一种基于边缘计算的实时车行目标检测和避障方法及系统

1.本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其是涉及一种基于边缘计算的实时车行目标检测和避障方法及系统。


背景技术：

2.当前主流的避障系统都以车辆为计算平台，依托车辆自身的算力完成数据的采集和分析，并作出决策来实现车辆的避障功能。这种以车辆为计算平台的技术方案，对车辆自身的计算能力提出了很高的要求，增加了车辆成本。同时避障系统作为软件系统存在于车载计算机中，使得系统的升级更新存在难度，无法做到全范围的版本更新，运行版本过时的避障系统可能会给车辆带来一定的安全隐患。
3.此外还有关于依托云计算服务器为计算平台的技术方案，在车辆和远程数据中心云计算服务器之间用无线的方式进行相关数据和指令动作的传输，车辆主要负责采集数据，服务器则根据传输来的数据来进行相应的计算与决策。而这种以实施以数据中心云计算服务器平台的技术方案为核心时，考虑到车辆与服务器的距离一般会较远，导致在两者之间数据传输过程的时延相对较高，实时性不是很强。同时云计算服务器规模相对较大，管理成本较高，并且用户大量信息集中存储在云服务器，若受到攻击，也会造成数据的泄露。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了提供一种基于边缘计算的实时车行目标检测和避障方法及系统，在车辆上通过图像和超声波测距采集得到数据，并将其发送给车辆附近边缘服务器进行计算与决策的方式，来达到车辆实时的避障效果，对车辆的计算能力要求低。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于边缘计算的实时车行目标检测和避障方法，包括以下步骤：
7.边缘服务器实时获取车辆上的车载设备传输的车辆信息数据；
8.边缘服务器采用状态机模型，基于避障算法对车辆信息数据进行处理，得到避障决策指令，其中，所述状态机模型使得边缘服务器在每次进行处理后存储部分数据，以供下一次计算时使用，从而得到一系列的避障决策指令；
9.边缘服务器将避障决策指令发送至车辆，车辆执行所述指令；
10.车辆每执行完毕一次指令，向边缘服务器发送一个报告执行状态的数据包，以告知服务器当前指令执行的成功与否；
11.实时更新车辆信息数据和避障决策指令，直至车辆安全正确的行驶至目的地。
12.所述车辆信息数据包括数据包id、总长度、偏移、数据长度、障碍物距离和图像数据。
13.所述避障算法包括以下步骤：
14.判断障碍物距离是否小于预配置的避障距离，若否，则设定前进指令；若是，则判断是否小于预配置的安全距离，若小于安全距离，则发出后退指令，直至车辆后退至安全距
离，否则，执行避障子流程；
15.所述避障子流程包括以下步骤：
16.根据物体距离和图像数据，基于深度学习网络，确定障碍物位于相机坐标系的位置，并计算障碍物的大小；
17.遍历图像上各个障碍物，计算车辆可行区域；
18.根据可行区域计算偏向和转向角度，并控制车辆按照偏向和转向角度前进；
19.判断当前距离是否小于安全距离，若是，则发出后退指令，直至车辆后退至安全距离，否则判断是否存在下一个障碍物，若存在，则转到下一个障碍物，递归执行避障算法，若不存在，则发出车辆回正的指令，结束避障子流程。
20.边缘服务器的选择根据服务器间选举算法确定，若车辆预配置距离范围内仅存在一台边缘服务器，则此边缘服务器作为向车辆提供服务的最佳服务器；若存在两台以上的服务器，则选择其中的一台作为向车辆提供服务的最佳服务器。
21.所述服务器间选举算法包括以下步骤：
22.启动所有服务器并运行程序；
23.确定主服务器和副服务器，若仅存在一台边缘服务器，则该服务器为主服务器，其中，主服务作为tcp服务器，维持车辆和副服务器之间的联系，并为车辆和副服务器赋予id，副服务器接受车辆的请求信息，处理后生成关键参数发送给主服务器；
24.主服务器接受车辆的请求信息，并生成自身参数；
25.当仅存在主服务器时，判断主服务器是否第一次收到请求信息，若是，则所述主服务器为最佳服务器，发送自身的ip响应信息给车辆，否则，主服务器继续等待接受车辆的请求信息；
26.当存在副服务器时，主服务器休眠并等待副服务器发送关键参数，根据车辆和副服务器id将关键参数放至相应位置，对所有服务器参数进行处理选出最佳服务器，判断所述最佳服务器是否正在为车辆提供服务，若是，则继续接受车辆的等待请求信息，若否，则将最佳服务器的ip响应信息发送给车辆，并继续等待接受车辆的请求信息。
27.一种基于边缘计算的实时车行目标检测和避障系统，包括边缘服务器，所述边缘服务器包括数据交互模块，避障指令确定模块，其中，
28.所述数据交互模块用于执行以下步骤：实时获取车辆上的车载设备传输的车辆信息数据；将避障决策指令发送至车辆；接受车辆执行避障决策指令后发送的报告执行状态的数据包；
29.所述避障指令确定模块采用状态机模型，基于避障算法对车辆信息数据进行处理，得到避障决策指令，其中，所述状态机模型使得边缘服务器在每次进行处理后存储部分数据，以供下一次计算时使用，从而得到一系列的避障决策指令，避障决策指令根据实时的车辆信息数据实时更新。
30.所述车辆信息数据包括数据包id、总长度、偏移、数据长度、障碍物距离和图像数据。
31.所述避障算法包括以下步骤：
32.判断障碍物距离是否小于预配置的避障距离，若否，则设定前进指令；若是，则判断是否小于预配置的安全距离，若小于安全距离，则发出后退指令，直至车辆后退至安全距
离，否则，执行避障子流程；
33.所述避障子流程包括以下步骤：
34.根据物体距离和图像数据，基于深度学习网络，确定障碍物位于相机坐标系的位置，并计算障碍物的大小；
35.遍历图像上各个障碍物，计算车辆可行区域；
36.根据可行区域计算偏向和转向角度，并控制车辆按照偏向和转向角度前进；
37.判断当前距离是否小于安全距离，若是，则发出后退指令，直至车辆后退至安全距离，否则判断是否存在下一个障碍物，若存在，则转到下一个障碍物，递归执行避障算法，若不存在，则发出车辆回正的指令，结束避障子流程。
38.边缘服务器的选择根据服务器间选举算法确定，若车辆预配置距离范围内仅存在一台边缘服务器，则此边缘服务器作为向车辆提供服务的最佳服务器；若存在两台以上的服务器，则选择其中的一台作为向车辆提供服务的最佳服务器。
39.所述服务器间选举算法包括以下步骤：
40.启动所有服务器并运行程序；
41.确定主服务器和副服务器，若仅存在一台边缘服务器，则该服务器为主服务器，其中，主服务作为tcp服务器，维持车辆和副服务器之间的联系，并为车辆和副服务器赋予id，副服务器接受车辆的请求信息，处理后生成关键参数发送给主服务器；
42.主服务器接受车辆的请求信息，并生成自身参数；
43.当仅存在主服务器时，判断主服务器是否第一次收到请求信息，若是，则所述主服务器为最佳服务器，发送自身的ip响应信息给车辆，否则，主服务器继续等待接受车辆的请求信息；
44.当存在副服务器时，主服务器休眠并等待副服务器发送关键参数，根据车辆和副服务器id将关键参数放至相应位置，对所有服务器参数进行处理选出最佳服务器，判断所述最佳服务器是否正在为车辆提供服务，若是，则继续接受车辆的等待请求信息，若否，则将最佳服务器的ip响应信息发送给车辆，并继续等待接受车辆的请求信息。
45.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
46.(1)本发明通过分散任务的方式使车辆和边缘服务器发挥各自的作用并相互配合，将大部分主要工作都交给了边缘服务器，分担了车辆的技术压力，对车辆的计算能力要求低，鲁棒性强，很大程度上提高了效率。
47.(2)本发明利用状态机模型工作时下一个状态取决于上一个状态的工作原理，使得控制决策更加简单易懂、更可靠，时延低。
48.(3)本发明通过分散在边缘服务器上的设备数据，一定程度上使得用户的数据更加安全。
49.(4)本发明通过分布式的边缘计算，使得整个过程耗费的时间更少，实时性更强。
50.(5)本发明的服务器间选举算法能够很好的协调边缘服务器，当前边缘服务器出现故障，车辆能够换到另一台边缘服务而不会导致服务中断。
附图说明
51.图1为本发明的方法流程图；
52.图2为本发明车辆与边缘服务器之间的通信流程示意图；
53.图3为避障算法总流程图；
54.图4为避障子流程图；
55.图5为服务器间选举流程图；
56.图6为状态机模型示意图。
具体实施方式
57.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
58.一种基于边缘计算的实时车行目标检测和避障方法，如图1所示，包括以下步骤：
59.1)边缘服务器实时获取车辆上的车载设备传输的车辆信息数据。
60.车辆上的车载设备会对周围环境进行一定的感知来获取图像和距离等数据。为了确保服务质量，车辆和服务器之间还要进行通信。所述车辆信息数据包括数据包id、总长度、偏移、数据长度、障碍物距离和图像数据。
61.车辆与边缘服务器之间的通信流程如图2所示。
62.2)边缘服务器采用状态机模型，如图6所示，基于避障算法对车辆信息数据进行处理，得到避障决策指令，其中，所述状态机模型使得边缘服务器在每次进行处理后存储部分数据，以供下一次计算时使用，从而得到一系列的避障决策指令。
63.所述避障算法流程图如图3所示，包括以下步骤：
64.判断障碍物距离是否小于预配置的避障距离，若否，则设定前进指令；若是，则判断是否小于预配置的安全距离，若小于安全距离，则发出后退指令，直至车辆后退至安全距离，否则，执行避障子流程；
65.所述避障子流程如图4所示，包括以下步骤：
66.根据物体距离和图像数据，基于深度学习网络，确定障碍物位于相机坐标系的位置，并计算障碍物的大小；
67.遍历图像上各个障碍物，计算车辆可行区域；
68.根据可行区域计算偏向和转向角度，并控制车辆按照偏向和转向角度前进；
69.判断当前距离是否小于安全距离，若是，则发出后退指令，直至车辆后退至安全距离，否则判断是否存在下一个障碍物，若存在，则转到下一个障碍物，递归执行避障算法，若不存在，则发出车辆回正的指令，结束避障子流程。
70.3)边缘服务器将避障决策指令发送至车辆，车辆执行所述指令。
71.4)车辆每执行完毕一次指令，向边缘服务器发送一个报告执行状态的数据包，以告知服务器当前指令执行的成功与否。
72.5)实时更新车辆信息数据和避障决策指令，直至车辆安全正确的行驶至目的地。
73.边缘服务器的选择根据服务器间选举算法确定，若车辆预配置距离范围内仅存在一台边缘服务器，则此边缘服务器作为向车辆提供服务的最佳服务器；若存在两台以上的服务器，则选择其中的一台作为向车辆提供服务的最佳服务器。
74.所述服务器间选举算法流程如图5所示，包括以下步骤：
75.启动所有服务器并运行程序；
76.确定主服务器和副服务器，若仅存在一台边缘服务器，则该服务器为主服务器，其中，主服务作为tcp服务器，维持车辆和副服务器之间的联系，并为车辆和副服务器赋予id，副服务器接受车辆的请求信息，处理后生成关键参数发送给主服务器；
77.主服务器接受车辆的请求信息，并生成自身参数；
78.当仅存在主服务器时，判断主服务器是否第一次收到请求信息，若是，则所述主服务器为最佳服务器，发送自身的ip响应信息给车辆，否则，主服务器继续等待接受车辆的请求信息；
79.当存在副服务器时，主服务器休眠并等待副服务器发送关键参数，根据车辆和副服务器id将关键参数放至相应位置，对所有服务器参数进行处理选出最佳服务器，判断所述最佳服务器是否正在为车辆提供服务，若是，则继续接受车辆的等待请求信息，若否，则将最佳服务器的ip响应信息发送给车辆，并继续等待接受车辆的请求信息。
80.由于无论一共存在多少台边缘服务器，主服务器都会接受车辆的请求信息，并生成自身参数，这样的设置使得当有服务器因故障等其他原因下线，甚至导致仅剩一台服务器可用的情况出现时，仍能够确定一台服务器来进行避障处理。
81.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理、或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。