观光车环境感知系统的探讨与分析

陈 新，王旭辉，王 琎，吴国军

（1.山西省检验检测中心（山西省标准计量技术研究院），山西 太原 030012；2.苏州益高电动车辆制造有限公司，江苏 苏州 215125）

0 引言

随着我国旅游业的逐年发展，各旅游景区均处于扩张态势，这必然导致景区内的小交通越来越趋于完善和便捷。非公路用旅游观光车以其经济性和灵活性，其数量在近年内得到了较大的增长。然而，在观光车与游客产生越来越多交集的同时，也暴露出较多的公共安全隐患。目前，我国的观光车普遍存在功能简单、性能低劣的状况，亟需在安全与舒适性上得到升级。

1 观光车装备环境感知系统的意义

2014年5月26日，西安秦岭野生动物园发生意外，当时观光车由南向北行驶，小孩由东向西奔跑，最终导致1名小男孩被观光车碾轧，抢救无效不幸离世；2016年2 月27 日下午2 点半左右，在南宁青秀山风景区内，一名6岁小女孩跟父母在景区道路上散步时，被景区的电瓶观光车撞成重伤，送医后抢救无效不幸身亡；2016年10月30日，广东观音山森林公园内发生一起观光车交通事故，观光车途经佛光路一陡坡避让对面来车时，一头撞上路边的防护墙，事故一共造成3人受伤；2020年5月23日，广西河池市罗城县棉花天坑景区内，正当观光车将长生洞的游客接送下山，在拐弯路段，观光车撞向路旁的山体，致1死15伤。这些事故案例无疑向全社会敲响了警钟，观光车的运行安全不仅仅是对司机的教育与培训，也应该从车身的本体安全入手，从设计上解决预防碰撞，提前预警等问题。

在观光车周身安装环境感知传感器，使其在行驶过程中对路面、树木等静态物体和行人、车辆等动态物体进行识别与探测。尤其是动态物体，根据其当前位置与轨迹作出实时判断，以此在事故发生前能及时地发出相应的信号。通过观光车环境感知系统来实现智能预警与辅助驾驶，不仅可以大幅减少景区内交通事故，显著提升旅游安全水平，还能通过提高平均车速来提升运输效率和改善行驶稳定性，促进景点节能增效，增强旅游体验感。

2 观光车环境感知系统的硬件选型

车辆周边环境的感知通常依靠摄像头与雷达来实现。摄像头能够采集图像信息，拥有较广的视角，还能提供色彩与纹理信息，是与人类视觉最为接近的传感器。其原理为：先采集图像并处理，将其转化为二维数据；通过图像匹配进行数据识别，分辨周边环境的差异；利用物体的运动模式，或双目定位，估算相对距离与速度，实现测距功能。摄像头具有技术成熟、成本低、采集信息丰富等优点，但其受光照和环境影响较大，难以全天候工作，在夜晚、雨雾等能见度低的情况下识别能力大幅下降，且其缺乏深度信息，三维立体感较弱。

雷达是通过发射信号并接收反射信号来测定车体与周边环境物体间的距离，计算目标信息（距离、方位、高度、速度、姿态甚至形状等参数），以此实现对障碍物、移动物体等的识别与跟踪。各种类型的雷达有不同的特点：第一，激光雷达发射的是激光束，工作频率较高，故其测距精度较为精准。但激光雷达在工作时受天气的影响较大，在雨雪和雾霾天气中，其精度和传播距离都大幅减少，且由于其接收的是光信号，易受太阳光等光线影响。另外，激光雷达的现阶段成本较高，故较适用于对分辨率要求严苛的场合。第二，毫米波雷达发射的是毫米波波段的无线电信号（波长为1-10mm），由于天线和其他微波元器件尺寸与频率相关，毫米波雷达的天线及其他元器件的尺寸较小，能够方便地安装在车身各部位。毫米波穿透雾、烟、灰尘的能力强，测距精度受天气因素和环境因素影响较小，且其成本较激光雷达低，相对容易大范围推广应用。但毫米波雷达需要调低探测阀值才较容易探测行人等散射截面较弱的目标，此时易产生虚报物体的负面效应，需要辅以精密算法加以修正。第三，超声波雷达发射的是40 kHz 的超声波，能量消耗较为缓慢、穿透性强、反射效率高、测距方法简单、成本较低且不易受光线和环境的影响。但由于超声波属于机械波，传播速度较慢且波速受温度影响较大，故其测量精度对天气状况较为敏感。当车辆行驶速度较快时，使用超声波测距容易导致误差较大。另外超声波散射角大，方向性不高，难以精确描述障碍物位置，其能量随着距离的平方成正比衰减，使得测量远距离目标的回波信号较弱，测量精度较差，故超声波雷达主要应用于倒车辅助与自动泊车方面。

与行驶在交通路面上的普通乘用车辆不同的是，观光车行驶在一个封闭的区域内，并且按照固定的路线行驶，能够通过导航对其所经过的道路坡度、弯度以及周边建筑物进行提前预知；观光车往往没有专供车辆行驶的道路，其路径轨迹与游客行人的重叠率高，行驶过程中有较大的概率需要躲避人群；观光车座位往往是硬质长条座椅，无封闭车门，为保障安全，要求观光车限制在一定的车速内，且不能过于颠簸，对舒适感要求较高。针对这些特点，单一的环境感知传感器是难以满足观光车的安全需求，这需要利用不同的传感器相互配合，方能满足各种工况下的精确感知。

摄像头分辨率高，能够获取丰富的图像信息，便于在物体高度与宽度测量，能够准确进行车道线识别、行人识别等，但作用距离和测距精度不如雷达，且受限于光照与环境；雷达分辨率较差，难以识别物体的具体种类，但能在夜晚工作，且容易获取距离信息，这其中，相较激光雷达，毫米波雷达不受光线与极端天气影响，成本较低，虽探测精度相比较低，可利用更大的天线阵来达到更好的角度分辨率，用更大的带宽来达到更佳的距离分辨率；而毫米波雷达相较超声波雷达，不受气温与恶劣天气影响，且远距离探测精度更高，更易获得准确的速度信息。综合分析，采取视频摄像头结合毫米波雷达是观光车环境感知系统的硬件首选。

3 观光车环境感知系统的数据融合

视频摄像头与毫米波雷达的搭配使用，可避免单一传感器的局限性，提高系统感知的准确度，增强环境适应能力，提高系统容错性。然而不同的传感器返回的数据也必然会出现信息的矛盾与偏差，所以对其进行数据关联和融合，方能实现观光车周边环境的真实感知。

数据融合首先是保证空间一致性，其中最关键的是传感器的标定，其目的是将摄像头与毫米波雷达数据变换到统一的时空坐标系，通过建立精准的图像坐标系与点云坐标系之间的坐标转换关系，使不同的传感器测量值转换到同一个坐标系中，才能完成信息的处理与融合。

数据融合还要保证时间的一致性，使摄像头与毫米波雷达拥有统一的同步时钟。由于不同的传感器其采样帧速率不同，为了保证数据的可靠性，应采用同一时间上各传感器测量的数据来进行比较和融合，才能获得观测对象的实时信息。

观光车环境感知数据融合的过程如下：视频摄像头和毫米波雷达独立完成实时观测数据；视频摄像头和毫米波雷达分别对其RGB 图像和点云数据进行预处理，对特征进行提取、变换，并对其进行模式识别处理，获取相关描述信息；视频摄像头和毫米波雷达预处理后的数据信息分别送至数据融合中心，并按照一定的规则进行数据关联，并使用足够优化的算法对各数据进行融合，获得对观测对象的一致性描述。如图1所示。

图1 观光车环境感知系统简图

4 结束语

对观光车装备环境感知系统，能够大幅提高观光车的安全稳定性，提升景区服务质量，对旅游业的健康发展有着一定的积极意义。针对观光车的行驶特点与行驶环境，采用视频摄像头与毫米波雷达相结合的方式，是实现观光车周边环境探测与感知的最佳方案。难点在于双传感器的数据融合，不仅需要满足空间与时间的一致性，还需要通过足够优化的算法不断进行自学习与迭代，这是下一步研究的重点。