CN104554259A - 主动式自动驾驶辅助系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种主动式自动驾驶辅助系统与方法，本系统是与车辆的控制系统整合，其持续检测车辆周围环境，接续找出与本车目的地行驶方向相同的车辆，并以自动驾驶方式进行跟车以自动将车辆行驶至目的地，主要通过辨识前车方向灯的灯号可及早判断前车行驶方向与行车状态，减少紧急剎车与车辆间碰撞并可提高行车效率，本发明不需设置昂贵的雷达检测设备且易与车辆控制系统整合，解决现有主动式驾驶辅助装置的设置成本昂贵与系统不易整合的问题。

Description

主动式自动驾驶辅助系统与方法

技术领域

本发明是一种自动驾驶辅助系统与方法，尤指一种整合道路环境检测、自动驾驶、车载资通与车身安全整合技术的自动驾驶辅助系统与方法。

背景技术

现有车辆已配备有越来越多的驾驶辅助装置，从早期的被动式驾驶辅助装置，如ABS、Air Bag与EBD等，提供驾驶者于紧急剎车时仍可维持操控车辆的能力或是于车辆碰撞时保护驾驶者的人身安全，不过仍有不足之处，为进一步增进驾驶者的行车安全，避免外界车辆因素导致驾驶者的本身车辆发生事故，因此陆续开发出主动式驾驶辅助装置，通过检测车辆前方状况提前发出警示，例如现有的路径偏离警示系统(LDWS:Lane Departure WarningSystem)或前方碰撞警示系统(FCWS:Forward Collision Warning System)，该路径偏离警示系统(LDWS)是持续检测车辆前方的车道线(或边线)，当车子无预警偏离原有行驶的车道或道路时，该系统即会发出适当的警示音提醒驾驶者，不过该系统的缺点是道路必须有清楚的车道线或标线才能辨识车辆是否偏离车道，当光线微弱、下雪或起浓雾时，该系统即可能产生无法正确辨识车道线的问题；而前方碰撞警示系统(FCWS)是通过影像或雷达波检测其与前方车辆之间的距离，若两车之间的距离过于接近，即发出警示或作动车辆的刹车系统，以保持安全车距或紧急停下车辆，避免车辆追撞或减缓碰撞力道，不过该系统的缺点是无法提前预测碰撞点，且前方车辆需进入系统检测区域才可作动(若是两侧的车辆即无法作动)。

前述主动式驾驶辅助装置仅能于车辆偏离车道或即将碰撞时警示驾驶者或紧急停下车辆，基本上仍是需要驾驶者驾驶车辆至目的地，当上述主动式驾驶辅助装置用于车辆自动驾驶时，仍有不足之处，例如自动驾驶除了检测道路障碍物外，尚需进一步规划目的地路径与辨识道路状况等。

因此近期开发的主动式驾驶辅助装置，如美国发明专利权第8195394号“自动驾驶车辆的障碍物检测与分类(Object detection and classification forautonomous vehicles)”，是于车辆上搭载测距与影像感测器、3D雷达(3D LiDAR)与GPS电子地图，利用测距与影像感测器辨识行驶路径上移动的障碍物，而3D雷达与GPS电子地图进行场景比较以避开固定的障碍物，以此提高车辆周遭障碍物的辨识精确度，不过现有3D雷达虽然可以精确地扫描地形或障碍物，但其造价相当昂贵且需要预先建置庞大的数据库来储存地图数据，而有建置成本过高的问题。

又如美国发明专利权第7065245号“影像处理装置与方法(Imageprocessing apparatus and the method thereof)”，其为一种双视觉影像结合的方法与装置，是利用影像辨识的方式辨识前方车辆的方向灯灯号，并依照方向灯灯号的辨识结果推测该车辆的行进方向；不过其并未揭示如何有效辨识方向灯的灯号，及其结合车辆本身的自动驾驶技术或车辆的控制技术特征，对于与自动驾驶结合的应用尚有不足之处。

发明内容

如前揭所述，现有主动式驾驶辅助装置仍有不足之处，设置自动驾驶有成本昂贵与不易与现有系统整合的问题，因此本发明主要目的在提供一主动式自动驾驶辅助系统与方法，解决上述建置成本昂贵等的问题。

为达成前述目的所采取的主要技术手段是令前述主动式自动驾驶辅助系统是建置在一车辆上，并包含有：

一自主驾驶控制装置，其与该车辆的控制系统连结，用以发出警示或操控车辆的行驶状态；

一道路环境检测装置，其与前述自主驾驶控制装置连结，该道路环境检测装置用以检测前方车辆的车距并辨识该车辆的方向灯灯号；

一车载资通应用装置，其与前述自主驾驶控制装置连结，该车载资通应用装置可用以收发外部信号、规划车辆的行车路径与车辆定位；以及

一车辆安全整合装置，其与前述自主驾驶控制装置连结，该车辆安全整合装置用以检测驾驶者的状态。

为达成前述目的所采取的主要技术手段是令前述主动式自动驾驶辅助方法，包含有：

产生一目的地的规划路径；

道路环境检测：取得车辆前方道路的环境信息，该环境信息可包含车道影像、车距与前车的方向灯号，并提供碰撞警示；

定位检测：取得车辆实际位置并与行车路径比对，以符合所设规划路径；

车辆安全整合：检测并判断驾驶者的状态，于需辅助驾驶车辆时，主动控制车辆的行驶状态；以及

自主驾驶控制：判断前述车道影像中是否含有车道线，若有，则根据规划路径与定位检测以自动驾驶方式循车道线控制车辆行驶至目的地，若无，则检测前方车辆行驶方向是否与规划路径相同，若判断与规划路径相同则结合定位检测以自动驾驶方式跟随前车行驶至目的地。

利用前述元件组成的主动式自动驾驶辅助系统，其与车辆的控制系统整合，由车载资通应用装置进行车辆定位与比对行车路径，并由道路环境检测装置持续检测车辆周围环境，自主驾驶控制装置找出与本车目的地行驶方向相同的车辆，进行自动跟车以将车辆行驶至目的地，又通过辨识前车方向灯的灯号可及早判断前车动向，减少紧急剎车与车辆碰撞的发生以提高行车效率，车辆安全整合装置检测驾驶者状态，必要时(如驾驶者失能)则由自主驾驶控制装置强制控制车辆行驶，且由车载资通应用装置发出信号求援，本发明不需设置昂贵的雷达设备且可与车辆控制系统整合，达到完整的自动驾驶，解决现有设置自动驾驶之成本昂贵与系统不易整合的问题。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的电路方块图。

图2是本发明较佳实施例的自动驾驶的流程图。

图3是本发明较佳实施例的道路及道路边界的影像图。

图4是本发明较佳实施例的道路边界的辨识结果图。

图5是本发明较佳实施例的道路曲率计算的示意图。

图6A、6B、6C是本发明较佳实施例的安全车距的示意图。

图7A、7B是本发明较佳实施例的切换车道的示意图。

图8是本发明较佳实施例的辨识方向灯灯号的流程图。

图9是本发明较佳实施例的检测车辆碰撞时间与距离的流程图。

图10是本发明较佳实施例的行车安全机制的流程图。

图11是本发明较佳实施例的预估变换车道目标位置的示意图(一)。

图12是本发明较佳实施例的预估变换车道目标位置的示意图(二)。

附图标记

10  自主驾驶控制装置

20  道路环境检测装置

21  取像模块

22  车距感测模块

30  车载资通应用装置

40  车辆安全整合装置

50  控制系统

60  车身信号模块

70  提示模块

80  道路

81、82  道路边界

具体实施方式

关于本发明的较佳实施例，请参阅图1所示，本发明的主动式自动驾驶辅助系统是建置在一车辆(图中未示)上，其包含有一自主驾驶控制装置10、一道路环境检测装置20、一车载资通应用装置30与一车辆安全整合装置40，该自主驾驶控制装置10分别与道路环境检测装置20、车载资通应用装置30与车辆安全整合装置40连结；该自主驾驶控制装置10进一步与车辆的一控制系统50与一车身信号模块60连结，该控制系统50是控制车辆的油门与刹车，该车身信号模块60是取得车辆的车身信号，例如加速度、方向盘转角、刹车信号或油门信号。

该自主驾驶控制装置10由车身信号模块60取得车辆的车身信号，经整合运算后由与其连接的一提示模块70发出警示，或是通过控制系统50主动控制车辆的刹车或油门，以操控车辆的行驶状态而可令车辆行进或停止，于本较佳实施例中，该自主驾驶控制装置10是一微控制器(MCU)或一数字信号处理器(DSP)，该控制系统50为一电子控制单元(ECU)，该自主驾驶控制装置10也可进一步结合于控制系统50中。

该道路环境检测装置20是检测与前方车辆之间的车距，并辨识该车辆后方的方向灯灯号，其包含有一取像模块21与一车距感测模块22，该取像模块21是取得车辆前方之道路影像，再由道路环境检测装置20依据该影像辨识前方的车辆及其方向灯灯号或是障碍物(如道路边界或护栏)，该车距感测模块22是检测与前方车辆之间的车距，于本较佳实施例中，该取像模块21是一摄影机，其可设置于车头处或车辆的前挡风玻璃处并朝向车辆前方拍摄，该车距感测模块22是设置于车头处，其使用超声波、毫米波或2D Lidar检测。

该车载资通应用装置30用以收发外部无线信号，并设有电子地图以规划车辆的行车路径，该无线信号包含有GPS定位信号或AGPS定位信号，车载资通应用装置30依据接收的坐标确认车辆的位置并与电子地图所设行车路径进行比对，又该车载资通应用装置30可通过无线传输方式与外部的监控或救护中心联系，以通报驾驶者或车辆的位置及状况。

该车辆安全整合装置40是用以检测驾驶者的状态，其以一车内摄影机(图中未示)或一生理信号监控模块(图中未示)检测驾驶者的驾驶状态，例如打瞌睡、昏迷或酒驾等状况，并进一步由车载资通应用装置30向外发出信号。

请参阅图2所示，该自主驾驶控制装置10进行自动驾驶是执行下列步骤：产生一目的地的规划路径(201)；针对该规划路径由道路环境检测装置20取得的道路影像检测是否有车道线(或道路边线)(202)；若判断有车道线则根据车道线的曲率控制车辆方向盘(行车方向)(203)；判断是否到达目的地(204)，若否则回到步骤(202)，若是则(205)结束自动驾驶；

前述步骤(202)若判断无车道线，则以车距感测模块22(2D Lidar)检测道路边界(或道路边线)(206)；

若车距感测模块22可检测到道路边界(或道路边线)，则回到步骤(203)，若无法检测到道路边界(或道路边线)，则由取像模块21(摄影机)检测车辆前方是否有其他车辆(207)；

若无其他车辆则回到步骤(202)；

若有其他车辆则选定一目标车，并判断该目标车与规划的路径是否相同(208)；

若目标车行驶方向与规划路径不同，则更新目标车以重新选定与规划路径相同的目标车(209)，并回到步骤(208)；

若该目标车行驶方向与规划路径相同，则根据目标车的行驶路径控制车辆方向盘(行车方向)(210)，并回到步骤(204)，直到车辆行驶到达目的地。

请参阅图3与4所示，图3为道路环境检测装置20的取像模块21取得的道路影像，该道路影像包含有一道路80的路面与二道路边界81、82，如图所示，该等道路边界81、82随道路80弯曲而成弧状。图4为道路环境检测装置20检测图3影像的道路边界81、82的辨识结果，如图4所示的X轴代表车辆的左方或右方，X轴的中央点(0公尺)处是对应车辆的取像模块21的设置处，该X轴的中央点的右侧对应车辆的右方，中央点的左侧对应车辆的左方，而Y轴方向代表车辆前方的道路延伸距离；如图4所示的两条曲线，对应图3的道路边界81、82，可知右侧较长的曲线是对应车辆右侧的道路边界82(约为30公尺)且朝左侧弯曲，左侧较短的曲线是对应车辆左侧的道路边界81(约为15公尺)且略朝左侧弯曲。

请参阅图5所示，上述道路环境检测装置20取得道路边界81、82的辨识结果后，由申请人的专利申请案第096145498号“车辆偏移之检知方法与装置”，其根据道路边界或车道线的曲率可计算车辆方向盘的转动角度(转角)，该转动角度tan(α)由下列公式算出，

L_y=R×sinθ

W_L=R×cosθ

W_R＝L_y×tanα＝R×sinθ×tanα

曲率半径：

转动角度： $\tan \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{L_y}{\mathrm{\ρ}}$

路缘二次曲线：x=k_W×y²+m_w×y+b_W

路缘曲率： $\mathrm{\α}=\frac{2\×k_w}{{(1+{(2\×k_w\×y+m_w)}^2)}^{\frac{3}{2}}}$

路缘与车辆左右两侧车道线的距离：

$W_{x_r}=W_L+W_R-{\mathrm{\ΔY}}_R$

W_x＝W_L+W_R-ΔY_L

车辆左右两侧车道线的二次曲线：

$x_R=k_w\×y^2+m_w\×y+(b_w-W_{x_r})$

x_L=k_w×y²+m_w×y+(b_w-W_x)

其中：x、y分别为实际空间坐标的横轴及纵轴；kw、mw、bw为路缘二次曲线的系数，由影像检测所得的信息。

请参阅图6A、图6B、图6C与图7A、图7B所示，该道路环境检测装置20经辨识前方车辆及与其之间的车距后，并进一步判断其移动方向与速度的危险性，以预估车辆可能的碰撞距离与时间，如图6A与图6B所示，当前方车辆由其他(左侧或右侧)车道切入本车前方车道，而造成安全车距不足时，即由道路环境检测装置20判断其方向灯的灯号，并由自主驾驶控制装置10令提示模块70发出警示，以及通过控制系统50适时产生刹车动作以避免追撞；如图6C所示，当前方车辆是由对向车道要左转切入时本车前方车道时，自主驾驶控制装置10令提示模块70立即发出警示，并通过控制系统50产生刹车动作以避免对撞。又如图7A与图7B所示，当本车前方左侧或右侧车道有足够空间(FreeSpace)或车距可供切换车道时，若前方车辆临时变换车道，该自主驾驶控制装置10即通过控制系统50以变换车道方式减少车辆刹车次数，而可提高行车效率与节省油耗。

请参阅图8所示，该道路环境检测装置20辨识前车方向灯的灯号执行下列步骤：

取得车辆前方影像(801)；

检测该影像中的车辆(802)；

判断该影像中是否有车辆存在(803)，若无车辆则回到步骤(801)；

若该影像中有车辆，则估算该车辆位置与大小(包含高度与宽度)(804)；

设定该影像的ROI(805)；

二值化(阀值为Th_Y、Th_U与Th_V)(806)；

以该车辆的对称轴为中心左右相减(807)；

进行形态滤波(侵蚀或膨胀)(808)；

估算中心点位置(809)；

判断左边或右边(810)；

判断是否有连续出现n个图框(Frame)并消失n个图框(Frame)(811)，若否则回到步骤(801)，若是则判断为前方车辆的左侧或右侧方向灯有发出灯号(812)。

由于现有车辆的方向灯为橙色、淡黄色或红色，因此步骤(806)的阀值Th_Y可设为235～250之间的其中一个值，较佳的为246，阀值Th_U可设为95～115之间的其中一个值，较佳的为108，阀值Th_V可设为120～140之间的其中一个值，较佳的为130。且由于车辆的方向灯是左右对称，故车辆每次变换车道仅会一侧发亮，若两侧同时发亮则为车辆故障警示，因此仅需辨识一侧发亮的方向灯号。再者，现有方向灯的闪烁频率为每秒1至2次，因此可对应计算出前述图框数量。

请参阅图9所示，该道路环境检测装置20预估车辆碰撞距离与时间是执行下列步骤：

由车距感测模块22检测车辆周遭环境(901)；

由取像模块21辨识障碍物种类(902)；

判断该障碍物是否为车辆(903)，若该障碍物不是车辆，则返回步骤(901)；

若该障碍物是车辆，则判断其方向灯的灯号为左转或右转(904)；

判断方向灯号后经由碰撞预防演算法预测碰撞时间(905)；

由自主驾驶控制装置10启动行车安全机制通过控制系统50控制车辆(906)。

请参阅图10所示，上述行车安全机制是由自主驾驶控制装置10执行下列步骤：

判断前方是否检测到车辆(1001)；

若前方为车辆且碰撞时间小于刹车的门槛值时(1002)，立即启动刹车辅助系统(1003)；

若碰撞时间大于刹车的门槛值，则判断本车周遭是否有足够的闪避空间(1004)；

若本车前方有足够闪避空间，即提示驾驶者或介入方向盘控制以将车辆移动至该闪避空间(1005)；

若本车前方没有足够闪避空间，则立即发出警示，提示驾驶者该碰撞危险状况(1006)。

请参阅图11与图12所示，上述预估变换车道目标位置是由下公式算出，其中，该(gx,gy)为预估变换车道后的目标位置，x为车道宽度，y为预测移动的纵向距离，为预测的行进方向。另如图12所示，依照方向灯辨识得到前方车辆的预测行进方向)，并与追踪演算法所预测的行进方向合并，可得到最后的行进方向将前方车辆的预估行进方向带入公式以及可得预测的碰撞时间，而增加预测的准确性。

Claims (9)

1.一种主动式自动驾驶辅助方法，其特征在于，所述方法包含有：

产生一目的地的规划路径；

道路环境检测：取得车辆前方道路的环境信息，所述环境信息可包含车道影像、车距与前车的方向灯号，并提供碰撞警示；

定位检测：取得车辆实际位置并与行车路径比对，以符合所设规划路径；

车辆安全整合：检测并判断驾驶者的状态，于需辅助驾驶车辆时，主动控制车辆的行驶状态；以及

自主驾驶控制：判断前述车道影像中是否含有车道线，若有，则根据规划路径与定位检测以自动驾驶方式循车道线控制车辆行驶至目的地，若无，则检测前方车辆行驶方向是否与规划路径相同，若判断与规划路径相同则结合定位检测以自动驾驶方式跟随前车行驶至目的地。

2.根据权利要求1所述的主动式自动驾驶辅助方法，取得车道线的辨识结果，根据车道线的曲率计算车辆方向盘的转动角度，其特征在于，所述转动角度是由下列公式算出路缘二次曲线：x＝k_x×y²+m_w×y+b_w，路缘曲率：曲率半径：方向盘转角：L_y=R×sinθ其中x、y分别为实际空间坐标之横轴及纵轴；kw、mw、bw为路缘二次曲线的系数。

3.根据权利要求2所述的主动式自动驾驶辅助方法，其特征在于，所述辨识方向灯的灯号是取得本身车辆的前方影像，检测所述影像中的车辆并估算其位置与大小，设定ROI、二值化、以车辆对称轴为中心左右相减、形态滤波、估算中心点位置与判断左边或右边方向灯，并判断是否有连续出现n个图框并消失n个图框，若是则判断前方车辆的左侧或右侧方向灯有发出灯号。

4.根据权利要求3所述的主动式自动驾驶辅助方法，其特征在于，所述预估车辆碰撞距离与时间是检测车辆周遭环境，辨识车辆后方的方向灯的灯号为左转或右转，并于判断方向灯号后通过碰撞预防演算法预测碰撞时间，以启动行车安全机制控制车辆。

5.根据权利要求4所述的主动式自动驾驶辅助方法，其特征在于，所述行车安全机制为检测前方车辆的碰撞时间是否小于刹车的门槛值，若碰撞时间小于刹车的门槛值即启动刹车辅助系统，若碰撞时间大于刹车的门槛值即判断车辆周遭是否有足够的闪避空间，若有足够闪避空间，即提示驾驶者或介入方向盘控制以将车辆移动至所述闪避空间。

6.根据权利要求5所述的主动式自动驾驶辅助方法，其特征在于，所述方法检测并判断驾驶者的状态，于其失去驾驶能力时由自主驾驶控制强制介入控制车辆行驶。

7.一种主动式自动驾驶辅助系统，其特征在于，所述系统建置在一车辆上，并包含有：

一自主驾驶控制装置，其与所述车辆的一控制系统连结，用以发出警示或操控车辆的行驶状态；

一道路环境检测装置，其与前述自主驾驶控制装置连结，所述道路环境检测装置用以检测前方车辆的车距并辨识所述车辆的方向灯灯号；

一车载资通应用装置，其与前述自主驾驶控制装置连结，所述车载资通应用装置可用以收发外部信号、规划车辆的行车路径与车辆定位；以及

一车辆安全整合装置，其与前述自主驾驶控制装置连结，所述车辆安全整合装置用以检测驾驶者的状态；

以此，由道路环境检测装置判断前述车道影像中是否含有车道线，若有，则由车载资通应用装置根据规划路径与定位检测供自主驾驶控制装置以自动驾驶方式循车道线控制车辆行驶至目的地，若无，则由道路环境检测装置检测前方车辆行驶方向是否与规划路径相同，若判断与规划路径相同则结合定位检测以自动驾驶方式跟随前车行驶至目的地。

8.根据权利要求7所述的主动式自动驾驶辅助系统，其特征在于，所述自主驾驶控制装置是与一车身信号模块连结，经整合运算车身信号并由与其连接的一提示模块发出警示，或是通过控制系统主动控制刹车或油门以令车辆行进或停止。

9.根据权利要求7或8所述的主动式自动驾驶辅助系统，其特征在于，所述道路环境检测装置包含有一取像模块与一车距感测模块，所述取像模块是取得本身车辆前方影像并由道路环境检测装置辨识前方车辆及其方向灯灯号，所述车距感测模块是检测与前方车辆之间的车距。