激光雷达建模与基于激光雷达的汽车行驶环境危险评估方法研究

作者单位：吉林大学

论文类型：硕士论文

摘要：随着自动驾驶分级标准的颁布,智能汽车领域在世界范围内进入了新的发展阶段。在我国“中国制造2025”发展战略的背景之下,智能网联汽车这一概念的诞生更是将汽车智能化技术的重要性提升到产业的高度。汽车智能化技术为行车安全服务,在汽车行驶过程中,碰撞等事故必须被避免或减少。环境危险评估过程可以对危险状况进行估计和预测,行车行驶安全中起着哨兵的作用,具有很高的研究价值。在智能网联汽车体系架构中,传感器与感知系统是汽车获取环境信息的窗口。随着自动驾驶级别的提升,危险评估过程涉及的传感信息与场景类型也变得多样。在众多智能汽车传感器中,激光雷达具备高精度测距功能,并且其数据中包含物体的形状特征。上述优势使激光雷达成为近几年的行业热点,故研究如何使用激光雷达在环境危险评估中的应用也十分必要。另一方面,自动驾驶技术因行车安全问题而产生,测试与开发过程中也面临着安全及各类成本的问题,虚拟仿真技术则可以解决这一问题。搭建丰富的传感器模型是保证仿真测试环节有效性和完备性的重要工作。本文的研究涉及基于激光雷达数据的环境感知,由感知结果进行的危险评估方法,以及激光雷达传感器在虚拟驾驶环境中的模拟方法。主要研究内容包括:1)面向汽车智能化仿真的激光雷达模拟本文综合考虑激光雷达的探测功能与探测机理,使用几何抽象与物理描述相结合的方式对激光雷达进行建模。物理模型关注激光雷达信号的功率衰减现象和激光雷达数据中将雨粒子作为目标返回而生成的噪点。经过对激光雷达方程的进一步分析,得到简化的参数求解方法,在保证精度的前提下使得模型参数的标定过程大大简化,使得衰减模型更加实用,并针对不同天气进行建模,以模拟天气对激光雷达衰减的影响。使用机理建模的方式,结合激光雷达方程,对雨天激光雷达数据中的雨粒子噪点进行模拟。模型均使用真实激光雷达的数据进行标定与验证。2)基于激光雷达的车辆目标感知针对危险评估应用实现三维激光雷达的数据处理,重点对环境信息中的车辆目标进行感知。使用校园多目标动态环境中采集的真实激光雷达数据,提取感兴趣区域,实现地面数据的分割,并使用均栅格地图形式表示地面上的物体。在栅格地图中提取道路边界,对道路区域内的栅格地图进行基于连通量的聚类以获取车辆障碍物的位置,使用卡尔曼滤波对障碍物进行跟踪以获取其运动状态。3)车辆行驶环境危险评估方法本章对危险评估的概念和基本内容进行介绍。实现基于车辆意图的车辆轨迹预测,根据车辆运动状态对车辆的行驶意图进行辨识,针对不同的车辆行驶意图进行运动学轨迹建模,生成预测轨迹。实现碰撞时间的预测,将车辆抽象成包围盒,使用分离轴定理实现全方位快速碰撞判定,结合预测轨迹来估计碰撞时间。根据碰撞时间对交通车辆的危险程度分级,为决策提供参考。最后对危险评估的结果进行分析,证明方法的有效性和准确性。4)仿真实验验证与分析在PanoSim软件中结合本文提出的激光雷达模型形成验证平台,对危险评估方法进行验证。设计自动紧急制动系统,将本文提出的危险评估方法应用于其中,使用Euro NCAP标准工况并设计换道工况对系统的功能及危险评估结果进行验证。使用真实激光雷达数据对激光雷达数据处理和危险评估进行部分验证,证明本文中方法的有效性。

关键词：汽车智能化;三维激光雷达;危险评估;传感器仿真;