CN104129387B

CN104129387B - 安全距离与碰撞时间权衡风险的单摄像头汽车防撞方法

Info

Publication number: CN104129387B
Application number: CN201410359140.8A
Authority: CN
Inventors: 姜显扬
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Qixin Optoelectronics Co ltd
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: CN104129387A

Abstract

本发明涉及一种安全距离与碰撞时间权衡风险的单摄像头汽车防撞方法。本发明首先单一摄像头每隔Δt时间拍摄一帧图像，对获得的图像帧进行图像分割和目标识别，得到车轮与道路的分界线。其次计算车间距离D、前车与本车的相对速度v和碰撞时间T。然后根据D、v _f、T、v，计算碰撞时间风险函数f ₁和安全距离风险函数f ₂。最后根据相对车速v的大小折衷权衡风险，当v大于某个阈值v ₀时取风险函数f ₁，否则取风险函数f ₂。本发明采用安全距离和碰撞时间相结合权衡风险的方法，控制更加准确。采用单一摄像头获取车间距离、相对速度和碰撞时间的参数，简化了传感器设置，大大降低了成本，非常方便实用。

Description

安全距离与碰撞时间权衡风险的单摄像头汽车防撞方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及一种用于汽车的自动控制方法，尤其涉及一种结合安全距离与碰撞时间进行风险权衡的单摄像头汽车防撞方法。

背景技术

汽车防撞系统不仅可以减少交通事故和人员伤亡，而且与汽车的未来发展密切相关。未来的汽车驾驶一定会变得简单便捷，直至实现完全自动驾驶。而实现自动驾驶的前提条件和重要保障，便是可靠的防撞系统。为了提高行车的安全性，一个合理实用的防撞系统需要有一个合适的报警、控制方式。

目前，用于实现汽车防撞告警的系统核心输入参数主要有安全距离和碰撞时间这两种，其他参数如车速、天气、路况等主要起辅助作用。当本车与前车之间的实际距离小于安全距离时，或当计算得到的碰撞时间小于某个设定的阈值时，触发报警或自动制动装置。然而，单一使用安全距离或碰撞时间的参数有较大的局限性，比如，当本车车速较高时，设定的安全距离未必有效，有可能来不及将本车减速至避免碰撞；同样的，当本车与前车的相对车速较小时，计算得到的碰撞时间极大，而同时本车与前车的距离可能较近并且本车车速较高，这时如遇前车紧急制动，单纯根据碰撞时间的参数判断告警或自动刹车的时机，也可能来不及刹车。

因此，将安全距离和碰撞时间这两个参数结合起来，同时考虑其影响，是非常必要的，参考本车与前车的相对车速的参数，便可精确控制报警或制动的时间点，从而避免追尾碰撞，同时不致因过早报警而引起不舒服的驾驶体验。同时考虑安全距离与碰撞时间的实用的汽车防撞系统尚未见有文献或专利发表，主要原因是同时获取这两个参数依赖于复杂的传感器装置。本发明仅只依靠单一的一只摄像头获取的图像，就能准确得到车间距离、相对速度和碰撞时间的参数，从而大大简化了传感器设置、数据处理和告警策略的运用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了采用单一摄像头结合安全距离与碰撞时间进行风险权衡的方法。

本发明方法具体是：

首先单一摄像头每隔Δt时间拍摄一帧图像，对获得的图像帧进行图像分割和目标识别，得到车轮与道路的分界线，得到前车车身上两个特征点在感光屏上的投影距离l。

其次计算车间距离D、前车与本车的相对速度v和碰撞时间T，具体是：

D = \frac{H}{h} f

其中f为摄像头的透镜焦距，H为摄像头安装位置距离地面的高度，h为车轮与道路的分界线在感光屏上的投影与焦距中心之间的距离高度；

v = \frac{ΔD}{Δt} = \frac{D_{1} - D_{0}}{t_{1} - t_{0}}

其中t₀时刻的图像计算车间距离为D₀，t₁时刻的图像计算车间距离为D₁；

由前车车身上两个特征点在感光屏上的投影距离l，得到碰撞时间T；

由霍尔车速传感器测量得到本车车速v_f。

然后根据D、v_f、T、v，计算碰撞时间风险函数f1

f₁＝D+vT-v_fT_p

其中，T_p为对车速的补偿时间，本车车速v_f越高，补偿时间T_p越大；

计算安全距离风险函数f₂

f_{2} = D - \frac{{(v + v_{f})}^{2}}{2 a_{l}} + \frac{v_{f}^{2}}{2 a_{f}} - v_{f} T_{r} + d_{0}

其中，a_l和a_f分别为前车和本车减速度，T_r为驾驶员及制动机构反应时间，d₀为缓冲距离。

最后根据相对车速v的大小折衷权衡风险，当v大于某个阈值v₀时取风险函数f₁，否则取风险函数f₂；

当风险函数f₁或f₂<0时，为碰撞风险超阈值，需采取告警或刹车措施，输出信号至声光告警单元或紧急制动单元。

进一步说，由前车车身上两个特征点在感光屏上的投影距离l，得到碰撞时间T具体是：

设前车车身上两个特征点之间的距离为L，t₀时刻其在摄像头感光屏上的投影长度为l₀，则有，

l_{0} = \frac{f}{D_{0}} L

t₁时刻其在摄像头感光屏上的投影长度为l₁，则有，

l_{1} = \frac{f}{D_{1}} L

t₁时刻和t₀时刻特征点投影长度的比值r为，

r = \frac{l_{1}}{l_{0}} = \frac{D_{0}}{D_{1}} = \frac{D_{1} - vΔt}{D_{1}} = 1 + \frac{Δt}{T}

其中，当v取负值时，

T = - \frac{D_{1}}{v}

当v取正值时，碰撞时间T为无穷大，当v取负值时T为正值，可得，

\{\begin{matrix} T = \frac{Δt}{r - 1} \\ r = \frac{l_{1}}{l_{0}} \end{matrix} .

进一步说，当前后两帧图像上的目标的两个特征点不易匹配提取时，用特征目标的像素面积来计算r；

设t₀时刻特征目标在摄像头感光屏上的投影面积为S₀，t₁时刻特征目标在摄像头感光屏上的投影面积为S₁，则

r = \frac{\sqrt{S_{1}}}{S_{0}} .

本发明的有益效果：

(1)采用安全距离和碰撞时间相结合权衡风险的方法，控制更加准确；

(2)采用单一摄像头获取车间距离、相对速度和碰撞时间的参数，简化了传感器设置，大大降低了成本，非常方便实用；

(3)给出了利用单一摄像头计算车间距离、相对速度和碰撞时间的具体方法。

附图说明

附图1是本发明单一摄像头计算车间距离的方法示意图；

附图2是本发明安全距离与碰撞时间权衡风险的单摄像头防撞系统示意图。

图中，1.前车，2.本车，3.摄像头透镜，4.车轮与道路的分界线，5.摄像头，6.图像帧，7.车间距离算法模块，8.相对速度算法模块，9.霍尔车速传感器，10.碰撞时间算法模块，11.安全距离、碰撞时间风险计算模块，12.碰撞风险折衷权衡，13.声光告警单元，14.紧急制动单元。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明做进一步说明。

(1)单一摄像头计算车间距离的方法。

如附图1所示，前车1与本车2之间的车间距离为D，安装在本车1上的摄像头透镜3将前车1的影像投影在感光屏上。设透镜焦距为f，摄像头安装位置距离地面的高度为H，车轮与道路的分界线4在感光屏上的投影与焦距中心之间的距离高度为h，则车间距离为，

D = \frac{H}{h} f - - - (1)

(2)单一摄像头计算相对速度的方法。

摄像头每隔Δt时间拍摄一帧图像，根据t₀时刻的图像计算车间距离为D₀，根据t₁时刻的图像计算车间距离为D₁，则Δt＝t₁-t₀，ΔD＝D₁-D₀，前车与本车的相对速度可计算为，

v = \frac{ΔD}{Δt} = \frac{D_{1} - D_{0}}{t_{1} - t_{0}} - - - (2)

当本车车速大于前车车速，即两车接近时，相对速度为负值。对连续测得的一组车间距离和相对速度数据可做滤波处理，得到稳定的测量值。

(3)单一摄像头计算碰撞时间的方法。

设前车车身上两个特征点之间的距离(可为车身宽度、车牌宽度或其它易于进行图像特征识别的两点距离)为L，t₀时刻其在摄像头感光屏上的投影长度为l₀，则有，

l_{0} = \frac{f}{D_{0}} L - - - (3)

t₁时刻其在摄像头感光屏上的投影长度为l₁，则有，

l_{1} = \frac{f}{D_{1}} L - - - (4)

设t₁时刻和t₀时刻特征点投影长度的比值为，

r = \frac{l_{1}}{l_{0}} = \frac{D_{0}}{D_{1}} = \frac{D_{1} - vΔt}{D_{1}} = 1 + \frac{Δt}{T} - - - (5)

其中，限定v取负值时，T为碰撞时间。当v取负值时，

T = - \frac{D_{1}}{v} - - - (6)

当v取正值时碰撞时间T为无穷大，当v取负值时T为正值。根据公式(5)，可得，

\{\begin{matrix} T = \frac{Δt}{r - 1} \\ r = \frac{l_{1}}{l_{0}} \end{matrix} - - - (7)

当前后两帧图像上的目标的两个特征点不易匹配提取时，可用特征目标的像素面积(计算特征目标的像素点的总数目)来计算尺度变化r。设t₀时刻特征目标在摄像头感光屏上的投影面积为S₀，t₁时刻特征目标在摄像头感光屏上的投影面积为S₁，则

r = \frac{\sqrt{S_{1}}}{S_{0}} - - - (8)

(4)碰撞时间风险函数。

当本车车速大于前车，两车快速接近时，碰撞时间的大小体现了碰撞发生的风险高低，定义碰撞时间风险函数为，

f₁＝D+vT-v_fT_p (9)

其中，v_f为本车车速，T_p为对车速的补偿时间，本车车速v_f越高，补偿时间T_p越大。

当f₁<0时，为碰撞风险超阈值，需采取告警或刹车措施。

(5)安全距离风险函数。

当两车车速值大小相近，车间距离变化不明显时，由公式(7)计算碰撞时间为较大的值，此时用风险函数f₁不能客观表达风险大小，则可用车间距离和相对车速构成风险函数如下，

f_{2} = D - \frac{{(v + v_{f})}^{2}}{2 a_{l}} + \frac{v_{f}^{2}}{2 a_{f}} - v_{f} T_{r} + d_{0} - - - (10)

当f₂<0时，为碰撞风险超阈值，需采取告警或刹车措施。

图2中，单一摄像头5每隔Δt时间拍摄一帧图像，对获得的图像帧6进行图像分割和目标识别等图像处理，得到车轮与道路的分界线4如图1所示，得到前车车身上两个特征点在感光屏上的投影距离l，或特征目标的像素面积S。由车轮与道路的分界线4在感光屏上的投影与焦距中心之间的距离h，根据公式(1)可算得车间距离D，此即图2中的“车间距离算法模块”7；根据公式(2)，可算得前车与本车的相对速度v，此即图2中的“相对速度算法模块”8；由前车车身上两个特征点在感光屏上的投影距离l，根据公式(7)可算得碰撞时间T，或由特征目标的像素面积S，根据公式(8)代入公式(7)可算得碰撞时间T，即图2中“碰撞时间算法模块”10。霍尔车速传感器9可测量得到本车车速v_f。

以上计算得到的数据D、v_f、T、v作为输入参数，输入“安全距离、碰撞时间风险计算模块”11，由公式(9)计算碰撞时间风险函数f₁，由公式(10)计算安全距离风险函数f₂。然后，“碰撞风险折衷权衡模块”12根据相对车速v的大小折衷权衡风险，当v大于某个阈值v₀时取风险函数f₁，否则取风险函数f₂。

最后，当风险函数f₁或f₂<0时，为碰撞风险超阈值，需采取告警或刹车措施，输出信号至声光告警单元13，或紧急制动单元14。

Claims

1.安全距离与碰撞时间权衡风险的单摄像头汽车防撞方法，该方法首先用单一摄像头每隔Δt时间拍摄一帧图像，对获得的图像帧进行图像分割和目标识别，得到车轮与道路的分界线，得到前车车身上两个特征点在感光屏上的投影距离l；

D = \frac{H}{h} f

v = \frac{Δ D}{Δ t} = \frac{D_{1} - D_{0}}{t_{1} - t_{0}}

其特征在于：

由霍尔车速传感器测量得到本车车速v_f；

然后根据D、v_f、T、v，计算碰撞时间风险函数f₁:

f₁＝D+vT-v_fT_p

计算安全距离风险函数f₂:

f_{2} = D - \frac{{(v + v_{f})}^{2}}{2 a_{l}} + \frac{v_{f}^{2}}{2 a_{f}} - v_{f} T_{r} + d_{0}

其中，a_l和a_f分别为前车和本车减速度，T_r为驾驶员及制动机构反应时间，d₀为缓冲距离；

根据相对车速v的大小折衷权衡风险，当v大于某个阈值v₀时取风险函数f₁，否则取风险函数f₂；

2.根据权利要求1所述的安全距离与碰撞时间权衡风险的单摄像头汽车防撞方法，其特征在于：

由前车车身上两个特征点在感光屏上的投影距离l，得到碰撞时间T具体是：

l_{0} = \frac{f}{D_{0}} L

t₁时刻其在摄像头感光屏上的投影长度为l₁，则有，

l_{1} = \frac{f}{D_{1}} L

t₁时刻和t₀时刻特征点投影长度的比值r为，

r = \frac{l_{1}}{l_{0}} = \frac{D_{0}}{D_{1}} = \frac{D_{1} - v Δ t}{D_{1}} = 1 + \frac{Δ t}{T}

其中，当v取负值时，

T = - \frac{D_{1}}{v}

\{\begin{matrix} T = \frac{Δ t}{r - 1} \\ r = \frac{l_{1}}{l_{0}} \end{matrix} .

3.根据权利要求2所述的安全距离与碰撞时间权衡风险的单摄像头汽车防撞方法，其特征在于：

当前后两帧图像上的目标的两个特征点不易匹配提取时，用特征目标的像素面积来计算r；

r = \frac{\sqrt{S_{1}}}{\sqrt{S_{0}}} .