CN112937486B - 一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车涉水驾驶安全领域，公开了一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统，包括两个摄像头、车身倾角传感器、超声波雷达、辅助涉水按键、激光发射器、扬声器、显示屏、车辆控制设备、控制单元和电源。本发明还公开了上述系统的控制方法。步骤一、采集所需信息，包括路况图像、汽车俯仰角、超声波雷达至水面的垂直距离；步骤二、处理信息计算得到激光点处路面水深；步骤三、根据水深信息进行判断并提供建议车速和建议挡位，由所述扬声器向司机播报涉水驾驶安全警示音，由所述显示屏向司机提供驾驶建议提示信息，或由所述车辆控制设备辅助驾驶员控制车辆匀速缓行通过积水路面，提高了积水路面驾驶的安全性。

Description

一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车涉水驾驶安全领域，具体涉及一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统及方法。

背景技术

汽车在积水路面中的安全性，一直以来都是人们关注汽车的焦点之一。积水路面多发生于雨水天气下的低洼路面，有时也见于附近有河流、湖泊的地带。汽车淌水时，对车辆驾驶而言，如果车速过高会出现滑水现象导致汽车失稳；对路面行人而言，也会因为轮胎溅水路边行人引起社会公德问题。积水深度较大时，汽车淌水甚至可能导致积水进入发动机排气管，导致发动机熄火。如果水进入气缸，还会直接导致发动机配气机构和缸体缸盖的机械损坏，对发动机造成不可逆的严重损坏。同时，由于积水频繁的波动以及积水的不透明性，司机对于积水路面的信息获取难度较大，看不清地面障碍物或坑洞，导致容易出现操作失误引发汽车事故，甚至影响生命财产安全。因此，在面临积水路面时，汽车会有一定的受损风险，司机也难免会有通过还是等待的心理博弈；在通过时，司机操作的不熟练和心理的紧张，又会使得汽车面临的潜在危险在无形中放大。

现阶段，对于汽车涉水安全问题，基础的技术方案是检测车辆所在位置的水深，并以此为依据采取相应的保护措施。例如，专利CN 209351357 U中，其车辆涉水控制系统包括液位传感器、控制器和制动装置，液位传感器发出涉水深度信号，控制器接收涉水深度信号并在所述涉水深度信号超过所述控制器标定的涉水最大阈值时发出制动信号，制动装置在接收到所述控制器发出的制动信号后进行制动。该专利理论上可以使车辆在受损之前停车，缺点在于仅把汽车所在位置的水深作为考虑因素，忽略了车身姿态等因素，不能预测前方水深，无法给司机预留足够的反应时间，因此，即使危险情况可以被检测发现，但是司机仍然很难提前应对；同时，该方案缺少和司机的交互，司机在驾驶汽车淌水时没有掌握到更多的路况信息或行驶意见。

在此基础上，部分解决方案通过一些方法获取前方路面水深信息，进而可以为司机预留足够的反应时间。例如，在专利CN 109677266 A中，车辆周围积水深度数据可以通过以下方式中的一个或多个获得：通过无线通信从路基装置获得，通过网络从公共服务系统系统获得，通过车辆上设置不同高度的摄像头获得。但是，该专利获取车辆周围积水深度的前两种方法需要交通环境有相应的设施来支撑，第三种方法获取的深度是通过估计的方法，误差较大。例如，在专利CN 111645598 A中，通过车头处的超声波传感器发射两次超声波，以接收到的第一第二回波时长来计算倾斜距离，以水压测深模块检测出的超声波传感器位置处水的深度作为第一水深，控制模块根据特定角度和倾斜距离生成第二深度，再由第一第二水深来计算前方预设距离的涉水深度。该专利的不足之处是超声波频率高，传播近似直线，回波信号弱，且在预设距离内，发出两次超声波信号的时间间隔太短，误差太大，对测量仪器的精密性要求高。再例如，在CN 108621998 A中，通过测量周围预定范围内其他车辆的涉水深度来判断车辆能否安全涉水，其问题在于周围若无参照车辆，则无法预测周围水深。综合以上各专利，均存在对前方水深作有效测量的问题，如周围无参照车辆，仪器测量精度要求高。

双目测距是测量距离的方法之一，这种方法基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息。本发明借助激光高亮度、高聚光和高穿透性特点，并采用双目拍摄水面以下地面激光反射光点测距的方法，对车辆前方水深进行较准确的计算，并据此向司机提供合理的挡位、车速建议。此外，由于不同司机的操作熟练程度不同，对于不熟练的司机，现有方案实际的效果往往会大打折扣，因此，本发明还借助辅助驾驶，在必要时辅助司机完成相应的驾驶操作，避免因经验不足导致的驾驶失误。

发明内容

本发明设计开发了一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统，本发明的发明目的是帮助解决车内驾驶员行车涉水时因没能准确估计前方道路积水深度而引发事故问题。

所述一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统，包括：

输入模块，用于采集超声波雷达至水面的垂直距离、俯仰角和前方路况图像；

输出模块，用于向司机提供警示和驾驶建议或执行涉水辅助操作；

处理模块，即控制单元，用于接收所述输入模块提供的初始数据、计算前方水深，并发送控制指令至所述输出模块；

能源模块，即电源，用于提供电力。

所述输入模块包括：

摄像头一、摄像头二，位于风挡玻璃内侧上缘车内后视镜的背面，用于获取同一时刻、不同观测点的路况图像；

超声波雷达，用于检测超声波雷达至水面的垂直距离；

车身倾角传感器，用于检测车辆实时俯仰角度；

辅助涉水按键，用于给驾驶员提供希望系统辅助其安全通过涉水路面的输入接口。

所述输出模块包括：

激光发射器，位于所述摄像头一、所述摄像头二连线的中点位置，用于向前方路面投射一束特定频率的激光，从而在路面形成一个特定颜色的激光点，使得所述摄像头一和所述摄像头二能够对这一激光点所在附近同一路面拍摄获取两张路况图像；

扬声器，用于向司机播报涉水驾驶安全警示音；

显示屏，用于向司机提供驾驶建议提示信息；

车辆控制设备，用于在司机按下所述辅助涉水按键启用辅助驾驶功能且没有踩下汽车油门或刹车时，根据所述控制单元给出的建议实施控制车速及挡位。

所述控制单元的数据输入端分别与所述摄像头一、所述摄像头二、所述超声波雷达、所述车身倾角传感器和所述辅助涉水按键的信号输出端连接；所述控制单元的数据输出端分别与所述激光发射器、所述扬声器和所述显示屏的信号输入端连接。

所述控制单元与所述车辆控制设备经CAN通信线连接，进而控制车辆行驶。

本发明还设计开发了一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统的控制方法，本方法的发明目的是帮助解决车内驾驶员行车涉水时因没能准确估计道路积水深度而引发事故问题。

所述一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、采集所需信息，包括路况图像、汽车俯仰角、超声波雷达至水面的垂直距离；

步骤二、处理信息计算得到激光点处路面水深；

步骤三、根据水深信息进行判断并提供建议车速和建议挡位，由所述扬声器向司机播报涉水驾驶安全警示音，由所述显示屏向司机提供驾驶建议提示信息，或由所述车辆控制设备辅助驾驶员控制车辆匀速缓行通过积水路面。

所述摄像头一和所述摄像头二对包括所述激光点在内的同一路面同时拍摄获取的两张路况图像均为半径为ρ_max的圆形照片一和照片二，照片一中激光点位置与照片中心点连线的长度为ρ₁，该线段与水平线的夹角为θ_x1，照片二中激光点位置与照片中心点连线的长度为ρ₂，该线段与水平线的夹角为θ_x2，规定水平线向右的方向为0度，θ_x1、θ_x2以逆时针为正方向，且大于-180度、小于等于180度；所述超声波雷达于拍摄时刻检测超声波雷达至水面的垂直距离h，所述车身倾角传感器于拍摄时刻检测汽车的俯仰角α，规定汽车上坡时俯仰角为负，下坡时俯仰角为正。

所述激光点处路面水深的计算过程为：

第一步计算，

其中，x_B为激光点虚像相对于所述激光发射器的侧向距离，y_B为激光点虚像相对于所述激光发射器在汽车向上的方向上的距离，θ_z1为激光点虚像在所述摄像头一中所占的视锥角度，a为相对于车辆中轴线对称布置的所述摄像头一、所述摄像头二距离的一半，θ_z1max为所述摄像头一可以拍摄到的最大视锥角度；

第二步计算，

其中，z_B为激光点虚像相对于所述激光发射器在汽车前进方向上的距离，θ₁为激光在水面的入射角，θ₂为激光在水面的折射角，n₂₁取水对于空气的折射率1.33，θ₂取锐角；

第三步计算，

其中，a_C为激光在水面的入射点相对于激光点实像的侧向距离，c_C为激光在水面的入射点相对于激光点实像在水面纵向方向的距离，Δh含义为所述超声波雷达在汽车向上的方向上距离所述摄像头的距离，Δl含义为所述超声波雷达在汽车前进方向上与所述摄像头的距离；

最后计算得到，

其中，H为所述激光点处路面水深。

所述激光点处路面水深H与第一阈值、第二阈值相比较；

如果H≤所述第一阈值，所述的显示屏向司机提示“前方安全”，所述的扬声器不发声，车辆可安全通过；

如果所述第一阈值＜H≤所述第二阈值，所述的显示屏、所述的扬声器向司机提示“有积水，请切换至最低挡位低速行驶”，所述的显示屏同时显示前方水深数据，规范驾驶后可安全通过；

如果H＞所述第二阈值，所述的显示屏、所述的扬声器向司机提示“危险，禁止通行”，所述的显示屏同时显示前方水深数据，车辆无法安全通过。

所述的车辆控制设备是否执行辅助驾驶功能，由驾驶员是否按下所述的辅助涉水按键来决定；所述辅助驾驶功能为，判断前方水深大于所述第一阈值且不大于所述第二阈值时，控制汽车保持最低挡、低速缓行。

本发明至少具有以下有益效果：

1.本发明借助激光发射器和双目摄像方法，并结合超声波雷达测量方法，可以较准确地检测前方路面水深，为司机预留足够的反应时间，提供更加合理的驾驶建议，有效避免因没能准确估计前方道路积水深度而引发的事故。

2.本发明具备涉水辅助驾驶功能，可以对非熟练驾驶员提供有效的涉水驾驶辅助，防止司机因情绪紧张、经验不足等因素在控制车速及挡位时可能出现的操作失误而引发发动机进水故障，确保人员财产安全。

3.本发明具备语音警示和驾驶建议提示，可以对熟练驾驶员提供有效的驾驶建议辅助，配合驾驶员决策是否涉水通过或涉水渡过时确保安全。

4.本发明较多采用车辆已有设备，新增设备较少且成本低廉，对车辆原有系统改造升级的成本较低、布置方便、工作可靠性高。

附图说明

图1为本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统在汽车上的布置位置图。

图2为本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统的电路原理图。

图3为计算前方积水水深的各参考点的位置关系图。

图4为摄像头一所拍摄的照片一的近似图像。

图5为拍摄图像在参考坐标系x-y平面上的视图。

图6为摄像头一拍摄区域的立体示意图。

图7为本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助方法软件主程序流程图。

图8为本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助方法中信息收集子程序流程图。

图9为本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助方法中建议提供子程序流程图。

图10为本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助方法中辅助驾驶子程序流程图。

图11为道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统组成及工作原理图。

主要部件标号说明：1.摄像头一，2.摄像头二，3.激光发射器，4.超声波雷达，5.车身倾角传感器，6.控制单元，7.扬声器，8.显示屏，9.车辆控制设备，10.电源，11.辅助涉水按键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示为道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统在汽车上的布置位置图。本发明提供所述的一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统共分为四大部分：

1.输入模块：

包括摄像头一1、摄像头二2、超声波雷达4、车身倾角传感器5、辅助涉水按键11。

两个摄像头1、2用于采集前方路面的图像，为避免雨水、积水等恶劣环境影响摄像头的工作可靠性，同时为摄像头提供较好的视野，故将摄像头1、2放置于风挡玻璃内侧上缘车内后视镜的背面，摄像头的拍摄方向与车头朝向一致。

超声波雷达4用于检测超声波雷达至水面的垂直距离，且不能在危险来临前被水淹没。超声波雷达4可以直接采用目前多数车辆已有的超声波雷达4，放置于保险杠上，也可以布置于汽车车外后视镜下侧。

车身倾角传感器5实时检测车体倾斜角度，安装在后排地板中央。

辅助涉水按键11是用于给驾驶员提供希望系统辅助其安全通过涉水路面的输入接口，其布置于驾驶室中控仪表台上，默认初始状态始终为不启动，即关闭系统辅助驾驶员涉水通行的功能。

2.处理模块：

包括控制单元6。控制单元6接收所述输入模块提供的初始数据，进行计算处理，并将计算结果和相关指令发送至输出设备。控制单元6安装在车内中控台内部，不影响其他设备进行正常工作；当然也可以在不具备该系统的车辆上通过后期加装，与输出模块的警示器件集成为一个整体装置粘贴固定在中控仪表台外表面上。

3.输出模块：

包括激光发射器3、警示器件扬声器7和显示屏8，以及车辆本身电气系统中的车辆控制设备9。

激光发射器3用于向路面投射一束特定频率的激光，从而在路面形成一个特定颜色的激光点，便于使摄像头一1、摄像头二2对这一反映路面实际位置的同一激光点同时获取两张图像。为使激光能顺利照射到前方路面、摄像头能采集到前方含有激光点的图像，应将激光发射器3与摄像头高度设置为同一高度，可以将激光发射器3放置于两摄像头的中间位置。激光发射器3朝向汽车前方，冲前发射，且与地面成一定交角，确保激光与路面形成交点，具体的角度应根据激光点的位置做出调整。激光点距离车身过远时，由于地面的起伏、水面对光线的削弱，实际效果会较差；激光点距离车身过近时，起不到预测的作用，作为实施例优选，这里选取5m的激光点距离，即应当调整激光发射器3的朝向直至激光点位于车前路面约5m处。

作为警示器件的扬声器7和显示屏8可以在汽车制造总装时嵌入汽车中控仪表上；也可以通过后市场加装，与处理模块作为一个整体装置粘贴固定在汽车中控仪表台外部，不影响驾驶员正常操作，并可以快捷地向驾驶员提供警示信息。

车辆控制设备9为车辆本身电气系统，放置于中控台内部，与本发明所述控制单元CAN通信连接。在司机按下所述辅助涉水按键11启用辅助驾驶功能，且没有踩下油门或刹车时车辆控制设备9根据控制单元6给出的控制指令自动控制汽车电子油门开度、电子液压制动主缸压力和自动变速器挡位，使车辆保持在合适的速度和挡位；在司机踩下油门或刹车时或再次按下辅助涉水按键11时，控制单元6停止控制车辆控制设备9对车辆进行控制干预，系统退出，此时车辆完全由驾驶员实施控制，以避免影响驾驶员操控车辆。

4.能源模块：

包括电源10，用于向上述所有用电设备提供电力，这里可以采用车载12V电源。

系统电路如图2所示，输入模块的摄像头一、摄像头二、车身倾角传感器以及超声波雷达的信号输出端与控制单元的数据输入端经数字信号线相连，并要求上述输入模块的信号获取在系统时钟的控制下实现同步操作，从而便于准确计算前方路面积水水深。控制单元的数据输出端与输出模块的激光发射器、显示屏和扬声器的输入端经数字信号线连接，激光发射器在系统时钟的控制下与输入模块的设备实现同步操作。控制单元的通信接口与输出模块的车辆控制设备经CAN通信线连接，从而实现对系统警示和辅助涉水功能的有效控制。输入模块，控制单元以及输出模块均由车载电源供电。各元件的Vcc端与电源Vcc端相连，各元件的GND端与电源GND端相连。

如图3所示为本发明计算前方积水水深的各参考点的位置关系图，具体计算原理描述如下：

图中设摄像头1所在位置为O₁，摄像头2所在位置为O₂，激光发射器所在位置为O(O位于O₁O₂中点)，由于水面折射作用，激光发射器在路面上A点形成激光点，路面激光点经水折射后形成的虚像的位置为B，激光发射器发出的激光在水面折射位置为C，A点水深为AD，超声波雷达所在位置为E，检测距离为EF，超声波雷达距离地面的高度为EG。

计算的思路是：第一步，建立拍摄坐标系，确定虚像B在拍摄坐标系的位置；第二步，建立地面坐标系，确定虚像B、激光发射器O在地面坐标系的位置；第三步，依据折射定律，确定实像A在地面坐标系的位置，进而得到A点水深。

第一步，确定虚像B在拍摄坐标系的位置：

以O点为原点，车辆前进的方向为z方向，车辆右侧的方向为x方向，垂直于z、x方向向上的方向为y方向，建立拍摄坐标系。本部分的目标是求出B点在拍摄坐标系中的坐标(x_B,y_B,z_B)。

如图4所示为摄像头一所拍摄的照片一的近似图像，其中O₁为图像中心，图像半径为ρ_max，B₁为激光点在照片一中的位置，可提取出的信息为ρ₁/ρ_max和θ_x1，θ_x1逆时针方向为正，且θ_x1大于-180度、小于等于180度。同理，可由摄像头二所拍摄的照片二得到ρ₂/ρ_max和θ_x2。

如图5所示为拍摄图像在坐标系在x-y平面上的视图，O₁、O₂分别为两摄像头中心，两摄像头相对于车辆中轴线对称布置，且距离已知，为2a。依据图像处理求出的θ_x1和θ_x2，可得O₁B和O₂B两直线方程为：

由此可求出点B在x、y方向的坐标：

如图6所示为摄像头一拍摄区域的立体示意图，锥形内的区域为摄像头拍摄到的区域，i方向为摄像头一的拍摄方向，该方向与汽车前进方向一致。θ_z1max为摄像头一可以拍摄到的最大视锥角度。B至i轴的距离为ρ₁'，B所在圆形面的半径为ρ_max'。图中有这样的几何关系：

可得：

由于图6中的圆由图4中的圆等比例放大得到，因此

依据已经求出的ρ₁/ρ_max，可得

向量O₁B可表示为(a+x₀,y₀,z₀)，取z轴方向向量(0,0,1)，则

由此可求出点B在z方向上的坐标：

至此根据公式(2)和公式(7)可以得到点B的所有坐标。其几何意义为，路面上激光点成的虚像B在拍摄坐标系中的坐标值(x_B,y_B,z_B)。

第二步，确定虚像B、激光发射器O在地面坐标系的位置：

以D点为原点，垂直于水平面向上的方向为b方向，垂直于b方向、与车辆前进方向一致的方向为c方向，垂直于b方向、与车辆右转方向一致的方向为a方向，建立地面坐标系。本部分的目标是求出B点在地面坐标系中的坐标(a_B,b_B,c_B)和O点在地面坐标系中的坐标(a_O,b_O,c_O)。

地面坐标系中的a方向与拍摄坐标系中的x方向一致，b方向与y方向的夹角、c方向与z方向的夹角都是汽车的俯仰角α。地面坐标系中，b＝0的平面是水面。

因为布置已确定，故已知超声波雷达在y方向上比摄像头低Δh，即OE在y方向上的投影长为Δh；已知超声波雷达在z方向上比摄像头靠前Δl，即OE在z方向上的投影长为Δl；设超声波雷达至水面的垂直距离为h，即EF长为h；车身倾角传感器测得的俯仰角为α，这里规定汽车上坡时俯仰角为负，下坡时俯仰角为正。由此可得O至水面的距离为

h_O＝h+Δh·cosα+Δl·sinα (8)

根据已经求出的(x_B,y_B,z_B)，可得B至水面的距离为

h_B＝h_O+y_B·cosα-z_B·sinα (9)

由此可得在地面坐标系中，B的坐标为

(a_B,b_B,c_B)＝(0,h_B,0) (10)

依据h_O，(a_B,b_B,c_B)及(x_B,y_B,z_B)，可得O点在地面坐标系的坐标为

至此，由式(10)和式(11)我们得到了在地面坐标系中B、O的坐标值。

第三步，确定实像A在地面坐标系的位置：

本部分的计算都在地面坐标系进行。在光线OCA中，设入射角为θ₁，出射角为θ₂。则在地面坐标系中，向量AC与向量(0,1,0)的所夹的锐角为θ₂。本部分的目标是求出A点在地面坐标系中的坐标为(0,b_A,0)。

依据已经求出的B(a_B,b_B,c_B)及O(a_O,b_O,c_O)，向量OB为(a_B-a_O,b_B-b_O,c_B-c_O)，向量OB与向量(0,1,0)的所夹的锐角为θ₁，因此

由折射定律，

得

式中，n₂₁取水对于空气的折射率1.33，θ₂取锐角。

直线OB与水平面b＝0的交点即为C(a_C,0,c_C)，在a-b平面上，直线OB为

代入b_C＝0，得

在b-c平面上，直线OB为

代入b_C＝0，得

依据所设的A(0,b_A,0)及已经求出的C(a_C,0,c_C)，向量AC为(a_C,-b_A,c_C)，向量AC与向量(0,1,0)的所夹的锐角为θ₂，θ₂已求出，因此

解得

由式(20)可得A在地面坐标系的坐标值(0,b_A,0)。

依据地面坐标系的定义方法，|b_A|即为A处水深AD。

至此，根据式(20)可以求出A处水深|b_A|，该数值为距离车前

的路面处的水深。在本实施例中，由于激光发射器的位置调整至照射到车前5m左右，因此该数值可视为车前方5m处的水深数值。

以上过程可简化为：

H为激光点处路面的水深。

本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统控制单元6中存储有能够完成汽车道路积水车载在线监测与驾驶辅助功能的软件，其软件主程序流程图如图7所示。软件流程步骤如下：数据初始化之后，控制单元产生时间触发信号，通过该信号使输入模块的设备和激光发射器实现同步工作。当时间触发信号产生时，调用信息收集子程序，控制单元接收到所需的信息后，控制单元根据公式(21)至公式(28)计算前方路面A点水深H，并以此为依据，调用建议提供子程序，向司机给出驾驶建议，当司机按下辅助涉水启用辅助驾驶功能时，调用辅助驾驶子程序，车辆控制设备将依据驾驶建议，在必要时辅助司机完成部分驾驶操作。若车辆不处于驾驶状态则停止工作，若车辆处于驾驶状态则重复上述过程直到车辆脱离驾驶状态。

如图8所示为本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助方法中信息收集子程序，当输入模块的设备和激光发射器收到时间触发信号时，各设备开始同步工作。激光发射器向前方路面约5米处的位置发射特定频率的激光，使前方路面约5米处产生特定颜色的激光点；摄像头一、摄像头二同时拍摄前方路面照片，得到两张含有激光点的照片，并提取图像信息，摄像头一返回θ_x1和ρ₁/ρ_max数据，摄像头二返回θ_x2和ρ₂/ρ_max数据；车身倾角传感器测量车身俯仰角，返回车身俯仰角α；超声波雷达测量超声波雷达至水面的垂直距离，返回该距离h。以上信息全部返回至控制单元后，之后信息收集子程序结束。

如图9所示为本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助方法中建议提供子程序，对于前方不同类型的路面水深判定阈值会有不同，这里取二分之一保险杠高度及保险杠高度分别作为第一阈值和第二阈值。接收信息收集子程序得到前方水深H后判断，若水深H小于等于第一阈值，则前方可以安全通过，显示屏向司机提示“前方安全”，扬声器不发声；若水深H大于第一阈值二分之一保险杠高度但小于等于第二阈值保险杠高度，则表明前方有一定积水、但低挡位、低车速可安全通过，显示屏、扬声器向司机提示“有积水，请切换至最低挡位低速行驶”，显示屏同时显示前方水深数据；若水深H大于第二阈值，即大于保险杠高度，则判断前方水深危险，有发动机进水危险，故禁止通行，此时显示屏、扬声器向司机提示“危险，禁止通行”，显示屏同时显示前方水深数据。

如图10所示为本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助方法中辅助驾驶子程序，当前方无积水时，车辆控制设备不进行操作；当前方有积水时，若驾驶员正在踩踏油门或刹车，则车辆控制设备不进行操作，防止违背驾驶员意志；若驾驶员未踩踏油门或刹车，则车辆控制设备代替驾驶员控制汽车挡位与速度，当前方水深H不大于第二阈值时，即表明可以安全通过时，发送指令给车辆控制设备9控制汽车保持最低挡、匀速5km/h前进，方向仍由驾驶员控制，当检测前方积水太深危险时，汽车制动停车。期间如果驾驶员一旦任意踩踏制动踏板或加速踏板，辅助涉水功能则退出。

如图11所示为本发明所述的道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统组成及工作原理图。其工作原理描述如下：

首先，输入模块的设备和激光发射器在控制单元的时间信号控制下同步工作，激光发射器向两前车轮前方约5米处的路面投射一个激光点，摄像头一、二从汽车的两个位置同时拍摄路面情况、得到两张含有激光点的图片并提取激光点的位置信息，超声波雷达于拍摄时刻检测超声波雷达至水面的垂直距离，车身倾角传感器于拍摄时刻检测汽车的俯仰角度、获取车身姿势；辅助涉水按键实时获取驾驶员需求系统辅助涉水的需求指令。以上信息采集过程结束后，输入设备发送以上信息至控制单元，控制单元对这些信息进行计算、处理，得到激光点处路面的水深信息；最后，控制单元将处理结果发送给输出设备，扬声器向司机播报安全警示音，显示屏向司机显示提供提示界面，以提高司机驾驶的安全性和便捷性。当司机按下辅助涉水按键、启用辅助驾驶功能时，车辆控制设备将在必要时帮助司机控制车速及挡位。系统每通过一次上述流程，即可获得两前车轮前方车前方约5米处某点的水深信息并向司机提供相应的驾驶建议。由于电子设备的运行速度较快，因此可在足够短的时间内多次通过上述流程，使得前后所得的多组数据有较好的连续性，从而可以为司机不间断地提供驾驶建议直至安全通过积水路面。

Claims (4)

1.一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统，其特征在于，包括：

摄像头一、摄像头二，位于风挡玻璃内侧上缘车内后视镜的背面，用于获取同一时刻、不同观测点的包含激光点的路况图像；

超声波雷达，用于检测超声波雷达至水面的垂直距离；

车身倾角传感器，用于检测车辆实时俯仰角度；

辅助涉水按键，用于给驾驶员提供希望系统辅助其安全通过涉水路面的输入接口；

激光发射器，位于所述摄像头一、所述摄像头二连线的中点位置，用于向前方路面投射一束特定频率的激光，从而在路面形成一个特定颜色的激光点，使得所述摄像头一和所述摄像头二能够对这一激光点所在附近同一路面拍摄获取两张路况图像；

扬声器，用于向司机播报涉水驾驶安全警示音；

显示屏，用于向司机提供驾驶建议提示信息；

车辆控制设备，用于在司机按下所述辅助涉水按键启用辅助驾驶功能且没有踩下汽车油门或刹车时，根据控制单元给出的建议实施控制车速及挡位；

电源，用于提供电力；

控制单元，其内部存储有一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助方法，包括：

步骤一、采集所需信息，包括含有激光点的路况图像、汽车俯仰角、超声波雷达至水面的垂直距离；

步骤二、计算激光点虚像相对于摄像头的相对位置，进而计算激光点实像相对于水面的相对位置，得到激光点处路面水深；

步骤三、根据水深信息进行判断并提供建议车速和建议挡位，由所述扬声器向司机播报涉水驾驶安全警示音，由所述显示屏向司机提供驾驶建议提示信息，或由所述车辆控制设备辅助驾驶员控制车辆匀速缓行通过积水路面；

所述步骤一的具体流程为：所述摄像头一和所述摄像头二对包括所述激光点在内的同一路面同时拍摄获取的两张路况图像为半径为ρ_max的圆形照片一和照片二，照片一中激光点位置与照片中心点连线的长度为ρ₁，该连线与水平线的夹角为θ_x1，照片二中激光点位置与照片中心点连线的长度为ρ₂，该连线与水平线的夹角为θ_x2，规定水平线向右的方向为0度，θ_x1、θ_x2以逆时针为正方向，且大于-180度、小于等于180度；所述超声波雷达于拍摄时刻检测超声波雷达至水面的垂直距离h，所述车身倾角传感器于拍摄时刻检测汽车的俯仰角α，规定汽车上坡时俯仰角为负，下坡时俯仰角为正；

所述步骤二的具体流程为：

第一步计算，

其中，x_B为激光点虚像相对于所述激光发射器的侧向距离，y_B为激光点虚像相对于所述激光发射器在汽车向上的方向上的距离，θ_z1为激光点虚像在所述摄像头一中所占的视锥角度，a为相对于车辆中轴线对称布置的所述摄像头一、所述摄像头二距离的一半，θ_z1max为所述摄像头一可以拍摄到的最大视锥角度；

第二步计算，

其中，z_B为激光点虚像相对于所述激光发射器在汽车前进方向上的距离，θ₁为激光在水面的入射角，θ₂为激光在水面的折射角，n₂₁取水对于空气的折射率1.33，θ₂取锐角；

第三步计算，

其中，a_C为激光在水面的入射点相对于激光点实像的侧向距离，c_C为激光在水面的入射点相对于激光点实像在水面纵向方向的距离，Δh含义为所述超声波雷达在汽车向上的方向上距离所述摄像头的距离，Δl含义为所述超声波雷达在汽车前进方向上与所述摄像头的距离；

最后计算得到，

其中，H为所述激光点处路面水深。

2.根据权利要求1所述的一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统，其特征在于，所述控制单元的数据输入端分别与所述摄像头一、所述摄像头二、所述超声波雷达、所述车身倾角传感器和所述辅助涉水按键的信号输出端连接，所述控制单元的数据输出端分别与所述激光发射器、所述扬声器和所述显示屏的信号输入端连接，所述控制单元与所述车辆控制设备经CAN通信线连接。

3.根据权利要求1所述的一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统，其特征在于，所述激光点处路面水深与第一阈值、第二阈值相比较；

如果所述激光点处路面水深≤所述第一阈值，所述的显示屏向司机提示“前方安全”，所述的扬声器不发声，车辆可安全通过；

如果所述第一阈值＜所述激光点处路面水深≤所述第二阈值，所述的显示屏、所述的扬声器向司机提示“有积水，请切换至最低挡位低速行驶”，所述的显示屏同时显示前方水深数据，规范驾驶后可安全通过；

如果所述激光点处路面水深＞所述第二阈值，所述的显示屏、所述的扬声器向司机提示“危险，禁止通行”，所述的显示屏同时显示前方水深数据，车辆无法安全通过。

4.根据权利要求3所述的一种道路积水车载在线监测与驾驶辅助系统，其特征在于，由驾驶员是否按下所述的辅助涉水按键，来决定所述的车辆控制设备是否执行辅助驾驶功能；所述辅助驾驶功能为，判断前方水深大于所述第一阈值且不大于所述第二阈值时，控制汽车保持最低挡、低速缓行。

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