陳 新，王旭輝，王 琎，吳國軍

（1.山西省檢驗檢測中心（山西省標(biāo)準(zhǔn)計量技術(shù)研究院），山西 太原 030012；2.蘇州益高電動車輛制造有限公司，江蘇 蘇州 215125）

0 引言

隨著我國旅游業(yè)的逐年發(fā)展，各旅游景區(qū)均處于擴(kuò)張態(tài)勢，這必然導(dǎo)致景區(qū)內(nèi)的小交通越來越趨于完善和便捷。非公路用旅游觀光車以其經(jīng)濟(jì)性和靈活性，其數(shù)量在近年內(nèi)得到了較大的增長。然而，在觀光車與游客產(chǎn)生越來越多交集的同時，也暴露出較多的公共安全隱患。目前，我國的觀光車普遍存在功能簡單、性能低劣的狀況，亟需在安全與舒適性上得到升級。

1 觀光車裝備環(huán)境感知系統(tǒng)的意義

2014年5月26日，西安秦嶺野生動物園發(fā)生意外，當(dāng)時觀光車由南向北行駛，小孩由東向西奔跑，最終導(dǎo)致1名小男孩被觀光車碾軋，搶救無效不幸離世；2016年2 月27 日下午2 點半左右，在南寧青秀山風(fēng)景區(qū)內(nèi)，一名6歲小女孩跟父母在景區(qū)道路上散步時，被景區(qū)的電瓶觀光車撞成重傷，送醫(yī)后搶救無效不幸身亡；2016年10月30日，廣東觀音山森林公園內(nèi)發(fā)生一起觀光車交通事故，觀光車途經(jīng)佛光路一陡坡避讓對面來車時，一頭撞上路邊的防護(hù)墻，事故一共造成3人受傷；2020年5月23日，廣西河池市羅城縣棉花天坑景區(qū)內(nèi)，正當(dāng)觀光車將長生洞的游客接送下山，在拐彎路段，觀光車撞向路旁的山體，致1死15傷。這些事故案例無疑向全社會敲響了警鐘，觀光車的運行安全不僅僅是對司機(jī)的教育與培訓(xùn)，也應(yīng)該從車身的本體安全入手，從設(shè)計上解決預(yù)防碰撞，提前預(yù)警等問題。

在觀光車周身安裝環(huán)境感知傳感器，使其在行駛過程中對路面、樹木等靜態(tài)物體和行人、車輛等動態(tài)物體進(jìn)行識別與探測。尤其是動態(tài)物體，根據(jù)其當(dāng)前位置與軌跡作出實時判斷，以此在事故發(fā)生前能及時地發(fā)出相應(yīng)的信號。通過觀光車環(huán)境感知系統(tǒng)來實現(xiàn)智能預(yù)警與輔助駕駛，不僅可以大幅減少景區(qū)內(nèi)交通事故，顯著提升旅游安全水平，還能通過提高平均車速來提升運輸效率和改善行駛穩(wěn)定性，促進(jìn)景點節(jié)能增效，增強旅游體驗感。

2 觀光車環(huán)境感知系統(tǒng)的硬件選型

車輛周邊環(huán)境的感知通常依靠攝像頭與雷達(dá)來實現(xiàn)。攝像頭能夠采集圖像信息，擁有較廣的視角，還能提供色彩與紋理信息，是與人類視覺最為接近的傳感器。其原理為：先采集圖像并處理，將其轉(zhuǎn)化為二維數(shù)據(jù)；通過圖像匹配進(jìn)行數(shù)據(jù)識別，分辨周邊環(huán)境的差異；利用物體的運動模式，或雙目定位，估算相對距離與速度，實現(xiàn)測距功能。攝像頭具有技術(shù)成熟、成本低、采集信息豐富等優(yōu)點，但其受光照和環(huán)境影響較大，難以全天候工作，在夜晚、雨霧等能見度低的情況下識別能力大幅下降，且其缺乏深度信息，三維立體感較弱。

雷達(dá)是通過發(fā)射信號并接收反射信號來測定車體與周邊環(huán)境物體間的距離，計算目標(biāo)信息（距離、方位、高度、速度、姿態(tài)甚至形狀等參數(shù)），以此實現(xiàn)對障礙物、移動物體等的識別與跟蹤。各種類型的雷達(dá)有不同的特點：第一，激光雷達(dá)發(fā)射的是激光束，工作頻率較高，故其測距精度較為精準(zhǔn)。但激光雷達(dá)在工作時受天氣的影響較大，在雨雪和霧霾天氣中，其精度和傳播距離都大幅減少，且由于其接收的是光信號，易受太陽光等光線影響。另外，激光雷達(dá)的現(xiàn)階段成本較高，故較適用于對分辨率要求嚴(yán)苛的場合。第二，毫米波雷達(dá)發(fā)射的是毫米波波段的無線電信號（波長為1-10mm），由于天線和其他微波元器件尺寸與頻率相關(guān)，毫米波雷達(dá)的天線及其他元器件的尺寸較小，能夠方便地安裝在車身各部位。毫米波穿透霧、煙、灰塵的能力強，測距精度受天氣因素和環(huán)境因素影響較小，且其成本較激光雷達(dá)低，相對容易大范圍推廣應(yīng)用。但毫米波雷達(dá)需要調(diào)低探測閥值才較容易探測行人等散射截面較弱的目標(biāo)，此時易產(chǎn)生虛報物體的負(fù)面效應(yīng)，需要輔以精密算法加以修正。第三，超聲波雷達(dá)發(fā)射的是40 kHz 的超聲波，能量消耗較為緩慢、穿透性強、反射效率高、測距方法簡單、成本較低且不易受光線和環(huán)境的影響。但由于超聲波屬于機(jī)械波，傳播速度較慢且波速受溫度影響較大，故其測量精度對天氣狀況較為敏感。當(dāng)車輛行駛速度較快時，使用超聲波測距容易導(dǎo)致誤差較大。另外超聲波散射角大，方向性不高，難以精確描述障礙物位置，其能量隨著距離的平方成正比衰減，使得測量遠(yuǎn)距離目標(biāo)的回波信號較弱，測量精度較差，故超聲波雷達(dá)主要應(yīng)用于倒車輔助與自動泊車方面。

與行駛在交通路面上的普通乘用車輛不同的是，觀光車行駛在一個封閉的區(qū)域內(nèi)，并且按照固定的路線行駛，能夠通過導(dǎo)航對其所經(jīng)過的道路坡度、彎度以及周邊建筑物進(jìn)行提前預(yù)知；觀光車往往沒有專供車輛行駛的道路，其路徑軌跡與游客行人的重疊率高，行駛過程中有較大的概率需要躲避人群；觀光車座位往往是硬質(zhì)長條座椅，無封閉車門，為保障安全，要求觀光車限制在一定的車速內(nèi)，且不能過于顛簸，對舒適感要求較高。針對這些特點，單一的環(huán)境感知傳感器是難以滿足觀光車的安全需求，這需要利用不同的傳感器相互配合，方能滿足各種工況下的精確感知。

攝像頭分辨率高，能夠獲取豐富的圖像信息，便于在物體高度與寬度測量，能夠準(zhǔn)確進(jìn)行車道線識別、行人識別等，但作用距離和測距精度不如雷達(dá)，且受限于光照與環(huán)境；雷達(dá)分辨率較差，難以識別物體的具體種類，但能在夜晚工作，且容易獲取距離信息，這其中，相較激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)不受光線與極端天氣影響，成本較低，雖探測精度相比較低，可利用更大的天線陣來達(dá)到更好的角度分辨率，用更大的帶寬來達(dá)到更佳的距離分辨率；而毫米波雷達(dá)相較超聲波雷達(dá)，不受氣溫與惡劣天氣影響，且遠(yuǎn)距離探測精度更高，更易獲得準(zhǔn)確的速度信息。綜合分析，采取視頻攝像頭結(jié)合毫米波雷達(dá)是觀光車環(huán)境感知系統(tǒng)的硬件首選。

3 觀光車環(huán)境感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合

視頻攝像頭與毫米波雷達(dá)的搭配使用，可避免單一傳感器的局限性，提高系統(tǒng)感知的準(zhǔn)確度，增強環(huán)境適應(yīng)能力，提高系統(tǒng)容錯性。然而不同的傳感器返回的數(shù)據(jù)也必然會出現(xiàn)信息的矛盾與偏差，所以對其進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和融合，方能實現(xiàn)觀光車周邊環(huán)境的真實感知。

數(shù)據(jù)融合首先是保證空間一致性，其中最關(guān)鍵的是傳感器的標(biāo)定，其目的是將攝像頭與毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)變換到統(tǒng)一的時空坐標(biāo)系，通過建立精準(zhǔn)的圖像坐標(biāo)系與點云坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，使不同的傳感器測量值轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系中，才能完成信息的處理與融合。

數(shù)據(jù)融合還要保證時間的一致性，使攝像頭與毫米波雷達(dá)擁有統(tǒng)一的同步時鐘。由于不同的傳感器其采樣幀速率不同，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，應(yīng)采用同一時間上各傳感器測量的數(shù)據(jù)來進(jìn)行比較和融合，才能獲得觀測對象的實時信息。

觀光車環(huán)境感知數(shù)據(jù)融合的過程如下：視頻攝像頭和毫米波雷達(dá)獨立完成實時觀測數(shù)據(jù)；視頻攝像頭和毫米波雷達(dá)分別對其RGB 圖像和點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對特征進(jìn)行提取、變換，并對其進(jìn)行模式識別處理，獲取相關(guān)描述信息；視頻攝像頭和毫米波雷達(dá)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)信息分別送至數(shù)據(jù)融合中心，并按照一定的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，并使用足夠優(yōu)化的算法對各數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲得對觀測對象的一致性描述。如圖1所示。

圖1 觀光車環(huán)境感知系統(tǒng)簡圖

4 結(jié)束語

對觀光車裝備環(huán)境感知系統(tǒng)，能夠大幅提高觀光車的安全穩(wěn)定性，提升景區(qū)服務(wù)質(zhì)量，對旅游業(yè)的健康發(fā)展有著一定的積極意義。針對觀光車的行駛特點與行駛環(huán)境，采用視頻攝像頭與毫米波雷達(dá)相結(jié)合的方式，是實現(xiàn)觀光車周邊環(huán)境探測與感知的最佳方案。難點在于雙傳感器的數(shù)據(jù)融合，不僅需要滿足空間與時間的一致性，還需要通過足夠優(yōu)化的算法不斷進(jìn)行自學(xué)習(xí)與迭代，這是下一步研究的重點。