CN105136153A - 一种车道线精确位置采集装置以及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车道线精确位置采集装置以及采集方法，包括传感器单元、导航单元、无线电收发基站、控制单元；控制单元用于对所述导航接收机、所述惯性导航传感器、所述车道线识别传感器、所述车速传感器、所述方向盘转角传感器发送过来的信息进行记录和综合处理，计算出车道线的经纬度值。采集方法：首先设置车道线识别传感器与路面车道标线的位置关系；再根据惯性导航传感器的经度、纬度和航向角，计算车道线识别传感器的经度、纬度和航向角；进而计算一段时间内的车道线识别传感器的经纬度值，包括单/双车道线的经纬度值和虚/实车道线的经纬度值。本发明利用传感器技术结合导航技术能够快速准确的算出车道线的经纬度，结构简单，精度高。

Description

一种车道线精确位置采集装置以及采集方法

技术领域

本发明涉及信号传感和位置采集领域，具体来讲，是一种车道线精确位置采集装置以及采集方法。

背景技术

随着电子及信息技术对交通应用的不断渗透，人们对道路交通车辆行驶位置精度的要求越来越高，目前道路基础数据的采集方法及技术难以适应新的需求，主要体现在采集精度、效率和成本之间的矛盾。

目前已知的相关技术，车道线的识别基本都是通过摄像头获取前方的道路信息，通过算法对车道线进行识别，这种方式导致了整个系统结构复杂，成本高昂，并且只能识别，不能定位。

专利1“车道线识别方法及装置”、申请号201310269099.0，该专利通过分析摄像头影像来识别车道线的，该方法结构复杂，成本高，并且只能对车道线进行识别，不能对车道线进行定位。

专利2“基于单目视觉和惯性导航单元的实时车道线检系统”、申请号201410129551.8，该专利只有惯性导航，只能定位车辆位置，无法精确定位车道线位置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明将车道线识别与导航技术结合，导航部分为GPS(GlobalPositioningSystem)导航和惯性导航相结合，通过算法能够精确的实时定位车道线的经纬度、高度信息。为此，本发明提出了一种利用惯性导航传感单元、差分导航、车道线感应装置，并融合车辆本身车速、轮速、转向等数据实现对车道线的高精度、低成本、高效率的采集装置及采集方法。采用的技术方案如下：

一种车道线精确位置采集装置，包括传感器单元、导航单元、无线电收发基站、控制单元；

所述传感器单元包括车道线识别传感器、车速传感器以及方向盘转角传感器；所述车道线识别传感器、所述车速传感器以及所述方向盘转角传感器均与所述控制单元相连接；

所述导航单元包括惯性导航传感器、导航天线以及导航接收机；所述惯性导航传感器、所述导航天线以及所述导航接收机均与所述控制单元相连接；

所述无线电收发基站将车辆位置差分信息发射给所述导航天线，所述导航天线将接收的差分信息送给所述导航接收机，所述导航接收机以串行通信方式将差分信息发送给控制单元处理；

所述控制单元包括中央处理器和外围电路；所述控制单元用于对所述导航接收机、所述惯性导航传感器、所述车道线识别传感器、所述车速传感器、所述方向盘转角传感器发送过来的信息进行记录和综合处理，计算出车道线的经纬度值及海拔高度值。

作为优选，所述车道线识别传感器的个数为5个，5个车道线识别传感器均固定在安装板上、并且排成一条直线，5个车道线识别传感器中每相邻两者之间设有隔板、并且相邻两者之间的距离t均相等；所述安装板的一端通过刚性支架水平安装在车身中部，所述安装板上5个车道线识别传感器与所述惯性导航传感器之间的连线与车身纵轴线垂直，所述安装板突出于车身一侧。

作为优选，所述车道线识别传感器为RGB三原色颜色识别传感器。

作为优选，所述安装板为矩形，5个车道线识别传感器排成的直线与所述矩形长边平行，5个车道线识别传感器中相邻两者之间的距离t＝(B+B1)/2，其中，B为车道标线线宽，B1为双标线的两条线之间的横向间距。

作为优选，所述安装板四周设有遮光部件，所述遮光部件分为两层，所述遮光部件的内层为柔性遮光部件、所述遮光部件的外层设为扫路刷。

基于上述装置，本发明还提出了一种车道线精确位置采集方法，包括如下步骤：

步骤1，设置中间车道线识别传感器Ⅲ与路面车道标线的位置关系；

步骤2，设置车道线识别传感器识别车道线的判断标准；

步骤3，根据惯性导航传感器的经度、纬度和航向角，计算车道线识别传感器的经度、纬度和航向角；

步骤4，根据方向盘转角传感器提供的方向盘转角δ_f，计算稳态横摆角速度其中，u为车辆行驶速度；L为汽车轴距，单位为m；K为稳定性因数，单位为s²/m²；δ＝K’δ_f，其中K’为车轮转角与方向盘转角的比例系数；

步骤5，在一个定位周期T内取若干个时间点，实时测量车辆行驶速度u，结合步骤4中的关系式计算所述若干个时间点对应的惯性导航传感器所处位置的经度、纬度和航向角，再根据步骤3计算若干个时间点对应的车道线识别传感器的经度、纬度和航向角；

步骤6，判断车道线为单车道线还是双车道线，根据步骤3至步骤5计算出单车道线或双车道线轨迹；

步骤7，判断车道线为虚线还是实线，根据步骤3至步骤5计算虚线或实线轨迹；

步骤8，重复步骤3至步骤7，实时精确计算各种车道线的位置。

进一步，所述步骤7中所述虚线的轨迹计算包括计算实线长度和空格长度，具体为：从车道线突然消失的时间点起到车道线再次出现所经过的时间为t_x，这段时间车辆行驶的距离为则s_x即为空格长度，从车道线出现到再次消失所经历的时间为t_c，这段时间车辆行驶的距离为则s_c即为实线长度。

进一步，所述步骤1中所述的位置关系具体为：

若为单标线车道，中间的车道线识别传感器Ⅲ刚好处于车道线中间；若为双标线车道，中间的车道线识别传感器Ⅲ刚好处于车辆前进方向两条标线之间的正中间位置。

进一步，所述步骤2中的判断标准为：当三原色值R<＝126，G<＝126，B<＝126同时成立时，判定为普通路面；其余情况均判定为车道标线。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明利用在车辆中部与惯性导航传感器对齐的颜色传感器，能够快速准确的识别出车道线，并以此为依据，结合车速、车辆方向盘转向角、导航信息，能够快速准确的算出车道线的经纬度及海拔高度，具有很高的实用性和商业价值。而且本发明系统结构简单，成本较低，对车道线的识别、采集效率和精度都较高。

附图说明

图1为系统结构框图；

图2为遮光部件示意图；

图3为车道线识别传感器与刚性支架结构示意图；

图4为车道标线类型示意图；

图5为车道线识别传感器与车身相对位置示意图；

图6为车辆与单车道标线的位置关系示意图；

图7为车辆与双车道标线的位置关系示意图；

图8为导航传感器一个定位周期里两个定位点及其中间分隔点。

图中标记，1-遮光部件，2-安装板，3-刚性支架，4-车道线识别传感器Ⅰ，5-车道线识别传感器Ⅱ，6-车道线识别传感器Ⅲ，7-车道线识别传感器Ⅳ，8-车道线识别传感器Ⅴ，9-隔板，10-单车道虚标线，11-单车道实标线，12-双车道虚标线，13-双车道实标线，14-惯性导航传感器，15-车身。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，本发明提出的车道线位置采集装置，包含以下几部分：车道线识别传感器、车速传感器、方向盘转角传感器、控制单元、导航天线、导航接收机、无线电收发基站、惯性导航传感器。

所述车道线识别传感器、车速传感器、方向盘转角传感器以及惯性导航传感器均与所述控制单元相连，车道线识别传感器用于在路面上识别出车道线，车速传感器用于采集车速信息，方向盘转角传感器采集车辆转角信息。

无线电收发基站将车辆位置差分信息发射给导航天线，导航天线将接收的差分信息送给导航接收机，对车辆位置信息进行修正，并以串行通信方式将修正后的车辆位置信息发送给控制单元。导航定位频率为f，则每次定位的时间间隔即定位周期T＝1/f。

所述控制单元包括中央处理器和外围电路；所述控制单元用于对所述导航接收机、所述惯性导航传感器、所述车道线识别传感器、所述车速传感器、所述方向盘转角传感器发送过来的信息进行记录和综合处理，计算出车道线的经度、纬度等位置数据。本发明中的控制单元采用飞思卡尔单片机MC9S12XEP100，精度高，惯性导航传感器14安装在车身15中央位置。

如图2、图3所示，本发明的车道线识别传感器为5个RGB三原色颜色识别传感器，分别为车道线识别传感器Ⅰ4、车道线识别传感器Ⅱ5、车道线识别传感器Ⅲ6、车道线识别传感器Ⅳ7、车道线识别传感器Ⅴ8。5个RGB三原色颜色识别传感器固定在安装板2(安装板2的一端通过刚性支架3与车身15相连)上，并且排成一条直线且每相邻两个车道线识别传感器的距离均为t＝(B+B1)/2，安装板2设置为矩形，5个RGB三原色颜色识别传感器排成的直线与矩形的两个长边平行；安装板2水平安装在车身15中部与惯性导航传感器14对齐，安装板2突出于车身15一侧，且5个RGB三原色颜色识别传感器与惯性导航传感器14的连线与车身15的纵轴线成90°，所述车道线识别传感器距地面距离为h，安装板2四周围有遮光部件1，遮光部件1分为两层，内层为柔性遮光部件，外层为扫路刷，扫路刷用于清扫路面垃圾，防止因路面不清洁而造成颜色识别传感器被刮碰损伤，也防止垃圾遮住路面，对颜色识别传感器造成干扰；每两个相邻的车道线识别传感器正中间设有一层隔板9，以保证各个车道线识别传感器光源之间不产生相互干扰。

如图4所示，我国道路标线一般为白色虚线(如图中的单车道虚标线10)，白色实线(如图中的单车道实标线11)，双白虚线(如图中的双车道虚标线12)，双白实线(如图中的双车道实标线13)，黄色虚线，黄色实线，双黄实线(如图中的双车道实标线13)，黄色虚实线。所有车道标线线宽为B，所有双线横向间距为B1，所有虚线的划线长度为L、划线之间的间隔为L1，道路颜色为黑色。

基于上述装置的车道线精确位置采集方法为：

步骤1，设置中间车道线传感器6与路面车道标线的位置关系；

如图5、图6和图7所示，将装有车道线识别传感器的安装板2安装在车身15中部，使车辆在正常行驶时，若为单标线车道，中间的车道线识别传感器Ⅲ6刚好处于车道线中间；若为双标线车道，中间的车道线识别传感器Ⅲ6刚好处于车辆前进方向两条标线之间的正中间位置。

步骤2，设置车道线识别传感器识别车道线的判断标准；

三原色值得处理，已知黑色对应三原色值为R＝0，G＝0，B＝0；白色对应三原色值为R＝255，G＝255，B＝255；黄色对应三原色值为R＝255，G＝255，B＝0。由于实际路面情况比较复杂，且地面不可能为标准的白色、黄色、黑色，所以将车道标线判定标准定为：当R<＝126，G<＝126，B<＝126同时成立时，判定地面为黑色，即为普通路面；其余情况均判定为车道标线。

步骤3，根据惯性导航传感器的经度、纬度和航向角，计算车道线识别传感器的经度、纬度和航向角；

确定每次定位时惯性导航传感器所在M点的经度、纬度和航向角(α，β，λ₀)，其中α、β分别为惯性导航传感器的经度、纬度，λ₀为惯性导航传感器的航向角，航向角定义为向正东为正，逆时针方向为正，顺时针方向为负。南北方向纬度1°对应的地球表面距离为L_1°，赤道上东西方向经度1°对应的地球表面距离为L′_1°，纬度为β时东西方向上经度1°对应的地球表面距离为L′_1°cosβ，相应的车道线识别传感器Ⅰ4至车道线识别传感器Ⅴ8对应的经度、纬度和航向角分别为：

式(1)中，α、β、λ₀分别为惯性导航传感器的经度、纬度和航向角，X为车道线识别传感器Ⅰ4与惯性导航传感器14的横向距离，L_1°为南北方向纬度1°对应的地球表面距离，t为相邻车道线识别传感器间的距离，L′_1°为赤道上东西方向经度1°对应的地球表面距离，实际计算时，将地球作为标准球形处理，L′_1°与L_1°相等。

例如某一时刻，车辆向正东行驶，测得的惯性导航传感器14的位置信息为M(119°,32°,0°)，南北方向纬度1°对应的地球表面距离为L_1°＝111km，纬度为32°时东西方向上经度1°对应的地球表面距离为L′_1°cosβ＝94.13km，令X＝5m,t＝0.15m则对应颜色传感器6的位置信息为6→(119°,32.00004°,32°)。

步骤4，根据实时接收到的方向盘转角为δ_f(从中间位置向左为正，向右为负)，则前轮转角为δ＝K’δ_f，其中K’为车轮转角与方向盘转角的比例系数。

以线性二自由度汽车模型为例分析，稳态横摆角速度为其中，u为车辆行驶速度；L为汽车轴距，单位为m；K为稳定性因数，单位为s²/m²；δ＝K’δ_f，其中K’为车轮转角与方向盘转角的比例系数。

步骤5，在一个定位周期T内取若干个时间点，实时测量车辆行驶速度u，利用步骤4中的关系式计算所述若干个时间点对应的惯性导航传感器所处位置的经度、纬度和航向角，再根据步骤3中的式(1)计算出车道线识别传感器的经度、纬度和航向角；

具体为：实时测定车辆行驶速度为u，将一个定位周期T分成n个时间段，每个时间段为T′＝T/n，假设T′足够小，在时间T′内车辆速度u_n和车辆航向角λ_n变化很小，以T′的起始点车速u_n和车辆航向角λ_n代替，经度和纬度分别为α_n，β_n，在时间T′内车辆驶过的距离为s_n＝u_nT′，后一个时间段T′的始点车速为u_n+1和车辆航向角经纬度为

如图8所示，M点和n_i(i＝1,2,3,4,5,6,7)点均为惯性导航传感器14经过的点，将一个定位周期T分成n＝7个时间段，则T′＝T/7，则 $s_3=\stackrel{\&OverBar;}{n3n4}=u_3{T}^{\&prime;},s_4=\stackrel{\&OverBar;}{n4n5}=u_4{T}^{\&prime;},s_5=\stackrel{\&OverBar;}{n5n6}=u_5{T}^{\&prime;},s_6=\stackrel{\&OverBar;}{n6n7}=u_6{T}^{\&prime;},s_7=\stackrel{\&OverBar;}{n7M}=u_7{T}^{\&prime;},$ 每个点处的航向角为λ₁＝λ₀，λ₂＝λ₁+ω_r1T′，λ₃＝λ₂+ω_r2T′，λ₄＝λ₃+ω_r3T′，λ₅＝λ₄+ω_r4T′，λ₆＝λ₅+ω_r5T′，λ₇＝λ₆+ω_r6T′，其中，u_i(i＝1,2,3,4,5,6,7)为各时间段内测的车辆行驶速度，ω_ri(i＝1,2,3,4,5,6)可由步骤4中的公式计算，每个n_i点对应的经度、纬度和航向角为：

把惯性导航传感器14经过的M点和n_i点按步骤3中的关系式(1)对应转换成车道线识别传感器的经度、纬度和航向角，因车道线识别传感器与车道线处于同一位置，进而得出车道线的精确位置。

步骤6，判断车道线为单车道线还是双车道线，并计算出车道线轨迹；

若车道线识别传感器Ⅱ5、车道线识别传感器Ⅳ7测得为车道线，车道线识别传感器Ⅲ6测得为普通路面，则为双车道标线；按照步骤3至步骤5将车道线识别传感器Ⅱ5和车道线识别传感器Ⅳ7各个时刻各自的经纬度连接起来即为两条车道标线的经纬度轨迹；

若车道线识别传感器Ⅲ6测得为车道线，其余车道线识别传感器测得均为普通路面，则为单车道标线，按照步骤3至步骤5将车道线识别传感器Ⅲ6各个时刻的经纬度连接起来即为车道标线的经纬度轨迹。

步骤7，判断车道线为虚线还是实线，并计算车道线轨迹；

若任意一个车道线识别传感器持续检测到车道线，则为实车道线，若车道线识别传感器测出车道线突然消失，则车道线为虚线，从车道线突然消失的时间点起到车道线再次出现所经过的时间为t_x，这段时间车辆行驶的距离为空格长度从车道线出现到再次消失所经历的时间为t_c，这段时间车辆行驶的距离为实线长度则虚线为划s_c隔s_x(s_x即为图4中的划线之间的间隔L1，s_c即为图4中的划线长度L)。同样地，按照步骤3至步骤5计算出虚线或实线的经纬度轨迹。

步骤8，重复步骤3至步骤7，实时精确计算各种车道线的位置。

以上所述仅用于解释本发明的技术方案，并不用于限定本发明的保护范围，应当理解，在不违背本发明实质内容和精神的前提下，所作任何改进、等同替换等都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种车道线精确位置采集装置，其特征在于，包括传感器单元、导航单元、无线电收发基站、控制单元；

所述传感器单元包括车道线识别传感器、车速传感器以及方向盘转角传感器；所述车道线识别传感器、所述车速传感器以及所述方向盘转角传感器均与所述控制单元相连接；

所述导航单元包括惯性导航传感器、导航天线以及导航接收机；所述惯性导航传感器、所述导航天线以及所述导航接收机均与所述控制单元相连接；

所述无线电收发基站将车辆位置差分信息发射给所述导航天线，所述导航天线将接收的差分信息送给所述导航接收机，所述导航接收机以串行通信方式将差分信息发送给控制单元处理；

所述控制单元包括中央处理器和外围电路；所述控制单元用于对所述导航接收机、所述惯性导航传感器、所述车道线识别传感器、所述车速传感器、所述方向盘转角传感器发送过来的信息进行记录和综合处理，计算出车道线的经度、纬度值。

2.根据权利要求1所述的一种车道线精确位置采集装置，其特征在于，所述车道线识别传感器的个数为5个，5个车道线识别传感器均固定在安装板(2)上、并且排成一条直线，5个车道线识别传感器中每相邻两者之间设有隔板(9)、并且相邻两者之间的距离t均相等；所述安装板(2)的一端通过刚性支架(3)水平安装在车身(15)中部，所述安装板(2)上5个车道线识别传感器与所述惯性导航传感器(14)之间的连线与车身纵轴线垂直，所述安装板(2)突出于车身(15)一侧。

3.根据权利要求2所述的一种车道线精确位置采集装置，其特征在于，所述车道线识别传感器为RGB三原色颜色识别传感器。

4.根据权利要求2所述的一种车道线精确位置采集装置，其特征在于，所述安装板(2)为矩形，5个车道线识别传感器排成的直线与所述矩形长边平行，5个车道线识别传感器中相邻两者之间的距离t＝(B+B1)/2，其中，B为车道标线线宽，B1为双标线的两条线之间的横向间距。

5.根据权利要求2所述的一种车道线精确位置采集装置，其特征在于，所述安装板(12)四周设有遮光部件(1)，所述遮光部件分为两层，所述遮光部件的内层为柔性遮光部件、所述遮光部件的外层设为扫路刷。

6.一种车道线精确位置采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设置中间车道线识别传感器Ⅲ(6)与路面车道标线的位置关系；

步骤2，设置车道线识别传感器识别车道线的判断标准；

步骤3，根据惯性导航传感器(14)的经度、纬度和航向角，计算车道线识别传感器的经度、纬度和航向角；

步骤4，根据方向盘转角传感器提供的方向盘转角δ_f，计算稳态横摆角速度其中，u为车辆行驶速度；L为汽车轴距，单位为m；K为稳定性因数，单位为s²/m²；δ＝K’δ_f，其中K’为车轮转角与方向盘转角的比例系数；

步骤5，在一个定位周期T内取若干个时间点，实时测量车辆行驶速度u，结合步骤4中的关系式计算所述若干个时间点对应的惯性导航传感器(14)所处位置的经度、纬度和航向角，再根据步骤3计算若干个时间点对应的车道线识别传感器的经度、纬度和航向角；

步骤6，判断车道线为单车道线还是双车道线，根据步骤3至步骤5计算出单车道线或双车道线轨迹；

步骤7，判断车道线为虚线还是实线，根据步骤3至步骤5计算虚线或实线轨迹；

步骤8，重复步骤3至步骤7，实时精确计算各种车道线的位置。

7.根据权利要求6所述的一种车道线精确位置采集方法，其特征在于，所述步骤7中所述虚线的轨迹计算包括计算实线长度和空格长度，具体为：从车道线突然消失的时间点起到车道线再次出现所经过的时间为t_x，这段时间车辆行驶的距离为则s_x即为空格长度，从车道线出现到再次消失所经历的时间为t_c，这段时间车辆行驶的距离为则s_c即为实线长度。

8.根据权利要求6所述的一种车道线精确位置采集方法，其特征在于，所述步骤1中所述的位置关系具体为：

若为单标线车道，中间的车道线识别传感器Ⅲ(6)刚好处于车道线中间；若为双标线车道，中间的车道线识别传感器Ⅲ(6)刚好处于车辆前进方向两条标线之间的正中间位置。

9.根据权利要求6所述的一种车道线精确位置采集方法，其特征在于，所述步骤2中的判断标准为：当三原色值R<＝126，G<＝126，B<＝126同时成立时，判定为普通路面；其余情况均判定为车道标线。