CN108344997B - 一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其包括：步骤S1，静止点检测；步骤S2，投影；步骤S3，排序；步骤S4，梯度计算；步骤S5，划分；步骤S6，护栏判定点集合的数字特征计算；步骤S7，护栏点检验；以及步骤S8，护栏标注区域计算。本发明实现逻辑简洁清晰，算法复杂度低，便于工程实现，并且在一般道路上，护栏检测概率高鲁棒性强。

Description

一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法

技术领域

本发明涉及智能驾驶感知领域中的护栏检测技术，尤其涉及一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法。

背景技术

护栏是车辆在城市道路上行驶常见的交通设施，护栏检测是智能驾驶系统感知环节必须解决的问题。常用的护栏检测传感器主要有摄像头、激光雷达、毫米波雷达等，因此相应的护栏检测方法可以分为基于图像的护栏检测方法、基于信号特征的护栏检测方法等，这两类方法都目前主流的护栏检测方法，它们特点是：

1)使用的信息量丰富；

2)护栏检测率高，但计算量大；

3)通常会使用到模式识别或机器学习的算法，算法实时性难以得到保证，尤其是在嵌入式运行环境下。

此外，还有一类基于点迹特征的护栏检测方法，这类方法的操作对象主要是雷达信号处理层提取的反射点；利用其位置、速度、方位等进行聚类，根据聚类后的集合特征判断护栏存在与否。因为使用到聚类算法，因此在样本点较少时很难达到有效检测，而且聚类算法的收敛速度直接决定该类算法的实时性。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，以在护栏雷达反射点迹较少以及无需使用聚类等算法的条件下有效检测出护栏。

本发明所述的一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其包括以下步骤：

步骤S1，检测车辆雷达探测获得的量测点集合中的静止点；

步骤S2，计算各个静止点投影在车身坐标系上的横、纵坐标；

步骤S3，对各个静止点在车身坐标系下的横坐标按取值由小到大进行排序，并得到点值序列；

步骤S4，计算点值序列的梯度，并得到静止点的梯度集合；

步骤S5，根据静止点的梯度集合，将排序后的静止点集合划分为n个护栏判定点集合；

步骤S6，计算各个护栏判定点集合的势，并根据计算结果判定是否存在护栏，若是，则计算各个护栏判定点集合中元素在车身坐标系下的横坐标的均值和方差；

步骤S7，根据各个静止点在车身坐标系下的横坐标以及各个护栏判定点集合中元素在车身坐标系下的横坐标的均值，检验获得n个护栏点集合；

步骤S8，设定护栏标注区域为梯形区域，根据各个护栏点集合在车身坐标系的边界区域计算对应的梯形区域的四个顶点坐标，以检测出护栏标注区域。

在上述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法中，所述步骤S1包括：将所述量测点集合中满足公式(1)的元素标记为静止点：

其中，v为车辆自身车速，θ为量测点与车辆车轴的轴向夹角，

为量测点的径向速度值，ρ为静止点检测阈值。

在上述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法中，所述步骤S2包括：根据公式(2)计算各个静止点投影在车身坐标系上的横、纵坐标p_x、p_y：

其中，

为雷达坐标系至车身坐标系的平移矩阵；L为雷达坐标系至车身坐标系的旋转矩阵，[x，y]^T为静止点在雷达坐标系下的横坐标和纵坐标。

在上述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法中，所述步骤S2还包括：若雷达坐标系与车身坐标系重合，则有：

在上述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法中，所述步骤S4包括：根据公式(5)计算点值序列

的梯度，并得到静止点的梯度集合

grads_p_x_k＝p_x_k+1-p_x_k，k＝1，…m-1 (5)，

其中，m为静止点的个数，k为排序后静止点的索引，p_x_k为第k个静止点在车身坐标系下的横坐标，grads_p_x_k表示第k个静止点的梯度，p_x_k+1为第k+1个静止点在车身坐标系下的横坐标。

在上述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法中，所述步骤S5包括：

步骤S51，搜索静止点的梯度集合

若第k个静止点的梯度grads_p_x_k满足公式(6)，则进一步判断第k+1个静止点的梯度grads_p_x_k+1是否满足公式(7)，若是，则记第k个静止点为护栏判定点集合S_a的起始点，然后继续搜索静止点的梯度集合

并判定满足公式(8)的静止点隶属于同一个护栏判定点集合S_a：

grads_p_x_k＞σ₁ (6)，

grads_p_x_k+1＜σ₂ (7)，

其中，σ₁、σ₂、σ₃为相应判决阈值；当k＝m-1时，第k+1个静止点的梯度grads_p_x_k+1＝0；grads_p_x_k+j为第k+j个静止点的梯度；

重复所述步骤S51直至排序后的静止点集合

被划分为：

且有：

其中，n为排序后的静止点集合S被划分的护栏判定点集合的个数，S_b为另一个护栏判定点集合。

在上述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法中，所述步骤S6包括：根据公式(11)计算护栏判定点集合S_a的势q_a：

q_a＝|S_a|，a＝1，…n (11)，

若护栏判定点集合S_a的势q_a满足公式(12)，则判定存在护栏，并根据公式(13)、(14)分别计算护栏判定点集合S_a中元素在车身坐标系下的横坐标的均值

和方差

q_a≥M_t，a＝1，…n (12)，

其中，M_t为判定护栏是否存在的阈值。

在上述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法中，所述步骤S7包括：若第k个静止点在车身坐标系下的横坐标p_x_k满足公式(15)，则记第k个静止点隶属于护栏点集合S′_a：

其中，

为量测标准差。

在上述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法中，所述步骤S8包括：根据公式(16)-(21)和护栏点集合S′_a在车身坐标系的边界区域计算梯形区域的左下顶点(p_x_minL，a，p_y_min，a)、右下定点(p_x_minR，a，p_y_min，a)、左上顶点(p_x_maxL，a，p_y_max，a)和右上顶点(p_x_maxR，a，p_y_max，a)：

p_x_maxL，a＝min({p_x_k|p_x_k∈S′_a})，a＝1，…n (18)，

p_x_maxR，a＝max({p_x_k|p_x_k∈S′_a})，a＝1，…n (19)，

p_y_min，a＝min({p_y_k|p_y_k∈S′_i})，a＝1，…n (20)，

由于采用了上述的技术解决方案，与现有技术相比，本发明无需聚类，而是提出了一种护栏判定点集合概念，并主要通过静止点检测、投影、排序、梯度计算、划分等步骤快速得到判定护栏是否存在的护栏判定点集合；然后根据护栏判定点集合特征(集合的势)判断是否存在护栏，若存在护栏，则计算护栏判定点集合的数字特征(均值、方差)；接着利用假设检验方法，根据计算的数字特征，逐一检验静止点是否隶属于护栏点集合，生成护栏点集合；最后设定护栏标注区域为梯形区域，根据护栏点集合在车身坐标系的边界区域计算梯形区域的四个顶点坐标，形成护栏标注区域，从而完成护栏的快速检测。本发明实现逻辑简洁清晰，算法复杂度低，便于工程实现，并且在一般道路上，护栏检测概率高鲁棒性强。

附图说明

图1是本发明一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法的流程图；

图2是本发明一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法中护栏点集合的示意图；

图3是本发明一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法中护栏标注区域的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明，即一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，包括以下步骤：

步骤S1，静止点检测：

将量测点集合中满足公式(1)的元素标记为静止点：

其中，v为车辆自身车速，θ为量测点与车辆车轴的轴向夹角，

为量测点的径向速度值，ρ为静止点检测阈值；

由此生成静止点集合

其中，m为检测到的静止点的个数，x_i为第i个静止点在雷达坐标系下的横坐标，y_i为第i个静止点在雷达坐标系下的纵坐标，r_i为第i个静止点的径向距离，θ_i为第i个静止点与车辆车轴的轴向夹角(即，方位角)；

在本实施例中，量测点集合为输入数据，例如为雷达探测获得的点迹数据；静止点检测阈值ρ的取值参考径向速度误差及径向速度分辨单元来设定，其中，径向速度误差是指雷达探测的目标径向速度与真实值的差值，径向速度分辨单元是指雷达探测目标径向速度可区别的最小单位，由于径向速度误差及径向速度分辨单元的取值与雷达性能有关，不同雷达性能取值不同，因此，本实施例中的静止点检测阈值ρ的取值可参考这两者的因素。

步骤S2，投影：

根据公式(2)计算各个静止点投影在车身坐标系(其由车辆的车身横轴和车身纵轴组成)上的横、纵坐标p_x，p_y：

其中，

为雷达坐标系至车身坐标系的平移矩阵；L为雷达坐标系至车身坐标系的旋转矩阵，[x，y]^T为静止点在雷达坐标系下的横坐标和纵坐标；

若雷达坐标系与车身坐标系重合，则有：

步骤S3，排序：

对步骤S2中得到的各个静止点的横坐标的集合

中的元素按取值由小到大进行排序，并得到点值序列

其中，m为静止点的个数，i为排序前静止点的索引，p_x_i为第i个静止点在车身坐标系下的横坐标，k为排序后静止点的索引，p_x_k为第k个静止点在车身坐标系下的横坐标；这是为了基于静止点在车身坐标系横轴方向的分布来判定护栏是否存在。

步骤S4，梯度计算：

根据公式(5)计算点值序列

的梯度，并得到静止点的梯度集合

grads_p_x_k＝p_x_k+1-p_x_k，k＝1，…m-1 (5)，

其中，grads_p_x_k表示第k个静止点的梯度，p_x_k+1为第k+1个静止点在车身坐标系下的横坐标，p_x_k为第k个静止点在车身坐标系下的横坐标。

步骤S5，划分：

步骤S51，搜索静止点的梯度集合

若第k个静止点的梯度grads_p_x_k满足公式(6)，则进一步判断第k+1个静止点的梯度grads_p_x_k+1是否满足公式(7)，若是，则记第k个静止点为护栏判定点集合S_a的起始点，然后继续搜索静止点的梯度集合

并判定满足公式(8)的静止点隶属于同一个护栏判定点集合S_a：

grads_p_x_k＞σ₁ (6)，

grads_p_x_k+1＜σ₂ (7)，

其中，σ₁、σ₂、σ₃为相应判决阈值，其取值与实际应用有关(为经验值，不同雷达性能下取值不同)；当k＝m-1时，第k+1个静止点的梯度grads_p_x_k+1＝0；grads_p_x_k+j为第k+j个静止点的梯度，

为第k+1个静止点至第m个静止点的梯度之和；

重复步骤S51直至经步骤S3排序后的静止点集合

被划分为(如图2所示)：

且有：

其中，n为排序后的静止点集合S被划分的护栏判定点集合的个数，S_b为另一个护栏判定点集合。

步骤S6，护栏判定点集合的数字特征计算：

根据公式(11)计算护栏判定点集合S_a的势q_a：

q_a＝|S_a|，a＝1，…n (11)，

若护栏判定点集合S_a的势q_a满足公式(12)，则判定存在护栏，并根据公式(13)、(14)分别计算护栏判定点集合S_a中元素在车身坐标系下的横坐标的均值

和方差

q_a≥M_t，a＝1，…n (12)，

其中，M_t为判定护栏是否存在的阈值，一般的经验取值为M_t＞m/3，m为静止点的个数。

步骤S7，护栏点检验：

若第k个静止点在车身坐标系下的横坐标p_x_k满足公式(15)，则记第k个静止点隶属于护栏点集合S′_a(如图2所示)：

其中，

为量测标准差(对于不同的静止点，量测标准差

不同，其取值为该静止点的纵向距离与角度测量误差的乘积)

步骤S8，护栏标注区域计算：

设定护栏标注区域为梯形区域(如图3所示)，根据公式(16)-(21)和护栏点集合S′_a在车身坐标系的边界区域计算梯形区域的四个顶点坐标，即：左下顶点(p_x_minL，a，p_y_min，a)、右下定点(p_x_minR，a，p_y_min，a)、左上顶点(p_x_maxL，a，p_y_max，a)、右上顶点(p_x_maxR，a，p_y_max，a)，以检测出护栏标注区域：

p_x_maxL，a＝min({p_x_k|p_x_k∈S′_a})，a＝1，…n (18)，

p_x_maxR，a＝max({p_x_k|p_x_k∈S′_a})，a＝1，…n (19)，

p_y_min，a＝min({p_y_k|p_y_k∈S′_i})，a＝1，…n (20)，

p_y_max，a＝max({p_y_k|p_y_k∈S′_i})，a＝1，…n (21)。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，检测车辆雷达探测获得的量测点集合中的静止点；

步骤S2，计算各个静止点投影在车身坐标系上的横、纵坐标；

步骤S3，对各个静止点在车身坐标系下的横坐标按取值由小到大进行排序，并得到点值序列；

步骤S4，计算点值序列的梯度，并得到静止点的梯度集合；

步骤S5，根据静止点的梯度集合，将排序后的静止点集合划分为n个护栏判定点集合；

步骤S6，计算各个护栏判定点集合的势，并根据计算结果判定是否存在护栏，若是，则计算各个护栏判定点集合中元素在车身坐标系下的横坐标的均值和方差；

步骤S7，根据各个静止点在车身坐标系下的横坐标以及各个护栏判定点集合中元素在车身坐标系下的横坐标的均值，检验获得n个护栏点集合；

步骤S8，设定护栏标注区域为梯形区域，根据各个护栏点集合在车身坐标系的边界区域计算对应的梯形区域的四个顶点坐标，以检测出护栏标注区域。

2.根据权利要求1所述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：将所述量测点集合中满足公式(1)的元素标记为静止点：

其中，v为车辆自身车速，θ为量测点与车辆车轴的轴向夹角，

为量测点的径向速度值，ρ为静止点检测阈值。

3.根据权利要求1所述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：根据公式(2)计算各个静止点投影在车身坐标系上的横、纵坐标p_x、p_y：

其中，

为雷达坐标系至车身坐标系的平移矩阵；L为雷达坐标系至车身坐标系的旋转矩阵，[x,y]^T为静止点在雷达坐标系下的横坐标和纵坐标。

4.根据权利要求3所述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：若雷达坐标系与车身坐标系重合，则有：

5.根据权利要求1所述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其特征在于，所述步骤S4包括：根据公式(5)计算点值序列

的梯度，并得到静止点的梯度集合

grads_p_x_k＝p_x_k+1-p_x_k，k＝1,…m-1 (5)，

其中，m为静止点的个数，k为排序后静止点的索引，p_x_k为第k个静止点在车身坐标系下的横坐标，grads_p_x_k表示第k个静止点的梯度，p_x_k+1为第k+1个静止点在车身坐标系下的横坐标。

6.根据权利要求5所述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

步骤S51，搜索静止点的梯度集合

若第k个静止点的梯度grads_p_x_k满足公式(6)，则进一步判断第k+1个静止点的梯度grads_p_x_k+1是否满足公式(7)，若是，则记第k个静止点为护栏判定点集合S_a的起始点，然后继续搜索静止点的梯度集合

并判定满足公式(8)的静止点隶属于同一个护栏判定点集合S_a：

grads_p_x_k＞σ₁ (6)，

grads_p_x_k+1＜σ₂ (7)，

其中，σ₁、σ₂、σ₃为相应判决阈值；当k＝m-1时，第k+1个静止点的梯度grads_p_x_k+1＝0；grads_p_x_k+j为第k+j个静止点的梯度；

重复所述步骤S51直至排序后的静止点集合

被划分为：

且有：

其中，n为排序后的静止点集合S被划分的护栏判定点集合的个数，S_b为另一个护栏判定点集合。

7.根据权利要求6所述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其特征在于，所述步骤S6包括：根据公式(11)计算护栏判定点集合S_a的势q_a：

q_a＝|S_a|，a＝1,…n (11)，

若护栏判定点集合S_a的势q_a满足公式(12)，则判定存在护栏，并根据公式(13)、(14)分别计算护栏判定点集合S_a中元素在车身坐标系下的横坐标的均值

和方差

q_a≥M_t，a＝1,…n (12)，

其中，M_t为判定护栏是否存在的阈值。

8.根据权利要求7所述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其特征在于，所述步骤S7包括：若第k个静止点在车身坐标系下的横坐标p_x_k满足公式(15)，则记第k个静止点隶属于护栏点集合S′_a：

其中，

为量测标准差。

9.根据权利要求8所述的基于点迹特征的道路护栏快速检测方法，其特征在于，所述步骤S8包括：根据公式(16)-(21)和护栏点集合S′_a在车身坐标系的边界区域计算梯形区域的左下顶点(p_x_minL,a,p_y_min,a)、右下定点(p_x_minR,a,p_y_min,a)、左上顶点(p_x_maxL,a,p_y_max,a)和右上顶点(p_x_maxR,a,p_y_max,a)：

p_x_maxL,a＝min({p_x_k|p_x_k∈S′_a})，a＝1,…n (18)，

p_x_maxR,a＝max({p_x_k|p_x_k∈S′_a})，a＝1,…n (19)，

p_y_min,a＝min({p_y_k|p_y_k∈S′_i})，a＝1,…n (20)，

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