智能网联汽车先进驾驶辅助系统技术应用（微课版）课件 第3章 自适应巡航控制系统

任务3.1

认识自适应巡航控制系统技术任务导入任务导入在长途旅行自驾游或开车在高速公路的途中，经常会长时间驾驶，致使驾驶员精神长时间高度集中产生疲劳、困倦等现象。这时长时间的行驶，或对前方出现的车辆反应不够及时就容易造成车祸隐患。任务导入此时如果车辆可以在当前道路上自行行驶，或根据前方出现的车辆及时调整车速以及前车距离，这样一是可以减轻驾驶员疲劳，二是可以防止交通事故的发生，提高驾驶员和乘客的安全。具备这样功能的系统就是自适应巡航控制系统。自适应巡航控制系统的基本概念自适应巡航控制系统（AdaptiveCruiseControl，ACC）是一种高级驾驶辅助系统，可以按照驾驶员设定的车速匀速行驶，同时根据前方车速变动与前车保持安全距离。自适应巡航控制系统的组成自适应巡航控制系统主要组成：信息采集单元控制单元执行单元信息采集单元是系统中获得自车信息和外部环境信息的单元。自适应巡航控制系统中的信息采集单元主要包括车间距传感器，用来检测车间距信息；车速传感器和横摆角速度传感器，用来检测车辆行驶路线信息。控制单元相当于微型计算机，用来处理信息采集单元发送过来的信息，把发送来的信息通过特定的算法处理，生成相应的命令发送给执行单元。执行单元元是该系统中最后执行命令的部分，接收从控制单元发送的信号，转变成车辆具体的操作。执行单元的组成主要包括电子节气门执行器、制动执行器等。自适应巡航控制系统的工作原理自适应巡航控制系统中信息采集单元可以感知自车信息及前方行驶环境。当前方有车辆时检测前车速度以及距离信息传送给控制单元。控制单元接收来自信息采集单元的信息，若小于安全距离，ACC系统通过系统控制单元发出命令给执行单元。执行单元接受命令后进行减速控制，确保自车车速减小到能够与前车保持安全距离。当没有检测到前方车辆时，ACC系统会使自车按照设定的速度行驶。

图3.1自适应巡航控制系统工作流程自适应巡航控制系统的应用实例福特汽车多台车型配有自适应巡航控制系统，包括福特翼虎、福特蒙迪欧2020款、2020款福特撼路者以及全新福特领界S。该系统除了可以保持设定的巡航速度之外还可以设定自车与前车之间保持的行驶距离，最多有四种可供选择的车距。

开启自适应巡航控制系统将变速器至于行驶挡D，按下系统启动按钮，具体如图

3.2所示，信息显示屏将显示指示灯、当前车距设置及设定车速。图3.2福特汽车ACC启动按钮

当ACC系统检测到自车行驶速度低于前方车速，自车与前车距离无法保持在安全距离时，系统会执行减速操作，自动降低车速，使自车与前车始终保持在安全距离图3.3福特汽车ACC系统减速一汽大众旗下多款车型配有自适应巡航控制系统，包括新CC.迈腾、高尔夫等。一汽大众自适应巡航控制系统可在车速处于30～160km/h范围内使用，支持定速巡航和车距保持功能。图3.6一汽大众ACC系统车辆行驶功能多功能方向盘上的按钮操作方法启动ACC按压多功能方向盘上的按钮此时启动系统单尚未储存巡航车速，也未控制车速。激活ACC控制功能按压多功能方向盘上的按钮。此时系统将把自车速度存储下来，作为此时自车行驶速度。关闭ACC按压多功能方向盘上的按钮。此时系统关闭，同时将此次巡航车速记录删除。表3-1一汽大众ACC系统操作方法感谢ThankYou任务3.2交通标志识别应用实践任务导入任务导入道路交通事故发生的原因是多元化和复杂化的。交通标志作为道路基础设施的重要组成部分，他们为司机提供关于路况的信息和合理的建议，以促进道路行车安全。但是如果完全依靠驾驶员注意和发现交通标识并做出正确的反应，难免会增加驾驶员的负担、加速驾驶员疲劳，从而导致交通事故。任务导入在自适应巡航控制系统中，交通标志的识别可以为整车控制提供相应的帮助，例如识别禁止类标志可以帮助系统提前进行危险预判；识别警告类标志可以帮助系统提前进行避障处理；识别指示类标志可以帮助系统进行控制预处理，以确保行车遵循道路指示。因此对交通标志的准确识别可以为自适应巡航控制系统提供更加完美的助攻。任务导入鉴于各种交通标志的重要程度，本文将以禁止类交通标志中的限速标志为例，详述交通标志识别的原理及应用实战。交通标志识别技术的相关知识3.2.1认识交通标志3.2.1认识交通标志3.2.2交通标志识别的基本原理与方法道路交通标识识别是通过安置于车辆前方的摄像头进行检测与识别的，通过交通标志的采集、处理、识别，将所获取的信息以最快的速度第一时间传送给驾驶员或直接对汽车采取相应的操作，从而降低了交通安全隐患。交通标志识别主要包括了两个阶段：检测阶段和识别阶段。检测阶段主要的方法有基于颜色的方法和基于形状的方法，每一类方法都包括了数种常用的方法；而识别阶段主要有基于统计分析的方法、神经网络的方法以及句法分类法等。鉴于各种交通标志的重要程度，本书将以禁止类交通标志中的限速标志为例，采用模板匹配的方式对交通标志进行识别。3.2.3

HSV模型的认知1．HSV模型介绍HSV（Hue，Saturation，Value）是根据颜色的直观特性由A.R.Smith在1978年创建的一种颜色空间，称为六角锥体模型（HexconeModel）。这个模型中颜色的参数分别是：色调（H），饱和度（S），明度（V）。2．HSV颜色分量范围一般对颜色空间的图像进行有效处理都是在HSV空间进行的，对于基本色中对应的HSV分量需要给定一个范围，如表3-2所示。3.2.4

NumPy库的认知NumPy是Python语言的一个扩展程序库，支持大量的维度数组与矩阵运算，此外也针对数组运算提供大量的数学函数库。Numpy库由多维数组对象组成，包含数学运算、逻辑运算、形状操作、排序、选择、I/O、离散傅里叶变换、基本线性代数、基本统计运算、随机模拟等功能。一个图像本质上是包含像素数据的标准Numpy数组。因此，通过使用基本的Numpy操作，可以对图像进行翻转、压缩、截取等操作。任务实施——搭建交通标志识别技术实训环境任务清单：完成Python+PyCharm环境配置方法。完成OpenCV库和NumPy库的安装。完成交通标志识别应用实践，首先需要配置相应的环境。我们使用Python+PyCharm进行编程，并且使用OpenCV库和NumPy库。在项目二中已经讲解在Windows系统下，Python+PyCharm环境配置方法以及OpenCV库的安装，这里不过多赘述。下面讲解一下NumPy库的安装。在项目2的指导操作下成功安装python后，打开命令提示符（cmd），并使用pip安装numpy。安装方法：打开cmd，输入pipinstallnumpy，等待安装完毕，安装效果图如下：任务实施——交通标志识别技术任务清单：交通标志图像预处理识别交通标志图像预处理的主要目的是消除图像中无关的信息，恢复有用的真实信息，增强有关信息的可检测性和最大限度地简化数据，从而改进特征抽取、图像分割、匹配和识别的可靠性。在预处理之前，为方便之后的操作，需要导入OpenCV模块、NumPy模块还有os模块。这里介绍一下os（多种操作系统接口）模块，里面包含了很多操作文件和目录的函数，可以帮助我们直接对操作系统进行操作。例如：调用操作系统的可执行文件、命令，直接操作文件、目录等。os模块是Python中内置的模块，不需要提前安装。6.2.4图像预处理读取图像部分代码运行结果如图3.13所示：2．转换为HSV通道HSV色彩空间是基于颜色的图像分割最合适的色彩空间。所以将原始图像的颜色空间从BGR转换为HSV图像。转换为HSV的代码运行结果如图3.14所示。3．优化处理（1）颜色过滤确定提取红色的范围（HSV颜色），然后通过inRange（）函数（参数图片为HSV格式）提取红色区域。inRange（）函数可以根据设定的阈值，去除阈值之外的背景部分。（2）进一步优化对图像进行进一步处理，把轮廓边缘变得更加清晰。颜色过滤及优化代码运行结果如下图所示：3.2.7识别交通标志这一节我们采用模板匹配的方法，对交通标志中的数字进行识别。模板匹配的基本原理是抽取未知文字的特征与事先存储好的标准的文字特征进行匹配，在一定的距离或相似度测度下，找出与未知文字的特征匹配得最好的标准特征,将该标准特征所代表的文字作为未知文字的识别结果。对图像进行预处理后，我们需要检测标志的轮廓，并获取轮廓的外接矩形，根据矩形的坐标，在原图上进行裁剪，得到目标区域。接下来对他们进行形态学操作，提取矩形中间的数字和我们的模板进行匹配，最终识别标志中的数字。识别交通标志部分代码效果如图3.17所示：任务小结本任务学习了自适应巡航系统中交通标志识别的部分，首先介绍了交通标志、识别交通标志的原理与方法、HSV模型以及第三方库的安装。接下来以禁止类交通标志中的限速标志为例，逐步介绍如何识别交通标志。通过本任务的学习，需要掌握交通标志识别的工作原理，工作流程。感谢ThankYou任务3.3激光雷达测距实践任务导入任务导入由于激光雷达具有探测距离远、探测范围广、分辨率高、采集信息丰富和抗干扰能力强等特点，运用光的直线传播特性和光速传播速度快的特性，提高车辆感知的实时性、完整性和准确性，综合以上特点，激光雷达符合自适应巡航控制系统的功能需求，本任务将以实训的形式重点学习激光雷达的相关特性。。激光雷达认知1．激光雷达的定义激光雷达是工作在光波频段的雷达，它通过发射激光来探测目标。激光为原子受激辐射发出的光，具有光的特性。激光雷达广泛应用于ADAS系统中的前向碰撞预警系统、自适应巡航控制系统和盲区监测系统等，是目前先进驾驶辅助系统中技术特性最优良的雷达。2．激光雷达的工作原理与组成激光雷达由发射系统、接收系统以及信号处理与控制系统组成，发射系统为激光发射装置主要负责发出激光信号；接收系统为激光接收装置主要负责接收反射回来的激光信息；信号处理与控制系统主要是负责将接收回来的信号进行处理。以机械式激光雷达为例，激光发射装置固定在激光雷达的底部，沿激光雷达轴线向上方发射激光，由电机带动反射镜和透镜组共同旋转，将激光反射到激光雷达径向，随着反射镜和透镜组的旋转，实现激光对周围环境的扫描，如图3．激光雷达的布置位置激光遇到障碍物会发生光的反射，且激光雷达需要对周围环境进行360°的扫描，为了保证激光可以正常发射，激光雷达通常布置在车顶区域，如图所示，这样既能保证激光雷达不被遮挡，又能最大限度的提高激光雷达的采集范围。激光雷达的测量原理1．测距原理激光雷达的测距原理是通过测算激光发射信号与激光回波信号的往返时间，从而计算出目标的距离，即飞行时间法。2．激光雷达的分类按照有无机械旋转部件分为三类，分别是机械激光雷达、固态激光雷达和混合固态激光雷达，他们的区别如表类型结构特点机械激光雷达带有控制激光发射角度的机械旋转部件。体积较大，价格较贵，机械部件易损坏，测量精度相对较高，一般置于车顶。固态激光雷达依靠电子部件来控制激光雷达的发射角度，无机械旋转部件。体积较小，技术成熟度不足，价格昂贵，需要布置多个满足全方位数据采集。混合固态激光雷达带有机械旋转部件和电子控制激光雷达。兼具机械与固态激光雷达的特点（3）毫米波雷达的分类按照激光束数量分为两类，分别是单线束激光雷达和多线束激光雷达，他们的区别如表类型结构特点单线束激光雷达扫描一次只产生一条激光束。获得的扫描数据是2D数据。多线束激光雷达扫描一次可产生多条激光束，包括4/8/16/32/64/128线束。获得的扫描数据是3D数据。查看激光雷达基本参数以SK-Z系列的单线激光雷达为例，进行激光雷达测距性能的实训学习。首先需要明确毫米波雷达的发射面，如图3.23所示，激光雷达的正面为一个透镜，此透镜后面即为激光的发射源，在实训开始前需要明确激光的朝向，以免无法获取激光雷达的测距结果。此款毫米波雷达的接口共有4个PIN脚，分别为VCC.TX、RX和GND，其功能如图其中各引脚功能为：VCC引脚提供5V工作电压；GND引脚提供接地；TX引脚为串口发送引脚，用来将激光雷达的测距结果以串口数据的形式发送出去；RX引脚为串口接收引脚，用来向激光雷达发送串口控制指令数据。查看激光雷达技术参数该型号激光雷达的相关技术参数详见表项目参数量程20m输出频率100Hz精度3-10cm分辨率1cm光源780nm一类安全激光数据接口TTL串口数据格式115200，8，n，1（波特率，一次传输8bit，无校验位，一个停止位）串口电平VTTL=3.3V工作温度-10～60℃工作电压DC+3～5.5V工作电流74mA功率0.37W体积20*22*14mm重量8g查看激光雷达通信协议由于激光雷达接收和发送的数据接口均为TTL串行接口，需提前明确串行接口的通信协议，以便正确读取激光雷达返回的测试数据内容。该型号激光雷达上电后会自动通过串口不断发送设备到目标物之间的距离数据，可以根据通讯协议编程解析目标距离数据。协议数据帧以ASCII码的方式进行传输，以16进制的方式进行解析，协议详细内容见表1234567891011前导符设备地址命令码寄存器地址高位寄存器地址低位数据高位数据低位CRC低位CRC高位结束符前导符～0x00～0xFF0x00～0xFF0～655350～655350～65535\r\n帧开始设备地址寄存器命令寄存器地址数据（实时距离；单位毫米）CRC校验结果；校验字节2～7帧结束应用举例：串口以ASCII码的方式接收字符串：～01030100019AC5CD，对应十六进制ASCII为：7E30313033303130303031394143354344相应解析如下：～：数据帧起始符Thedataframeinitializer；01：传感器地址（十六进制）Sensoraddress（hex）；03：状态寄存器（十六进制）Stat