CN105564502B - 一种基于机器视觉的转向助力预警系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的转向助力预警系统及其工作方法。本发明系统包括机器视觉采集模块、信号采集模块、数字信号处理器、控制模块、执行模块。机器视觉采集模块实时采集路面信息，传输给数字信号处理器，数字信号处理器将处理后的信息再传输给控制模块；信号采集模块采集车辆的方向盘转角、车速及横摆角速度，并传输给控制模块；控制模块根据接收的信息判断方向盘转角、车速是否在安全范围内，车辆有无侧滑趋势。当驾驶员操纵方向盘失误、车速过高或车轮有侧滑趋势时，控制模块通过执行模块中的转向助力电机帮助车轮转向，通过报警喇叭向驾驶员提供辅助示警。该系统成本低，结构简单，可靠性好，灵敏度高，可提高驾驶的安全性。

Description

一种基于机器视觉的转向助力预警系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及转向辅助系统领域，具体涉及一种基于机器视觉的转向助力预警系统及其工作方法。

背景技术

随着电子技术和传感器技术的不断发展，转向辅助系统也在不断的完善，机器视觉是指计算机与摄像机结合以实现对人眼功能的模拟，得到真实环境的图像。将机器视觉应用在转向辅助系统中，可以实时获取路面及周围车辆信息，并准确的计算转向盘转角和车速，提高行驶安全性。

虽然转向辅助系统的应用越来越普及，但仍然存在着很多问题。目前应用比较广泛的电动助力转向系统利用各种传感器将信号传给ECU，ECU再实时控制助力转向，但转向时复杂的道路及车辆情况，很可能会导致事故的发生。因此利用机器视觉来辅助转向就显得尤为重要。而常规的利用车载摄像头的转向辅助系统只能扩大驾驶员的视野，通过报警装置示警，但报警信息单一，不足以让驾驶员准确了解当前转向的状况，以便做出有效的调整。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于机器视觉的转向助力预警系统及其工作方法，实现实时检测处于转向状态时车辆的方向盘转角、车速及侧滑现象，对车辆转向盘转角、车速进行控制，以提高转向的质量和智能化。

本发明的一种基于机器视觉的转向助力预警系统，包括机器视觉采集模块，信号采集模块，数字信号处理器，控制模块，执行模块；

所述机器视觉采集模块，由安装在车辆前车牌上方的摄像头和图像采集卡组成，所述摄像头用于实时采集路面信息，并传输给图像采集卡；所述图像采集卡将摄像头拍摄的模拟图像信息转化为数字图像信息，再传输给所述数字信号处理器；

所述数字信号处理器对机器视觉采集模块获得的数字图像信息进行处理，并将处理结果传输给控制模块；

所述信号采集模块由方向盘角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器组成；所述方向盘角度传感器安装在方向盘下方的方向柱内，用于测量方向盘的转角；所述车速传感器安装在变速箱的输出轴上，用于测量车辆车速；所述横摆角速度传感器安装在扶手箱的储物盒内，用于测量车辆的横摆角速度；所述方向盘角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器将采集的信息传输给控制模块；

所述控制模块用于接收和处理数字信号处理器及信号采集模块传来的数据和信息，判断方向盘转角、车速是否在安全范围内，并通过横摆角速度判断车辆有无侧滑趋势；

所述的执行模块由转向助力电机和报警喇叭组成，所述转向助力电机设置在齿轮齿条式转向器上；当方向盘转角不在安全范围内，所述控制模块向所述转向助力电机和报警喇叭发出指令；所述转向助力电机直接作用于转向拉杆，推动转向拉杆帮助车轮转向，同时所述报警喇叭提供辅助示警；当车速不在安全范围内及车辆有侧滑趋势时，所述控制模块向所述报警喇叭发出指令；所述报警喇叭提供辅助示警。

进一步，所述控制模块由电子控制单元组成。

发明的一种基于机器视觉的转向助力预警系统的工作方法，包括步骤：

步骤1，信号采集模块中的方向盘角度传感器测量车辆的方向盘转角；

步骤2，控制模块判断方向盘转角是否大于30°，若大于30°，说明此时驾驶员有转向的意图，执行下一步；若小于等于30°，则结束程序；

步骤3，机器视觉采集模块的摄像头自动打开，进行实时图像采集，获得前方道路的路面信息，并传输给图像采集卡；图像采集卡将摄像头拍摄的模拟图像信息转化为数字图像信息，传输给数字信号处理器；

步骤4，数字信号处理器对机器视觉采集模块获得的数字图像信息进行处理，获得道路曲率再通过拟人控制算法，计算车辆的理论车速V_理和理论方向盘转角θ_理，并传输给控制模块；

步骤5，信号采集模块通过方向盘角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器采集方向盘转角、车速、横摆角速度的信息，并将信息传输给控制模块；

步骤6，控制模块分析处理数字信号处理器与信号采集模块传输的数据和信息；

比较理论方向盘转角θ_理与方向盘角度传感器测得的实际方向盘转角θ_实，当|θ_理-θ_实|≤15°时，控制模块不发出指令；当|θ_理-θ_实|＞15°时，根据θ_理与θ_实的差值，计算出理论转矩，再根据理论转矩和系统的助力特性确定转向助力电机的理论电流和转动方向，并向报警喇叭发出指令；若θ_理-θ_实＞15°时，报警喇叭提醒转角偏小，同时转向助力电机根据控制模块的指令为转向机构提供使转角变大的辅助力矩；若θ_实-θ_理＞15°时，报警喇叭提醒转角偏大，同时转向助力电机根据要求提供使转角变小的辅助力矩，阻止过度转向；

比较理论车速V_理与车速传感器测得的实际车速V_实，当V_实-V_理≤8km/h时，控制模块不发出指令；当V_实-V_理＞8km/h时，向报警喇叭发出指令，报警喇叭提示驾驶员需要减速；

比较理论横摆角速度ω_理与横摆角速度传感器测得的实际横摆角速度ω_实，当ω_实-ω_理≤0.1rad/s时，说明车轮没有侧滑趋势，控制模块不发出指令；当ω_实-ω_理＞0.1r a d/s，说明车轮有侧滑趋势，报警喇叭提示驾驶员有侧滑趋势；

步骤7，执行模块根据控制模块的判断结果决定是否有需要执行的指令，如果有需要执行的指令，执行步骤8；如果没有需要执行的指令，则跳过步骤8，执行步骤9；

步骤8，执行模块通过转向助力电机和报警喇叭对车辆进行控制；

步骤9，回到方向盘转角的判定，直到方向盘转角小于等于30°时，程序结束。

进一步，所述步骤4中理论车速V_理的计算公式为其中为道路曲率的车速，V₀为车辆巡航速度，为人工神经元的转移函数。

进一步，所述步骤4中理论方向盘转角θ_理的计算方法为：将理论车速V_理带入公式计算出理论转向轮转角δ_理，公式中δ(v)为车速v的转向轮转角，w₀为最大转向速度，f_v(v)为人工神经元的转移函数；根据车辆的方向盘转角与转向轮转角的固定比例关系，计算出理论方向盘转角θ_理。

进一步，所述步骤6中理论的横摆角速度的计算公式为其中δ_理为理论转向轮转角，v_理为理论车速，L为轴距；K的计算公式为式中m为车辆的质量，L为轴距，k₁、k₂分别为前后轮的侧偏刚度，a为质心到前轴的距离，b为质心到后轴的距离。

本发明的有益效果：本发明通过架构基于机器视觉和车辆状态传感模块的感知平台，利用车辆状态感知与预测模型和车辆动力学特性等，实现汽车转向过程的在线监测和状态评估预测。本发明可以实现转向过程中实时检测方向盘转角、车速是否在安全范围内，以及判断车辆有无侧滑趋势等多种功能，旨在让驾驶员准确了解当前转向的状况，以便做出有效的调整，从而降低驾驶员操纵方向盘失误、车速过高或车轮有侧滑趋势所带来的危险。该系统只在方向盘角度大于30°时启动，不会干扰驾驶员正常的操纵车辆，保证了良好的转向感。另外系统的执行机构，不仅通过报警喇叭及时报警，实时提醒驾驶员，提高行车的安全性，还利用转向助力电机为驾驶员提供转向助力。该系统成本低，结构简单，可靠性好，灵敏度高，可提高驾驶的安全性。

附图说明

图1为本发明转向助力预警系统的结构示意图；

图2为本发明转向助力预警系统工作方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明专利具体实施过程做进一步说明。

如图1所示，一种基于机器视觉的转向助力预警系统，包括机器视觉采集模块，信号采集模块，数字信号处理器，控制模块，执行模块；

所述机器视觉采集模块，由安装在车辆前车牌上方的摄像头和图像采集卡组成，所述摄像头用于实时采集路面信息，并传输给图像采集卡；所述图像采集卡将摄像头拍摄的模拟图像信息转化为数字图像信息，再传输给所述数字信号处理器；

所述数字信号处理器对机器视觉采集模块获得的数字图像信息进行处理，并将处理结果传输给控制模块；

所述信号采集模块由方向盘角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器组成；所述方向盘角度传感器安装在方向盘下方的方向柱内，用于测量方向盘的转角；所述车速传感器安装在变速箱的输出轴上，用于测量车辆车速；所述横摆角速度传感器安装在扶手箱的储物盒内，用于测量车辆的横摆角速度；所述方向盘角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器将采集的信息传输给控制模块；

所述控制模块由电子控制单元组成，用于接收和处理数字信号处理器及信号采集模块传来的数据和信息，判断方向盘转角、车速是否在安全范围内，并通过横摆角速度判断车辆有无侧滑趋势；

所述的执行模块由转向助力电机和报警喇叭组成，所述转向助力电机设置在齿轮齿条式转向器上；当方向盘转角不在安全范围内，所述控制模块向所述转向助力电机和报警喇叭发出指令；所述转向助力电机直接作用于转向拉杆，推动转向拉杆帮助车轮转向，同时所述报警喇叭提供辅助示警；当车速不在安全范围内及车辆有侧滑趋势时，所述控制模块向所述报警喇叭发出指令；所述报警喇叭提供辅助示警。

如图2所示，一种基于机器视觉的转向助力预警系统的工作方法，

步骤1，信号采集模块中的方向盘角度传感器测量车辆的方向盘转角。

步骤2，控制模块判断方向盘转角是否大于30°，若大于30°，说明此时驾驶员有转向的意图，执行下一步；若小于等于30°，则结束程序。

步骤3，机器视觉采集模块的摄像头自动打开，进行实时图像采集，获得前方道路的路面信息，并传输给图像采集卡；图像采集卡将摄像头拍摄的模拟图像信息转化为数字图像信息，传输给数字信号处理器。

步骤4，数字信号处理器对机器视觉采集模块获得的数字图像信息进行处理，获得道路曲率再通过拟人控制算法，计算车辆的理论车速V_理和理论方向盘转角θ_理，并传输给控制模块；

车辆理论车速V_理的计算公式：其中为道路曲率的车速，V₀为车辆巡航速度，为人工神经元的转移函数；

车辆理论方向盘转角θ_理的计算方法为：将理论车速V_理带入公式计算出理论转向轮转角δ_理，其中δ(v)为车速v的转向轮转角，w₀为最大转向速度，f_v(v)为人工神经元的转移函数；根据车辆的方向盘转角与转向轮转角的固定比例关系，计算出理论方向盘转角θ_理。

步骤5，信号采集模块通过方向盘角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器采集方向盘转角、车速、横摆角速度的信息，并将信息传输给控制模块。

步骤6，控制模块分析处理机器视觉采集模块与信号采集模块传输的数据和信息；

(1)比较理论方向盘转角θ_理与方向盘角度传感器测得的实际方向盘转角θ_实；当|θ_理-θ_实|≤15°时，控制模块不发出指令；当|θ_理-θ_实|＞15°时，根据θ_理与θ_实的差值，计算出理论转矩，再根据理论转矩和系统的助力特性确定转向助力电机的理论电流和转动方向，并向报警喇叭发出指令；若θ_理-θ_实＞15°时，报警喇叭提醒转角偏小，同时转向助力电机根据控制模块的指令为转向机构提供使转角变大的辅助力矩；若θ_实-θ_理＞15°时，报警喇叭提醒转角偏大，同时转向助力电机根据要求提供使转角变小的辅助力矩，阻止过度转向；

(2)比较理论车速V_理与车速传感器测得的实际车速V_实；当V_实-V_理≤8km/h时，控制模块不发出指令；当V_实-V_理＞8km/h时，向报警喇叭发出指令，报警喇叭提示驾驶员需要减速；

(3)比较理论横摆角速度ω_理与横摆角速度传感器测得的实际横摆角速度ω_实；

在时间间隔很短的情况下，车辆转弯近似认为做等速圆周运动，并把汽车简化成线性二自由度的模型，理论的横摆角速度的计算公式为：其中δ为理论转向轮转角，v_理为理论车速，L为轴距；K的计算公式为：其中m为车辆的质量，L为轴距，k₁、k₂分别为前后轮的侧偏刚度，a为质心到前轴的距离，b为质心到后轴的距离；

当ω_实-ω_理≤0.1rad/s时，说明车轮没有侧滑趋势，控制模块不发出指令；当ω_实-ω_理＞0.1rad/s，说明车轮有侧滑趋势，报警喇叭提示驾驶员有侧滑趋势。

步骤7，执行模块根据控制模块的判断结果决定是否有需要执行的指令，如果有需要执行的指令，执行步骤8；如果没有需要执行的指令，则跳过步骤8，执行步骤9。

步骤8，执行模块通过转向助力电机和报警喇叭对车辆进行控制。

步骤9，回到方向盘转角的判定，直到方向盘转角小于等于30°时，程序结束。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于机器视觉的转向助力预警系统，其特征在于，包括机器视觉采集模块，信号采集模块，数字信号处理器，控制模块，执行模块；

所述机器视觉采集模块，由安装在车辆前车牌上方的摄像头和图像采集卡组成，所述摄像头用于实时采集路面信息，并传输给图像采集卡；所述图像采集卡将摄像头拍摄的模拟图像信息转化为数字图像信息，再传输给所述数字信号处理器；

所述数字信号处理器对机器视觉采集模块获得的数字图像信息进行处理，并将处理结果传输给控制模块；

所述信号采集模块由方向盘角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器组成；所述方向盘角度传感器安装在方向盘下方的方向柱内，用于测量方向盘的转角；所述车速传感器安装在变速箱的输出轴上，用于测量车辆车速；所述横摆角速度传感器安装在扶手箱的储物盒内，用于测量车辆的横摆角速度；所述方向盘角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器将采集的信息传输给控制模块；

所述控制模块用于接收和处理数字信号处理器及信号采集模块传来的数据和信息，判断方向盘转角、车速是否在安全范围内，并通过横摆角速度判断车辆有无侧滑趋势；

所述的执行模块由转向助力电机和报警喇叭组成，所述转向助力电机设置在齿轮齿条式转向器上；当方向盘转角不在安全范围内，所述控制模块向所述转向助力电机和报警喇叭发出指令；所述转向助力电机直接作用于转向拉杆，推动转向拉杆帮助车轮转向，同时所述报警喇叭提供辅助示警；当车速不在安全范围内及车辆有侧滑趋势时，所述控制模块向所述报警喇叭发出指令；所述报警喇叭提供辅助示警。

2.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的转向助力预警系统，其特征在于，所述控制模块由电子控制单元组成。

3.一种基于机器视觉的转向助力预警系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，信号采集模块中的方向盘角度传感器测量车辆的方向盘转角；

步骤2，控制模块判断方向盘转角是否大于30°，若大于30°，说明此时驾驶员有转向的意图，执行下一步；若小于等于30°，则结束程序；

步骤3，机器视觉采集模块的摄像头自动打开，进行实时图像采集，获得前方道路的路面信息，并传输给图像采集卡；图像采集卡将摄像头拍摄的模拟图像信息转化为数字图像信息，传输给数字信号处理器；

步骤4，数字信号处理器对机器视觉采集模块获得的数字图像信息进行处理，获得道路曲率再通过拟人控制算法，计算车辆的理论车速V_理和理论方向盘转角θ_理，并传输给控制模块；

步骤5，信号采集模块通过方向盘角度传感器、车速传感器、横摆角速度传感器采集方向盘转角、车速、横摆角速度的信息，并将信息传输给控制模块；

步骤6，控制模块分析处理数字信号处理器与信号采集模块传输的数据和信息；

比较理论方向盘转角θ_理与方向盘角度传感器测得的实际方向盘转角θ_实，当|θ_理-θ_实|≤15°时，控制模块不发出指令；当|θ_理-θ_实|＞15°时，根据θ_理与θ_实的差值，计算出理论转矩，再根据理论转矩和系统的助力特性确定转向助力电机的理论电流和转动方向，并向报警喇叭发出指令；若θ_理-θ_实＞15°时，报警喇叭提醒转角偏小，同时转向助力电机根据控制模块的指令为转向机构提供使转角变大的辅助力矩；若θ_实-θ_理＞15°时，报警喇叭提醒转角偏大，同时转向助力电机根据要求提供使转角变小的辅助力矩，阻止过度转向；

比较理论车速V_理与车速传感器测得的实际车速V_实，当V_实-V_理≤8km/h时，控制模块不发出指令；当V_实-V_理＞8km/h时，向报警喇叭发出指令，报警喇叭提示驾驶员需要减速；

比较理论横摆角速度ω_理与横摆角速度传感器测得的实际横摆角速度ω_实，当ω_实-ω_理≤0.1rad/s时，说明车轮没有侧滑趋势，控制模块不发出指令；当ω_实-ω_理＞0.1rad/s，说明车轮有侧滑趋势，报警喇叭提示驾驶员有侧滑趋势；

步骤7，执行模块根据控制模块的判断结果决定是否有需要执行的指令，如果有需要执行的指令，执行步骤8；如果没有需要执行的指令，则跳过步骤8，执行步骤9；

步骤8，执行模块通过转向助力电机和报警喇叭对车辆进行控制；

步骤9，回到方向盘转角的判定，直到方向盘转角小于等于30°时，程序结束。

4.如权利要求3所述的一种基于机器视觉的转向助力预警系统的工作方法，其特征在于，所述步骤6中理论的横摆角速度的计算公式为其中δ_理为理论转向轮转角，v_理为理论车速，L为轴距；K的计算公式为式中m为车辆的质量，L为轴距，k₁、k₂分别为前后轮的侧偏刚度，a为质心到前轴的距离，b为质心到后轴的距离。