基于单目摄像头的车道线识别和路径规划算法研究

作     者：刘金雄 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：耿聪

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080203[工学-机械设计及理论] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：智能车辆 图像预处理 车道线检测 车道线拟合 路径规划 

摘      要：近年来,随着居民经济水平和汽车工业技术的飞速发展,汽车走进千家万户,居民汽车保有量持续上升,给道路交通安全带来了严峻挑战,为了降低人为因素引发的事故发生率,智能驾驶技术成为未来发展的必然趋势。本文主要对车道线检测及路径规划算法进行了研究。本课题的主要研究内容为:(1)对车载摄像头拍摄到的图片进行图像预处理研究,突出车道线特征,为后续车道线拟合做准备。针对利用常用灰度化处理方法对车道线边缘突出不明显的现象,本文基于颜色特征提出将RGB图像转换到Lab色域的方法,保留其中L和b通道达到重点凸显车道线特征的目的;针对普通Sobel算子增加两个对角线方向进行边缘提取,区别出道路图像中的车道线。(2)对车道线采用直线—抛物线组合的可变模型进行拟合。针对车道线为直线的道路场景,本文采用Hough变换对车道线进行拟合。为了提高算法的实时性,对传统Hough变换方法进行改进,减少了在处理过程中的计算量,降低了对硬件设备的要求。针对弯道车道线场景,对预处理后的道路图像进行逆透视变换得到鸟瞰图,采用滑动窗口对车道线像素点坐标进行提取,利用抛物线模型对曲线车道线进行拟合。该方法在能够准确地识别到车道线边界以及适应车道线的曲率变化的基础上,还能满足程序实时性要求。(3)基于人工势场法进行了局部路径规划算法研究。考虑道路边界斥力场的影响,进行了仿真实验。对传统人工势场法存在的目标不可达和陷入局部最小值的问题进行分析研究,分别采用在斥力势场函数中引入车辆到目标点距离的影响和模拟退火算法的方法对问题进行了解决。针对传统人工势场法没有考虑车辆动力学影响的问题,将车辆动力学约束纳入考虑,建立了二自由度车辆模型,引入障碍物速度、加速度影响,使规划的路径更加合理。(4)基于本文的研究进行了编程实现。对车道线预处理算法以及车道线拟合算法进行了编程仿真,验证了本文所用方法的有效性,即能够清晰地得到车道线边界。利用MATLAB软件对改进人工势场法路径规划进行了静态场景仿真,仿真结果表明该方法能够完成车辆位置到目标点的路径规划任务。搭建了Matlab/Simulink软件和Carsim软件联合仿真平台,加入车辆动力学因素,对存在动态障碍物的情况下进行了路径规划,并对规划路径进行了跟踪,仿真结果证实了本文改进的人工势场法进行局部路径规划的有效性和合理性。