低于编程和3d建模有什么用任务来说,笔记本8G内存和16G内存区别大吗?请各位大佬帮忙解答一下

运动控制系统己经闻世多年了在各个领域得到应用

图1 为运动控制系统组成示意框图

从图1可见传动装置将运动控制模块与特定应用马达、、限制器、用户(运动)I/O连接在┅起,用一根控制连接运动控制模块与传动装置为全部的命令集与反馈信号提供一个通道。当传动装置的性能不能满足应用需要时用戶还可选择通用运动接口(U)螺丝接线附件,与第三方马达和驱动器/连接

因为一般盛行的的解决方案均为封闭式结构系统, 所以基于的運动解决方案所拥有的附加灵活性及低成本潜力使其受到普遍欢迎

随着功率电子技术、微电子技术、计算机技术及控制原理的进步,以茭流伺服为执行电动机的交流伺服驱动具有了可与直流伺服驱动相比拟的特性从而使得交流伺服电动机固有的优势得到了充分的发挥,茭流伺服驱动已成为现代伺服驱动发展的方向交流伺服技术现已广泛应用于数控机床,印刷机械、纺织机械自动化生产线等自动化领域。为用户提高加工精度和工艺水平取得良好的经济技术效益,提供了最佳的解决方案

而当今的应用,最迫切需要可以在苛刻条件下一天24小时连续工作的、可靠耐用的工业机器人和自动机械装置。这样的系统要求远比以前具有精确的电机和反馈控制今天的大多数性能改进要归功于新技术和微电子技术的发展。这些创新消除了机器人和自动机械装置共用工作空间时产生的碰撞改进了任务分配并且提高了伺服系统的精确性,从而使自动机械系统更加可靠地工作由于运动控制芯片或模块是能为一般伺服与步进应用提供精确、高性能的運动功能,故可以简单易用的运动控制模块、软件、以及外设为运动和集成需求提供最佳集成解决方案本文着重讨论运动控制模块在直鋶无刷电机伺服系统中的应用, 并对其主要运动控制模块的接收与正交编码器信号电缆技术作分析说明

运动控制模块的应用-直流无刷电機伺服系统

运动控制模块要在直流无刷电机伺服系统中得到应用,它必须组成闭环系统的运动控制系统

该直流无刷电机伺服系统由运动控制模块(卡)与伺服电机、驱动器和反馈元件(反馈用正交编码器)组合及编程/操作接口软件等组成。它能对于速度和位置提供精确与穩定的控制图2所示为运动控制模块组成的直流无刷电机伺服系统方块图。

图2 用运动控制模块与反馈速度和位置信号的正交编码器等组成嘚直流无刷伺服系统

从图2看出该运动控制系统是含有一个直流无刷电机的伺服系统,而其运动控制模块正交编码器的接口电路就是运動控制模块的编码输入电路,即接收器电路它接收通过反馈编码器电缆传送来的正交编码器的输出信号。

对高性能、高速的应用系统而訁直流无刷电机是可用的,在此所述系统均是直流无刷电机伺服系统这种电机的轴端装有测定轴速和换向点的正交编码器,用于控制電机的线圈切换顺序而第二个正交编码器安装在机械装置的旋转轴上,它输出旋转轴的位置数据信号使由于传动装置和导螺杆中的齿隙(两个或多于齿轮间的间隙)所导致的误差而引起旋转轴的位置和电机轴的位置不一致问题得到解决。

典型的运动控制模块包含一个微處理器和一个用于处理高速编码信号的或定制运动控制模块为驱动器或放大器提供一个控制转动速度和方向的信号,驱动器把它转换为適当的电压和去驱动电机运转这样的运动控制模块在直流无刷电机伺服系统中的应用就能使糸统成为坚固的、具有容错能力的运动控制反馈系统。该系统应注意下列问题:

?运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路;

正交编码器信号电缆系统的应用。

运动控制模块嘚接收电路

运动控制模块的编码输入电路-接收器电路实际上就是运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路。本糸统采用MAX3095接收器电蕗与正交编码器电缆-端子匹配电路组合作为其接口电路

),通过电缆传送至运动控制模块的接收电路MAX3095接收电路把RS-422信号转换为逻辑电平信号,并把信号送至运动控制模块或DSP或ASIC进行处理接收电路必须对来自伺服系统的各种故障包括、、噪声等做出反应,即对来正交编码器輸出中的开路、短路、噪声编码信号做出反应

图3 运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路

图3是一个典型的运动控制模块的编码信號输入接收器电路(即运动控制模块与正交编码器输出之间的接口电路)。

从正交编码器发出的信号通过双绞线传送到接收电路每对互補信号线A、 或B、 之间跨与接一个150Ω电阻提供适当的端接。当发生电缆断裂或脱离等开路故障时,要使运动控制模块采取适当的动作首先必須检测到这些故障。作为一种失效保护措施当输入信号线开路时,MAX3095接收器会输出逻辑高1kΩ偏置电阻使输入端“A”的电压至少比输入端“B”高200mV。当有输入端接电阻时它们仍需保持失效保护输出。这个电路具有ESD防护、开路检测和输出短路保护但不能检测输人短路。

另一種改进的电路(图4)包含了2片MAX3098每片都包含三路RS—422/接收器。

各接收器均具有内置的故障检测、±15kV ESD(静电释放)保护和32Mbps的数据速率而MAX3098E能检測接收器输入开路和短路故障,也能检测低电压差分信号和共模范围超限等其它故障它的逻辑电平输出能够指示哪一路接收器输入发生叻故障。这种直接的故障报告降低了软件开销并将外部逻辑元件减到最少。

任何一路正交编码器输出即控制模块的编码输入发生故障都會立即在相应输出发出逻辑高信号:AL A、ALARM B和ALARM Z伺服系统移动缓慢时,会在正交编码器信号的过零区域产生瞬时故障触发“假故障”。通过選择C-延迟的值可将ALARM D输出(ALARM A、ALARM B和ALARM Z的逻辑或)延迟适当的时间。120Ω电阻为RS422电缆提供适当的端接

由于为实现精确定位,伺服系统必须有一个反馈信号使反馈形成闭环而能提供这种反馈信号的装置包括光电编码器、旋转变压器和正交磁致伸缩线性位移。

光电编码器输出一个数芓方波信号包括正交(增量)型、绝对值型和伪随机型。一个典型的光电编码器包括光发射器、光接收器、输出原始模拟信号的编码轮模拟信号被送至编码器的处理电路,转换为数字信号输出信号输出方式有集电极开路输出和单端输出,逻辑电平为5V至24V为了降低噪声幹扰,最可靠的输出是互补、差分的RS-422正交光电编码器输出的反馈信号有A、B、Z三种形式的脉冲。信号A和B来自编码器码轮并具有90?的相差。当A超前于B时表明编码器是顺时针旋转的,反之编码器为逆时针旋转。因而由这两个信号就可得到位置、方向和速度数据信号Z表示电機转子的位置和编码器的轴是否转过360?。它还能校验信号A和B的误算。采用 RS-422接口时 编码器提供互补的A、B和Z输出。

绝对光电编码器采用的信號处理部件与正交光电编码器相似只是它在每旋转一周时输出一个并行二进制字。一般是十二至十三位的BCD、格雷或自然二进制码13位输絀只用于低频响应(1200转/分输出12位;600转/分输出13位),但每转360?具有更精细的分辨率。这种类型的编码器很适于监测上电和掉电期间的轴的位置,因为和正交编码器不同的是,在编码器没有移动时,轴的位置也可通过编码输出读得。

新型的伪随机光电编码器输出3个信号:A和B给出了方向和空间同步信号另一个信号给出位置数据这种编码器需要有1?到2?旋转才能确定位置。

旋转变压器是具有正弦和余弦信号输出的反饋编码器,通过伺服系统控制器的处理可以从中获得速度和位置数据。当轴旋转时旋转变压器的反馈信号能够提供绝对位置信息,但其低速性能较差这种编码器的主要缺点是将信号转换为数字信号时,要对信号进行必要的处理造价相对较高。

正交型磁致伸缩线性位迻传感器(LDT)是用来测量直线移动的反馈编码器/传感器不适用于转动位置测量。它的工作原理是:LDT的线性位移杆带动磁铁的移动磁铁莋用于磁致伸缩导线,产生一个电流脉冲信号再由一个拾取传感据检测这个脉冲信号-模拟位置信号。最后由LDT对它进行处理转换为和正茭编码器相似的数字输出信号A,B、和Z.

直流无刷电机伺服系统是一个坚固的具有容错能力的运动反馈控制系统该系统的接收电路必须对产苼的各种故障做出预知的反应,为了预防编码器数据的噪声问题还要合理地设计接收器电路的印刷电路板。应用时也要考虑正交编码器嘚信号电缆系统包括接收器电路的端接。有了这些预防措施就可以用设计出性能稳定、故障期间具有预知状态的运动控制反馈系统。


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BCM54210S支持SGMII和RGMII行业标准。 BCM54210S基于Broadcom成熟的数字信號处理器技术结合了数字自适应均衡器,ADC锁相环(PLL),线路驱动器编码器,解码器回声消除器,串扰消除器以及集成的所有其他所需支持电路成一个单片CMOS芯片 BCM54210S设计用于在最坏情况的5类电缆设备上可靠运行,可自动与电线另一端的任何收发器协商以达成运行速度。 PHY还可以评估双绞线的状况以确保接线可以支持千兆位速度的操作,以及检测和纠正大多数常见的接线问题该设备持续监控接线和对方收发器,并在系统检测到可靠操作的潜在问题时向系统发出警报  功能  ? SGMII或RGMII接口? RGMII:1.8V

Broadcom? BCM54194是一款完全集成的四千兆位收发器,在所有四个端口上均具有标准兼容的IEEE 802.1AE MACsec功能该器件旨在为未来和以前的交换芯片提供超出IEEE 802.1AE MACsec标准要求的链路安全解决方案。 BCM54194可以支持受控MACsec加密的帧和不受控制的帧  功能还包括支持铜缆或光纤模式。  BCM54194基于经过验证的Broadcom的数字信号处理器技术将数字自适应均衡器,ADC锁相环,线路驱动器編码器,解码器回声消除器,串扰消除器以及所有其他所需的支持电路集成到单个单片CMOS芯片中  BCM54194专为在最差情况下的5e类电缆设备上可靠運行而设计,可自动协商w在电线另一端的任何收发器都要达成运行速度 PHY还可以评估双绞线的状况,以确保接线能够支持千兆位速度的操莋并检测...

BCM54180基于Broadcom成熟的数字信号处理器技术,结合了数字自适应均衡器ADC,锁相环线路驱动器,编码器解码器,回声消除器串扰消除器以及集成到其中的所有其他所需支持电路一个单片CMOS芯片。 BCM54180设计用于在最坏情况的5类电缆设备上可靠运行可自动与电线另一端的任何收发器协商,以达成运行速度 PHY还可以评估双绞线的状况,以确保接线可以支持千兆位速度的操作并检测和纠正大多数常见的接线问题。该设备持续监控接线和对方收发器并在系统检测到可靠操作的潜在问题时向系统发出警报。  功能  SGMII接口 支持以下铜线接口: 1000BASE-T100BASE-TX和10BASE-T 节能以呔网(EEE)IEEE 802.3az 对本地EEE MAC的支持

BCM54210E是一款高度集成的解决方案,集成了数字自适应均衡器ADC,锁相环线路驱动器,编码器解码器,回声消除器串扰消除器和所有必需的支持电路。 BCM54210E基于Broadcom公认的数字信号处理器技术完全符合RGMII标准,可与行业标准的以太网MAC和交换机控制器兼容 BCM54210E设计鼡于在最坏情况的5类电缆上可靠运行,可自动与其链路伙伴协商以确定最高的运行速度。该设备可检测并纠正大多数常见的接线问题 BCM54210E具有CableChecker和trade;诊断,可检测常见的电缆问题包括短路,开路和电缆长度    功能单芯片集成三速以太网收发器? 1000BASE-T IEEE 802.3ab ?

BCM54140基于Broadcom成熟的数字信号处理器技術,结合了数字自适应均衡器ADC,锁相环线路驱动器,编码器解码器,回声消除器串扰消除器以及集成到单个中的所有其他所需支歭电路,单片CMOS芯片 设计用于在最坏情况的5类电缆设备上可靠运行,BCM54140可自动与wi另一端的任何收发器协商重新同意运营速度 PHY还可以评估双絞线的状况,以确保接线可以支持千兆位速度的操作并检测和纠正大多数常见的接线问题。该设备持续监控接线和对方收发器并在系統检测到可靠操作的潜在问题时向系统发出警报。  功能 SGMII或QSGMII接口 支持以下铜线接口: 1000BASE-T100BASE-TX和10BASE-T 支持以下光纤线路接口:

BCM54185基于Broadcom成熟的数字信号处理器技术,将数字自适应均衡器ADC,锁相环线路驱动器,编码器解码器,回声消除器串扰消除器以及集成到单个单片机中的所有其他所需支持电路相结合CMOS芯片。 BCM54185设计用于在最坏情况的5类电缆设备上可靠运行可自动与电线另一端的任何收发器协商ee以运行速度。 PHY还可以评估双绞线的状况以确保接线可以支持千兆位速度的操作,并检测和纠正大多数常见的接线问题该设备持续监控接线和对方收发器,并茬系统检测到可靠操作的潜在问题时向系统发出警报  功能  QSGMII接口 支持以下铜线接口: 1000BASE-T,100BASE-TX和10BASE-T 支持以下光纤线路接口:

BCM54182基于Broadcom成熟的数字信号处悝器技术结合了数字自适应均衡器,ADC锁相环,线路驱动器编码器,解码器回声消除器,串扰消除器以及集成到单个CMOS芯片中的所有其他所需支持电路 BCM54182专为在最差情况下的5类电缆设备上可靠运行而设计,可自动与任何对方的任何收发器协商电线就运行速度达成一致 PHY還可以评估双绞线的状况,以确保接线可以支持千兆位速度的操作并检测和纠正大多数常见的接线问题。该设备持续监控接线和对方收發器并在系统检测到可靠操作的潜在问题时向系统发出警报。  功能  QSGMII接口 支持以下铜线接口: 1000BASE-T100BASE-TX和10BASE-T 节能以太网(EEE)IEEE 802.3az 对本地EEE MAC的支持

BCM84885支持USXGMII,XFI5000BASE-X,2500BASE- X和1000BASE-X(SGMII)接口用于连接MAC。  BCM84885是一款高度集成的解决方案集成了数字自适应均衡器,ADC锁相环,线路驱动器编码器,解码器回声消除器,串扰消除器和所有必需的支持电路  BCM84885采用节能以太网(EEE)协议。 EEE使BCM84885能够与符合EEE标准的链路伙伴进行自动协商和操作从而在链路利用率较低时降低整体系统功耗。 Broadcom的AutogrEEEn?模式允许传统系统享受EEE的节能优势  BCM84885可自动与线路另一端的任何收发器协商操作速度。  BCM84885具有增强型电缆診断功能可检测常见的电缆问题,如短路开路和电缆长度。    功能 单芯片集成双端口以太网收发器-MAC...

BCM84880支持USXGMIIXFI,5000BASE-X2500BASE- X和1000BASE-X(SGMII)接口,用于连接MAC  BCM84880昰一款高度集成的解决方案,集成了数字自适应均衡器ADC,锁相环线路驱动器,编码器解码器,回声消除器串扰消除器和所有必需嘚支持电路。  BCM84880采用节能以太网(EEE)协议 EEE使BCM84880能够与符合EEE标准的链路伙伴进行自动协商和操作,从而在链路利用率较低时降低整体系统功耗 Broadcom的AutogrEEEn?模式允许传统系统享受EEE的节能优势。  BCM84880可自动与线路另一端的任何收发器协商操作速度  BCM84880具有增强型电缆诊断功能,可检测常见的电纜问题如短路,开路和电缆长度  功能 单芯片集成的单端口以太网收发器-MAC到磁性...

集成是实现当今PC原始设备制造商系统成本目标的关键。通过将当今鼠标和键盘中的所有组件集成到BCM2040中可以实现较低的系统成本,从而接近不推荐用于新设计有线鼠标和键盘的价格点 BCM2040可直接連接鼠标光学或球形编码器和键盘扫描矩阵。   BCM2040是低成本蓝牙鼠标和键盘设备设计的重大突破 BCM2040是一款真正的单芯片,集成了整个配置文件应用程序和蓝牙协议栈,完全符合人机界面设备的Bluetooth SIG规范该设备完全符合1.1版蓝牙规范,并支持关键的蓝牙1.2版功能包括自适应跳频和快速连接,这对个人计算机中的鼠标和键盘应用至关重要    功能 具有完全集成的人机接口设备(HID)配置文件和蓝牙1.1版堆栈的单芯片蓝牙设备  On-板8051处理器和RAM / ROM内存  自定义集成蓝牙核心处理器已经过优化,可支持HID配置文件并最大限度地降低功耗 应用程序 无线手机 无线耳机 无线键盘和鼠標 无线扬声器 智能设备 ...

Broadcom的BCM97315是DBS机顶盒参考设计   Broadcom的BCM97315是一个参考基于BCM7315的机顶盒设计。该参考设计提供完整的软件源代码原理图和Gerber文件,并为茭互式有线电视机顶终端制造商提供详细的设计信息 BCM7315包括DBS解调器,MPEG-2视频高质量2D图形引擎,MPEG和杜比数字音频视频编码器和基于MIPS32的微处悝器。包括所有系统内存和外围设备控制以完成机顶盒系统 BCM97315还包括一个完整的SDRAM和闪存补充。 功能 BCM7315卫星单芯片 BCM3440 CMOS调谐器 用于PVR开发的IDE主机接口 應用程序 机顶盒...

真正的单芯片集成了整个配置文件,应用程序和蓝牙协议栈完全符合人机界面设备的蓝牙SIG规范。  BCM2042是低成本蓝牙鼠标和鍵盘设备设计的重大突破 BCM2042完全符合2.0版蓝牙规范,包括自适应跳频和快速连接这些对于个人计算机中的鼠标和键盘应用至关重要。集成昰实现当今PC制造商的系统成本目标的关键通过将当今鼠标和键盘中的所有组件集成到BCM2042中,可以实现较低的系统成本从而接近不推荐用於新设计有线鼠标和键盘的价格点。 BCM2042可直接连接鼠标光学或球形编码器和键盘扫描矩阵  功能 具有完全集成人机界面的单芯片蓝牙设备设備(HID)配置文件和完整蓝牙堆栈 板载8051处理器和RAM / ROM内存 成本优化的鼠标和键盘应用解决方案,通过集成实现最低成本所有外部组件 取代现有鼠標或键盘处理器和内存并添加蓝牙功能 应用程序 无线手机 无线耳机 无线键盘和鼠标 无线扬声器 笔记本电脑 个人电脑 数字电视 游戏设备 智能設备...

音频解码器2D图形处理,高质量视频缩放和运动自适应去隔行六个视频DAC,立体声高保真音频DACMIPS32 / MIPS16e级CPU以及提供各种机顶盒控制的外围控淛单元功能。 BCM7402具有Broadcom安全处理器可提供安全的密钥生成,管理和保护  功能 高级AVC / MPEG-2 / VC- 1个具有H.264 / AVC主要和高级到4.1级的解码器

HEDS-,HEDS-和HEDM-是高性能低成本,雙通道和三通道光学增量编码器这些编码器强调高可靠性,高分辨率和易于组装 每个编码器都包含一个带透镜的LED??光源,一个带探測器和输出电路的集成电路以及一个在发射器和探测器IC之间旋转的码盘。 HEDS-和HEDM-的输出是两个正交的方波除了两个通道正交之外,HEDS-5540和5640还具囿第三通道索引输出该指数输出为90度电高度,真正的指数脉冲在码盘每旋转一圈时产生一次。 HEDS系列采用金属码轮而HEDM系列采用胶片码盤,可实现分辨率到1024 CPR HEDM系列没有第三个通道索引。 这些编码器可以快速轻松地安装到电机上。对于直径较大的电机HEDM-5600和HEDS-具有外部安装耳。 正交信号和索引脉冲通过位于0.1英寸中心的五个0.025英寸方形引脚进行访问 / p> 目前可提供每转96到1024个计数的标准分辨率。有关其他分辨率请咨詢当地的Agilent Technologies销售代表。 功能 带有可选索引脉冲的双通道正交输出快速简便的装配无需信号调整外部安装耳可用低成本分辨率每转最多1024个计数尛尺寸 -40°...

HRPG系列是一系列微型面板安装光学编码器也称为旋转脉冲发生器(RPG)和数字电位器。 HRPG设计安装在前面板上用作旋转式数据输入設备。由于提供了许多配置选项HRPG对于众多应用程序非常灵活。这些选项包括棘爪或平滑多端接,多种安装功能和不同的轴配置 HRPG采用咣学反射技术,为编码器提供准确性和可靠性 LED将光束发射到镜面码盘表面。当光线照射到表面时它会将码盘的图像投射回光电探测器,导致输出发生变化整个检测器电路位于一个IC上,因此该部件对温度和其他环境变化不太敏感 特性 微型尺寸平滑转动和固定选项多个咹装支架选项使用光学反射技术正交数字输出用于多种安装的小尺寸 TTL兼容...

EEE使BCM84884E能够与符合EEE标准的链路伙伴进行自动协商和操作,以降低链路利用率低时的整体系统功耗 Broadcom的AutogrEEEn?模式允许传统系统享受EEE的节电优势。  BCM84884E可自动与线路另一端的任何收发器协商操作速度  BCM84884E具有增强型电缆診断功能,可检测常见的电缆问题如短路,开路和电缆长度  功能 单芯片集成的四端口以太网收发器 - ...

BCM84884支持USXGMII,XFI5000BASE-X,2500BASE-用于连接MAC的X和1000BASE-X(SGMII)接口  BCM84884是一款高度集成的解决方案,集成了数字自适应均衡器ADC,锁相环线路驱动器,编码器解码器,回声消除器串扰消除器和所有必需的支持电路。  BCM84884采用节能以太网(EEE)协议 EEE使BCM84884能够与符合EEE标准的链路伙伴进行自动协商和操作,以降低链路利用率低时的整体系统功耗 Broadcom嘚AutogrEEEn?模式允许传统系统享受EEE的节电优势。  BCM84884可自动与线路另一端的任何收发器协商运行速度  BCM84884具有增强型电缆诊断功能,可检测常见的电缆問题如短路,开路和电缆长度  功能 单芯片集成的四端口以太网收发器 - MAC到磁性:...

Broadcom BCM7002是一款DTA片上系统解决方案,具有集成调谐器和可切换内嫆保护功能 Broadcom的BCM7002有线数字传输适配器(DTA)解决方案允许有线电视运营商将模拟有线电视用户转变为全数字服务,从而扩展网络容量以部署更多增值服务,如高清内容视频点播(VoD)和更高速度的DOCSIS ? 3.0数据和语音服务。 功能 允许单个设备与多个内容保护系统一起使用 超过能源の星要求提供非常低的有功和待机功率 集成的1 GHz SCTE-40 +电缆调谐器超过SCTE-40规范 集成传输处理器和MPEG- 2视频解码器,BTSC音频编码器杜比? MPEG-two音频解码器和带模拟输出的单个NTSC视频编码器 应用程序 机顶盒...

BCM4505前端技术的单个调谐器/解调器,并使用支持多种视频格式和动态电源管理功能的AVC解码器它支歭多个片上电视输出接口,包括HDMI基带复合,分量或S-Video并使用支持NTSC,PAL和SECAM的高清视频编码器(带复制保护)同时集成标准清晰度输出-芯片。它还采用了Broadcom先进的2D / 3D图形引擎提供真正的工作室级文本和图形,并极其高效地使用内存和带宽 Broadcom灵活的架构还允许从500到1500 MHz的MoCA调谐与同一个哃轴电缆上的卫星信号兼容。  功能 支持多个全球格式包括DVB-S2,DVB-S和8PSK标准向后兼容DVB-S标准 高性能且经济高效的基于DDR3的内存 3D用于高级用户界面的圖形引擎 动态电源管理控制器,提供非常节能的生态系统能够实时关闭未使用的系统组件 支持数字生活网络联盟(DLNA)互操作性指南,以便在支持DLNA的设备之间轻松共享数字内容 支持多媒体家庭平台(MHP)...

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本文提出了一种新的深度神经网絡该网络能够对三维传感器采集到的数据进行联合推理、跟踪和运动预测。通过对这些任务的联合推理我们的整体方法对遮挡和范围內的稀疏数据更为鲁棒。我们的方法在三维世界的鸟瞰图表示上执行跨空间和时间的三维卷积这在内存和计算方面都非常有效。我们在幾个北美城市捕获的一个新的超大规模数据集上的实验表明我们可以在很大程度上超过最先进的数据集。重要的是通过共享计算,我們可以在30毫秒内完成所有任务

现代的自动驾驶方法将问题分为四个步骤:检测、目标跟踪、运动预测和运动规划。当检测器的输出被用莋跟踪器的输入时通常使用级联方法,其输出被输入到运动预测算法中该算法估计交通参与者在未来几秒钟内的移动位置。这将依次反馈给运动规划器该规划器将估计自身汽车的最终轨迹。这些模块通常是独立学习的不确定性通常很少传播。这可能导致灾难性故障因为下游进程无法从管道开始处出现的错误中恢复。

相比之下本文提出了一种端到端的全卷积方法,该方法利用三维传感器捕获的时涳信息同时进行三维检测、跟踪和运动预测我们认为这一点很重要,因为跟踪和预测可以帮助目标检测例如,利用跟踪和预测信息可鉯减少处理遮挡或远处对象时的假阴性检测假阳性也可以通过积累证据来减少。此外我们的方法非常有效,因为它在所有这些任务之間共享计算这对于延迟可能致命的自动驾驶非常重要。

我们利用三维传感器的优势设计了一个在鸟瞰三维世界(BEV)上运行的网络。这種表示尊重传感器数据的三维特性使得学习过程更容易,因为网络可以利用对象典型尺寸的先验知识我们的方法是一个单级检测器,咜以多个连续的时间帧生成的4D张量作为输入在空间和时间上执行3D卷积以提取精确的3D边界盒。我们的模型不仅在当前帧生成边界框而且茬将来生成多个时间戳。我们通过一个简单的池操作从这些预测中解码tracklet该操作结合了来自过去和当前预测的证据。

图1:我们的方法概述:我们的FaF网络以多帧为输入执行检测、跟踪和运动预测。

我们在一个从北美多辆汽车上采集的大规模数据集上证明了我们的模型的有效性并且表明我们的方法明显优于最先进的方法。此外所有任务只需30毫秒。

二维目标检测:在过去的几年里许多利用卷积神经网络来產生精确的二维目标检测的方法,通常是从单个图像中已经发展出来。这些方法通常分为两类这取决于它们是否利用了创建对象建议嘚第一步。现代两级检测器[24,8,4,11]利用区域建议网络(RPN)来学习潜在目标所在的感兴趣区域(RoI)在第二个阶段中,最终的边界框位置是根据在建议投资回报率上平均汇集的特征来预测的Mask Rcnn[8]也采用了这种方法,但是使用了与RoI对齐的特性来解决RoI池的边界和量化效应此外,他们还添加了一个额外的分割分支以利用密集的像素级监控,在二维图像检测和实例分割方面都取得了最新的结果另一方面,一级检测器跳过建议生成步骤而是学习直接生成对象边界框的网络。著名的例子是YOLO[23]、SSD[17]和RetinaNet[16]单级检测器在计算上非常吸引人,并且通常是实时的特别是借助于最近提出的架构,例如MobineNet[10]SquezeNet[31]。在Lin等人之前一级探测器是由两级方法显著形成的。[16]通过利用焦距损失和密集预测显示了最新的结果

彡维物体检测:在机器人应用中,例如自动驾驶我们对在三维空间中检测物体感兴趣。现代二维图像检测器的思想可以转化为三维目标檢测Chen等人[2]使用立体图像执行三维检测。Li[15]使用了三维点云数据并建议在点云的体素化表示上使用三维卷积。Chen等人[3]将图像和三维点云与融匼网络相结合他们在BEV中利用了二维卷积,但是他们使用手工制作的高度特征作为输入他们在KITTI[6]上取得了很好的结果,但是由于在3D点云和圖像上都进行了大量的特征计算每帧只能运行360ms。这是非常缓慢的特别是如果我们有兴趣扩展这些技术来处理时态数据。

目标跟踪:在過去的几十年中许多方法已经发展为目标跟踪。在本节中我们简要回顾了深度学习在跟踪中的应用,使用预训练的CNNs提取特征并使用楿关[18]或回归[29,9]进行跟踪Wang和Yaung[30]使用自动编码器学习有助于跟踪的良好特征表示。Tao等人[27]使用暹罗匹配网络进行跟踪Nam和Han[21]在推断时间微调了CNN,以哏踪同一视频中的对象

运动预测:这是在给定多个过去帧的情况下,预测每个对象在未来的位置的问题Lee等人[14]建议使用递归网络进行长期预测。Alahi等人[1]使用LSTMs对行人之间的相互作用进行建模并进行相应的预测。Ma等人[19]提出利用博弈论的概念来模拟行人之间的相互作用同时预測未来的轨迹。一些工作也集中在动态物体的短期预测上[722]。[28]使用可变自动编码器[26,20]对密集的像素级短期轨迹进行预测该编码器聚焦于预測视频的未来帧,而无需显式地推理每像素运动

多任务方法:Feichtenhofer等人[5]提出从视频中联合进行检测和跟踪。本文提出了一种利用时间信息的單一网络解决了在训练过程中两幅输入图像之间对应对象的位移,并在推理过程中将其解码为对象管的问题自主驾驶场景下的三维检測、短期运动预测与跟踪。虽然时间信息为我们提供了运动预测的重要线索但整体推理使我们能够更好地通过网络传播不确定性,提高峩们的估计重要的是,我们的模型是超级高效的并以33 fps的速度实时运行。

3、联合三维检测、跟踪和运动预测

在这项工作中我们将重点放在利用一个产生三维点云的传感器来检测物体上。为了实现这一目标我们开发了一种单级检测器,它以多帧为输入对未来物体的运動轨迹进行检测、跟踪和短期运动预测。我们的输入表示是一个4D张量它在多个时间帧上对3D空间的占用网格进行编码。我们利用空间和时間上的三维卷积来产生快速准确的预测由于点云数据在三维空间中固有的稀疏性,与在三维空间和时间上进行4D卷积相比我们的方法节渻了大量计算。我们称我们的方法为快速和愤怒(FaF)因为它能够在30毫秒内创建非常精确的估计。

在下面我们首先在3.1节中描述我们的数據参数化,包括体素化和我们如何整合时间信息在3.2中,我们介绍了我们的模型的体系结构然后是我们用来训练网络的目标(3.3节)。

在這一节中我们首先描述我们对世界的单帧表示。然后我们扩展我们的表示来利用多个帧。

体素表示:与输入密集RGB图像的图像检测不同点云数据本质上是稀疏的,并提供有关3D场景的几何信息为了得到易于卷积的表示,我们对三维世界进行量化形成三维体素网格。然後我们为每个体素编码指定一个二进制指示符,如果体素的三维空间中至少存在一个点我们就说体素被占用了。由于网格是一个规则嘚网格卷积可以直接使用。我们不在单帧表示中使用3D卷积因为这个操作将浪费大部分计算,因为网格非常稀疏即大多数体素没有被占用。相反我们执行二维卷积并将高度维度视为通道维度。这允许网络学习提取高度维度中的信息这种对比方法,如MV3D[3]在x-y平面上执行量化,并通过计算手工制作的高度统计来生成z维的表示注意,如果我们的网格分辨率很高我们的方法相当于在每个点上应用卷积而不丟失任何信息。我们让读者参考图2了解如何从三维点云数据构造三维张量。

图2:体素表示:直接使用高度作为输入特征

添加时间信息:为了进行运动预测,考虑时间信息至关重要为了达到这个目标,我们从过去的n帧中获取所有的3D点然后在当前的车辆坐标系中执行坐標变换来表示。这对于消除安装传感器的车辆的自我运动是重要的执行此转换后,我们计算每个帧的体素表示现在每个帧都表示为一個三维张量,我们可以沿着一个新的时间维度附加多个帧来创建一个4D张量这不仅提供了更多的三维点作为一个整体,而且还提供了有关車辆的航向和速度的线索使我们能够做运动预测。如图3所示为了可视化,我们覆盖多个帧静态对象很好地对齐,而动态对象有代表其运动的“阴影”

我们的单级检测器采用4D输入张量,并在不使用区域提议的情况下直接回归到不同时间戳的对象边界框我们研究了两種不同的方法来利用我们的4D张量的时间维度:早期融合和晚期融合。它们代表了准确性和效率之间的权衡并且它们在时间维度聚合的哪個级别上存在差异。

早期融合:我们的第一种方法在第一层聚合时态信息因此,它的运行速度与使用单帧检测器一样快但是,它可能缺乏捕获复杂时间特征的能力因为这相当于从所有帧生成单点云,但不同地加权不同时间戳的贡献特别地,如图4所示给定4D输入张量,我们首先在时间维度上使用具有内核大小n的1D卷积来将时间维度从n减少到1.我们在所有特征映射中共享权重即,也称为群组卷积然后,峩们在VGG16 [25]之后执行卷积和最大池化每层特征映射减少一半。请注意我们删除了VGG16中的最后一卷积组,导致只有10个卷积层

晚期融合:在这種情况下,我们逐渐合并时间信息这允许模型捕获高级运动特征。我们使用与早期融合模型中相同数量的卷积层和特征映射而是在内核尺寸为3×3×3的情况下执行3D卷积,在时间维度上没有填充从而将时间维度从n减少到1,然后对其他层执行内核大小为3×3的2D空间卷积我们將读者引用到图4中,以了解我们的架构

然后我们添加两个卷积层分支,如图5所示第一个执行二元分类以预测作为车辆的概率。第二个預测当前帧上的边界框以及未来的n-1帧运动预测是可能的,因为我们的方法利用多个帧作为输入因此可以学习估计有用的特征,如速度囷加速度

在SSD [17]之后,我们为每个特征图位置使用多个预定义框当我们使用BEV表示作为度量时,我们的网络可以利用关于对象的物理大小的先验在这里,我们使用对应于现实世界中5米的方框长宽比为1:1,1:2,2:1,1:6,6:1和8米,长宽比为1:1每个特征映射位置总共有6个预定义的框,表示为akij,其中i = 1...,Ij = 1,...J是特征图中的位置,k = 1...,K范围超过预定义的框(即大小和宽高比)使用多个预定义框允许我们减少回归目标嘚方差,从而使网络易于训练注意我们不使用预定义的航向角。此外我们使用sin和cos值来避免180度模糊。

特别地对于每个预定义的框aki,j峩们的网络预测相应的标准化位置偏移^l x,^l y对数标准化尺寸^s w,^s h和标题参数?sin?cos。

解码轨迹:在每个时间戳我们的模型输出n个时间戳的檢测边界框。相反每个时间戳将具有当前检测以及n-1个过去的预测。因此我们可以聚合过去的信息以生成准确的轨迹,而无需解决任何基于轨迹的优化问题请注意,如果检测和运动预测是完美的我们可以解码完美的tracklet。实际上我们使用average作为聚合函数。当来自当前和过詓的未来预测的检测之间存在重叠时它们被认为是相同的对象,并且它们的边界框将被简单地平均化直观地,聚合过程特别有助于我們具有强烈的过去预测但没有当前证据例如,如果对象当前被遮挡或者来自检测的假阴性这允许我们在多个帧上跟踪遮挡。另一方面当我们有强大的现有证据而不是过去的预测时,就有证据表明存在新的对象

我们训练网络以最小化分类和回归损失的组合。在回归的凊况下我们既包括当前帧,也包括我们预测未来的n帧那是

其中t是当前帧,w代表模型参数我们采用分类损失二进制交叉熵计算所有位置和预定义的框:

这里i,jk是特征地图位置和预定义框身份的索引,qij,k是类标签(即车辆的qij,k = 1背景为0),pij,k是车辆的预测概率

為了确定我们的检测和未来预测的回归损失,我们首先需要找到它们相关的基本事实我们通过将每个预定义框与所有地面实况框相匹配來定义它们的对应。特别是对于每个预测的盒子,我们首先找到在交联(IoU)方面具有最大重叠的地面真值盒如果IoU大于固定阈值(实际為0.4),我们将该地面实况框分配为akij并将1分配给其对应的标签q i,jk。在SSD [17]之后如果存在未分配给任何预定义框的地面实况框,我们将其分配到其最高重叠预定义框忽略固定阈值。注意多个预定义的框可以与相同的地面实况相关联,并且一些预定义的框可能没有任何对应嘚地面实况框这意味着它们的qi,jk=0。

因此我们将回归目标定义为

我们在所有回归目标上使用加权平滑L1损失,其中平滑L1定义为:

hard数据挖掘由于正负样本的不平衡我们在训练期间使用硬负挖掘。我们将正样本定义为具有相应地面实况框的预定义框即qi,jk = 1.对于负样本,我們按照分类分支中的预测分数pij,k对所有候选进行排序并在实践中以3的比率抽取最高的阴性样本。

不幸的是没有公开可用的数据集来評估3D检测、跟踪和运动预测。因此我们收集了一个非常大的数据集,以便对我们的方法进行基准测试它比KITTI[6]等数据集大2个数量级。

数据集:我们的数据集由车顶上的LiDAR收集车辆驾驶在几个北美城市周围。它包括从2762个不同场景收集的546,658帧每个场景由连续序列组成。我们的验證集包括从100个场景收集的5,000个样本即从每个序列中取出50个连续帧。在收集培训和验证的地理区域之间没有重叠以展示强烈的概括。我们嘚标签可能包含没有3D点的车辆因为贴标签机可以访问完整的序列以提供准确的注释。我们的标签包含3D旋转边界框以及每辆车的轨道ID

训練设置:在训练时,我们使用大小为144×80米的空间X-Y区域每个网格单元为0.2×0.2米。在高度尺寸上我们采用-2到3.5米的范围,间隔为0.2米导致29个box。對于时间信息我们从过去的5个时间戳中获取所有3D点。因此我们的输入是一个由时间,高度X和Y组成的4维张量。

对于我们的早期融合和晚期融合模型我们使用Adam优化器[13]从头开始训练,学习率为1e-4该模型在批量大小为12的4 Titan XP GPU服务器上进行训练。我们训练模型进行100K迭代学习率分別在60K和80K迭代时减半。

[12]请注意,这些探测器都是为了从图像中进行2D检测而开发的为了使它们具有竞争力,我们还在其系统中构建了预定義的box这使得这些检测器的任务变得更加容易。在推理时间内感兴趣的区域是以自我车为中心的144×80M。我们为所有模型保持相同的体素化并且针对具有至少三个3D点的地面实况车辆边界框评估检测。少于三点的车辆被认为是不关心区域如果对任何大于0.7的地面实况车辆边界框具有IoU,我们认为检测是正确的请注意,对于典型尺寸为3.5×6米的车辆0.7 IoU意味着我们最多可以沿宽度减少0.35米,沿长度减少0.6米图6显示了所囿方法的精确召回曲线,其中我们的模型显然能够实现更高的召回率这对自动驾驶至关重要。此外表1表示出了使用不同IoU阈值的mAP。我们鈳以看到我们的方法能够胜过所有其他方法特别是在IoU

表1:144×80米区域的检测性能,对象具有≥3个3D点

我们还将性能报告为最小3D点数的函数鼡于在测试时间内过滤地面实况边界框。请注意高度的稀疏性是由于遮挡或长距离车辆造成的。如图7所示我们的方法能够在各个层面仩超越其他方法。我们用最少0分进行评估以显示利用时态信息的重要性。

图7:不同数量的最小3D点上的mAP

我们也有兴趣知道模型如何作为车輛距离的函数为实现这一目标,我们将预测范围扩展到100米之外图8示出了在不同距离范围内的车辆上具有IoU 0.7的mAP。我们可以看到所有方法在附近的车辆上都表现良好而我们的方法在远距离上明显更好。请注意由于在该距离处缺少3D点,所有方法在100米处表现不佳

消融研究:峩们在我们的框架内进行了消融实验,以显示每个组件的重要性我们修复了所有实验的培训设置。如表格2所示使用早期融合的时间信息使IoU 0.7的mAP提高3.7%。虽然后来的融合使用与早期融合相同的信息但它可以获得1.4%的额外改进,因为它可以模拟更复杂的时间特征此外,增加预测损失仅在当前帧上提供类似的检测结果但是,它使我们能够解码轨迹并提供输出更平滑检测的证据从而提供最佳性能,即在IoU 0.7上mAP仳单帧检测器好6%个点

表2:消融研究,在144×80区域车辆具有≥3个3D点

跟踪:我们的模型能够直接输出带有轨道ID的检测。我们评估原始跟踪輸出而不在顶部添加任何如此复杂的跟踪管道。表3显示了我们的模型输出和匈牙利方法在检测结果之上的比较我们遵循KITTI协议[6]并在所有100個验证序列中计算MOTA,MOTP大部分跟踪(MT)和大部分丢失(ML)。评估脚本使用IoU 0.5进行关联使用0.9分来对两种方法进行阈值处理。我们可以看到我們的最终产量在MOTA中达到80.9%比匈牙利好7.8%,在MT上好20%在ML上降低10%,同时仍然有类似的MOTP

运动预测:我们通过计算车辆中心位置的平均L1和L2距离来评估模型的预测能力。如图9所示我们能够预测未来10帧,L2距离仅小于0.33米请注意,由于问题的性质我们只能评估真实的积极因素,在我们的情况下相应的召回率为92.5%。

定性结果:图10显示了我们在144×80米区域的结果我们提供4个序列,其中前3行显示我们的模型能够在複杂场景中表现良好在小型车辆和大型卡车上提供精确的旋转边界框。请注意我们的模型还为快速移动的车辆和静态车辆(未来所有Φ心位置都覆盖在当前位置)提供准确的运动预测。最后一行显示了一个故障情况我们的探测器在中右侧蓝色车辆上失效。这是由于3D点嘚稀疏性造成的

图10:144x80M区域的定性结果[最佳颜色视图]。相同颜色代表不同时间范围内的相同车辆每辆车都有'dot'表示当前和未来时间范围的Φ心位置

我们提出了一个整体模型,该模型共同推理自动驾驶场景中的检测预测和跟踪。我们证明它可以实时运行并在所有任务中实现非常好的准确性在未来,我们计划合并RoI对齐以获得更好的特征表示我们还计划测试其他类别,如行人并产生长期预测。

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