CN109229011A - 一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统和方法，包括：车载摄像机、车道线检测模块、弯道曲率半径计算模块、车头灯转角计算模块、车速传感器、转向控制模块和车头灯转向控制机构。车载摄像机实时采集道路图像，车道线检测模块对采集到的图像进行相应处理提取出车道线信息，弯道曲率半径计算模块根据车道线信息计算出弯道曲率半径，车头灯转角计算模块根据弯道曲率半径及车速传感器采集的车速数据计算出车头灯的水平和垂直的转角，并通过转向控制模块对车头灯进行转向控制，使得车头灯能够适应道路走向。将其作为车辆弯道行驶安全的辅助系统，对驾驶员具有良好的辅助作用，能够极大地提高夜间弯道行驶的安全性和可靠性。

Description

一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统和方法
技术领域
本发明涉及一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统和方法，属于智能交通技术领域。
背景技术
随着社会经济持续快速发展，汽车保有量呈快速增长趋势，汽车的普及在给我们带来便利生活的同时，也带来了鲜血和泪水，随着汽车数量的不断增加速度的不断提高，交通事故发生的频率也在与口俱增。据有关部门统计，因汽车数量剧增和驾驶人数骤长带来的交通压力，我国每年出现大约50万起交通事故，死亡人数超过10万人，数据仍逐年呈上升趋势。而有25％的交通事故都发生在夜晚或者光线不足的情况下，并且50％的伤亡事故都是在夜间发生的。
通过对这些交通事故的统计分析发现，道路照明条件差是造成事故的重要原因之一，因此对汽车头灯照明效果的研究具有相当重要的现实意义。传统的汽车车头灯都是固定不动，针对不同环境下的道路环境照明效果不理想，而近年来研究的自主转向的车头灯都是基于方向盘转角控制的，主要根据驾驶员主观操作进行控制的，对道路的针对性、实时性较差。
因此开发一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统和方法尤为重要，在车辆行驶至弯道路段时能够及时调整车头灯转向，增大弯道照明区域，以避免交通事故的发生。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统和方法，将其作为车辆弯道行驶安全的辅助系统，对驾驶员具有良好的辅助作用，极大地提高了夜间弯道行驶的安全性和可靠性。
为达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统和方法，具体包括：车载摄像机、车道线检测模块、弯道曲率半径计算模块、车头灯转角计算模块、车速传感器、转向控制模块和车头灯转向控制机构。车载摄像机进行实时采集道路图像并将图像传输给车道线检测模块，车道线检测模块对采集到的图像进行相应处理并提取出车道线信息以传递给弯道曲率半径计算模块，弯道曲率半径计算模块根据车道线信息计算出弯道曲率半径并将数据传递给车头灯转角计算模块，车头灯转角计算模块根据弯道曲率半径及车速传感器采集的车速数据计算出车头灯的水平和垂直的转角数据并将其传输给转向控制模块，并将计算的数据传输给车头灯转向控制机构以实现对车头灯的转向控制，使得车头灯的方向适应道路走向。
车道线检测模块用于检测道路车道线，特别是对于弯道线的检测。该车道线检测方法具体如下：
1、将车载摄像头采集到的三维彩色道路图像进行灰度化处理得到灰度图像，以降低算法复杂度，提高运算效率；
2、利用直方图均衡化进行校正，提高图像对比度，达到增强图像的目的，以适应因天气等原因造成的光线不均匀的情况；
3、确定感兴趣区，车道线等有效信息一般分布在整个图像的下方区域，该区域大小根据车载摄像机安装位置确定，而上方其余区域为天空等非路面信息，因此裁减掉图像上方区域，以减少计算量；
4、利用中值滤波的方法对图像进行滤波去噪，可基本将噪声过滤且保证了道路图像平滑细腻；
5、对图像进行二值化处理提取车道线特征；
6、依据车道线形状特征使用Sobel左右分区45°进行边缘检测；
7、根据车道线在图像中的分布范围利用设定区域约束的Hough变换实现最终线性车道线的检测。
近视野区的车道线可近似看作直线进行检测，但图像中远视野区车道线呈曲线，因此Hough变换检测的直线在近视野区域效果较好，而远视野区直线将与车道线分离。二值化图像中车道线特征点的像素值为255，检测到的直线的像素值同为255，故从图像底层开始从下往上逐层查找不重合和像素点位置，通过Hough变换拟合出车道线直道部分的斜率k1,取一幅图像中车道线最底部的像素点(x0,y0)为基准像素点，并取一条车道线上每一个像素点(xi,yi)，i＝1,2,3...n，n表示像素点个数，进而分别求出与基准像素点连成直线的斜率ki，设定阈值k0,当连续三个像素点分别与基准像素点构成直线的斜率与直道斜率k1的差大于阈值k0，即|ki-k1|＞k0，|ki+1-k1|＞k0,|ki+2-k1|＞k0，则连续三个像素点中的起始像素点则为分离点，求ki的公式如下：i＝1,2,3...n，n表示像素点个数。
8、求出分离点后，标记为“X”，保留分离点以下直线部分，分离点所在行即为实线曲线检测的起始行。对于右侧车道，若分离点以上车道线特征点位于直线右侧，则该弯道为左转弯，反之则为右转弯。
9、对分离点以上车道线特征点利用抛物线模型通过最小二乘法进行拟合，拟合出曲线方程yi＝a0xi 2+b0xi+c0，与分离点以下保留的直线部分共同组成车道线，其中xi为每个像素点的横坐标，a0，b0，c0为拟合系数，yi为拟合曲线值。
弯道曲率半径计算模块用于计算弯道曲率半径。车头灯进行转向操作需要一定的延迟时间，因此需要预知前方道路环境从而进行相应操作，故该模块用来计算较远视野区的弯道半径，而近视野区的道路环境由之前的计算得出。在道路设计标准的情况下，一般会得到两条相互平行的曲线，为了简化计算，计算一侧车道线的曲率半径即可。规定当弯道为左转弯时计算右侧车道线曲率半径，右转弯时计算左侧车道线曲率半径。车道线检测模块对采集到的图像提取出车道线信息，表示为曲线方程yi＝a0xi 2+b0xi+c0，传递给弯道曲率半径计算模块；弯道曲率半径计算模块利用曲率半径公式求取每个点的曲率半径Ri，其中，y′i＝2a0xi+b0，y″i＝2a0，n为曲线上点的个数，经拉依达准则判别后剔除粗大误差并求取Ri的平均值作为弯道曲率半径R，并将其用于下一模块的计算。
车头灯转角计算模块用于计算车头灯的水平和垂直的转角。
当汽车在弯道上行驶时，驾驶员的安全视野应该在车头灯调节下自动适应弯道，为了保证弯道行车安全，SAE法规规定非对称光型分布的前照灯系统光束的明暗截止线可调整为大灯安装高度的100倍，即L＝100*H，式中，H为汽车前照灯中心距地面高度。
车头灯水平转角
式中R为弯道曲率半径，L车头灯的照射距离。
GB4599-94规定了车头灯配光性能要求，车头灯垂直调整角度应在上下0.6°之内。设车头灯的初始位置为水平向下0.6°，向上调节的角度记为β，则0°≤β≤0.6°，2009年的文献《基于驾驶模拟器的骑车AFS系统控制策略研究》给出了β和车速v之间的函数关系:
所述转向控制模块，通过模糊PID方法对车头灯的水平和垂直的转角进行控制。车头灯的水平和垂直的转角分别由两组自适应模糊PID控制算法进行控制。自适应模糊PID控制算法以角度偏差e和角度偏差变化ec作为输入，根据模糊控制规则对PID控制器的三个参数KP、Ki、Kd进行在线调整，产生控制信号u并通过车头灯转向控制机构去控制车头灯转向，位置传感器实时采集车头灯位置信息与目标转角进行比较，进而得到下一个角度偏差输入量。
自适应模糊PID控制具体实现步骤如下：
1.设定K'P、K′i、K'd的初始值为K'P、K′i、K'd；
2.通过位置传感器获取当前车头灯位置信息；
3.计算角度偏差e和角度偏差变化ec；
4.量化和模糊化e和ec，根据模糊控制规则表得到ΔKP、ΔKi、ΔKd的模糊量；
5.利用重心法解模糊化得到ΔKP、ΔKi、ΔKd的值；
6.对KP、Ki、Kd的值进行修正；
7.通过PID控制器产生控制信号进行输出。
KP、Ki、Kd的参数调整公式如下式所示：
式中，K'P、K′i、K'd分别为KP、Ki、Kd初始参数，ΔKP、ΔKi、ΔKd是经过模糊控制器推理并清晰化的精确值。
所述车头灯转向控制机构由两组二维步进电机构成，分别对左右两个车头灯进行控制，步进电机的两个维度分别对应水平和垂直的转角。
本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供了一种基于车道线检测的车头灯转向控制方法，能有效够解决车辆行驶至弯道路段时地车头灯转向的针对性和实时性问题。
附图说明
图1是车头灯转向控制方法整体结构示意图。
图2是车道线检测方法流程图。
图3是车道线逆透视变换示意图。
图4是车头灯水平转角调节模型。
图5是车头灯转向模糊PID控制示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
如图1-图5所示，一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统和方法，具体包括：车载摄像机、车道线检测模块、弯道曲率半径计算模块、车头灯转角计算模块、车速传感器、转向控制模块和车头灯转向控制机构。车载摄像机实时采集道路图像，车道线检测模块对采集到的图像进行相应处理提取出车道线信息，弯道曲率半径计算模块根据车道线信息计算出弯道曲率半径，车头灯转角计算模块根据弯道曲率半径及车速传感器采集的车速数据计算出车头灯的水平和垂直的转角，并将计算的数据传输给车头灯转向控制机构以实现对车头灯的转向控制，使得车头灯的方向适应道路走向。
车道线检测模块用于检测道路车道线，特别是对于弯道线的检测。该车道线检测方法具体如下：
1、将车载摄像头采集到的三维彩色道路图像进行灰度化处理得到灰度图像，以降低算法复杂度，提高运算效率；
2、利用直方图均衡化进行校正，提高图像对比度，达到增强图像的目的，以适应因天气等原因造成的光线不均匀的情况；
3、确定感兴趣区，车道线等有效信息一般分布在整个图像的下方区域，该区域大小根据车载摄像机安装位置确定，而上方其余区域为天空等非路面信息，因此裁减掉图像上方区域，以减少计算量；
4、利用中值滤波的方法对图像进行滤波去噪，可基本将噪声过滤且保证了道路图像平滑细腻；
5、对图像进行二值化处理提取车道线特征；
6、依据车道线形状特征使用Sobel左右分区45°进行边缘检测；
7、根据车道线在图像中的分布范围利用设定区域约束的Hough变换实现最终线性车道线的检测；
近视野区的车道线可近似看作直线进行检测，但图像中远视野区车道线呈曲线，因此Hough变换检测的直线在近视野区域效果较好，而远视野区直线将与车道线分离。二值化图像中车道线特征点的像素值为255，检测到的直线的像素值同为255，故从图像底层开始从下往上逐层查找不重合和像素点位置，通过Hough变换拟合出车道线直道部分的斜率k1,取一幅图像中车道线最底部的像素点(x0,y0)为基准像素点，并取一条车道线上每一个像素点(xi,yi)，i＝1,2,3...n，n表示像素点个数，进而分别求出与基准像素点连成直线的斜率ki，设定阈值k0,当连续三个像素点分别与基准像素点构成直线的斜率与直道斜率k1的差大于阈值k0，即|ki-k1|＞k0，|ki+1-k1|＞k0,|ki+2-k1|＞k0，则连续三个像素点中的起始像素点则为分离点，求ki的公式如下：i＝1,2,3...n，n表示像素点个数。
8、求出分离点后，标记为“X”，保留分离点以下直线部分，分离点所在行即为实线曲线检测的起始行，对于右侧车道，若分离点以上车道线特征点位于直线右侧，则该弯道为左转弯，反之则为右转弯。
9、对分离点以上车道线特征点利用抛物线模型通过最小二乘法进行拟合，拟合出曲线方程yi＝a0xi 2+b0xi+c0，与分离点以下保留的直线部分共同组成车道线，其中xi为为每个像素点的横坐标，a0，b0，c0为拟合系数，yi为拟合曲线值。
弯道曲率半径计算模块用于计算弯道曲率半径。车头灯进行转向操作需要一定的延迟时间，因此需要预知前方道路环境从而进行相应操作，故该模块用来计算较远视野区的弯道半径，而近视野区的道路环境由之前的计算得出。在道路设计标准的情况下，一般会得到两条相互平行的曲线，为了简化计算，计算一侧车道线的曲率半径即可。规定当弯道为左转弯时计算右侧车道线曲率半径，右转弯时计算左侧车道线曲率半径。
车道线检测模块对采集到的图像提取出车道线信息，表示为曲线方程yi＝a0xi 2+b0xi+c0，传递给弯道曲率半径计算模块，弯道曲率半径计算模块利用曲率半径公式求取每个点的曲率半径Ri，其中，y′i＝2a0xi+b0，y″i＝2a0，n为曲线上点的个数，经拉依达准则判别后剔除粗大误差并求取Ri的平均值作为弯道曲率半径R，并将其用于下一模块的计算。
车头灯转角计算模块用于计算车头灯的水平和垂直的转角，当汽车在弯道上行驶时，驾驶员的安全视野应该在车头灯调节下自动适应弯道，为了保证弯道行车安全，SAE法规规定非对称光型分布的前照灯系统光束的明暗截止线可调整为大灯安装高度的100倍，即L＝100*H，式中，H为汽车前照灯中心距地面高度。
车头灯水平转角
式中R为弯道曲率半径，L车头灯的照射距离。
GB4599-94规定了车头灯配光性能要求，车头灯垂直调整角度应在上下0.6°之内。设车头灯的初始位置为水平向下0.6°，向上调节的角度一记为β，则0°≤β≤0.6°，2009年的文献《基于驾驶模拟器的汽车AFS系统控制策略研究》出了β和车速v之间的函数关系：
所述转向控制模块，通过模糊PID方法对车头灯的水平和垂直的转角进行控制。车头灯的水平和垂直转角分别由两组自适应模糊PID控制算法进行控制。自适应模糊PID控制算法以角度偏差e和角度偏差变化ec作为输入，根据模糊控制规则对PID控制器的三个参数KP、Ki、Kd进行在线调整，产生控制信号u并通过车头灯转向控制机构去控制车头灯转向，位置传感器实时采集车头灯位置信息与目标转角进行比较，进而得到下一个角度偏差输入量。
自适应模糊PID控制具体实现步骤如下：
1、设定K'P、K′i、K'd的初始值为K'P、K′i、K'd；
2、通过位置传感器获取当前车头灯位置信息；
3、计算角度偏差e和角度偏差变化ec；
4、量化和模糊化e和ec，根据模糊控制规则表得到ΔKP、ΔKi、ΔKd的模糊量；
5、利用重心法解模糊化得到ΔKP、ΔKi、ΔKd的值；
6、对KP、Ki、Kd的值进行修正；
7、通过PID控制器产生控制信号进行输出。
KP、Ki、Kd的的参数调整公式如下式所示：
式中，K'P、K′i、K'd分别为KP、Ki、Kd初始参数，ΔKP、ΔKi、ΔKd是经过模糊控制器推理并清晰化的精确值。
车头灯转向控制机构由两组二维步进电机构成，分别对左右两个车头灯进行控制，步进电机的两个维度分别对应水平和垂直的转角。

Claims (9)

1.一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统，其特征在于：包括车载摄像机、车道线检测模块、弯道曲率半径计算模块、车头灯转角计算模块、车速传感器、转向控制模块和车头灯转向控制机构，所述的车载摄像机实时采集道路图像并将图像传输给车道线检测模块，车道线检测模块对采集到的图像提取出车道线信息并将车道线信息传递给弯道曲率半径计算模块，弯道曲率半径计算模块根据车道线信息计算出弯道曲率半径并将数据传递给车头灯转角计算模块，车头灯转角计算模块根据弯道曲率半径及车速传感器采集的车速数据计算出车头灯的水平和垂直的转角数据并将其传输给转向控制模块，转向控制模块通过车头灯转向控制机构实现对车头灯的转向控制，使车头灯的方向适应道路走向。
2.根据权利要求1所述的一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统，其特征在于所述的车头灯转向控制机构由步进电机组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于车道线检测的车头灯转向控制系统，其特征在于所述的步进电机数量为两组。
4.一种基于车道线检测的车头灯转向控制方法，应用于基于车道线检测的车头灯转向控制系统，其特征在于包括以下步骤：
S1:采集实时道路图像；
S2:从采集到的图像中提取出车道线信息；
S3:根据车道线信息计算弯道曲率半径；
S4:根据弯道曲率半径计算车头灯的水平和垂直的转角数据；
S5:根据转角数据控制车头灯的转向。
5.根据权利要求4所述的一种基于车道线检测的车头灯转向控制方法，其特征在于所述的步骤S2包括以下步骤：
S21：将采集到的三维彩色道路图像进行灰度化处理得到灰度图像，并利用直方图均衡化进行校正；
S22：确定有效信息区域；
S23：利用中值滤波的方法对图像进行滤波去噪并进行二值化处理提取车道线特征；
S24：依据车道线特征使用Sobel左右分区45°进行边缘检测；
S25：根据车道线在图像中的分布范围利用设定区域约束的Hough变换实现最终线性车道线的检测；
S26：从图像底层开始从下往上逐层查找不重合的像素点，通过Hough变换拟合出车道线直道部分的斜率k1,取一幅图像中车道线最底部的像素点(x0,y0)为基准像素点，并取一条车道线上每一个像素点(xi,yi)，i＝1,2,3...n，n表示像素点个数，进而分别求出与基准像素点连成直线的斜率ki，设定阈值k0,当连续三个像素点分别与基准像素点构成直线的斜率与直道斜率k1的差大于阈值k0，即|ki-k1|＞k0，|ki+1-k1|＞k0,|ki+2-k1|＞k0，则连续三个像素点中的起始像素点则为分离点，求ki的公式如下：i＝1,2,3...n，n表示像素点个数；
求出分离点后，保留分离点以下直线部分，分离点所在行即为实现曲线检测的起始行，对于右侧车道，若分离点以上车道线特征点位于直线右侧，则该弯道为左转弯，反之则为右转弯；
S27：对分离点以上车道线特征点利用抛物线模型通过最小二乘法进行拟合，拟合出曲线方程yi＝a0xi 2+b0xi+c0，与分离点以下保留的直线部分共同组成车道线，其中，xi为每个像素点的横坐标，a0、b0、c0为拟合系数，yi为拟合曲线值。
6.根据权利要求4所述的一种基于车道线检测的车头灯转向控制方法，其特征在于所述的步骤S3包括如下步骤：
S31：将车道线信息表示为曲线方程yi＝a0xi 2+b0xi+c0，其中xi为每个像素点的横坐标，a0、b0、c0为拟合系数，yi为拟合曲线值；
S32：利用曲率半径公式求取第i个点的曲率半径Ri，其中，y′i＝2a0xi+b0，y″i＝2a0，n为曲线上点的个数，取Ri的平均值作为弯道曲率半径R，i＝1,2,3，…，n。
7.根据权利要求4所述的一种基于车道线检测的车头灯转向控制方法，其特征在于所述的车头灯水平转角式中R为弯道曲率半径，L为车头灯的照射距离；车头灯垂直转角
其中，0°≤β≤0.6°,v是车速。
8.根据权利要求4所述的一种基于车道线检测的车头灯转向控制方法，其特征在于所述的步骤S5采用自适应模糊PID方法对车头灯的水平和垂直的转角进行控制。
9.根据权利要求8所述的一种基于车道线检测的车头灯转向控制方法，其特征在于所述的自适应模糊PID控制算法进行控制，具体步骤如下：
S51：设定KP、Ki、Kd的初始值为K'P、K′i、K'd；
S52：获取当前车头灯位置信息；
S53：计算角度偏差e和角度偏差变化ec；
S54：量化和模糊化e和ec，根据模糊控制规则表得到ΔKP、ΔKi、ΔKd的模糊量；
S55：利用重心法解模糊化得到ΔKP、ΔKi、ΔKd的值；
S56：对KP、Ki、Kd的值进行修正，KP、Ki、Kd的修正公式如式所示：
S57：通过PID控制器产生控制信号进行输出。
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