摘要：智能小车的研究日益受到重视，将图像处理应用到智能小车的避障研究，路径规划，速度与方向的控制，能够有效的提高小车的智能化水平，为人类的生产实践活动提供了极大的便利，也为今后的无人驾驶汽车的研究与发展提供了重要的思路，因而具有相当大的研究价值。本文首先对智能小车出现的背景进行介绍，举例说明智能小车在日常生活的广泛用途，切实给人类的生活带来了极大的便利，并且还系统的阐述研究智能小车以及后来发展成为的无人驾驶汽车的重要意义，其次对国内外智能车的研究的成果进行阐述，进行比较与分析，最后得出基于图像处理的智能小车的设计思路。
关键词：智能小车 无人驾驶汽车 图像采集与分割 视觉特征提取
1、引言
自20世纪50年代世界上第一台机器人诞生以来,机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。在20世纪八、九十年代,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机器人技术也得到了突飞猛进的发展,机器人的应用从制造领域向非制造领域延伸[1]。在机器人的众多应用领域中,有一类机器人的功能和结构相对简单,但是在工厂、医院、商场、图书馆、自动化仓库等场所发挥了很大的作用,具有很大的发展前景[2]。如在工厂车间、自动化仓库、物流中心等场所进行物品运输的具有智能特性的自动导航小车[3],在图书馆内进行图书搬运的智能小车[4]；商场内的保安巡逻机器人；医院里的“护士助手”机器人，“护士助手”可以完成运送医疗器材和药品,为病人送饭、送病历、信件,在医院内部送邮件及包裹等等功能[5]。这类机器人的共同特点可概括为：（1）工作环境为室内（2）装配有电磁或光学等自动引导装置（3）能够沿规定的路径行驶（4）具有一定的移载功能[6]，故将此类移动机器人统称为智能小车系统[7]。智能小车系统的设计同样也为接下来无人驾驶车辆的出现做了铺垫，驾驶汽车也给我们的生活带来辛苦和劳累，这促使了智能车的研究和开发[8]。智能车是一个具有感知环境、规划路径、决策运行速度和方向等功能的综合系统，这就与智能小车系统存在紧密的联系，在许多的领域，智能车有着广阔的应用前景[9]。例如：在军事上，智能车可以代替人类完成在危险地带排雷、侦察等差事；在工业上，智能车可以代替人类完成检测设备、搬运货物等任务；在农业机械上，智能车可以代替人类完成喷洒农药、收割作业、中耕除草等工作；在科研方面，智能车可以代替人类完成勘查矿产或勘探地形等[10]。由此，智能车的研究与开发具有重要的现实意义。探索基于图像处理从而实现智能小车的避障，为今后无人驾驶汽车与避障技术的实现提供思路和保障[11]。
2、国内外相关研究
2.1 国外基于图像处理的智能车的研究概况
从20世纪70年代，美欧等发达国家开始进行无人驾驶汽车的研究[12]。2004年美国国防部下属的国防部高级研究计划局组织的首届无人驾驶汽车“大挑战赛”在美国西南部的沙漠举行。比赛的目的是促进自动化车辆的研发、探索美军车辆自动化的途径[13]。在第二届挑战赛中，Thrun教授负责的斯坦福大学团队最后夺得了冠军，该车在沙漠中行驶超过132英里（约合212.43公里），他们已经将人工智能和先进的传感器等技术真正的应用到无人驾驶汽车[14]。而美国的火星探测计划更反映了智能车的最前沿的进步[15]。德国联邦国防大学与奔驰公司联合研制的试验车，其传感器系统由4台小型彩色摄像机构成的前后各一组双目视觉系统组成。样车在行程的1600公里中，95%的路程是自主行驶的。在谷歌公司设计的智能车中，一套车顶上的扫描器发射64束激光射线，然后激光碰到车辆周围的物体，又反射回来，这样就计算出了物体的距离；另一套在底部的测量系统检测出车辆在三个方向上的直线加速度和角速度等数据，然后再结合数据计算出车辆的位置，所有这些数据与激光束获得的数据一起输入计算机，软件以极高的速度处理这些数据。这样，系统就可以非常迅速的做出判断[16]。2012年8月，谷歌宣布其公司的十余辆无人驾驶汽车已经在电脑的控制下安全行驶了约48万公里[17]。2006年在德国举办的欧洲陆地机器人竞赛，简称ELROB，德国的参赛车“途锐”取得了冠军。该车通过影像处理寻找道路，周围景物被处理成3D影像。该车由光学定向与测距系统对收集的信息进行导航决策，分析哪里是行人哪里是树木。“途锐”自主行驶了90%的赛程，不过在通过关键十字路口时还是靠手动驾驶的[18]。2013年2月牛津大学推出了一款新型自动驾驶系统，采取了和谷歌自动驾驶汽车截然不同的技术。这款智能汽车在车身前端装有3D激光扫描仪和摄像头，用于获取地图数据以比对周围环境。如果该智能汽车通过比对地图之后认为自己可以在当前环境下自动驾驶，它将会通过仪表盘上安装的iPad告知司机。目前，这款系统应用在日产汽车公司Nissan Leaf型号的汽车上，经测试其时速能达到40英里/小时[19]。
2.2 国内基于图像处理的智能车的研究概况
我国从上世纪80年代开始着手无人驾驶汽车的研制开发，虽与国外相比还有一些距离，但也取得了阶段性成果。国内中国科学院合肥研究院、清华大学、国防科技大学、上海交通大学、西安交通大学、吉林大学、同济大学、天津军交学院等都有过无人驾驶汽车的研究项目[20]。特别是北京理工大学和中国科学院合肥研究院，在无人车技术上已取得全国领先的水平，在国内的多个无人车比赛中经常受邀以表演队的身份参加[21]。1992年，国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。由计算机及其配套的检测传感器和液压控制系统组成的汽车计算机自动驾驶系统，被安装在一辆国产的中型面包车上，使该车既保持了原有的人工驾驶性能，又能够用计算机控制进行自动驾驶行车[22]。2000年6月，国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功，最高时速达76km，创下国内最高纪录。2003年7月，国防科技大学和中国一汽联合研发的红旗无人驾驶轿车高速公路试验成功，自主驾驶最高稳定时速13Okm，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平[23]。
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