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手把手教你学AUTOSAR(15.5)--基于AUTOSAR的自动驾驶交通标志识别系统(TSR)

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项目实例:基于AUTOSAR的自动驾驶交通标志识别系统(TSR)

项目背景

项目目标

技术选型

项目实施步骤

1. 系统需求分析

2. 系统架构设计

3. 模块开发

4. 系统集成

5. 测试与验证

示例代码

交通标志检测模块

交通标志识别模块

车辆行为调整模块

总结


基于AUTOSAR的自动驾驶系统开发项目实例。这次我们将重点放在一个具体的子系统——自动驾驶的交通标志识别系统(Traffic Sign Recognition, TSR)。这个系统通过摄像头检测并识别道路上的交通标志,然后根据识别结果调整车辆的行为,如减速、停车等。

项目实例:基于AUTOSAR的自动驾驶交通标志识别系统(TSR)

项目背景

交通标志识别系统(TSR)是自动驾驶技术中的一个重要功能,它通过摄像头检测并识别道路上的交通标志,然后根据识别结果调整车辆的行为,如减速、停车等。本项目的目标是使用AUTOSAR框架设计和开发一个交通标志识别系统,确保车辆在行驶过程中能够及时响应交通标志,提高驾驶安全性和合规性。

项目目标
  • 交通标志检测 :通过摄像头检测道路上的交通标志。
  • 交通标志识别 :识别交通标志的类型和内容。
  • 车辆行为调整 :根据识别结果调整车辆的行为,如减速、停车等。
  • 用户界面 :提供人机交互界面,显示交通标志识别结果和警告信息。
  • 标准化开发 :遵循AUTOSAR标准,实现模块化和可重用的设计。
  • 性能优化 :确保系统的实时性和可靠性。
技术选型
  • 开发工具 :MATLAB/Simulink、Vector CANoe、ETAS ASCET
  • AUTOSAR工具 :EB tresos、Vector DaVinci Developer
  • 硬件平台 :汽车ECU(Electronic Control Unit)
  • 操作系统 :AUTOSAR OS
  • 通信协议 :CAN、LIN、FlexRay、Ethernet
项目实施步骤
1. 系统需求分析

需求

  • 交通标志检测 :通过摄像头检测道路上的交通标志。
  • 交通标志识别 :识别交通标志的类型和内容。
  • 车辆行为调整 :根据识别结果调整车辆的行为,如减速、停车等。
  • 用户界面 :提供人机交互界面,显示交通标志识别结果和警告信息。
  • 安全机制 :实现故障检测和安全降级机制。
2. 系统架构设计

模块划分

  • 交通标志检测模块 :负责处理摄像头数据,检测道路上的交通标志。
  • 交通标志识别模块 :负责识别交通标志的类型和内容。
  • 车辆行为调整模块 :负责根据识别结果调整车辆的行为。
  • 用户界面模块 :负责人机交互,显示交通标志识别结果和警告信息。
  • 通信模块 :负责与其他ECU的通信,如获取车辆状态信息。

AUTOSAR组件

  • 软件组件(SWC) :每个模块对应一个或多个SWC。
  • 运行实体(RTE) :实现SWC之间的通信。
  • ECU抽象层(ECU Abstraction Layer) :提供硬件访问接口。
  • 微控制器抽象层(MCAL) :提供底层硬件驱动。
3. 模块开发

交通标志检测模块

  • SWC :TrafficSignDetection_SWC
  • 功能
    • 摄像头处理 :处理摄像头数据,检测道路上的交通标志。
    • 预处理 :对摄像头数据进行预处理,如灰度化、去噪等。
  • 实现
    • 使用计算机视觉库(如OpenCV)处理摄像头数据。
    • 使用图像处理算法(如边缘检测、轮廓提取)检测交通标志。
    • 通过AUTOSAR RTE接口与交通标志识别模块通信。

交通标志识别模块

  • SWC :TrafficSignRecognition_SWC
  • 功能
    • 特征提取 :提取交通标志的特征。
    • 分类识别 :识别交通标志的类型和内容。
  • 实现
    • 使用机器学习算法(如SVM、CNN)进行交通标志分类。
    • 通过AUTOSAR RTE接口与车辆行为调整模块通信。

车辆行为调整模块

  • SWC :VehicleBehaviorAdjustment_SWC
  • 功能
    • 行为决策 :根据识别结果决定车辆的行为,如减速、停车等。
    • 控制命令生成 :生成相应的控制命令,如发送给制动系统或转向系统。
  • 实现
    • 使用决策树或规则引擎进行行为决策。
    • 通过AUTOSAR RTE接口与交通标志识别模块通信。

用户界面模块

  • SWC :UI_SWC
  • 功能
    • 状态显示 :显示交通标志识别结果和警告信息。
    • 用户交互 :提供触摸屏和语音交互界面。
  • 实现
    • 使用图形用户界面库(如Qt for Automotive)。
    • 通过AUTOSAR RTE接口与交通标志检测模块、交通标志识别模块和车辆行为调整模块通信。

通信模块

  • SWC :Communication_SWC
  • 功能
    • CAN通信 :与其他ECU通信,获取车辆状态信息。
    • Ethernet通信 :连接互联网,获取地图和交通信息。
  • 实现
    • 使用AUTOSAR通信栈(如CAN Stack、Ethernet Stack)。
4. 系统集成

步骤

  1. 软件集成 :使用AUTOSAR工具(如EB tresos、Vector DaVinci Developer)将各个模块的软件集成到一个完整的系统中。
  2. 硬件集成 :将各个ECU集成到车辆中,确保它们之间的物理连接和通信。
  3. 配置管理 :使用AUTOSAR配置管理工具(如Vector CANoe)进行系统配置和管理。
  4. 测试验证 :进行全面的系统测试,验证系统的功能和性能。
5. 测试与验证

测试内容

  • 功能测试 :验证交通标志检测、交通标志识别和车辆行为调整功能是否正常工作。
  • 性能测试 :评估系统的实时性和能效。
  • 兼容性测试 :验证系统与其他ECU的兼容性。
  • 安全性测试 :评估系统的安全性和可靠性。

测试工具

  • 功能测试工具 :使用AUTOSAR测试工具(如Vector CANoe)进行功能测试。
  • 性能测试工具 :使用性能测试工具(如Profiling Tools)评估系统性能。
  • 兼容性测试工具 :使用兼容性测试工具(如ISO 11898-1)验证通信协议的兼容性。
  • 安全性测试工具 :使用安全性测试工具(如Penetration Testing Tools)评估系统安全性。

示例代码

以下是部分模块的MATLAB代码示例:

交通标志检测模块
复制代码

matlab

深色版本

复制代码
 % 创建SWC

    
 trafficSignDetection_SWC = createSWC('TrafficSignDetection_SWC');
    
  
    
 % 添加端口
    
 addPort(trafficSignDetection_SWC, 'CameraData', 'in');
    
 addPort(trafficSignDetection_SWC, 'DetectedSigns', 'out');
    
  
    
 % 添加行为
    
 addBehavior(trafficSignDetection_SWC, 'onCameraData', 'detectTrafficSigns');
    
  
    
 % 实现行为
    
 function detectTrafficSigns(cameraData)
    
     % 处理摄像头数据,检测道路上的交通标志
    
     fprintf('Detecting traffic signs...\n');
    
     detectedSigns = processImage(cameraData);
    
     sendToPort(trafficSignDetection_SWC, 'DetectedSigns', detectedSigns);
    
 end
    
  
    
 % 辅助函数:处理摄像头数据
    
 function signs = processImage(cameraData)
    
     % 使用OpenCV处理摄像头数据
    
     image = cameraData.Image;
    
     grayImage = rgb2gray(image);
    
     edges = edge(grayImage, 'Canny');
    
     contours = findContours(edges);
    
     signs = [];
    
     for i = 1:length(contours)
    
     sign = extractSign(contours(i), image);
    
     if isTrafficSign(sign)
    
         signs = [signs; sign];
    
     end
    
     end
    
 end
    
  
    
 % 辅助函数:提取交通标志
    
 function sign = extractSign(contour, image)
    
     % 提取交通标志区域
    
     boundingBox = boundingRect(contour);
    
     sign = image(boundingBox.y:boundingBox.y+boundingBox.height, boundingBox.x:boundingBox.x+boundingBox.width);
    
 end
    
  
    
 % 辅助函数:判断是否为交通标志
    
 function isSign = isTrafficSign(sign)
    
     % 使用特征匹配或模板匹配判断是否为交通标志
    
     isSign = false;
    
     % 示例:假设有一个已知的交通标志模板
    
     template = loadTrafficSignTemplate();
    
     matchScore = matchTemplate(sign, template);
    
     if matchScore > threshold
    
     isSign = true;
    
     end
    
 end
    
    
    
    
交通标志识别模块
复制代码

matlab

深色版本

复制代码
 % 创建SWC

    
 trafficSignRecognition_SWC = createSWC('TrafficSignRecognition_SWC');
    
  
    
 % 添加端口
    
 addPort(trafficSignRecognition_SWC, 'DetectedSigns', 'in');
    
 addPort(trafficSignRecognition_SWC, 'RecognizedSigns', 'out');
    
  
    
 % 添加行为
    
 addBehavior(trafficSignRecognition_SWC, 'onDetectedSigns', 'recognizeTrafficSigns');
    
  
    
 % 实现行为
    
 function recognizeTrafficSigns(detectedSigns)
    
     % 识别交通标志的类型和内容
    
     fprintf('Recognizing traffic signs...\n');
    
     recognizedSigns = classifyTrafficSigns(detectedSigns);
    
     sendToPort(trafficSignRecognition_SWC, 'RecognizedSigns', recognizedSigns);
    
 end
    
  
    
 % 辅助函数:分类识别交通标志
    
 function signs = classifyTrafficSigns(detectedSigns)
    
     % 使用机器学习算法(如SVM、CNN)进行交通标志分类
    
     signs = [];
    
     for i = 1:length(detectedSigns)
    
     sign = detectedSigns(i);
    
     features = extractFeatures(sign);
    
     classification = classify(features);
    
     signs = [signs; struct('Image', sign, 'Type', classification)];
    
     end
    
 end
    
  
    
 % 辅助函数:提取特征
    
 function features = extractFeatures(sign)
    
     % 提取交通标志的特征
    
     features = [];
    
     % 示例:使用HOG特征
    
     hogFeatures = hog(sign);
    
     features = [features; hogFeatures];
    
 end
    
  
    
 % 辅助函数:分类
    
 function type = classify(features)
    
     % 使用训练好的模型进行分类
    
     model = loadTrafficSignModel();
    
     type = predict(model, features);
    
 end
    
    
    
    
车辆行为调整模块
复制代码

matlab

深色版本

复制代码
 % 创建SWC

    
 vehicleBehaviorAdjustment_SWC = createSWC('VehicleBehaviorAdjustment_SWC');
    
  
    
 % 添加端口
    
 addPort(vehicleBehaviorAdjustment_SWC, 'RecognizedSigns', 'in');
    
 addPort(vehicleBehaviorAdjustment_SWC, 'VehicleState', 'in');
    
 addPort(vehicleBehaviorAdjustment_SWC, 'ControlCommand', 'out');
    
  
    
 % 添加行为
    
 addBehavior(vehicleBehaviorAdjustment_SWC, 'onRecognizedSigns', 'adjustVehicleBehavior');
    
  
    
 % 实现行为
    
 function adjustVehicleBehavior(recognizedSigns, vehicleState)
    
     % 根据识别结果调整车辆的行为
    
     fprintf('Adjusting vehicle behavior...\n');
    
     controlCommand = generateControlCommand(recognizedSigns, vehicleState);
    
     sendToPort(vehicleBehaviorAdjustment_SWC, 'ControlCommand', controlCommand);
    
 end
    
  
    
 % 辅助函数:生成控制命令
    
 function command = generateControlCommand(recognizedSigns, vehicleState)
    
     % 使用决策树或规则引擎进行行为决策
    
     command = [];
    
     for i = 1:length(recognizedSigns)
    
     sign = recognizedSigns(i);
    
     action = decideAction(sign.Type, vehicleState);
    
     command = [command; action];
    
     end
    
 end
    
  
    
 % 辅助函数:决定行动
    
 function action = decideAction(signType, vehicleState)
    
     % 根据交通标志类型和车辆状态决定行动
    
     action = [];
    
     switch signType
    
     case 'Stop'
    
         action = struct('Type', 'Brake', 'Strength', 1.0);
    
     case 'SpeedLimit'
    
         speedLimit = getSpeedLimit(signType);
    
         if vehicleState.Speed > speedLimit
    
             action = struct('Type', 'Throttle', 'Strength', 0.5);
    
         end
    
     otherwise
    
         action = struct('Type', 'None', 'Strength', 0.0);
    
     end
    
 end
    
  
    
 % 辅助函数:获取速度限制
    
 function speedLimit = getSpeedLimit(signType)
    
     % 获取交通标志的速度限制
    
     speedLimit = 0;
    
     % 示例:假设有一个已知的速度限制表
    
     speedLimitTable = loadSpeedLimitTable();
    
     speedLimit = speedLimitTable(signType);
    
 end
    
    
    
    

总结

通过上述项目实例,我们成功地使用AUTOSAR框架设计和开发了一个自动驾驶交通标志识别系统(TSR),涵盖了交通标志检测、交通标志识别、车辆行为调整和用户界面等多个方面。这个项目展示了从系统需求分析、架构设计到模块开发和系统集成的完整流程。AUTOSAR的模块化和标准化特性使得系统的开发更加高效和可靠。

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