CN106428003A - 不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车驾驶主动预警技术领域，公开了一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置及方法；所述装置包括：两个多线激光雷达传感器、车载工控机、闪光蜂鸣器，所述两个多线激光雷达传感器分别安装在车辆前保险杠两侧的左右对称位置，所述车载工控机安装在车辆仪表盘下方，所述闪光蜂鸣器安装在车辆仪表盘上；其中，所述两个多线激光雷达传感器的输出端分别与所述车载工控机的I/O输入端电连接，所述车载工控机的I/O输出端与所述闪光蜂鸣器的输入端电连接，能够实时监测车辆是否处于车道偏离状态，且不受天气条件影响，并提示驾驶员采取合适的应对措施，为驾驶员减轻了判断负担，有助于提高行驶安全性。

Description

不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置及方法

技术领域

本发明属于汽车驾驶主动预警技术领域，尤其涉及一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置及方法。

背景技术

现有的车道偏离预警系统主要通过图像处理技术实现车道线的实时检测。当车道出现偏离时对驾驶员进行报警，从而有效降低驾驶员的感知负担，同时保证车辆行驶的安全性。而现实道路交通环境条件下，不良天气条件以及光照变化会严重影响基于视觉的车道偏离预警系统的可靠性。例如雨雾，强光刺激和阴影等均会干扰到车道线的视觉检测效果，有时甚至出现错误警报，进而降低了车道偏离预警系统的准确性和鲁棒性。当在高速公路路段行驶时，车速较快，不良天气下基于视觉的车道偏离预警系统一旦不能正常工作，极可能出现车辆驶出自身车道，错误进入相邻车道，使车辆处在潜在的碰撞或侧翻危险中。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置及方法，实时监测车辆是否处于车道偏离状态，并提示驾驶员采取合适的应对措施，为驾驶员减轻了判断负担，有助于提高行驶安全性。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置，所述装置包括：两个多线激光雷达传感器、车载工控机、闪光蜂鸣器，所述两个多线激光雷达传感器分别安装在车辆前保险杠两侧的左右对称位置，所述车载工控机安装在车辆仪表盘下方，所述闪光蜂鸣器安装在车辆仪表盘上；

其中，所述两个多线激光雷达传感器的输出端分别与所述车载工控机的I/O输入端电连接，所述车载工控机的I/O输出端与所述闪光蜂鸣器的输入端电连接。

技术方案一的特点和进一步的改进为：

(1)多线激光扫描雷达传感器为四线激光扫描雷达，且扫描频率为12.5Hz，扫描距离为0.3m-200m。

(2)闪光蜂鸣器为AD16-22SM型闪光蜂鸣器。

技术方案二：

一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警方法，所述方法应用于技术方案一所述的预警装置，所述方法包括如下步骤：

步骤1，多线激光雷达传感器实时扫描车辆所在高速公路两侧的场景点云数据，并将所述场景点云数据发送给车载工控机；所述场景点云数据至少包括：高速公路两侧的路缘石轮廓线、车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离；

步骤2，车载工控机将所述场景点云数据进行聚类，得到车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线、车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离；

步骤3，车载工控机根据车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线、车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离，判断车辆是否偏离所在车道，并在车辆偏离所在车道时，向闪光蜂鸣器发送预警信号；

步骤4，闪光蜂鸣器根据车载工控机发送的预警信号，进行闪光蜂鸣。

技术方案二的特点和进一步的改进为：

(1)步骤2具体包括：

(2a)记每个激光雷达传感器每帧采集N个扫描点，第n个扫描点P_n由方位角α_n和距离r_n组成，n＝0，1，...，N；

(2b)设定聚类半径R，将第i个扫描点作为第j组数据的聚类中心，且i的初值为1，j的初值为1，计算第i+1个扫描点与第i个扫描点之间的空间距离d(r_i，r_i+1)；

(2c)若第i+1个扫描点与第i个扫描点之间的空间距离d(r_i，r_i+1)小于聚类半径R，则将第i+1个扫描点归入第j组数据，并将第i+1个扫描点作为第j组数据的聚类中心；

若第i+1个扫描点与第i个扫描点之间的空间距离d(r_i，r_i+1)大于聚类半径R，将第i+1个扫描点作为第j+1组数据的聚类中心；

(2d)令i的值加1，并依次重复子步骤(2c)，直到完成N个扫描点的聚类，得到c个聚类目标；

(2e)计算c个聚类目标中每个聚类目标内任意两个扫描点之间的空间距离，并得到空间距离最大的两个扫描点所在的聚类目标，将该聚类目标作为路缘石类簇；

(2f)根据所述路缘石类簇中的所有扫描点对路缘石轮廓线进行拟合，得到车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线；

(2g)获取自身车辆的中心线，计算自身车辆的中心线与车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线之间的距离，得到自身车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离。

(2)步骤3具体包括：

(3a)设定车辆偏离阈值，若车辆与车辆所在车道左右两条车道线之间的距离的差值大于所述车辆偏离阈值，且车辆转向灯未打开，则认为车辆偏离所在车道；

(3b)若车辆偏离所在车道的时间超过两秒，车载工控机向闪光蜂鸣器发送预警信号。

本发明实施例提供的不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置及方法，该预警装置能对自身车辆与所在车道间的实时状态进行判定，如果检测到车辆在连续的2s内都处于车道偏离状态，也就是采集到的连续25帧点云数据都为车辆偏离车道状态，并且驾驶员未开启转向灯，则判定车辆此时为车道偏离状态，促使闪光蜂鸣器发出警报，提示驾驶员；该装置的主要部件采用多线激光雷达传感器和车载工控机，操作简单、检测方便、测量精度高，而且不易受外界天气影响也不存在安全隐患问题；且投资费用少，适合大规模推广使用，其检测方法具有智能化，自动化和可靠度高的特点，能够及时为驾驶员提供准确的车道偏离信息，减少交通事故的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置的电气连接示意图；

图3为本发明实施例提供的一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警方法的流程示意图；

图中：标号1表示车辆；标号2表示左侧多线激光雷达传感器；标号3表示右侧多线激光雷达传感器；标号4表示车载工控机；标号5表示闪光蜂鸣器；标号6表示路缘石；标号7表示应急车道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，为本发明实施例提供的一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置的结构示意图，所述装置包括：两个多线激光雷达传感器、车载工控机、闪光蜂鸣器，所述两个多线激光雷达传感器分别安装在车辆前保险杠两侧的左右对称位置，所述车载工控机安装在车辆仪表盘下方，所述闪光蜂鸣器安装在车辆仪表盘上；

其中，所述两个多线激光雷达传感器的输出端分别与所述车载工控机的I/O输入端电连接，所述车载工控机的I/O输出端与所述闪光蜂鸣器的输入端电连接。的结构示意图。

具体的，首先需要进行预警装置器件的安装，安装过程如下：将左侧多线激光雷达传感器2和右侧多线激光雷达传感器3分别采用螺栓固定安装在车辆1前保险杠两侧左右对称位置，左侧多线激光雷达2和右侧多线激光雷达3分别采用IBEO LUX 4线激光扫描雷达，扫描频率为12.5Hz，扫描距离范围为0.3m-200m。闪光蜂鸣器5固定安装在车辆仪表盘上。车载工控机4安装在车内仪表盘下方。左侧多线激光雷达传感器2和右侧多线激光雷达传感器3用于实时采集自身车辆所在高速公路路段的场景点云数据，车载工控机4根据左右两个多线激光雷达返回的离散点云数据，计算车辆此刻位于车道线内的位置，闪光蜂鸣器5在车辆处于车道偏离状态达到两秒时发声发光，提示驾驶员采取相应措施。

参照图2，为本发明的一种不良天气下高速公路车道偏离预警装置的电气连接示意图；左侧多线激光雷达传感器2和右侧多线激光雷达传感器3的输出端分别电连接所述车载工控机4的对应I/O输入端，车载工控机4的I/O输出端电连接闪光蜂鸣器5的输入端。

参照图3，为本发明的一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警方法的流程示意图，以上述高速公路车辆偏离车道的预警装置为基础，具体步骤如下：

步骤1，多线激光雷达传感器实时扫描车辆所在高速公路两侧的场景点云数据，并将所述场景点云数据发送给车载工控机；所述场景点云数据至少包括：高速公路两侧的路缘石轮廓线、车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离；

具体的，车辆在高速公路上行驶过程中，安装于车辆前保险杠左右两侧的多线激光雷达传感器分别对应实时地采集高速公路两侧路缘石的离散的四层激光扫描点云数据，每层激光扫描点数为多个，并且实时地将采集到的连续帧点云数据发送给车载工控机；

步骤2，车载工控机将所述场景点云数据进行聚类，得到车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线、车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离；

步骤2具体包括：

(2a)记每个激光雷达传感器每帧采集N个扫描点，第n个扫描点P_n由方位角α_n和距离r_n组成，n＝0，1，...，N；

(2b)设定聚类半径R，将第i个扫描点作为第j组数据的聚类中心，且i的初值为1，j的初值为1，计算第i+1个扫描点与第i个扫描点之间的空间距离d(r_i，r_i+1)；

(2c)若第i+1个扫描点与第i个扫描点之间的空间距离d(r_i，r_i+1)小于聚类半径R，则将第i+1个扫描点归入第j组数据，并将第i+1个扫描点作为第j组数据的聚类中心；

若第i+1个扫描点与第i个扫描点之间的空间距离d(r_i，r_i+1)大于聚类半径R，将第i+1个扫描点作为第j+1组数据的聚类中心；

(2d)令i的值加1，并依次重复子步骤(2c)，直到完成N个扫描点的聚类，得到c个聚类目标；

(2e)计算c个聚类目标中每个聚类目标内任意两个扫描点之间的空间距离，并得到空间距离最大的两个扫描点所在的聚类目标，将该聚类目标作为路缘石类簇；

(2f)根据所述路缘石类簇中的所有扫描点对路缘石轮廓线进行拟合，得到车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线；

(2g)获取自身车辆的中心线，计算自身车辆的中心线与车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线之间的距离，得到自身车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离。

具体的，车载工控机接收到由激光雷达传感器实时发送的点云数据后，对点云数据进行聚类分析。

由于高速公路路缘石和护栏都呈现狭长特征，且两者处于平行靠近状态，直接对目标进行聚类处理很容易将两者聚成一个目标，从而影响检测的准确性。在聚类之前，通过护栏与路缘石的高度差距将护栏点云数据滤除，剩下的狭长特征点云即为路缘石类簇。由于高速公路右侧路缘石与最右侧车道线之间的区域为应急车道，其宽度为标准值；而高速公路左侧路缘石与最左侧车道线之间的区域的宽度是根据具体路段宽度而定的一个变量，所以从右侧路缘石类簇开展计算是可行的。从而从高速公路上的目标中找到右侧路缘石类簇即可。以下为详细聚类过程：

激光雷达每帧采集N个扫描点，每个扫描点P_n值由方位角α_n和距离r_n组成，则N个扫描点数组P用以下式子表示：

由欧式距离计算法则，可得两个连续扫描点间的空间距离如下所示：

式中，Δα为激光雷达方位角分辨率。

首先把第一个数据作为第一组的聚类中心，若相邻的下个数据(按激光点返回顺序)距该中心的距离d(r_i，r_i+1)小于聚类半径R，则把这个数据放到此组中，并且此组的聚类中心更新为当前数据；否则，把该数据作为新一组的聚类中心直到所有的聚类中心都归类为止，完成对扫描点的聚类，得到c个目标。

由于高速公路路缘石和护栏都呈现狭长特征，且两者处于平行靠近状态，直接对目标进行聚类处理很容易将两者聚成一个目标，从而影响检测的准确性。在聚类之前，我们通过护栏与路缘石的高度差距将护栏点云数据滤除，剩下的狭长特征点云即为路缘石类簇。通过计算各类内最远两点的欧氏距离，距离最大的类即为路缘石类簇。假设共有c个目标w₁，w₂，...w_c，定义目标w_k(1≤k≤c)中任意两个点p_ik和p_jk之间的距离为：

若d_ijk满足：则w_k即为路缘石类簇。

对步骤2中的路缘石拟合过程，根据雷达的扫描数据特点，扫描到道路边沿上的点一般都是呈线性分布，因此本发明实施例采用最小二乘法对路缘石目标的数据点进行拟合，得出路缘石轮廓线。

最小二乘法常用于直线段y＝b₀+b₁x拟合，其b₀，b₁的表达式为：

式中，m表示待拟合的点数，即路缘石类簇w_k中所包含的扫描点数；(x_i，y_i)为待拟合的坐标值；b₁表示斜率，b₀表示截距。

优选地，在步骤2确定拟合系数过程中，各点到拟合直线的距离误差平方和的准则函数为：

该式可以改成以下矩阵形式求解：

则b的最小二乘解为：

在路缘石轮廓线拟合过程中，对右侧路缘石轮廓线的变化，采用卡尔曼滤波器进行跟踪，从而获得准确的路缘石轮廓线。

步骤3，车载工控机根据车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线、车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离，判断车辆是否偏离所在车道，并在车辆偏离所在车道时，向闪光蜂鸣器发送预警信号；

步骤3具体包括：

(3a)设定车辆偏离阈值，若车辆与车辆所在车道左右两条车道线之间的距离的差值大于所述车辆偏离阈值，且车辆转向灯未打开，则认为车辆偏离所在车道；

(3b)若车辆偏离所在车道的时间超过两秒，车载工控机向闪光蜂鸣器发送预警信号。

已知高速公路标准车道宽度d₀＝3.75m，高速公路右侧应急车道宽度为固定值d₁＝3.5m，拟合出高速公路右侧路缘石轮廓线之后，计算该线与车辆中心线(激光雷达位置)间的距离d₂。当车辆处于某车道中央位置时，式的余数m应近似等于标准车道宽的一半，即1.825。若|m-1.825|的值大于设定的阈值t_h，则表示当前车辆处于车道偏离状态。如果该状态持续2s，也就是采集到的连续25帧点云数据保持该状态，并且驾驶员未开启转向灯，则判定车辆此时为车道偏离状态，促使闪光蜂鸣器发出警报，提示驾驶员采取相应操作。当驾驶员操纵方向盘使得自身车辆处于所在车道中央位置后，闪光蜂鸣器恢复正常状态。

步骤4，闪光蜂鸣器根据车载工控机发送的预警信号，进行闪光蜂鸣。

综上，本发明实施例提供的一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置，包括车载工控机，用于实时检测自身车辆所在高速公路路段路缘石轮廓的多线激光雷达，用于报警的闪光蜂鸣器。左右两个多线激光雷达将采集到的高速公路场景点云数据发送给车载工控机，经数据处理后获得自车与所在车道两条左右车道线间的相对位置，然后利用闪光蜂鸣器给驾驶员进行车道偏离提示，从而使驾驶员在不良天气下仍能对高速公路上高速行驶的车辆的车道偏离状态做出有效判断，并根据提示谨慎采取变道和加减速操作，避免交通事故的发生；同时，本发明实施例提供的预警装置，主要部件采用多线激光雷达传感器和车载工控机，操作简单、检测方便、测量精度高，而且不易受外界天气影响也不存在安全隐患问题；该高速公路车道偏离预警装置投资费用少，适合大规模推广使用，其检测方法具有智能化，自动化和可靠度高的特点，能减少交通事故的发生。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置，其特征在于，所述装置包括：两个多线激光雷达传感器、车载工控机、闪光蜂鸣器，所述两个多线激光雷达传感器分别安装在车辆前保险杠两侧的左右对称位置，所述车载工控机安装在车辆仪表盘下方，所述闪光蜂鸣器安装在车辆仪表盘上；

其中，所述两个多线激光雷达传感器的输出端分别与所述车载工控机的I/O输入端电连接，所述车载工控机的I/O输出端与所述闪光蜂鸣器的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置，其特征在于，多线激光扫描雷达传感器为四线激光扫描雷达，且扫描频率为12.5Hz，扫描距离为0.3m-200m。

3.根据权利要求1所述的一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警装置，其特征在于，闪光蜂鸣器为AD16-22SM型闪光蜂鸣器。

4.一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警方法，所述方法应用于如权利要求1-3任一项所述的预警装置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，多线激光雷达传感器实时扫描车辆所在高速公路两侧的场景点云数据，并将所述场景点云数据发送给车载工控机；所述场景点云数据至少包括：高速公路两侧的路缘石轮廓线、车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离；

步骤2，车载工控机将所述场景点云数据进行聚类，得到车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线、车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离；

步骤3，车载工控机根据车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线、车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离，判断车辆是否偏离所在车道，并在车辆偏离所在车道时，向闪光蜂鸣器发送预警信号；

步骤4，闪光蜂鸣器根据车载工控机发送的预警信号，进行闪光蜂鸣。

5.根据权利要求4所述的一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警方法，其特征在于，步骤2具体包括：

(2a)记每个激光雷达传感器每帧采集N个扫描点，第n个扫描点P_n由方位角α_n和距离r_n组成,n＝0,1,…,N；

(2b)设定聚类半径R，将第i个扫描点作为第j组数据的聚类中心，且i的初值为1，j的初值为1，计算第i+1个扫描点与第i个扫描点之间的空间距离d(r_i,r_i+1)；

(2c)若第i+1个扫描点与第i个扫描点之间的空间距离d(r_i,r_i+1)小于聚类半径R，则将第i+1个扫描点归入第j组数据，并将第i+1个扫描点作为第j组数据的聚类中心；

若第i+1个扫描点与第i个扫描点之间的空间距离d(r_i,r_i+1)大于聚类半径R，将第i+1个扫描点作为第j+1组数据的聚类中心；

(2d)令i的值加1，并依次重复子步骤(2c)，直到完成N个扫描点的聚类，得到c个聚类目标；

(2e)计算c个聚类目标中每个聚类目标内任意两个扫描点之间的空间距离，并得到空间距离最大的两个扫描点所在的聚类目标，将该聚类目标作为路缘石类簇；

(2f)根据所述路缘石类簇中的所有扫描点对路缘石轮廓线进行拟合，得到车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线；

(2g)获取自身车辆的中心线，计算自身车辆的中心线与车辆所在高速公路两侧的路缘石轮廓线之间的距离，得到自身车辆与所在车道左右两条车道线之间的距离。

6.根据权利要求4所述的一种不良天气下高速公路车辆偏离车道的预警方法，其特征在于，步骤3具体包括：

(3a)设定车辆偏离阈值，若车辆与车辆所在车道左右两条车道线之间的距离的差值大于所述车辆偏离阈值，且车辆转向灯未打开，则认为车辆偏离所在车道；

(3b)若车辆偏离所在车道的时间超过两秒，车载工控机向闪光蜂鸣器发送预警信号。