CN109613544B - 一种基于激光雷达的高速公路视距检测方法 - Google Patents

一种基于激光雷达的高速公路视距检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的高速公路视距检测方法，包括以下步骤：首先设定道路安全视距阈值ls；对待使用的激光雷达进行参数设定；然后将待使用的激光雷达搭载于检测车辆的顶部，距离地面高度h0，使激光雷达的扫描范围满足：lmax＝h0·tanαmax>ls；再以激光雷达所处的位置为原点，建立球面坐标系和三维直角坐标系；最后使检测车辆在被检测道路上行驶，激光雷达旋转扫描，获取车辆前方的护栏上的采集点，并计算激光雷达扫描到的护栏长度l0以及车辆距离最远处的特征点之间的护栏长度l；若l<ls，则被检测的道路的视距实值为l；若l≥ls，则ls作为被检测的道路的视距实值。本发明的检测方法测量方便、准确，可有效弥补传统视距检测方法在精确性、时效性以及动态测距方面的不足。

Description

一种基于激光雷达的高速公路视距检测方法
技术领域
本发明涉及道路交通安全评价技术领域，尤其涉及一种基于激光雷达的高速公路视距检测方法。
背景技术
视距是保证道路行车安全的一个重要设计因素，在道路建设标准中是一项强制性指标。道路沿线的每一条车道都应具有足够的视距，以保证驾驶人在遇到紧急情况时能够及时做出相应的反应，保证行车安全。尤其对于高速公路来说，车辆行驶速度快，因此更需要有充足的视距保障。
从测距的手段来看，现在应用的测距技术主要分为以下几种：激光测距、微波雷达测距、超声波测距以及机器视觉系统测距。在道路交通领域，就测距对象来说，人们多集中于对障碍物的距离检测，对道路视距的检测缺乏行之有效的方法，尤其是高速公路，由于车辆在其上高速行驶，对视距的要求也就更为严格。就测距过程来说，传统方法多为静态检测，检测速度受到很大限制。而道路交通安全评价需要得到一条路多处的视距，而不同地点的视距相差很大，这就需要进行动态检测，对技术的要求也就更高。
综上，提出一种动态的、精度高的高速公路视距检测方法势在必行。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于激光雷达的高速公路视距检测方法，可弥补传统视距检测方法在精确性、时效性以及动态测距方面的不足。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种基于激光雷达的高速公路视距检测方法，包括以下步骤：
S1：设定道路安全视距阈值ls；
S2：对待使用的激光雷达进行参数设定；所述参数包含：每束激光与竖直方向所成的锐角αi，激光雷达转动的角速度ω，以及激光束发射的频率f；
S3：将待使用的激光雷达搭载于检测车辆的顶部，距离地面高度h0，使激光雷达的扫描范围满足：
lmax＝h0·tanαmax＞ls
其中，lmax是指与竖直方向夹角最大的那束激光在地面上所画圆的半径；αmax是该束激光与竖直方向的夹角；
S4：以激光雷达所处的位置为原点O，分别建立球面坐标系
Figure RE-GDA0001974471400000023
和三维直角坐标系(x,y,z)；
其中，在三维直角坐标系中，x轴正方向为检测车辆的行驶方向，y 轴正方向为x正方向垂直向左，z轴正方向为竖直向上；
在球面坐标系中，ρ为空间某一点P与原点O的径向距离，θ为点P 到原点O的连线与z轴正方向所成的夹角，
Figure RE-GDA0001974471400000021
为点P到原点O的连线在 xoy平面上的投影，与x轴正方向的夹角；
所述球面坐标系
Figure RE-GDA0001974471400000022
和三维直角坐标系(x,y,z)之间的转换关系为：
Figure RE-GDA0001974471400000031
Figure RE-GDA0001974471400000032
z＝ρcosθ；
S5：使检测车辆在被检测道路上行驶，激光雷达按照S2中设定的角速度ω旋转，采集检测车辆周围的环境信息，并获取采集点信息；
其中，所述采集点信息包含：激光雷达旋转时所采集到的点数、各采集点在球面坐标系和三维直角坐标系中的坐标、以及各采集点距离地面的高度；
S6：提取激光雷达扫描到检测车辆前方的护栏上的采集点，记提取的特征点为Pk，并获得各个特征点Pk在三维直角坐标系中的坐标 (xk,yk,zk)；其中，k＝1,2,...,n；n为激光雷达的激光束数目；
S7：采用以下公式计算激光雷达扫描到的护栏长度l0：
Figure RE-GDA0001974471400000033
S8：采用以下公式计算检测车辆距离最远处的特征点之间的护栏长度l：
Figure RE-GDA0001974471400000034
其中，x1是距离检测车辆最近的特征点与检测车辆之间的距离；
S9：若l<ls，则被检测的道路的视距实值为l；
若l≥ls，则被检测的道路的视距实值为ls。
本发明技术方案的特点和进一步的改进在于：
(1)S5中，激光雷达旋转一周时每束激光所采集到的点数j为
Figure RE-GDA0001974471400000041
(2)S5中，采集点Pij在球面坐标系中的坐标为
Figure RE-GDA0001974471400000042
其中，激光雷达的第i束激光所采集到的采集点Pij的θij＝π-αi；
根据球面坐标系
Figure RE-GDA0001974471400000043
和三维直角坐标系(x,y,z)之间的转换关系，获得采集点Pij在三维直角坐标系中的坐标为(xij,yij,zij)：
Figure RE-GDA0001974471400000044
Figure RE-GDA0001974471400000045
zij＝ρij cos(π-αi)。
(3)S5中，采集点Pij距离地面的高度hij为：hij＝h0-|zij|。
(4)S6中，所述提取的方法具体为：
S61：保留xij≥0的点，剔除不符合xij≥0的点；
S62：设置护栏高度的双阈值hmin和hmax，保留hmin≤hij≤hmax的点，剔除不符合hmin≤hij≤hmax的点；
S63：保留
Figure RE-GDA0001974471400000046
为最小的点。
(5)S6中，各个特征点Pk在三维直角坐标系中的坐标为(xk,yk,zk)：
Figure RE-GDA0001974471400000047
Figure RE-GDA0001974471400000048
zk＝ρk cos(π-αk)。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的基于激光雷达的高速公路视距检测方法测量方便、准确，可有效弥补传统视距检测方法在精确性、时效性以及动态测距方面的不足。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于激光雷达的高速公路视距检测方法，包括以下步骤：
S1：设定道路安全视距阈值ls；安全视距的大小只在一定范围内才有意义，超出这个范围说明视距足够大，也就符合要求。本发明中的道路安全视距阈值ls根据有关道路安全条例选取。
S2：对待使用的激光雷达进行参数设定；所述参数包含：每束激光与竖直方向所成的锐角αi，激光雷达转动的角速度ω，以及激光束发射的频率f；其中，激光雷达转动的角速度ω为激光雷达的各束激光每秒钟转动的角度；激光束发射的频率f为激光束每秒发射的频数； i＝1,2,...,n，n为激光雷达的激光束数目；
本发明实施例中的激光雷达采用的是16线束的激光雷达，即n为 16。
S3：将待使用的激光雷达搭载于检测车辆的顶部，距离地面高度h0，使激光雷达的扫描范围满足：
lmax＝h0·tanαmax＞ls
其中，lmax是指与竖直方向夹角最大的那束激光在地面上所画圆的半径；αmax是该束激光与竖直方向的夹角；
S4：以激光雷达所处的位置为原点O，分别建立球面坐标系
Figure RE-GDA0001974471400000051
和三维直角坐标系(x,y,z)；
其中，在三维直角坐标系中，x轴正方向为检测车辆的行驶方向，y 轴正方向为x正方向垂直向左，z轴正方向为竖直向上；
在球面坐标系中，ρ为空间某一点P与原点O的径向距离，θ为点P 到原点O的连线与z轴正方向所成的夹角，
Figure RE-GDA0001974471400000061
为点P到原点O的连线在 xoy平面上的投影，与x轴正方向的夹角；
所述球面坐标系
Figure RE-GDA0001974471400000062
和三维直角坐标系(x,y,z)之间的转换关系为：
Figure RE-GDA0001974471400000063
Figure RE-GDA0001974471400000064
z＝ρcosθ；
S5：使检测车辆在被检测道路上以速度v匀速行驶，激光雷达按照 S2中设定的角速度ω旋转，采集检测车辆周围的环境信息，并获取采集点信息；
其中，所述采集点信息包含：激光雷达旋转时所采集到的点数、各采集点在球面坐标系和三维直角坐标系中的坐标、以及各采集点距离地面的高度；
激光雷达旋转一周时每束激光所采集到的点数j为
Figure RE-GDA0001974471400000065
则16束激光共采集的点数为
Figure RE-GDA0001974471400000066
采集点Pij在球面坐标系中的坐标为
Figure RE-GDA0001974471400000067
由于激光雷达发射的光束斜向下，且每束激光的θ值固定，对第i束激光采集到的点Pij来说，θij＝π-αi。
因此，根据球面坐标系
Figure RE-GDA0001974471400000068
和三维直角坐标系(x,y,z)之间的转换关系，获得采集点Pij在三维直角坐标系中的坐标为(xij,yij,zij)：
Figure RE-GDA0001974471400000071
Figure RE-GDA0001974471400000072
zij＝ρijcos(π-αi)。
由于坐标原点O距地面的高度为h0，则采集点Pij距地面的高度hij为： hij＝h0-|zij|。
S6：提取激光雷达扫描到检测车辆前方的护栏上的采集点，采用基于护栏高度特征的提取方法进行提取，激光雷达在旋转过程中会在检测车辆的前方和后方都进行打点，本发明实施例只提取扫描到检测车辆前方护栏上的点，故当xij≥0时，保留，否则剔除。
由于护栏高度相对于路面是固定的，因此设置护栏高度的双阈值 hmin和hmax，若hmin≤hij≤hmax，这说明Pij为打到护栏上的点，作提取保留，并删除其余不符合条件的点。
同一束激光打在前方护栏上有若干个点，且这些点距离十分接近，在做线型计算时反而造成干扰，故每束激光只保留一个提取点。该点为最接近护栏纵向中心的点，即保留
Figure RE-GDA0001974471400000073
最小的点。
本实施例最终提取的特征点记为Pk，k＝1,2,...,n，n为16。获得各个特征点Pk在三维直角坐标系中的坐标(xk,yk,zk)：
Figure RE-GDA0001974471400000074
Figure RE-GDA0001974471400000075
zk＝ρkcos(π-αk)。
S7：计算激光雷达扫描到的护栏长度l0，记提取的特征点数目为 n(n≤16)。两相邻特征点之间的距离用直线长度代替，则激光雷达扫描到的护栏长度采用以下公式计算
Figure RE-GDA0001974471400000081
S8：采用以下公式计算检测车辆距离最远处的特征点Pn之间的护栏长度l：
Figure RE-GDA0001974471400000082
其中，x1是距离检测车辆最近的特征点P1与检测车辆之间的距离；
S9：若l<ls，则被检测的道路的视距实值即为l；
若l≥ls，则视ls为被检测的道路的视距实值。
需要特别说明的是：在S5中，激光雷达旋转一周可完成对护栏的一次扫描，该过程的时间是
Figure RE-GDA0001974471400000083
在时间t内车辆的前进距离为
Figure RE-GDA0001974471400000084
因此为了缩小误差，应该设置较大的激光雷达旋转角速度ω和较小的汽车前进速度v。
在S6中，护栏高度双阈值的选取：hmin为护栏横杆底端相对于路面的高度，hmax为护栏横杆顶端相对于路面的高度，
Figure RE-GDA0001974471400000085
为护栏横杆纵向中心相对于路面的高度。
在S8中，检测车辆所处位置到第一个特征点距离很近，之间的道路和护栏线型接近于直线，故可用x1代替第一个特征点P1到车辆之间的护栏长度，则l＝l0+x1为最后一个特征点Pn到车辆之间的护栏长度，并用l代替视距实值。
本发明主要应用于道路交通安全评价场合，其基本思想是考虑到高速公路有护栏且护栏特征连续、明显，因此考虑把激光雷达检测到的前方护栏的长度作为该处的道路视距。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于激光雷达的高速公路视距检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设定道路安全视距阈值ls；
S2：对待使用的激光雷达进行参数设定；所述参数包含：每束激光与竖直方向所成的锐角αi，激光雷达转动的角速度ω，以及激光束发射的频率f；
S3：将待使用的激光雷达搭载于检测车辆的顶部，距离地面高度h0，使激光雷达的扫描范围满足：
lmax＝h0·tanαmax>ls
其中，lmax是指与竖直方向夹角最大的那束激光在地面上所画圆的半径；αmax是该束激光与竖直方向的夹角；
S4：以激光雷达所处的位置为原点O，分别建立球面坐标系
Figure FDA0001922151060000013
和三维直角坐标系(x,y,z)；
其中，在三维直角坐标系中，x轴正方向为检测车辆的行驶方向，y轴正方向为x正方向垂直向左，z轴正方向为竖直向上；
在球面坐标系中，ρ为空间某一点P与原点O的径向距离，θ为点P到原点O的连线与z轴正方向所成的夹角，
Figure FDA0001922151060000014
为点P到原点O的连线在xoy平面上的投影，与x轴正方向的夹角；
所述球面坐标系
Figure FDA0001922151060000015
和三维直角坐标系(x,y,z)之间的转换关系为：
Figure FDA0001922151060000012
Figure FDA0001922151060000011
z＝ρcosθ；
S5：使检测车辆在被检测道路上行驶，激光雷达按照S2中设定的角速度ω旋转，采集检测车辆周围的环境信息，并获取采集点信息；
其中，所述采集点信息包含：激光雷达旋转时所采集到的点数、各采集点在球面坐标系和三维直角坐标系中的坐标、以及各采集点距离地面的高度；
S6：提取激光雷达扫描到检测车辆前方的护栏上的采集点，记提取的特征点为Pk，并获得各个特征点Pk在三维直角坐标系中的坐标(xk,yk,zk)；其中，k＝1,2,...,n；n为激光雷达的激光束数目；
S7：采用以下公式计算激光雷达扫描到的护栏长度l0：
Figure FDA0001922151060000021
S8：采用以下公式计算检测车辆距离最远处的特征点之间的护栏长度l：
Figure FDA0001922151060000022
其中，x1是距离检测车辆最近的特征点与检测车辆之间的距离；
S9：若l<ls，则被检测的道路的视距实值为l；
若l≥ls，则被检测的道路的视距实值为ls。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的高速公路视距检测方法，其特征在于，S1中，所述道路安全视距阈值ls根据有关道路安全条例选取。
3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的高速公路视距检测方法，其特征在于，S2中，所述激光雷达转动的角速度ω为激光雷达的各束激光每秒钟转动的角度；所述激光束发射的频率f为激光束每秒发射的频数。
4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的高速公路视距检测方法，其特征在于，S5中，检测车辆在被检测道路上匀速行驶。
5.根据权利要求1所述的基于激光雷达的高速公路视距检测方法，其特征在于，S5中，激光雷达旋转一周时每束激光所采集到的点数j为
Figure FDA0001922151060000031
6.根据权利要求5所述的基于激光雷达的高速公路视距检测方法，其特征在于，S5中，采集点Pij在球面坐标系中的坐标为
Figure FDA0001922151060000033
其中，激光雷达的第i束激光所采集到的采集点Pij的θij＝π-αi；
根据球面坐标系
Figure FDA0001922151060000034
和三维直角坐标系(x,y,z)之间的转换关系，获得采集点Pij在三维直角坐标系中的坐标为(xij,yij,zij)：
Figure FDA0001922151060000035
Figure FDA0001922151060000036
zij＝ρijcos(π-αi)。
7.根据权利要求6所述的基于激光雷达的高速公路视距检测方法，其特征在于，S5中，采集点Pij距离地面的高度hij为：hij＝h0-|zij|。
8.根据权利要求7所述的基于激光雷达的高速公路视距检测方法，其特征在于，S6中，所述提取的方法具体为：
S61：保留xij≥0的点，剔除不符合xij≥0的点；
S62：设置护栏高度的双阈值hmin和hmax，保留hmin≤hij≤hmax的点，剔除不符合hmin≤hij≤hmax的点；
S63：保留
Figure FDA0001922151060000032
为最小的点。
9.根据权利要求8所述的基于激光雷达的高速公路视距检测方法，其特征在于，S6中，各个特征点Pk在三维直角坐标系中的坐标为(xk,yk,zk)：
Figure FDA0001922151060000041
Figure FDA0001922151060000042
zk＝ρkcos(π-αk)。
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