基于多传感融合的智能交通仿真系统

李然 郭谨玮 李子焱 董海博 徐发达

摘要：该文提出了一种基于多传感器融合的微缩智能交通仿真系统。该系统基于摄像头室内定位技术作为智能小车的定位基础，以多传感器融合作为智能小车感知基础，以智能交通沙盘作为小车运行环境，集成了智能小车路径规划、不停车收费、信号灯控制、高速场景运行、智能小车停避障等智能交通应用成果，形成了一套微型智能交通仿真系统。该系统能够实现车辆在真实模拟场景中的自动驾驶算法验证和车联网功能测试，促进车联网技术快速发展。

关键词：智能交通；多传感器融合；室内定位；摄像头定位；智能小车

中图分类号：TP391   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）27-0082-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着汽车向电动化、智能化、网联化、共享化的“新四化” 推进[1]。汽车智能化程度不断提升，智能网联汽车成为行业变革时代的主流[2]。智能网联汽车不仅需要车辆本身的智能化程度的提升，更需要整个交通系统智能化的提升[3]。因此，把汽车和道路环境整合起来，以计算机、通信和人工智能等先进技术为手段，旨在系统高效地解决交通拥堵、交通安全、交通环境污染等问题的智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）[4]应运而生。智能交通仿真系统是基于无线通信、传感探测等技术进行车路信息获取，通过V2V、V2R等信息交互与共享，并实现车辆和基础设施之间、车辆与车辆之间的智能协同与配合，达到优化利用系統资源、提高道路交通安全、缓解交通拥堵的目标[5]。它是“智能交通”下的一个重要的子系统。

微型智能交通仿真系统用了多学科交叉融合的方法，综合智能交通系统全部参与要素，包含智慧交通沙盘、室内高精度定位系统、网联通讯系统、智能交通监管云平台、智能小车和智能移动终端。可进行智能网联汽车运行原理展示、算法仿真研究验证以及先进道路交通系统综合效能模拟验证。

1系统的总体设计

智能交通仿真系统以智能沙盘场景、智能交通设施、智能小车、智能移动终端为基础，通过局域网与智慧交通监管云平台、仿真系统互联，形成一个闭环的、逻辑自洽的仿真整体。智能交通仿真系统能够将智能交通设施、交通状况信息、云平台信息相结合，从而增强车辆对周围环境的感知能力。平台主要包括以下几个功能模块：

1） 车辆控制模块：车辆控制模块位于智能车控制硬件中，车辆通过自主式、网联式等感知设备，实时感知周围环境信息及车辆自身状态数据，并作出相应决策。并发送给车辆底层硬件设备做出响应。

2） 智能交通设施模块：智能交通模块主要包括智能红绿灯、智能ETC、智能停车场等，该模块的硬件设施通过沙盘来实现，可以通过沙盘控制终端实现相关设备的状态的读取和控制指令的实现。

3） V2X通信模块：智能小车之间可以依靠局域网模拟车车通信、车路通信、车与交通设施通信等功能。

4） 信息发布模块：智能车可以当前的道路和交通设施的状况发布交信息。

5） 车辆参数调试模块：该模块和相应的调试软件主要负责车辆控制参数的调试，实现车辆稳定的运行。

6） 室内定位模块：室内定位系统主要通过摄像头对小车进行定位，实现小车毫米级的定位。

系统整体架构如图1所示：

2 系统网络拓扑结构

通过室内通信网络将智能交通沙盘、智能小车、智能移动终端、定位系统互联互通，通过智能交通控制平台实现各个硬件之间的数据交互，实现智能沙盘运行状态监控、智能硬件的控制以及智能小车的控制，保证整个智能交通沙盘的可见与可控；同时三维虚拟重建智能交通仿真沙盘城市地图，形象化重现整个智能交通实时运行状态，并从原理层面展现智能交通数据流。功能拓扑图如图2所示。

智能交通仿真系统采用实时性高、延迟低的全新Wi-Fi 6通信网络，将各个智能设备链接起来，实现要素之间快速性、安全性、低延迟性的交互，为智能交通仿真系统高效稳定地运行提供基本保障。网络拓扑如图3所示。

3系统硬件总体设计

3.1智能沙盘硬件设施

智能沙盘硬件设施根据特定场景进行设计，主要包括基础配套设施和交通设施，如图4所示。基础配套设施主要包括城市道路、城市建筑、城市绿化、建筑灯光、指示标志牌等基础设施；基础交通设施包括交通灯、道闸、停车场、道路标线等，如图5所示。

3.2智能小车

智能小车是智能交通仿真系统的关键设备。智能小车包括底盘、电池、传感器和控制中心四部分组成，如图6所示。底盘主要包括车身底盘、转向舵机、驱动电机、测速编码器、电子调速器等；电池包括底盘驱动电池和主控制板供电电池；传感器主要包括IMU、激光雷达、超声波雷达、摄像头等。控制中心包括电机控制板和主控制板。各个传感器的硬件参数如表1所示。

3.3智能移动终端

智能移动终端可与智能车辆进行互动，可实现车辆的远程控制，包括终点的选择、途经点的选择、沙盘的控制等，如图7所示。根据智能移动终端目的地的选择，智能小车可以依据高级精度地图对从当前位置到目的地的行驶路线进行规划选择，得到最优的行驶路线。

3.4摄像头定位系统

为了模拟车辆在真实环境中的定位情况，智能交通仿真系统采用基于室内动态捕捉技术的多摄像头定位方法对智能小车进行定位。

基于室内动态捕捉技术，是通过多个位于不同方位的摄像头，实现对整个智能交通仿真沙盘区域的智能小车的定位覆盖。移动定位误差低于1mm，远高于传统室内定位误差（移动定位误差50cm），保证微缩车定位的准确性，是智能微缩车稳定运行的保障。

从原理及数据层面，该室内定位系统与GPS全球定位系统定位机制类似。智能小车通过车载定位系统（荧光球），接收来自至少3个卫星（摄像机）的距离信息以及摄像头方位信息，进行联合定位及航向确定。摄像头定位系统软件如图8所示。

4系统软件总体设计

智能交通仿真系统主要包括高精度地图绘制软件和系统控制软件。高精度地图软件结合仿真沙盘的实际道路尺寸绘制毫米级道路矢量地图；系统控制软件主要用于智能小车的控制与调试，其中可视化界面和状态面板主要用于监控智能小车运行状况。

4.1高精度地图绘制软件

基于实体智能交通仿真沙盘的路网情况，同步构建智能交通厘米级高精度地图，精确刻画了城市楼群、城市道路网络、城市基础设施（如红绿灯、ETC等）等地图内容，地图精度误差小于1mm，结合高精度定位系统，实现智能小车按照路径规划及导航行驶；同时，配合地图编辑器，可非常容易地对地图进行编辑，如图9所示。

4.2系统控制软件

系统控制软件主要包括智能小车状态的监控、参数调试、算法验证、定位系统信息监控、地图绘制等。软件界面如图10所示。监控软件主要包括信息显示模块、信息发布模块。其中信息显示模块主要用于显示道路实时信息，如车流信息、视频数据等，信息发布模块用于监控中心将实时信息发布至沙盘路侧LED信息板上。

监控平台主要由PC机与无线网卡组成，后台监控平台通过与车载终端组建的无线局域网络进行通信。后台监控平台通过无线网络接收车载终端发送过来的数据，对数据做进一步处理，并把处理结果返回给车载终端，做相应的控制。

5功能实现

智能小车通过摄像头、测距激光雷达等传感器感知周围环境信息（如图像数据、前方障碍物距离数据），通过毫米级定位系统、室内通讯网络等设备，联网式获得周围世界数据（如地图、红绿灯、闸机、其他车辆位置数据等），并通过编码器、惯性导航等传感设备了解自身状态（如车速、车姿），经数据感知及融合决策，规划全局最优行驶路径，控制车辆启动并准备循径行驶。

在智能小车行进的过程中，通过自主式、网联式等感知设备，实时了解周围环境信息及车辆自身状态数据，并作出相应决策（局部行为规划）（如通过红绿灯、ETC，车辆相遇等），决策命令（车辆横向及纵向控制）经由车辆控制执行算法，通过电驱转向、电驱加速/减速装置，控制车辆平稳、安全行驶，最终安全到达目的地。

智能小车具备路径规划、车道线识别、寻路行驶、自动停障、红绿灯识别、交通标志识别、自动泊车、紧急制动、通行闸机、编队行驶、PID控制、自动定位补偿、定位感知等功能，满足智能小车在沙盘自主驾驶的行为诉求，如图11所示。

同时基于现有车辆软硬件系统的基础上，可对车辆算法进行二次开发、拓展和更新，进行算法仿真研究验证。

6总结

通过对基于摄像头室内定位的多传感器融合智能交通仿真系统的详细设计，系统实现了智能小车路径规划、不停车收费、信号灯控制等智能交通应用，能够满足智能交通相关算法的验证与车联网功能测试。但随着5G、双载波聚合5G+技术的发展，下一步可通过5G网络环境下进行算法验证和车联网相关测试，使得其进一步贴近真实交通场景。

参考文献

[1] 黄卫，路小波.智能运输系统（ITS）概论[M].2版.北京：人民交通出版社，2008.

[2] 储浩，杨晓光，朱彤，等.基于智能车路系统的交叉口主动交通安全技术研究[J].交通与计算机，2008，26（4）：135-139.

[3] 张立立，王力，张玲玉.城市道路交通控制概述与展望[J].科学技术与工程，2020，20（16）：6322-6329.

[4] 樊瑤，褚燕利.基于多传感器融合的智能车路协同仿真系统[J].公路，2014，59（10）：189-193.

[5] 王语琪，巩应奎.一种基于视觉信息的可见光通信室内定位方法[J].计算机技术与发展，2016，26（1）：200-204.

【通联编辑：朱宝贵】