sinθ-L5-L4-h

(11)

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為測(cè)試本文設(shè)計(jì)的路燈定位系統(tǒng)的精度，采用思嵐激光雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于本定位系統(tǒng)中燈罩的定位是根據(jù)清洗平臺(tái)、路燈的幾何尺寸、雷達(dá)安裝位置來計(jì)算得到，因此本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)檢測(cè)燈桿的識(shí)別及定位，在路燈桿附近設(shè)置紙箱作為干擾來驗(yàn)證該識(shí)別方法。

本實(shí)驗(yàn)采集的點(diǎn)云如圖6(a)所示，燈桿目標(biāo)位于雷達(dá)60°附近，圖6(b)為劃定的ROI區(qū)域中點(diǎn)云，它很大程度上減少了點(diǎn)云處理量，圖6(c)為點(diǎn)云聚類結(jié)果，圖6(d)為點(diǎn)云擬合結(jié)果。完成燈桿識(shí)別后，再通過式(9)-式(11)，實(shí)現(xiàn)燈桿定位。實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的識(shí)別定位系統(tǒng)能準(zhǔn)確地識(shí)別出燈桿，并且經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，燈桿的定位誤差小于1 cm，滿足清洗過程對(duì)燈罩的定位要求。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種基于激光雷達(dá)準(zhǔn)確定位路燈燈罩的系統(tǒng)，通過劃定識(shí)別的ROI區(qū)域，并對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行聚類、擬合處理，結(jié)合路燈燈桿的幾何特征，準(zhǔn)確識(shí)別出燈桿，并通過路燈及清洗設(shè)備的幾何關(guān)系確定燈罩相對(duì)于清洗平臺(tái)的空間位置，為清洗裝置的舉升移動(dòng)提供了可靠的技術(shù)支撐。實(shí)驗(yàn)證明，該定位系統(tǒng)能夠滿足路燈清洗對(duì)于燈罩的定位要求。