Алгоритм обработки и преобразования кластерных радарных данных в объектовые данные с использованием математических и статистических методов

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. В современных автономных транспортных системах, таких как беспилотные автомобили, важную роль играют радары, обеспечивающие обнаружение и классификацию объектов в окружающей среде. Однако данные с радаров часто содержат шумы и ошибки, что снижает точность детекции. Для повышения эффективности работы автономных систем требуется разработка алгоритмов, способных фильтровать и преобразовывать кластерные радарные данные в объектные данные, что позволит улучшить интерпретацию дорожной ситуации.

Цель — разработка алгоритма обработки данных радара, который обеспечит высокое качество результатов за счёт минимизации количества ошибок в детекции по сравнению с существующими подходами.

Методы. В работе проведён анализ данных, полученных с автомобильного радара ARS 408 производства компании Continental Engineering Services, работающего на частоте 77 ГГц. Разработанный алгоритм включал этапы фильтрации по RCS, кластеризации и аппроксимации движения объектов. Для оценки эффективности алгоритма использовались метрики Precision, Recall и F1-score, а также анализ перекрытия IoU. Исследование проводилось на основе экспериментальных данных, собранных в условиях реального дорожного движения.

Результаты. Разработан алгоритм, позволяющий снизить ошибки обнаружения объектов. Оценка ошибок первого и второго рода показала, что предложенный метод обеспечивает более надёжное принятие решений автономными системами в различных дорожных условиях.

Заключение. Результаты позволяют сделать вывод о том, что разработанный алгоритм обработки радарных данных может быть успешно применён в системах автономного управления транспортными средствами, обеспечивая улучшение качества данных независимо от производителя радара. Практическая значимость заключается в возможности адаптации алгоритма к различным типам радаров, что делает его универсальным инструментом для повышения безопасности и эффективности автономных транспортных систем.

Об авторах

Антон Дмитриевич Кузин

Московский политехнический университет; Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ»; Московский финансово-юридический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: anton.kuzin@nami.ru
ORCID iD: 0009-0005-3342-8526
SPIN-код: 6493-7201

инженер Центра электронных устройств

Россия, Москва; Москва; Москва

Владимир Валентинович Дебелов

Московский политехнический университет; Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ»

Email: vladimir.debelov@nami.ru
ORCID iD: 0000-0001-6050-0419
SPIN-код: 8701-7410

начальник отдела технологии программного обеспечения центра программного обеспечения

Россия, Москва; Москва

Денис Владимирович Ендачёв

Московский политехнический университет; Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ»

Email: denis.endachev@nami.ru
ORCID iD: 0000-0003-3547-7928
SPIN-код: 6514-7752

исполнительный директор по информационным и интеллектуальным системам

Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Vertkova MS. Linear and Quadratic Approximations. Proceedings of the 63rd Student Scientific and Practical Conference of the Engineering Faculty of Samara State Agricultural Academy. 2018:244–248. (In Russ.) EDN: VMLGYK
  2. Debelov VV, Ivanov VV, Kozlovsky VN, et al. Modeling of an Electronic Speed Control System of a Passenger Car in Speed Maintenance and Limitation Modes. Electronics and Electrical Equipment of Transport. 2013;(6):2–7. (In Russ.) EDN: RTPZML
  3. Debelov VV, Endachev DV, Evgrafov VV, et al. Implementation Ways of Control Systems for Vehicle Motion Modes Based on Autonomous Driving Technology Development. Safety of Wheeled Vehicles under Operating Conditions. 2017. P. 504–512. (In Russ.) EDN: ZFNVAZ
  4. Debelov VV, Ivanov VV, Kozlovsky VN, et al. Electronic Speed Control System of a Vehicle in Speed Maintenance and Limitation Modes. Truck. 2013;(12):19–23. (In Russ.) EDN: RUINER
  5. Deev OI, Debelov VV, Endachev DV. Development of a Machine Vision System Using the Principle of Analysis of Changing Geometry and Spectrum of Incident Light. Intelligent Transport Systems. 2017. P. 239–256. (In Russ.) EDN: YUFRTB
  6. Endachyov DV, Bakhmutov SV, Evgrafov VV, et al. Electronic Systems of Intelligent Transport Vehicles. Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials. 2020;(4):5–10. doi: 10.46864/1995-0470-2020-4-53-5-10 (In Russ.) EDN: IGEFKA
  7. Ershov KS, Romanova TN. Analysis and Classification of Clustering Algorithms. New Information Technologies in Automated Systems. 2016;(19):274–279. (In Russ.) EDN: VTZOPF
  8. Kozlovsky VN, Debelov VV, Deev OI, et al. Prospective Diagnostic Systems for Autonomous Transport Object Control. Truck. 2017;(6):21–28. (In Russ.) EDN: ZQPXKZ
  9. Kuznetsov DYu, Troshina TL. Cluster Analysis and Its Application. Yaroslavl Pedagogical Bulletin. 2006;(4):103–107. (In Russ.) EDN: HWDSNJ
  10. Kuznetsova AA. Statistical Precision-Recall Curves for Object Detection Quality Analysis. Applied Informatics. 2020;15(6):42–57. doi: 10.37791/2687-0649-2020-15-6-42-57 (In Russ.) EDN: VEPVNN
  11. Saikin AM, Endachyov DV, Evgrafov VV, et al. Fundamentals of Evaluation Criteria for Unmanned Vehicles. Proceedings of NAMI. 2017;(2):48–54. (In Russ.) EDN: ZCSPAJ
  12. Standardized Interface ARS Technical Documentation [Electronic resource] // GitHub. 2017. URL: https://github.com/lf2653/myrepository/blob/master/documentation/Short-Description_2017_07_09-06_ARS404-21%2BARS408-21_en_V1.06.pdf (accessed 28.07.2024). (In Russ.)
  13. Chadnov RV, Skvortsov AV, Mirza NS. Review of Algorithms for Constructing Convex Hulls on the Plane. Bulletin of Tomsk State University. 2004(S9-2):116–121. (In Russ.) EDN: ZJFGSB
  14. Benigno P, Woodford M. Linear-Quadratic Approximation of Optimal Policy Problems. Journal of Economic Theory. 2012;147(1):1–42. doi: 10.3386/w12672
  15. Deev OI, Debelov VV, Endachev DV, et al. Technological Vision Systems Using Principle of Analysis of Changing Geometry and Spectrum of the Light. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021;666(3):032075. doi: 10.1088/1755-1315/666/3/032075 EDN: MPQTJH

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Пример детекции объектов в кластерном и объектовом режиме: a — пример радарных данных в кластерном режиме работы; b — пример радарных данных в объектовом режиме работы: 1 — ложные объекты в кластерном режиме; 2 — истинные объекты в кластерном режиме; 3 — ложные объекты в объектном режиме; 4 — истинные объекты в объектном режиме. Истинные объекты — обнаруженные радаром объекты, соответствующие тем, которые пользователь ожидает или хочет зафиксировать; ложные объекты — регистрация радаром объектов, не представляющих интереса для пользователя, либо ошибочное детектирование шумов.

Скачать (308KB)
3. Рис. 2. Блок-схема алгоритма фильтрации кластерных данных с радара и их преобразования в объекты.

Скачать (257KB)
4. Рис. 3. Кластерные данные с радара за одно сканирование: a — местоположения радара относительно осей координат; b — динамические объекты, декретированные радаром; c — статические объекты, декретированные радаром: 0 — движущиеся объекты; 1 — неподвижные объекты; 2 — объекты, движущиеся навстречу; 3 — потенциально неподвижные объекты; 4 — неизвестный объект.

Скачать (100KB)
5. Рис. 4. Блок-схема алгоритма фильтрации по RCS.

Скачать (159KB)
6. Рис. 5. Графики распределения сигналов на основе радарных данных до и после фильтрации по RCS: a — распределение сигналов с радарных данных до фильтрации по RCS; b — распределение сигналов с радарных данных после фильтрации по RCS: 0 — движущиеся объекты; 1 — неподвижные объекты; 2 — встречный объект; 3 — потенциально неподвижные объекты; 4 — неизвестный объект.

Скачать (130KB)
7. Рис. 6. Блок-схема алгоритма кластеризации.

Скачать (183KB)
8. Рис. 7. Графики распределения сигналов на основе радарных данных до и после кластеризации: a — данные до кластеризации; b — данные после кластеризации.

Скачать (117KB)
9. Рис. 8. Работа алгоритма объединения кластеризованных данных: a — первый цикл: накопилось 3 скана с разных временных шагов; b — удаление первого элемента из буфера и добавление нового; c — второй цикл: 1 — данные с радара, где N — номер скана; 2 — кластер, состоящий из точек; 3 —кластер подтвердился; 4 — кластер не подтвердился; 5 — кластеры объединились.

Скачать (154KB)
10. Рис. 9. Графики распределения сигналов на основе радарных данных до и после алгоритма с верификации устойчивости кластеров: a — данные до объектного трекинга; b — данные после объектного трекинга.

Скачать (120KB)
11. Рис. 10. Блок-схема алгоритма объединения кластеров.

Скачать (169KB)
12. Рис. 11. Блок-схема вычисления ориентации кластеров.

Скачать (296KB)
13. Рис. 12. Графики линейной и квадратичной аппроксимации нейронов кластера: а) кластер с нелинейной траекторией: 1 — касательная к квадратичной аппроксимации, определяющая основное направление движения кластера; 2 — квадратичная аппроксимация движения кластера; 3 — радарные точки аппроксимируемого кластера; 4 — линейная аппроксимация, используемая для сравнения или в качестве запасного варианта определения направления; 5 — точка экстремума квадратичной функции; b) кластер с преимущественно прямолинейной траекторией: 1 — касательная к линейной аппроксимации, определяющая ориентацию кластера; 2 — радарные точки аппроксимируемого кластера; 3 — выбранная линейная аппроксимация движения кластера; 4 — точка экстремума квадратичной функции.

Скачать (156KB)
14. Рис. 13. Результат преобразования кластеров в объекты: a — данные после объектного трекинга; b — данные после формирования объектов.

Скачать (113KB)
15. Рис. 14. График зависимости оценки «Точность» и «Полнота» от временного шага: Точность — доля верно обнаруженных объектов среди всех объектов, обнаруженных алгоритмом, что указывает на точность положительных предсказаний; Полнота — доля действительно существующих объектов, обнаруженных алгоритмом, среди всех эталонных объектов. Временной шаг — порядковые номера циклов обработки данных с радаров (сканов). По документации ARS, каждый шаг занимает около 75 миллисекунд.

Скачать (125KB)

© Эко-Вектор, 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».