Determinación del número de carriles de una carretera interurbana y detección de maniobras de cambio de carril mediante láser rotativo

Castellanos Sánchez, Fernando (2017). Determinación del número de carriles de una carretera interurbana y detección de maniobras de cambio de carril mediante láser rotativo. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Determinación del número de carriles de una carretera interurbana y detección de maniobras de cambio de carril mediante láser rotativo
Autor/es:
  • Castellanos Sánchez, Fernando
Director/es:
  • Jiménez Alonso, Felipe
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Julio 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: Carriles, vehículo, láser, rotativo, LiDAR, autónomo, vía, calzada, asfalto, interurbana, determinación, detección, sensor, haces, puntos, Matlab, datos
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Mecánica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El proyecto surge como una propuesta alternativa a los métodos existentes en la actualidad de implementación de algoritmos de determinación de los carriles de una vía, así como la posición relativa del vehículo en los mismos. Las opciones previas basan su comportamiento en la información captada mediante sensores como cámaras, giroscopios, GPS o una combinación de láser rotativo y cámaras. El algoritmo desarrollado tiene como finalidad realizar dichas funciones con la utilización única de la información captada mediante el láser rotativo. Los datos proporcionados por el láser rotativo tienen ciertas ventajas sobre los proporcionados por los sensores mencionados, de entre ellas, las principales son la posibilidad de realizar la captación de información del entorno en situaciones en las que con una cámara no sería posible, una elevada precisión, y la disposición de la información en 360º respecto al vehículo. De cara a su utilización en el desarrollo del proyecto, la información que proporciona posee la ventaja de ser empleada la de manera sencilla en el entorno de programación en que es redactado el código, el programa Matlab. La información captada por el láser es recogida mediante matrices de información con las que se puede operar de manera sencilla en Matlab, dichas matrices están compuestas por filas que se corresponden con distintos haces de puntos emitidos por el láser, siendo las columnas la información captada de cada uno de ellos: coordenadas, reflectividad, número que hace referencia al plano de puntos del láser al que pertenece, distancia al láser y elementos referentes al instante en que se recibió la información. Dichas matrices de datos proporcionadas por el láser fueron tomadas durante la realización de ensayos con el equipo necesario en los que se realizó una circulación por vías interurbanas realizando cambios de carril, teniendo así la información suficiente con la que trabajar posteriormente. Una vez que se tienen los datos, se pueden utilizar para transformar las ideas conceptuales en algoritmos que finalmente proporcionen el resultado deseado. A modo de resumen sobre los conceptos empleados para alcanzar dichos resultados se tiene, en orden de aplicación: 1. Descarte de haces de puntos del láser de las matrices de información que son considerados prescindibles. Los puntos que se desea tener como resultado del filtrado son aquellos que puedan representar marcas viales de delimitación de carril y se encuentren por tanto a la altura del asfalto. Para obtener los puntos a la altura del asfalto se emplean algoritmos de agrupamiento de puntos, tras los cuales se podrá concluir cuáles de ellos forman parte con certeza del asfalto, obteniendo así la altura del mismo. La distinción de los puntos a la altura del asfalto entre los que pertenecen a la vía y los de los laterales no resulta sencilla, y se realiza por medio de diferentes aproximaciones que aumentan la precisión del resultado según su realización. Una vez obtenidos dichos puntos, por medio de un filtrado en función de distintos criterios, principalmente la reflectividad, se puede reducir considerablemente el número de puntos candidatos a formar parte de las marcas viales. 2. Agrupamiento de los puntos con razón de las distancias existentes entre los mismos e imposición de condiciones geométricas a los conjuntos de puntos con la finalidad de determinar si pueden ser las marcas viales buscadas. Las condiciones geométricas se imponen mediante una medida de la dispersión de los valores de las distintas componentes de las coordenadas de los puntos pertenecientes a los conjuntos. El criterio principal es la imposición de un valor prácticamente constante a la coordenada referente a la altura, debido a la horizontalidad respecto al suelo de las marcas. 3. Identificación del carril de circulación del vehículo, del que generalmente se posee una elevada cantidad de información. Para identificar dicho carril se establecen relaciones entre los puntos concentrados de puntos definidos previamente. De esta forma, se establecen unas regiones en el espacio sobre las que se pueden encontrar posibles marcas viales. Dichas regiones tendrán forma rectangular, de forma similar a la de las marcas buscadas, pero de dimensiones muy superiores, con lo que se considerará que dos marcas pertenecen a la misma línea de delimitación de carril si existe intersección entre las mismas. Con esta serie de criterios se logra la independencia de la orientación en que se encuentra el vehículo respecto a la de los carriles en el resultado, lo cual resulta relevante en los instantes de cambios de carril de circulación. Conocidos los puntos que forman parte del carril, se realiza un ajuste de curvas por mínimo error cuadrático con la condición de paralelismo entre las líneas que lo delimitan. 4. Una vez obtenido el carril del vehículo, se conoce el ancho de éste y la geometría de las líneas que lo delimitan gracias al ajuste de curvas. Por lo tanto, mediante un desplazamiento de las mismas, unas distancias fijadas con un valor del ancho en ambos laterales, se pueden conocer las posiciones en las que es posible la existencia de carriles adicionales. La comprobación de la existencia de los mismos se realiza mediante el estudio de la presencia de puntos filtrados entorno a las supuestas nuevas posiciones en que se encuentran, de modo que si se encuentran puntos del láser en dichas posiciones se considerará que existe el carril. 5. Conocidos los puntos correspondientes a cada carril de circulación se realiza un ajuste final de todas las curvas que delimitan los carriles con la condición de mínimo error cuadrático y paralelismo entre las mismas. Las curvas que representarán las delimitaciones de los carriles serán polinomios de segundo grado, ya que polinomios de mayor grado generarían puntos de inflexión que no se corresponden con la verdadera geometría de los carriles. Por consiguiente, para imponer la condición de paralelismo se fuerza a que los coeficientes de los términos de los polinomios de grado mayor que cero a que sean iguales. El resultado final sería la obtención de la geometría de los carriles, y, por tanto, el conocimiento de los mismos. 6. Realizado el cálculo de los carriles del primer fotograma, en los siguientes se puede utilizar el resultado que se ha obtenido del fotograma inmediatamente anterior para tener una base sobre la que realizar el cálculo. Sin embargo, no se puede determinar si los carriles localizados previamente se encuentran correctamente calculados, y, por dicho motivo, solo se partirá de información previa cuando la información del fotograma que se está estudiando es insuficiente para lograr el fin deseado. 7. Tras los cálculos previos, se obtiene los carriles de una sucesión de fotogramas. Resulta sencillo determinar el carril en que se encuentra el vehículo por medio de la cercanía de las líneas de carril al mismo, y, determinado el carril de circulación, se podrán conocer las maniobras de cambio de carril. De manera posterior a la justificación teórica y de los conceptos aplicados, se realiza una explicación acerca del software empleado para transformar dichas ideas en los algoritmos necesarios, encontrándose los códigos completos en los anexos del trabajo. Con el algoritmo desarrollado, se procede a realizar un análisis de los resultados ofrecidos por el mismo. En dicho análisis se encuentran diferentes situaciones del entorno y su comportamiento en la mismas. Como breve resumen, se obtiene un resultado satisfactorio en un porcentaje elevado de los fotogramas en la circulación por vías urbanas cuyas condiciones se encuentran incorporadas en el algoritmo, siendo la causa de la determinación incorrecta de los carriles en la mayoría de los casos el no poseer suficiente información. Sin embargo, en el empleo del mismo en un tramo completo de circulación interurbana, se obtiene un menor número de fotogramas correctamente calculados, al existir factores, como carriles de incorporación, para los que el algoritmo no se encuentra preparado. Se concluye, por tanto, que para un empleo exitoso del algoritmo de manera continuada es preciso una ampliación del mismo para el tratamiento de los fotogramas que no se han calculado correctamente y para la contemplación de la gran variedad de situaciones que se pueden producir en una circulación por carreteras interurbanas, pero que, sin embargo, el algoritmo desarrollado tiene por lo general un buen resultado en los entornos contemplados y que constituye una buena primera aproximación a un algoritmo final. Cuando la posición de los carriles es correctamente calculada siempre se obtiene de manera correcta el carril que transita el vehículo, y, por tanto, la posición del vehículo en la vía, así como los cambios de carril que se realizan. En contraposición, se considera que en la aplicación continua del código carece de sentido la determinación del número de maniobras de cambio de carril, puesto que, en aquellos fotogramas en que se realizado el cálculo de las líneas de carril, pero de manera incorrecta, se obtendrán una serie de saltos de valores en el carril de circulación del vehículo y en consecuencia un elevado número de cambios de carril inexistentes.

Más información

ID de Registro: 48947
Identificador DC: http://oa.upm.es/48947/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48947
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 02 Ene 2018 09:18
Ultima Modificación: 23 Abr 2018 14:46
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