CN101016052A - 高等级公路上车辆防车道偏离预警方法和系统 - Google Patents

Abstract

高等级公路上车辆防车道偏离预警方法和系统属智能交通和智能车辆研究领域，目的是预测并提前向驾驶员发出警告，有效避免高等级公路上车辆车道偏离和交通事故的发生。本发明中的逆变电源输出端及继电器一端与智能相机的输出信号接口连接；图像信息采集、车道标识线识别与跟踪、车辆方向参数估计、车辆位置参数估计、车道宽度估计和车道偏离警告决策等六模块嵌于智能相机的内部芯片中；智能相机经安装支架，固定于车辆驾驶室的前风挡玻璃内；顺序启动六模块是防车道偏离预警方法的关键。采用本发明可使高等级公路上的车辆有效避免偏离车道事故的发生，从而使大量人员的生命及财产得到保障，且系统成本低廉、易于操作，具有可观的经济和社会效益。

Description

高等级公路上车辆防车道偏离预警方法和系统

技术领域

本发明涉及智能交通和智能车辆研究领域，具体说是对车辆在车道中的运行态势进行检测，当检测到车辆偏离车道时，向驾驶员发出提醒警告的方法和系统。

背景技术

基于视觉的车道偏离预警系统大都依赖于道路上的车道标识线或道路边界信息。如何快速、准确地提取出道路上车道标识线信息是该类系统必须解决的关键问题。我国在开展智能车辆自主导航研究过程中，对基于视觉的车道标识线识别和跟踪方法也进行了一些研究，并取得了一些研究成果。这些研究大都针对较为理想的外界环境进行的，对于恶劣的光照条件下的车道标识线识别问题研究较少，目前还没有一种方法能实现不同光照条件下的车道标识线参数的精确提取。另外，对车道偏离预警系统也缺乏深入系统的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能适应高等级公路上车辆防车道偏离的预警方法和系统，该方法和系统能预测可能发生的车辆车道偏离事故，提前发出警告，提醒驾驶员采取正确的措施。

本发明提供的高等级公路上车辆防车道偏离预警方法为：

顺序启动图像信息采集模块a、车道标识线识别与跟踪模块b、车辆方向参数估计模块c、车辆位置参数估计模块d、车道宽度估计模块e和车道偏离警告决策模块f。

图像信息采集模块a用作获取图像信息及调节摄像机的控制参数，其采集的图像为本车前方道路场景中的图像，其中：图像信息包括图像的灰度值和图像大小；摄像机的控制参数为摄像机的快门和增益，通过这两个参数调节图像采集质量。

车道标识线识别与跟踪模块b用图像处理技术以及模式识别方法，提取图像中的车道标识线，其中的车道标识线参数为：左车道标识线(k_left)、右车道标识线(b_left)、斜率(k_right)和截距(b_right)。

车辆方向参数估计模块c用获得的车道标识线参数信息，估算出车辆在当前车道中的方向参数θ值，θ值由下式计算：

$\mathrm{\θ}=-\mathrm{arctg}[\frac{{(H\_\mathrm{image})}^2\×{\mathrm{\μ}}_x}{f\×(H\_\mathrm{image}+2\×y_0)}\×\frac{k\_\mathrm{left}+k\_\mathrm{right}}{2})]\×\frac{180}{\mathrm{\π}}$ (1)

式中：H_image和W_image分别为重建图像的高度和宽度；f为镜头焦距；μ_x为CCD靶面在宽度方向上的像素尺寸；y₀表示在xoy坐标系中，进行逆投影变换时，在原始图像中重建区域内y坐标的极大值。

车辆位置参数估计模块d用获得的车道标识线参数信息，以及车辆方向参数信息估算出车辆在当前车道的位置参数x₀，其计算模型为：

$x_0=[(W\_\mathrm{image}-\frac{b\_\mathrm{right}}{k\_\mathrm{right}}-\frac{b\_\mathrm{left}}{k\_\mathrm{left}})\×\frac{h}{2\×\left|y_0\right|}]\×\cos \mathrm{\θ}-h\×\sin \mathrm{\θ}$ 式(2)

车道宽度估计模块e用获得的车道标识线参数信息，以及车辆方向参数信息，估算出车辆在当前车道的宽度值w，其计算模型为：

$w=\frac{h}{\left|y_0\right|}\×|\frac{b\_\mathrm{left}}{k\_\mathrm{left}}-\frac{b\_\mathrm{right}}{k\_\mathrm{right}}|\×\cos \mathrm{\θ}$ 式(3)

车道偏离警告决策模块f用获得的车辆方向信息、车辆位置信息以及车道宽度信息，对当前车辆是否偏离车道进行决策，采用的决策模型当满足下式时，触发车道偏离预警，偏离方向向右：

式(4)

当满足下式时，触发车道偏离预警，偏离方向向左：

式(5)

式中：b为车辆宽度，θ₀为事先设定好的一个阈值。x_l为设定的报警临界线距y轴的距离，当为小轿车时，x_l的值按照下式选定：

$x_l=\frac{w}{2}-200$ 式(6)

当为货车或大客车时，x_l的值按照下式选定：

$x_l=\frac{w}{2}+100$ 式(7)

高等级公路上车辆防车道偏离预警系统由机电部分I、信息感知处理部分II和信息处理部分III组成，机电部分I中的逆变电源5的输出端及继电器7的一端与信息感知处理部分II的智能相机9的输出信号接口连接，信息感知处理部分II中的智能相机9，信息处理部分III嵌于信息感知处理部分II的智能相机9的内部芯片中，信息感知处理部分II的智能相机9经机电部分I的安装支架8，固定于车辆驾驶室的前风挡玻璃内，安装支架8是采用吸盘式结构。

机电部分I由报警灯1、报警喇叭2、车载电源3、电源开关4、逆变电源5、启动按钮6、继电器7、安装支架8和滤光装置10组成，逆变电源5的输入端经电源开关4与车载电源3连接，其输出端分别与继电器6及智能相机9连接；继电器7的一端与智能相机9的输出信号接口连接，另一端与报警灯1和报警喇叭2连接；安装支架8与智能相机9连接，并固定于车辆驾驶室的前风挡玻璃内；启动按钮6和滤光装置10置于智能相机9上。

信息感知处理部分II的智能相机9为CCD摄像机+图像采集卡+PC机的集成。

信息处理部分III由图像信息采集模块a、车道标识线识别与跟踪模块b、车辆方向参数估计模块c、车辆位置参数估计模块d、车道宽度估计模块e和车道偏离警告决策模块f组成，且顺序启动。信息处理部分III的软件代码，利用上位机通过以太网口传输到智能相机9内的芯片中。

本发明的工作过程是：首先将智能相机9利用安装支架8吸附在车辆驾驶室内的前风挡玻璃中间位置，要求智能相机9的镜头朝向车辆正前方，然后将车载电源3通过电源开关4连到逆变电源5的输入端，通过逆变电源5变压后给智能相机9供电。在此基础上按下启动按钮6，则此时触发智能相机9内的信息处理部分III开始运行，此时图像信息采集模块a适时捕获本车前方的场景图像，利用获得的图像信息通过各个图像处理模块(包括：车道标识线识别与跟踪模块b、车辆方向参数估计模块c、车辆位置参数估计模块d、车道宽度估计模块e和车道偏离警告决策模块f)的分析判断，检测车辆在当前车道中的运行态势，当检测到车辆将偏离车道而驾驶员并没有开启车辆转向灯时，系统触发声光报警。

本发明的积极效果在于：能使在高等级公路上行驶的车辆有效地避免偏离车道事故的发生，从而使大量人员的生命及财产得到保障，且系统成本低廉，并易于操作，具有直接和潜在的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为高等级公路上车辆防车道偏离预警系统的示意图

其中：I.机电部分  II.信息感知处理部分  III.信息处理部分  1.报警灯2.报警喇叭  3.车载电源  4.电源开关  5.逆变电源  6.启动按钮  7.继电器8.安装支架  9.智能相机  10.滤光装置  a.图像信息采集模块  b.车道标识线识别与跟踪模块  c.车辆方向参数估计模块  d.车辆位置参数估计模块  e.车道宽度估计模块  f.车道偏离警告决策模块

图2为车辆位置参数、方向参数以及车道宽度参数示意图

图3为不同光照条件下原始图像中车道标识线参数提取流程图

图4为不同光照条件下重建图像中车道标识线参数提取流程图

具体实施方式

本发明的硬件安装要求智能相机水平安装，镜头朝前，即其光轴方向与地面平行。同时智能相机安装位置尽量靠近前风挡玻璃横向方向上的中间位置处。安装高度H视不同类型车辆而定。

车辆在高等级公路上运行时，可通过按下电控装置前面板上的启动按钮实现车道偏离预警功能。首先，图像信息采集模块a适时的采集本车前方场景中的图像，图像能够包含视野范围内本车前方道路路面信息。当图像信息采集模块获取一帧图像后，启动车道标识线识别与跟踪模块b模块对该帧图像进行分析，首先利用基于神经网络的图像光照模式分类器对光照模式进行分类，针对不同的光照模式，分别在原始图像和重建图像中利用不同的车道标识线参数提取方法，然后利用基于最优权值的信息融合方法将两种车道标识线参数信息进行融合，从而实现可靠、精确地提取出图像中的车道标识线参数。不同光照模式下原始图像和重建图像中车道标识线参数提取流程分别见图3和图4。通过计算可以得到车道标识线参数信息融合的最优权值如式(8)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{W}_1=\mathrm{diag}\left(\mathrm{0.7463,0.5798,0.8000,0.6150}\right)\\ W_2=\mathrm{diag}\left(\mathrm{0.2537,0.4202,0.2000,0.3850}\right)\end{array}\right.$ 式(8)

由此，可以得到车道标识线参数的融合识别结果为式(9)所示：

$L_0^T=W_1{L}_1^T+W_2{L}_2^T$ 式(9)

式中L₁＝(k_l1，b_l1，l_r1，b_r1)、L₂＝(k_l2，b_l2，k_r2，b_r2)分别为原始图像和重建图像中提取出的用于融合的车道标识线参数，L₀＝(k_l0，b_l0，k_r0，b_r0)为车道标识线参数最终融合结果。

在提取出车道标识线参数信息以后启动车辆方向参数估计模块c、车辆位置参数估计模块d、车道宽度估计模块e。车辆方向参数的求取是通过将车道标识线参数信息送入已建立的车辆方向参数估计模型(见式1)。车辆位置参数的求取是通过将车道标识线参数信息和已估计出的车辆方向参数信息送入已建立的车辆位置参数估计模型(见式2)。车到宽度的求取是通过将车道标识线参数信息和已估计出的车辆方向参数信息送入已建立的车道宽度估计模型(见式3)。

得到车辆在车道中的位置参数、方向参数以及道路宽度参数以后，启动车道偏离警告决策模块f，该模块将得到的车辆在车道中的位置参数、方向参数以及道路宽度参数送入建立的车道偏离预警模型(见式4和式5)，从而对当前是否触发车道偏离预警进行决策。

当车道偏离预警决策模块做出决策后，若需要发出车道偏离报警信号，则通过智能相机的I/O输出端口触发电控装置内对应的报警灯闪烁，并发出相应的警报声音。

信息处理部分III的软件代码利用上位机通过以太网口传输到智能相机内的芯片中。

本发明的信息感知和处理部分II中采用智能相机作为图像处理平台。在智能相机非常小的体积内含CCD，采用32位图像处理专用DSP(TMS320C64XX)，工作频率可达400MHz，运算速度高达3200MIPS。4路输入输出数字I/O口，仅需要一路24VDC供电。

信息感知处理部分II中的滤光装置采用了利用圆偏振原理的滤光镜片，其作用在于迎光驾驶时滤掉部分眩晕光，以保证采集图像的质量能满足系统的防追尾碰撞警告功能。

Claims (15)

1.一种高等级公路上车辆防车道偏离预警方法，其特征在于顺序启动图像信息采集模块(a)、车道标识线识别与跟踪模块(b)、车辆方向参数估计模块(c)、车辆位置参数估计模块(d)、车道宽度估计模块(e)和车道偏离警告决策模块(f)。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的图像信息采集模块(a)用作获取图像信息及调节摄像机的控制参数，其采集的图像为本车前方道路场景中的图像。

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的图像信息包括图像的灰度值和图像大小。

4.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的摄像机的控制参数为摄像机的快门和增益。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的车道标识线识别与跟踪模块(b)用图像处理技术以及模式识别方法，提取图像中的车道标识线。

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于所述的车道标识线参数为：左车道标识线(k_left)、右车道标识线(b_left)、斜率(k_right)和截距(b_right)。

7.按权利要求1所述的方法，其特征在于车辆方向参数估计模块(c)用获得的车道标识线参数信息，估算出车辆在当前车道中的方向参数θ值，θ值由下式计算：

$\mathrm{\θ}=-\mathrm{arctg}[\frac{{(H\_\mathrm{image})}^2\×{\mathrm{\μ}}_x}{f\×(H\_\mathrm{image}+2\×y_0)}\×\frac{k\_\mathrm{left}+k\_\mathrm{right}}{2})]\×\frac{180}{\mathrm{\π}}$

式中：H_image和W_image分别为重建图像的高度和宽度；f为镜头焦距；μ_x为CCD靶面在宽度方向上的像素尺寸；y₀表示在xoy坐标系中，进行逆投影变换时，在原始图像中重建区域内y坐标的极大值。

8.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的车辆位置参数估计模块(d)用获得的车道标识线参数信息，以及车辆方向参数信息估算出车辆在当前车道的位置参数x₀，其计算模型为：

$x_0=[(W\_\mathrm{image}-\frac{b\_\mathrm{right}}{k\_\mathrm{right}}-\frac{b\_\mathrm{left}}{k\_\mathrm{left}})\×\frac{h}{2\×\left|y_0\right|}]\×\cos \mathrm{\θ}-h\×\sin \mathrm{\θ}$

9.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的车道宽度估计模块(e)用获得的车道标识线参数信息，以及车辆方向参数信息，估算出车辆在当前车道的宽度值w，其计算模型为：

$w=\frac{h}{\left|y_0\right|}\×|\frac{b\_\mathrm{left}}{k\_\mathrm{left}}-\frac{b\_\mathrm{right}}{k\_\mathrm{right}}|\×\cos \mathrm{\θ}$

10.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的车道偏离警告决策模块(f)用获得的车辆方向信息、车辆位置信息以及车道宽度信息，对当前车辆是否偏离车道进行决策，采用的决策模型当满足下式时，触发车道偏离预警，偏离方向向右：

当满足下式时，触发车道偏离预警，偏离方向向左：

式中：b为车辆宽度，θ₀为事先设定好的一个阈值。x_l为设定的报警临界线距y轴的距离，当为小轿车时，x_l的值按照下式选定：

$x_l=\frac{w}{2}-200$

当为货车或大客车时，x_l的值按照下式选定：

$x_l=\frac{w}{2}+100$

11.一种高等级公路上车辆防车道偏离预警系统，由机电部分(I)、信息感知和处理部分(II)和信息处理部分(III)组成，其特征在于机电部分(I)中的逆变电源(5)的输出端及继电器(7)的一端与信息感知处理部分(II)的智能相机(9)的输出信号接口连接，信息感知处理部分(II)中的智能相机(9)，信息处理部分(III)嵌于信息感知处理部分(II)的智能相机(9)的内部芯片中，信息感知处理部分(II)的智能相机(9)经机电部分(I)的安装支架(8)，固定于车辆驾驶室的前风挡玻璃内。

12.按权利要求11所述的系统，其中的机电部分(I)由报警灯(1)、报警喇叭(2)、车载电源(3)、电源开关(4)、逆变电源(5)、启动按钮(6)、继电器(7)和安装支架(8)组成，其特征在于逆变电源(5)的输入端经电源开关(4)与车载电源(3)连接，其输出端分别与继电器(6)及智能相机(9)连接；继电器(7)的一端与智能相机(9)的输出信号接口连接，另一端与报警灯(1)和报警喇叭(2)连接；滤光装置(10)置于智能相机(9)前方；安装支架(8)与智能相机(9)连接，并固定于车辆驾驶室的前风挡玻璃内；启动按钮(6)置于智能相机(9)上。

13.按权利要求11所述的系统，其特征在于所述的信息感知处理部分(II)的智能相机(9)为CCD摄像机+图像采集卡+PC机的集成。

14.按权利要求11所述的系统，其特征在于所述的信息处理部分(III)由图像信息采集模块(a)、车道标识线识别与跟踪模块(b)、车辆方向参数估计模块(c)、车辆位置参数估计模块(d)、车道宽度估计模块(e)和车道偏离警告决策模块(f)组成，且顺序启动。

15.按权利要求12所述的系统，其特征在于所述的安装支架(8)采用吸盘式结构。

Images