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摘要：針對(duì)傳統(tǒng)車輛軌跡檢測方法的缺點(diǎn)，提出了基于機(jī)器視覺的車輛精確行駛軌跡檢測方案，并通過Recurdyn仿真對(duì)軌跡跟蹤算法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文提出的方案精度可靠，成本可控，在理論研究和實(shí)踐應(yīng)用上都有很大價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；軌跡檢測；Recurdyn

1引言

車輛的行駛軌跡和絕對(duì)速度在測量車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)過程中有著重要的作用。但現(xiàn)階段在車輛行駛軌跡和絕對(duì)速度的精確測量方面研究成果還不夠完善，傳統(tǒng)方法大多存在成本較高、設(shè)備布置困難和精度不足等缺點(diǎn)，不能做到成本和精度兼顧。所以一種既有精度保證，又能控制成本的實(shí)用、快速的車輛軌跡檢測系統(tǒng)，有著極大的發(fā)展前景。隨著機(jī)械自動(dòng)化和光學(xué)測量系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多的機(jī)械化產(chǎn)業(yè)與光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，形成了多種復(fù)合領(lǐng)域。本文針對(duì)現(xiàn)有車輛行駛軌跡的測量方法存在的種種問題，提出一種基于機(jī)器視覺的車輛軌跡檢測方案，作為一種非接觸測量手段，具有成本可控、準(zhǔn)備工作少、測量速度快、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，其具有實(shí)用性和廣泛性，在此平臺(tái)上可拓展車輛運(yùn)行時(shí)其他參數(shù)的測量應(yīng)用，也可與其他測量系統(tǒng)相結(jié)合形成綜合的測量系統(tǒng)。

2車輛軌跡檢測研究現(xiàn)狀

對(duì)車輛行駛軌跡的精確測量方法大致有以下幾種：采用五輪儀、滴水法、主動(dòng)輪估算法、差分GPS定位法、超聲波定位法、激光測距定位法、拉線位移傳感器定位法、視覺SLAM法等。基于機(jī)器視覺的車輛檢測是對(duì)采集圖像進(jìn)行初步處理，將車輛圖像部分分割出來。通常有幀差法、背景差法和光流法等。基于機(jī)器視覺的軌跡跟蹤主要是為了獲得車輛在場地上運(yùn)動(dòng)時(shí)行進(jìn)過的軌跡，得到運(yùn)動(dòng)車輛的位置、速度、方位角等信息。軌跡跟蹤通常可分為基于模型的跟蹤、基于區(qū)域的跟蹤、基于活動(dòng)輪廓的跟蹤和基于特征的跟蹤四大類。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的車輛檢測和軌跡跟蹤技術(shù)發(fā)展較快，通過構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)和Adaboost等算法使機(jī)器獲得對(duì)圖像分辨和理解的能力，從而解決傳統(tǒng)算法運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性不高、受環(huán)境影響大和檢測跟蹤精度不高等問題。隨著深度學(xué)習(xí)的快速興起，此領(lǐng)域的理論研究達(dá)到了一個(gè)新的高度，但現(xiàn)階段其在各領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，還不夠廣泛。傳統(tǒng)的基于機(jī)器視覺的車輛軌跡跟蹤方法獲取的都是整車軌跡的粗略估計(jì)值，難以獲得高精度行駛軌跡，傳統(tǒng)的車輛軌跡檢測方法也存在精度和成本難以平衡的缺點(diǎn)，本文采用基于機(jī)器視覺的車輛軌跡檢測方案，在車輛精度和成本上做到了較好的平衡。

3軌跡檢測系統(tǒng)和軌跡檢測算法

本文軌跡檢測系統(tǒng)利用試驗(yàn)場地頂部相機(jī)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行視頻采集，而后對(duì)視頻圖像采用車輛檢測和軌跡跟蹤算法進(jìn)行處理得到精確的運(yùn)動(dòng)軌跡。在車輛檢測方面，針對(duì)傳統(tǒng)方法檢測精度低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了定位標(biāo)志代替車輛，將對(duì)車輛的檢測簡化為對(duì)標(biāo)志的檢測，將對(duì)車輛的軌跡跟蹤簡化為對(duì)標(biāo)志的軌跡跟蹤，一方面可以降低檢測和跟蹤運(yùn)算量，提高了檢測的速度，另一方面不使用對(duì)整車的粗略跟蹤方法，而采用對(duì)標(biāo)志的精確跟蹤方法，提高了軌跡跟蹤的精度。整個(gè)方案設(shè)備簡單，安裝方便，成本可控，通過誤差分析和修正迭代可達(dá)到可觀的精度，另外其魯棒性強(qiáng)，拓展能力強(qiáng)，易于集成和模塊性開發(fā)。標(biāo)志設(shè)計(jì)如圖3（a），由兩個(gè)同心圓和一對(duì)平行線段組成，通過Hough變換對(duì)圓和線段進(jìn)行檢測來獲取圓心精確坐標(biāo)和線段平均轉(zhuǎn)動(dòng)角度，檢測結(jié)果如圖3（b）作為車輛的精確位置和行駛方向角，其坐標(biāo)誤差為3.8‰，方向角誤差為2.4‰[4]。對(duì)標(biāo)志的跟蹤算法采用基于運(yùn)動(dòng)預(yù)測的方法，其運(yùn)算速度較普通算法可提高48.6%[5]。

4算法仿真驗(yàn)證

對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行仿真建模，首先通過Recurdyn和Matlab仿真對(duì)模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，而后進(jìn)行轉(zhuǎn)向工況的算法仿真驗(yàn)證，利用Recurdyn獲取標(biāo)志精確軌跡作為實(shí)際數(shù)據(jù)，同時(shí)生成頂視角視頻進(jìn)行跟蹤算法計(jì)算得到軌跡算法仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。這里選用輕型履帶底盤模型車進(jìn)行建模，并在主動(dòng)輪附近設(shè)置兩個(gè)標(biāo)志以提高檢測精度。對(duì)模型雙側(cè)主動(dòng)輪進(jìn)行高轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)試驗(yàn)，并生成頂視角視頻通過軌跡跟蹤算法進(jìn)行處理，獲取主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和橫擺角速度的實(shí)際和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)對(duì)比實(shí)際和仿真數(shù)據(jù)在變化范圍和變化趨勢上都相近，故模型具有較高的可靠性。對(duì)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)向工況仿真，同樣生成頂視角視頻作為試驗(yàn)場地頂部攝像機(jī)采集的信息，利用跟蹤算法進(jìn)行檢測，獲取左、右標(biāo)志軌跡的實(shí)際數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)。其中左、右標(biāo)志軌跡平均誤差為2.93mm、1.89mm；方向角度平均誤差為0.1°，其精度比較可觀。

5結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)車輛行駛軌跡檢測方法的缺點(diǎn)，結(jié)合基于機(jī)器視覺的車輛檢測和跟蹤算法設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的車輛軌跡精確檢測方案，通過對(duì)輕型履帶模型底盤進(jìn)行建模和仿真，驗(yàn)證了軌跡跟蹤算法的精度。結(jié)果表明，本文提出的車輛行駛軌跡精確檢測方案成本可控，精度可靠。同時(shí)，本文方案還有較大拓展空間，一方面可以通過誤差分析和對(duì)方案和算法的修改進(jìn)行迭代修正，提高軌跡檢測精度；另一方面本文方案可拓展研究內(nèi)容，如通過獲取的車輛精確行駛軌跡幫助研究車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，作為車輛性能評(píng)價(jià)的子模塊，同時(shí)也可將本文方案用于工業(yè)應(yīng)用，并為其他形式的軌跡檢測任務(wù)拓寬思路。

作者:梁梓 王濤 單位:陸軍裝甲兵學(xué)院