CN102514572A - 一种道路偏离预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路偏离预警方法，包括道路偏离预警系统，道路偏离预警系统包括图像采集单元、车辆CAN总线、控制单元、显示器、音频编解码单元、蜂鸣器、SD卡和扬声器，图像采集单元、车辆CAN总线与控制单元双向连接，显示器、音频编解码单元、蜂鸣器、SD卡与控制单元连接，音频编解码单元与扬声器连接，本发明的方法为汽车车道偏离提供了有效及时的预警机制，并根据图像采集单元标定结果，将前方路况分为远近视野，提供了近视野内车道偏离预警和远视野内弯道车速预警的方法，有效地降低交通事故发生的机率。

Description

一种道路偏离预警方法

技术领域

本发明涉及汽车电子技术领域，具体是一种道路偏离预警方法。

背景技术

汽车保有量的与日俱增使得汽车安全新技术层出不穷，车道偏离预警系统应运而生，在汽车高速行驶时，车道偏离系统能有效地减轻驾驶员的疲劳程度，减少了交通事故发生的机率，是一项值得大力研究和推广的汽车安全技术。基于视觉系统的车道偏离预警系统由于其成本低、运用范围广、实现方便等诸多优点优先得到了最为广泛的应用，现阶段国外有不少基于视觉系统的车道偏离预警产品，如荷兰Mobile Eye公司C2系列、卡内基梅隆大学开发的AURORA系统；国内也有一些研发专利和相关论文，专利号为CN201633623U的一种可用于车道偏离预警装置的报警器，只研究了报警输出终端的设计方法，没有涉及车道偏离系统的具体控制策略；专利号CN101794367A的一种车道偏离预警装置及预警方法，需要加装车辆横摆角加速度传感器；专利号CN101992778的一种车道偏离预警及行驶记录系统及方法和专利号CN201712600的基于霍夫变换的车道偏离预警装置等均采用Hough变换算法提取直线模型，但该算法在感兴趣区域内全局搜索，运算量较大，不利于高速车辆运行下的实时性运算，且由于实际弯道曲率的不确定性，在参数空间提取曲线参数峰值时维数增加，运算量显著增加，不适宜用于连续多段弯曲道路，不仅如此，包含其他类似的车道偏离预警专利在内，有的没有给出相应的摄像机标定方案，很难获取较为准确的车道相对本车位置；有的没有结合道路几何模型，很难剔除道路两侧栏杆等直线状噪声；重要的是，车道偏离预警只关注于本车相对临近车道的横向偏离，在进入弯道时车速过高会导致车辆侧滑或侧翻，同时发生在弯道处的交通事故是其他道路条件下的数倍之多，因此有必要研究弯道车速预警机制。目前已有的弯道车速预警系统仍存在缺陷，如专利号为200910158546.9的货车弯道防侧翻动态检测方法及预警装置，只能在车辆完全进入弯道后感知车道倾斜度、车辆侧向加速度等，无法进行提前预警；专利号为200410081844.X的导航系统的弯道安全预警及行车记录方法虽可结合电子地图在进入弯道前提前预警，但在桥梁、建筑物密集等多弯道地区GPS信号有效性易受影响，也需随道路情况及时更新高精度的电子地图。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种道路偏离预警方法，为汽车车道偏离提供预警，保障乘客和行人的安全，降低交通事故发生的机率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种道路偏离预警方法，包括道路偏离预警系统，道路偏离预警系统包括图像采集单元、车辆CAN总线、控制单元、显示器、音频编解码单元、蜂鸣器、SD卡和扬声器，图像采集单元、车辆CAN总线与控制单元双向连接，显示器、音频编解码单元、蜂鸣器、SD卡与控制单元连接，音频编解码单元与扬声器连接，该方法为：

1)图像采集单元采集道路图像序列，对采集的每一帧图像依次进行灰度化、滤波和二值化处理，从而提取车道线；

2)从二值化处理后的图像中找出车道线边缘：在图像采集单元下方区域代表的近视野内采用直道线识别和拟合，在图像采集单元下方区域代表的远视野内采用回旋线识别和拟合，计算回旋线参数；

3)在近视野内进行车道偏离预警：将图像采集单元采集到的道路图像透射图转变为逆透射图，判断近视野内车辆两侧车道线与本车的相对位置，并判断相对位置的变化趋势，当车辆穿过最早预警线并保持偏离车道的趋势，且满足：没有检测到转向信号灯开启，且车速高于某一设定阈值时，则控制单元启动蜂鸣器预警，并在显示器内显示车道偏离方向；

4)在远视野内，进行弯道车速预警：

a)根据步骤2)中计算所得的回旋线参数，确定车道曲率半径R，结合公路弯道设计规范，确定弯道超高ρ；结合图像采集单元标定结果，确定车辆中心线相对于最外侧车道的横向偏置距离d；

b)根据不同车型，确定车辆的最大横向加速度a和制动效率c；

c)计算由横向加速度限制的车辆最大速度V₁，并计算该车辆最大速度下车辆的弯道安全系数S；

d)计算制动过程中的制动视距SD₁和制动距离SD₂，其中SD₁计算公式为： ${\mathrm{SD}}_1=2R{\cos }^{-1}\left(\frac{R-d}{R}\right);$ SD₂计算公式为： ${\mathrm{SD}}_2=\frac{T_r{V}_2}{3.6}+\frac{{V_2}^2}{254b},$ 其中T_r为驾驶员反应时间，V₂为制动视距模式下限制的车辆最大速度，b为考虑安全系数S情况下的正常制动效率值的一半；另SD₁＝SD₂，计算V₂的值；其中制动视距是指驾驶员获得的前方弯道可视距离；

e)令最终的车辆安全速度Vs＝min{V₁，V₂}；

f)通过车辆CAN总线获得当前车速v，如果当前车速v小于车辆安全速度Vs，则不启动弯道预警；否则启动安全预警，并通过扬声器等发出减速提醒。

本发明的方法为汽车车道偏离提供了有效及时的预警机制，并根据图像采集单元标定结果，将前方路况分为远近视野，提供了远近视野内弯道车速预警的方法，保障了乘客和行人的安全，降低了交通事故发生的机率。

附图说明

图1为道路偏离预警系统结构框图；

图2为SD卡接口电路原理图；

图3为语音编解码芯片电路原理图；

图4为本发明一实施例所采用回旋线道路几何模型图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例采用的道路偏离预警系统包括图像采集单元、车辆CAN总线、控制单元、显示器、音频编解码单元、蜂鸣器、SD卡和扬声器，图像采集单元、车辆CAN总线与控制单元双向连接，显示器、音频编解码单元、蜂鸣器、SD卡与控制单元连接，音频编解码单元与扬声器连接。

车辆CAN总线采用82C50驱动芯片，图像采集单元采用COMS或者CCD摄像头，图像像素不小于70万，视角不小于90度，彩色或黑白，视频帧刷新率不小于每秒25帧，安装在车辆后视镜处，音频编解码单元采用TLV320AIC23芯片。

控制单元可以是ARM系列、DSP系列、Blackfin系列嵌入式处理器等，控制单元时钟主频500Mhz以上，控制单元上含CAN总线控制器，支持片外CAN总线驱动器、多通道缓冲口、SPI总线、IIC总线、GPIO扩展和模数-数模转换，片上资源具备至少两个Timer定时器，库文件支持图像和视频编解码；片外(DDR)SDRAM容量不小于128M。

本实施例所采用回旋线道路几何模型见图4，其中假定道路模型采用公路设计中普遍采用的曲率变化率为恒值的回旋线模型，不同弧长处的曲率为C(l)＝C₀+C₁*l，其中C₀为原点处初始曲率，C₁为曲率变化率

汽车质心Y向偏置与X向偏置关系(即回旋线几何模型方程)为：

$Y\left(l\right)\≈Y\left(0\right)+\mathrm{\φl}+\frac{1}{2}{C}_0{l}^2+\frac{1}{6}{C}_1{l}^3\≅Y\left(0\right)+\mathrm{\φX}+\frac{1}{2}{C}_0{X}^2+\frac{1}{6}{C}_1{X}^3;$

其中Y表示汽车质心横向偏置，X表示汽车质心纵向偏置，φ为汽车航向角，l为沿道路方向的弧长，Y(0)为初始时刻的质心Y向偏置。

根据刚性汽车的准静态侧翻机制，设定

为侧翻阀值，B为轮距，Hg为车辆质心高度，R为道路曲率半径，不同车辆类型侧翻阀值的范围见表1：

表1不同车辆类型侧翻阀值的范围

车辆类型	质心高度/cm	轮距/cm	侧翻阀值/g
				跑车	46-51	127-154	1.2-1.7
微型轿车	51-58	127-154	1.1-1.5
				豪华轿车	51-61	154-165	1.2-1.6

轻型客货两用车	76-89	165-178	0.9-1.1
				客货两用车	76-102	165-178	0.8-1.1
中型货车	114-140	165-190	0.6-0.8
				重型货车	154-216	178-183	0.4-0.6

本实施例道路偏离预警的方法如下：

(1)图像处理：

对于采集的每一帧图像，都进行图像处理从而提取车道线，其中图像的帧刷新率为每秒30帧，这样的每一帧的图像总体称为道路图像序列。图像处理过程中，首先进行灰度化和滤波，滤波的主要作用和目的是边界抽取，这也是最重要的一步。因为抽取的边界不仅有车道线的，还有其他路边栏杆、阴影等的干扰，所以此步骤质量的好坏往往影响后续车道线的判定和提取，而此过程中我们采用的抽取算子是[-1 0 1]。

图像处理过程中，其次是进行图像特征增强，也就是通常所说的二值化处理，二值化处理过程中，采用邻域32*1窗口大小的均值做为二值化的阀值。

(2)车道线识别和跟踪：

这个过程主要目的是从以上二值化的边缘图像中找出车道线边缘；为了防止其他噪声干扰，所以结合回旋线道路几何模型，并考虑到常见高等级公路上的道路曲率一般大于650米，在摄像头下方区域代表的近视野内的车道线普遍呈现为近似直线，所以在近视野内采用直道线识别和拟合；在远视野内采用回旋线进行拟合，此处判断依据是：结合摄像头标定信息，可以判断前方车道与本车的距离，当小于某一阈值时(如40米)，可以认为是近视场区域，否则认为是远视场区域。

(3)近视场内车道偏离预警的方法：

认为车道偏离只处于近视场内，通过检测处理连续的道路图像序列，并结合摄像头标定信息，将摄像头拍摄到的道路图像透射图转变为逆透射图(逆透射图是借助于摄像机标定的结果，生成该图只是为了便于在显示器中显示观察)，可以判断近视场内车辆两侧车道线与本车的相对位置，并判断相对位置的变化趋势，当车辆穿过最早预警线并保持偏离车道的趋势，且满足：没有检测到转向信号灯开启；车速高于某一设定阈值(40-60km/h)时，系统启动蜂鸣器预警，并在显示器内显示车道偏离方向，其中，最早预警线、最晚预警线与车道线的距离可调。

(4)远视场内弯道车速预警的方法：

根据步骤二中车道线识别结果判定回旋线参数后，(回旋线几何模型如上文所述)，确定车道曲率半径R；同时结合摄像机标定结果，确定车辆中心线相对于最外侧车道的横向偏置距离d，还可以根据计算出的车道曲率半径等，结合公路弯道设计规范，确定此处弯道超高ρ等；

根据不同车型，确定车辆的最大横向加速度：对于中重型货车，横向加速度受侧翻稳定性影响；对于乘用车和轻型货车，横向加速度受轮胎附着系数影响。(如上文所述，对于乘用车和轻型货车，是尚未侧翻即已侧滑；对于中重型货车在尚未达到侧滑时，即已开始侧翻。)同时，如果出现弯道需要预警和制动时，制动效率c也对各车辆不一致：对于中重型车辆，制动效率c为0.5～0.6；对于乘用车和轻型货车，制动效率c为0.9～1。

计算由横向加速度限制的车辆最大速度V₁(Km/h)：(其中a为车型对应的横向加速度，ρ为弯道超高)；并结合此速度值，计算该车速下车辆的弯道安全系数S：S＝a+bV₁+cV₁ ²，其中a＝1，b＝0.03476，c＝0.00004762；之后将S迭代计算，求出新的弯道安全系数值S_n＝S/a；此时，根据S_n＝a+bV₁+cV₁ ²可以解得更新的由横向加速度限制的车辆最大速度V₁。

通常情况下，当驾驶员进入弯道时，会将当前速度减到一个目标速度，而判断是否减到目标速度的内在依据是：驾驶员获得的前方弯道可视距离(简称制动视距)与驾驶员制动过程中所需要的最小制动距离相等，制动过程中的制动视距为 ${\mathrm{SD}}_1=2R{\cos }^{-1}\left(\frac{R-d}{R}\right),$ 其中R为道路曲率半径，d为车辆中心线相对于最外侧车道的横向偏置距离；同时制动距离为 ${\mathrm{SD}}_2=\frac{T_r{V}_2}{3.6}+\frac{{V_2}^2}{254b},$ 其中T_r为驾驶员反应时间，一般设为2s，V₂为制动视距模式下限制的车辆最大速度，单位是Km/h，b为考虑安全系数S情况下的正常制动效率的值的一半，令SD₁＝SD₂，则求出的V₂值即为该模式下的车辆最大速度。

最终的车辆安全速度Vs即为以上二者最大允许车速中的最小值，即Vs＝min{V₁，V₂}。

通过车辆CAN总线获得当前车速v，如果当前车速v小于车辆安全车速Vs，则不启动弯道预警；否则启动安全预警。并通过扬声器等发出减速提醒。

例：当弯道半径R＝50m，弯道超高ρ＝7％，车辆中心线与最外侧车道的横向偏置距离d＝9m，某乘用车的最大横向加速度a＝0.9g，制动效率c＝0.9，b＝c/2＝0.45时，则由最大横向加速度所限定的车辆最大车速为44km/h，由制动安全距离限定的车辆最大速度为58km/h，所以最终车辆的安全速度Vs是44km/h。

Claims (5)

1.一种道路偏离预警方法，包括道路偏离预警系统，道路偏离预警系统包括图像采集单元、车辆CAN总线、控制单元、显示器、音频编解码单元、蜂鸣器、SD卡和扬声器，图像采集单元、车辆CAN总线与控制单元双向连接，显示器、音频编解码单元、蜂鸣器、SD卡与控制单元连接，音频编解码单元与扬声器连接，其特征在于，该方法为：

1)图像采集单元采集道路图像序列，对采集的每一帧图像依次进行灰度化、滤波和二值化处理，从而提取车道线；

2)从二值化处理后的图像中找出车道线边缘：在图像采集单元下方区域代表的近视野内采用直道线识别和拟合，在图像采集单元下方区域代表的远视野内采用回旋线识别和拟合，计算回旋线参数；

3)在近视野内进行车道偏离预警：将图像采集单元采集到的道路图像透射图转变为逆透射图，判断近视野内车辆两侧车道线与本车的相对位置，并判断相对位置的变化趋势，当车辆穿过最早预警线并保持偏离车道的趋势，且满足：没有检测到转向信号灯开启，且车速高于某一设定阈值时，则控制单元启动蜂鸣器预警，并在显示器内显示车道偏离方向；

4)在远视野内，进行弯道车速预警：

a)根据步骤2)中计算所得的回旋线参数，确定车道曲率半径R，结合公路弯道设计规范，确定弯道超高ρ；结合图像采集单元标定结果，确定车辆中心线相对于最外侧车道的横向偏置距离d；

b)根据不同车型，确定车辆的最大横向加速度a和制动效率c；

c)计算由横向加速度限制的车辆最大速度V₁，并计算该车辆最大速度下车辆的弯道安全系数S；

d)计算制动过程中的制动视距SD₁和制动距离SD₂，其中SD₁计算公式为： ${\mathrm{SD}}_1=2R{\cos }^{-1}\left(\frac{R-d}{R}\right);$ SD₂计算公式为： ${\mathrm{SD}}_2=\frac{T_r{V}_2}{3.6}+\frac{{V_2}^2}{254b},$ 其中T_r为驾驶员反应时间，V₂为制动视距模式下限制的车辆最大速度，b为考虑安全系数S情况下的正常制动效率值的一半；另SD₁＝SD₂，计算V₂的值；其中制动视距是指驾驶员获得的前方弯道可视距离；

e)令最终的车辆安全速度Vs＝min{V₁，V₂}；

f)通过车辆CAN总线获得当前车速v，如果当前车速v小于车辆安全速度Vs，则不启动弯道预警；否则启动安全预警，并通过扬声器等发出减速提醒。

2.根据权利要求1所述的道路偏离预警方法，其特征在于，所述步骤2)中，回旋线的方程式为： $Y\left(l\right)\≈Y\left(0\right)+\mathrm{\φl}+\frac{1}{2}{C}_0{l}^2+\frac{1}{6}{C}_1{l}^3\≅Y\left(0\right)+\mathrm{\φX}+\frac{1}{2}{C}_0{X}^2+\frac{1}{6}{C}_1{X}^3;$ 其中Y表示汽车质心横向偏置，X表示汽车质心纵向偏置，φ为汽车航向角，l为沿道路方向的弧长。

3.根据权利要求1所述的道路偏离预警方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述步骤2)中，近视野是指车辆与其前方车道之间的距离≤40米，否则为远视野。

4.根据权利要求1所述的道路偏离预警方法，其特征在于，所述步骤3)中，设定阈值为40-60km/h。

5.根据权利要求1所述的道路偏离预警方法，其特征在于，所述步骤4)a)中，横向加速度限制的车辆最大速度V₁的计算公式为：弯道安全系数S的计算公式为：S＝a+bV₁+cV₁ ²。

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