基于機(jī)器視覺的輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

1 引言

基于機(jī)器視覺的輔助駕駛系統(tǒng)旨在提高駕駛員的環(huán)境感知能力，通過輔助系統(tǒng)監(jiān)測外界環(huán)境，并在非安全情況及時向駕駛員發(fā)出預(yù)警，從而使人—車—路系統(tǒng)更加穩(wěn)定、安全、可靠，提高汽車的安全性能。

開發(fā)基于機(jī)器視覺的輔助駕駛系統(tǒng)時，需要面對以下難點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)算法復(fù)雜，代碼繁多。機(jī)器視覺主要是借助攝像頭采集外界信息并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號進(jìn)行處理，面對不同的外界環(huán)境和檢測目的，致使系統(tǒng)需要處理的針對點(diǎn)不一樣，因此，使得整個系統(tǒng)在算法方面異常復(fù)雜，開發(fā)過程緩慢。

（2）測試環(huán)境要求苛刻。在系統(tǒng)開發(fā)后期，測試其性能并進(jìn)行整改是整個研發(fā)過程中的關(guān)鍵步驟之一。相比較于其他汽車電子產(chǎn)品，基于機(jī)器視覺的輔助駕駛技術(shù)產(chǎn)品在測試時需要考慮兩點(diǎn)因素：第一，實(shí)車試驗(yàn)時，駕駛員的安全是否能夠得到保障；第二，測試過程需要有效、可信、可從復(fù)，便于及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行整改。

在開發(fā)基于機(jī)器視覺輔助駕駛系統(tǒng)過程中，如果能把上述難題順利解決，將為以后基于機(jī)器視覺的輔助駕駛技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)做好鋪墊，提高輔助駕駛技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)效率，促進(jìn)輔助駕駛技術(shù)產(chǎn)品早日投入量產(chǎn)，最終提高汽車的安全性能。
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2 設(shè)計背景和設(shè)計原則

針對以上在機(jī)器視覺輔助駕駛系統(tǒng)研發(fā)及測試過程中存在的問題，考慮到NI公司的EVS和PXI平臺出色的圖像處理能力及強(qiáng)大的實(shí)時仿真測試功能，采用LabVIEW編程語言，通過VeriStand開發(fā)平臺集成仿真測試模型，設(shè)計了一套基于NI EVS和PXI的機(jī)器視覺輔助駕駛開發(fā)系統(tǒng)。

借助NI EVS平臺可以快速實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的輔助駕駛功能，這主要是依托NI EVS平臺的如下特點(diǎn)：

（1）高性能的多核處理器，2GB RAM適合快速檢測和大型圖像處理；

（2）連接多架相機(jī)以實(shí)現(xiàn)同步檢測（千兆以太網(wǎng)視覺和IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)），可用于多種駕駛輔助功能的開發(fā)；

（3）高速I/O通道適合和工業(yè)通信，具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力；

（4）借助視覺生成器配置實(shí)現(xiàn)自動檢測，無需進(jìn)行底層驅(qū)動和接口電路的設(shè)計開發(fā)；

（5）視覺開發(fā)模塊Vision Development Module（VDM）集成了大量常見的機(jī)器視覺處理基礎(chǔ)模塊，開發(fā)人員將集中于集成和應(yīng)用，快速實(shí)現(xiàn)各類的檢測和識別功能；

（6）采用圖形化編程方式，更加便于開發(fā)人員進(jìn)行復(fù)雜算法的開發(fā)和調(diào)試。

當(dāng)設(shè)計人員有新的創(chuàng)意時，運(yùn)用該系統(tǒng)可以快速將創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率。其中，視覺開發(fā)模塊（VDM）可以讓設(shè)計人員更多的關(guān)注不同算法實(shí)現(xiàn)的效果，減少在編程方面的精力投入，通過綜合比較，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。

借助NI PXI平臺可以在有效、可信、可從復(fù)的環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行測試，以便及早發(fā)現(xiàn)問題并整改。NI PXI平臺在以下幾個方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢：

（1）提供圖形化軟件開發(fā)環(huán)境和良好的人機(jī)交互元素，重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)用程序開發(fā)，無需關(guān)注底層驅(qū)動，人機(jī)界面易開發(fā)；

（2）良好的實(shí)時性，保證數(shù)據(jù)采集和測試的時序要求和實(shí)時性，能夠運(yùn)行復(fù)雜的車輛模型；

（3）系統(tǒng)可靠性、集成度高，可擴(kuò)展性好；

（4）具有很好開放性和擴(kuò)展性，能夠集成其他軟件平臺開發(fā)的各種模型。

綜合NI EVS和PXI的優(yōu)點(diǎn)，采用LabVIEW編程語言，通過VeriStand開發(fā)平臺集成仿真測試模型，開發(fā)了一套基于NI EVS和PXI的機(jī)器視覺輔助駕駛系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)技術(shù)原理和設(shè)計架構(gòu)

針對機(jī)器視覺輔助駕駛系統(tǒng)開發(fā)所面臨的難題及相應(yīng)的解決方案可知，設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)具有以下兩個功能：

（1）機(jī)器視覺系統(tǒng)的快速開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。借助NI EVS平臺，將預(yù)先設(shè)定的需求功能通過編程實(shí)現(xiàn)，并保證整個硬件系統(tǒng)滿足功能需要。

（2）基于機(jī)器視覺的駕駛輔助功能的可信、有效和可重復(fù)的測試。借助NI PXI平臺，搭建一套虛擬測試系統(tǒng)，從而測試機(jī)器視覺開發(fā)部分出現(xiàn)的問題，以便及時整改，提高系統(tǒng)安全性能。

根據(jù)上述思想，系統(tǒng)設(shè)計原理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計原理架構(gòu)圖

如圖1所示，整個平臺分為虛擬測試系統(tǒng)和機(jī)器視覺系統(tǒng)兩部分，兩部分由各自的硬件及軟件構(gòu)成。