CN103395391A - 一种车辆换道警示装置及换道状态识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种车辆换道警示装置及换道状态识别方法，属于车辆智能化技术领域。警示装置包括车载前置摄像头、图像处理芯片、车速仪表盘、中央处理芯片、转向灯电磁开关、车尾警示灯以及声音警示装置。车载前置摄像头采集图像经图像处理芯片处理传送给中央处理芯片，中央处理芯片根据车辆越过车道线的时间开启声音警示装置、控制转向灯电磁开关开启车尾警示灯。所述方法基于该装置，使用机器视觉作为车路状态检测手段，实时检测车道线，获取车辆航向上车辆与车道线的距离、夹角以及最近横向距离，辅助驾驶员在高速公路换道时为后车提供换道预警。本发明以后车作为警示目标，保证本车行驶安全，为本车驾驶员设置提醒，减少由于换道所产生的交通事故。

Description

一种车辆换道警示装置及换道状态识别方法

技术领域

本发明属于车辆智能化技术领域，具体地说，是指一种车辆换道警示装置及换道状态识别方法。

背景技术

在高速公路行驶过程中，经常发生车辆换道的情况。如图1所示，A车与B车先后行驶，A车意图换道，但是B车因未接到任何警示信号而没有作出任何规避措施，导致追尾碰撞事故。因此，有必要提供一种车辆换道警示技术，针对高速公路行驶车辆换道时，前车未及时打转向灯，导致后车未能发现前车转向意图，致使两车追尾产生危险的问题。

发明内容

本发明针对高速公路行驶车辆换道时未及时开启转向灯，从而容易造成危险的问题，提出了一种车辆换道警示装置及换道状态识别方法。

本发明提供的车辆换道警示装置，包括：车载前置摄像头、图像处理芯片、车速仪表盘、中央处理芯片、转向灯电磁开关、车尾警示灯以及声音警示装置。车载前置摄像头固定在车辆纵向中轴线上，转向灯电磁开关控制车尾警示灯的开启。

车载前置摄像头实时采集车辆前方图像，并将采集的图像传送给图像处理芯片。

图像处理芯片对图像进行处理，具体是：在图像中选取有效区域，对有效区域进行灰度检测去除干扰点，再进行二值化处理得到车道线，对车道线进行梯度畸变校正，然后将处理后的有效区域的图像传送给中央处理芯片。

中央处理芯片实现的功能为：从图像处理芯片传送来的图像中识别车道线，获取车辆坐标系x轴方向上车辆与车道线的距离S、车道线与车载前置摄像头成像中轴线的夹角θ、以及车辆与车道线最近横向距离D_R，车辆坐标系的x轴平行于地面沿车辆中轴线指向前方，车载前置摄像头的光轴方向与车辆坐标系x轴方向重合；从车速仪表盘的CAN总线中提取车辆速度v，并设置车辆在车辆坐标系x轴方向的速度v_x＝v；确定车辆越过车道线的时间当t小于所设定的临界阈值时，开启转向灯电磁开关，控制车尾警示灯以1Hz频率闪亮，同时通过声音警示装置提醒本车驾驶员“车辆换道，请开启转向灯”，D_R＝0时，控制车尾警示灯以5Hz频率闪亮，同时通过声音警示装置提醒本车驾驶员“车辆已经换道”。

基于所述车辆换道警示装置，本发明提供的一种车辆换道状态识别方法，具体步骤如下：

步骤1：循环判断转向灯是否开启，如果未开启，进入步骤2执行，否则，继续判断转向灯是否开启；

步骤2：通过车载前置摄像头采集车辆前方图像，车载前置摄像头固定在车辆纵向中轴线上，在前挡风玻璃最上方后视镜的前方位置；

步骤3：图像处理芯片从车载前置摄像头采集的图像中进行有效区域选取；

步骤4：对有效区域进行图像处理，首先进行灰度检测去掉图像中干扰点，再进行二值化处理得到车道线，最后对车道线进行梯形畸变校正；

步骤5：确定在车辆坐标系x轴方向上车辆与车道线的距离S：

$S=H*\tan [\mathrm{\β}+\arctan \left(\frac{1}{k}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}\right)]-S1$

车辆坐标系的x轴平行于地面沿车辆中轴线指向前方，车载前置摄像头的光轴方向与车辆坐标系x轴方向重合；H为车载前置摄像头光心O'到地面的垂直距离，β为车载前置摄像头的俯仰角，α为车载前置摄像头的垂直视场角，S1为车载前置摄像头光心距离车头的垂直距离；A'B'为车载前置摄像头成像平面，Q'为车载前置摄像头光轴与成像平面A'B'的交点，车辆中轴线与车道线交点P在A'B'平面上成像为P'，则

步骤6：确定识别的车道线与车载前置摄像头成像中轴线的夹角θ，然后确定车辆与车道线最近横向距离 $D\_R=S*\sin \mathrm{\θ}-\frac{L}{2}\cos \mathrm{\θ};$ L为车宽；

步骤7：中央处理芯片从车速仪表盘的CAN总线中提取车辆速度v，设车辆在车辆坐标系x轴方向的速度v_x＝v；

步骤8：确定车辆越过车道线的时间t：

$t=\frac{D\_R}{v_x\cos \mathrm{\θ}}$

步骤9：判断t是否小于所设定的临界阈值，若是，则进行车辆换道警示，否则，不执行操作，直接转步骤1执行；

所述的车辆换道警示具体是：开启转向灯电磁开关，控制车尾警示灯以1Hz频率闪亮，同时语音提醒本车驾驶员“车辆换道，请开启转向灯”；当D_R＝0时，控制车尾警示灯以5Hz频率闪亮，同时语音提醒本车驾驶员“车辆已经换道”。

本发明提供的车辆换道警示装置及换道状态识别方法，优点和积极效果在于：使用机器视觉作为车路状态检测手段，实时检测车辆换道状态，结合实际设定图像处理目标范围，并考虑了车速换道时间的实际情况，辅助驾驶员在高速公路换道时为后车提供换道预警，为本车驾驶员设置提醒，减少由于换道所产生的交通事故。本发明以后车作为警示目标，保证本车行驶安全，并对于车辆换道可能产生的危险程度进行评估，不同情况下产生不同的警示信息，减少车辆追尾事故的发生。

附图说明

图1是高速公路上车辆进行换道的场景示意图；

图2是本发明的车辆换道协同警示装置的组成框图；

图3是本发明的车辆换道状态识别方法的整体流程图；

图4是车辆与车道线的俯视示意图；

图5是对采集图像的进行选取的示意图；

图6：（a）是存在梯形畸变的图像，（b）是梯形畸变校正后的图像；

图7是距离估算模型示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的车辆换道警示装置及换道状态识别方法所要解决的是高速公路行驶车辆换道未及时开启转向灯容易造成危险的问题，针对如图1所示的两车，分析A车的换道过程并评估出现后车追尾事故的危险程度，自动开启转向灯对B车进行不同程度警示。在本发明的车辆换道警示装置中，以车载前置摄像头为道路感知设备，可以实时监控车辆的换道过程。前置摄像头布置在车辆前挡风玻璃上后视镜之前，可以测量车身与车道线相对夹角以及车头与车道线的纵向距离，结合从车辆仪表盘读取的车速信息，计算得到车辆越过车道线的时间。内置车辆换道警示决策算法，判断危险程度，自动开启转向灯对后车进行不同程度的警示。将该时间与人的反应时间相比较判断在车辆越过车道线前驾驶员能否开启转向灯，装置不仅通过电磁开关开启转向灯，同时通过车车通讯警示组网内车辆。

本发明的车辆换道警示装置，如图2所示，包括：车载前置摄像头1、图像处理芯片2、车速仪表盘3、中央处理芯片4、转向灯电磁开关5，车尾警示灯6，以及声音警示装置7。

车载前置摄像头1采集车辆前方图像，将采集的图像传送给图像处理芯片2处理后，将处理结果发送给中央处理芯片4。

图像处理芯片2对图像进行处理，具体是：在图像中选取有效区域，对有效区域进行灰度检测去除干扰点，再进行二值化处理得到车道线，对车道线进行梯度畸变校正，然后将处理后的有效区域的图像传送给中央处理芯片4。

中央处理芯片4为本发明的车辆换道协同警示装置的核心。中央处理芯片4接收图像处理芯片2传送来的图像，分析得到车道线信息，同时从车速仪表盘3的CAN总线中提取车辆车速信息。中央处理芯片4根据车道线以及车速信息，计算得到车辆越过一侧车道线的预期时间。同时根据车辆换道警示决策方法判断危险程度，控制转向灯电磁开关5、车尾警示灯6和声音警示装置7，分别对后车与自车驾驶员进行不同程度警示。在警示时，中央处理芯片4通过控制转向灯电磁开关5控制车尾警示灯6的开启，实现车尾警示灯6在车辆换道时开启，并通过声音警示装置7对本车驾驶员进行警示。

具体地，中央处理芯片4完成的功能为：

（1）从图像处理芯片2传送来的图像中识别车道线，获取车辆坐标系x轴方向上车辆与车道线的距离S、车道线与车载前置摄像头成像中轴线的夹角θ、以及车辆与车道线最近横向距离D_R；具体S、θ和D_R的确定具体在下面步骤5和6中说明。

（2）从车速仪表盘3的CAN总线中提取车辆速度v，并设置车辆在车辆坐标系x轴方向的速度v_x＝v；

（3）确定车辆越过车道线的时间

（4）根据t的大小进行警示：当t小于所设定的临界阈值时，开启转向灯电磁开关5，控制车尾警示灯6以1Hz频率闪亮，同时通过声音警示装置7提醒本车驾驶员“车辆换道，请开启转向灯”，D_R＝0时，控制车尾警示灯6以5Hz频率闪亮，同时通过声音警示装置7提醒本车驾驶员“车辆已经换道”。临界阈值设置为0.5秒。

基于所述的车辆换道警示装置，本发明还提供了一种车辆换道状态识别方法，具体步骤如图3所示，下面对各步骤的实现进行具体说明。

步骤1：循环判断转向灯是否开启，如果开启，则不进行下面步骤，直接进入下一轮的转向灯是否开启的判断，如果未开启，执行步骤2。

步骤2：图像采集。将车载前置摄像头1固定在车辆纵向中轴线上，在前挡风玻璃最上方后视镜之前。车载前置摄像头1采集车辆前方图像。

步骤3：图像预处理。车载前置摄像头1采集的图像传送给图像处理芯片2后，图像处理芯片2首先在图像中进行有效区域选取。

车载前置摄像头1采集所得图像范围是车头到无穷远处，由于车载前置摄像头1在车辆上安装位置固定，其俯仰角已知。通过对于摄像头标定与计算，进行图像分割，得到路面上车头两米到距车头八米位置处区域的图像作为有效区域，对有效区域进行图像处理。

如图4所示，为换道车辆俯视视角示意图。设定D为车道线宽，L为车宽，S为在车辆坐标系中车辆在x轴方向上车辆与车道线距离，车辆坐标系的x轴平行于地面沿车辆中轴线指向前方，O为摄像头在地面竖直投影，θ为车辆航向与车道线夹角，D_R为车辆右前角与车道线距离，v_x为车速。

高速公路弯道曲率较大，在此范围内检测可将车道线近似为直线。如图5所示。

步骤4：图像处理。首先进行灰度检测去掉图像中干扰点。由于车道线为白色，其亮度在图像中最高，通过后续的二值化处理得到车道线大致轮廓。由于摄像头存在俯仰，获得图像存在梯形畸变，即图像下方物体较大，上方物体较小（近大远小）。对于固定在车辆上的车载前置摄像头，俯仰角固定，可以通过标定进行图像坐标转换得到摄像头俯拍图像。如图6的（a）和（b）所示。（a）为存在梯形畸变的图像，（b）为对应的梯形畸变校正后的图像。

步骤5：确定在车辆坐标系x轴方向上车辆与车道线的距离S。摄像头固定在车辆正前方，其光轴方向与车辆坐标系x轴方向重合。如图4所示，S＝OP-OM，OM＝S1，M为车辆的车头在车辆中轴线上的投影，S1为一固定值，通过测量可以得到，是车载前置摄像头1距离车头在x轴上的垂直距离。P为车辆中轴线与车道线交点，那么在摄像头所成图像中为图像中轴线与车道线交点。

根据摄像头成像原理，依据如图7所示的距离估算模型，对OP距离进行估算。

图7中，O'为摄像头光心位置，其在地面的垂直投影为O，可设OO'＝H。A'B'为摄像头成像平面，QQ'为摄像头光轴，则有A'B'⊥QQ'。车辆中轴线与车道线交点P在A'B'平面上成像为P'。令

在摄像头固定时，确定摄像头垂直视场角∠AO'B＝α，摄像头俯仰角∠OO'Q＝β。做辅助线AB"//A'B'，AB"与O'Q、O'P及O'B的交点分别Q"、为P"和B"，且AB″⊥OQ'。在垂直三角形RTΔAO'Q"与RTΔP"O'Q"中，有

$\frac{\tan \∠{\mathrm{AO}}^{\′}Q}{\tan \∠P^{\′\′}{O}^{\′}Q}=\frac{{\mathrm{AQ}}^{\′\′}}{P^{\′\′}{Q}^{\′\′}}=\frac{A^{\′}{Q}^{\′}}{P^{\′}{Q}^{\′}}=k$

又有 $\∠{\mathrm{AO}}^{\′}Q=\frac{\mathrm{\α}}{2},$ 所以 ${\∠P}^{\′\′}{O}^{\′}Q=\arctan \left(\frac{1}{k}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}\right).$

在ΔOO'P中， $\mathrm{OP}=O{O}^{\′}*\tan (\∠O{O}^{\′}P)=H*\tan [\mathrm{\β}+\arctan \left(\frac{1}{k}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}\right)];$

进一步，得到 $S=H*\tan [\mathrm{\β}+\arctan \left(\frac{1}{k}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}\right)]-S1.$

步骤6：车辆与车道线最近横向距离确定。摄像头成像中轴线与车辆航向重合。把识别后的车道线拟合成直线，计算其与摄像头成像中轴线的夹角θ，即得到车辆航向与道路夹角。

车辆与车道线最近横向距离

步骤7：中央处理芯片4从车速仪表盘3的CAN总线中提取车辆速度v，由于车辆是在高速公路换道，司机打方向盘有个较小转向角后会很快回正，所以忽略v_y，有v_x＝v。

步骤8：车辆越过车道线时间计算。车辆换道时间极短，计算车辆越过车道线时间t为：

$t=\frac{D\_R}{v_x\cos \mathrm{\θ}}=\frac{D\_R}{v\cos \mathrm{\θ}}$

步骤9：车辆换道警示。对于预警时间的选择，既要保证不会出现频繁的错误报警，即车辆没有进行换道却打转向灯并对自车驾驶员预警；也要保证给驾驶员预留足够的反应时间。不同驾驶员反应时间不同，驾驶经验越丰富反应时间越短。有文献指出，一般驾驶员对简单判断行为的反应时间在0.5s左右。以0.5s作为临界阈值。车尾警示灯6为车尾转向灯，由转向灯电磁开关5控制开启。

根据t值判断，若t小于0.5s，则表示车辆将在0.5s内越过车道线但是仍未打转向灯，此时开启转向灯电磁开关5以1Hz频率闪亮车尾转向灯，同时对本车驾驶员提醒“车辆换道，请开启转向灯”。当D_R＝0时，车身已经开始换道，对另一车道内后车产生直接影响。此时危险程度增高，装置自动闪亮转向灯频率提高为5Hz，同时本本车驾驶员警示“车辆已经换道”。

Claims (7)

1.一种车辆换道警示装置，其特征在于，该装置包括如下组成部分：车载前置摄像头、图像处理芯片、车速仪表盘、中央处理芯片、转向灯电磁开关、车尾警示灯以及声音警示装置；车载前置摄像头固定在车辆纵向中轴线上，转向灯电磁开关控制车尾警示灯的开启；

车载前置摄像头实时采集车辆前方图像，并将采集的图像传送给图像处理芯片；

图像处理芯片对图像进行处理，具体是：在图像中选取有效区域，对有效区域进行灰度检测去除干扰点，再进行二值化处理得到车道线，对车道线进行梯度畸变校正，然后将处理后的有效区域的图像传送给中央处理芯片；

中央处理芯片实现的功能为：从图像处理芯片传送来的图像中识别车道线，获取车辆坐标系x轴方向上车辆与车道线的距离S、车道线与车载前置摄像头成像中轴线的夹角θ、以及车辆与车道线最近横向距离D_R，车辆坐标系的x轴平行于地面沿车辆中轴线指向前方，车载前置摄像头的光轴方向与车辆坐标系x轴方向重合；从车速仪表盘的CAN总线中提取车辆速度v，并设置车辆在车辆坐标系x轴方向的速度v_x＝v；确定车辆越过车道线的时间

当t小于所设定的临界阈值时，开启转向灯电磁开关，控制车尾警示灯以1Hz频率闪亮，同时通过声音警示装置提醒本车驾驶员“车辆换道，请开启转向灯”，D_R＝0时，控制车尾警示灯以5Hz频率闪亮，同时通过声音警示装置提醒本车驾驶员“车辆已经换道”。

2.根据权利要求1所述的车辆换道警示装置，其特征在于，所述的图像处理芯片，选取图像中对应距离车头两米到八米之间的区域作为有效区域。

3.根据权利要求1所述的车辆换道警示装置，其特征在于，所述的中央处理芯片，获取的车辆坐标系x轴方向上车辆与车道线的距离S为：

$S=H*\tan [\mathrm{\β}+\arctan \left(\frac{1}{k}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}\right)]-S1$

H为车载前置摄像头光心O'到地面的垂直距离，β为车载前置摄像头的俯仰角，α为车载前置摄像头的垂直视场角，S1为车载前置摄像头光心距离车头的垂直距离；

设A'B'为车载前置摄像头成像平面，Q'为车载前置摄像头光轴与成像平面A'B'的交点，车辆中轴线与车道线交点P在A'B'平面上成像为P'，则

4.根据权利要求1所述的车辆换道警示装置，其特征在于，所述的中央处理芯片，设置临界阈值为0.5秒。

5.一种车辆换道状态识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：循环判断转向灯是否开启，如果未开启，进入步骤2执行，否则，继续判断转向灯是否开启；

步骤2：通过车载前置摄像头采集车辆前方图像，车载前置摄像头固定在车辆纵向中轴线上，在前挡风玻璃最上方后视镜的前方位置；

步骤3：图像处理芯片从车载前置摄像头采集的图像中进行有效区域选取；

步骤4：对有效区域进行图像处理，首先进行灰度检测去掉图像中干扰点，再进行二值化处理得到车道线，最后对车道线进行梯形畸变校正；

步骤5：确定在车辆坐标系x轴方向上车辆与车道线的距离S：

$S=H*\tan [\mathrm{\β}+\arctan \left(\frac{1}{k}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}\right)]-S1$

车辆坐标系的x轴平行于地面沿车辆中轴线指向前方，车载前置摄像头的光轴方向与车辆坐标系x轴方向重合；H为车载前置摄像头光心O'到地面的垂直距离，β为车载前置摄像头的俯仰角，α为车载前置摄像头的垂直视场角，S1为车载前置摄像头光心距离车头的垂直距离；A'B'为车载前置摄像头成像平面，Q'为车载前置摄像头光轴与成像平面A'B'的交点，车辆中轴线与车道线交点P在A'B'平面上成像为P'，则

步骤6：确定识别的车道线与车载前置摄像头成像中轴线的夹角θ，然后确定车辆与车道线最近横向距离 $D\_R=S*\sin \mathrm{\θ}-\frac{L}{2}\cos \mathrm{\θ};$ L为车宽；

步骤7：中央处理芯片从车速仪表盘的CAN总线中提取车辆速度v，设车辆在车辆坐标系x轴方向的速度v_x＝v；

步骤8：确定车辆越过车道线的时间t：

$t=\frac{D\_R}{v_x\cos \mathrm{\θ}}$

步骤9：判断t是否小于所设定的临界阈值，若是，则进行车辆换道警示，否则，不执行操作，直接转步骤1执行；

所述的车辆换道警示具体是：开启转向灯电磁开关，控制车尾警示灯以1Hz频率闪亮，同时语音提醒本车驾驶员“车辆换道，请开启转向灯”；当D_R＝0时，控制车尾警示灯以5Hz频率闪亮，同时语音提醒本车驾驶员“车辆已经换道”。

6.根据权利要求5所述的车辆换道状态识别方法，其特征在于，所述的步骤3中，将对应距离车头两米到八米之间的区域作为有效区域。

7.根据权利要求5所述的车辆换道状态识别方法，其特征在于，所述的步骤9中，领结阈值设为0.5秒。

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