CN112967501B - 一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于交通安全领域，公开了一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警系统及方法，该装置包括：雷达‑视频一体化监控设备、LED情报板、高音喇叭、警示灯和数据处理中心；雷达‑视频一体化监控设备上集成有毫米波雷达和摄像头；毫米波雷达用于实时监测来车的位置和运动参数，摄像头用于采集当前道路的图像；LED情报板和警示灯分别设置于匝道口的前方，用于提前对危险车辆的后方车辆进行提醒；高音喇叭设置于匝道口的前方，用于对危险驾驶车辆的驾驶员进行警示。本发明能够及时识别出高速公路匝道前车辆危险驶出主道行为，通过语音播报和情报板对危险车辆及其后方车辆进行危险预警，提高行车安全性。

Description

一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警系统及方法
技术领域
本发明涉及道路交通安全技术领域，具体涉及一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警系统及方法。
背景技术
车辆危险驶离主道行为是指在车辆需通过匝道驶出高速公路主道时，因驾驶员不熟悉路况，未能提前变道至匝道前的最右侧车道而紧急强行变道或急减速甚至停车辨识路况的行为。随着高速路网的逐渐完善和汽车产量的飞速上升，高速公路上车流大、车速快的特点愈发明显，车辆危险驶离主道行为极易与后方车辆发生严重的交通事故，如紧急强行变道易与相邻车道后方来车发生冲突，急减速极易与当前车道后方来车发生冲突。
交通法规虽已对该类行为明令禁止，同时通过车道标线的方式对驾驶员进行提醒，但出于各种原因，由于危险驶离主道行为而造成的事故频频发生，带来了重大的人身和财产损失。事故的频发一方面是驾驶员的主观行为，另一方面是现有单纯依靠标线对驾驶员警示作用的不足。因此，如何有效的降低驾驶员的危险驶离主道行为，提高高速公路行车安全性成为一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警系统及方法，能够及时识别出高速公路匝道前车辆危险驶出主道行为，通过语音播报和情报板对危险车辆及其后方车辆进行危险预警，提高行车安全性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
技术方案一：
一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警系统，包括：雷达-视频一体化监控设备、LED情报板、高音喇叭、警示灯和数据处理中心；其中，所述雷达-视频一体化监控设备上集成有毫米波雷达和摄像头；所述毫米波雷达用于实时监测来车的位置和运动参数，所述摄像头用于采集当前道路的图像；
所述雷达-视频一体化监控设备安装于匝道口的标志牌上，所述雷达-视频一体化监控设备通过光纤与数据处理中心连接；所述数据处理中心通过光纤分别与LED情报板、高音喇叭、警示灯连接；
所述LED情报板和警示灯分别设置于匝道口的前方，即来车方向侧，用于提前对危险车辆的后方车辆进行提醒；
所述高音喇叭设置于匝道口的前方，用于对危险驾驶车辆的驾驶员进行警示。
本发明技术方案一的特点和进一步的改进在于：
进一步的，所述运动参数为车辆的速度、纵向加速度和横向加速度位。
进一步的，所述LED情报板分别设置于匝道口的前方100米、200米、300米、400米、500米。
进一步的，所述警示灯布置于匝道口前方500米的道路两侧。
进一步的，所述数据处理中心为监控中心。
技术方案二：
一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警方法，包括以下步骤：
步骤1，毫米波雷达实时采集匝道口前方道路的点云数据；摄像头实时采集道路图像；其中，由点云数据可得到监测范围内所有车辆的位置和运动参数；
步骤2，根据该匝道口前方道路的点云数据，判断是否存在危险驶离主道行为，若是，则通过警示灯进行警示，并转入步骤3；
步骤3，根据存在危险驶离主道行为的车辆的位置，通过时空配准法确定该车辆在对应时刻的道路图像中的位置，并对该位置处的车辆进行车牌号码识别，得到该车辆的车牌号码；将该车牌号码分别通过LED情报板和高音喇叭进行显示和播报，以对危险驶离主道车辆及其后方车辆进行预警。
本发明技术方案二的特点和进一步的改进在于：
进一步的，所述根据该匝道口前方道路的点云数据，判断是否存在危险驶离主道行为，具体为：
(2.1)根据该匝道口前方道路的点云数据，确定该点云数据对应的毫米波雷达，据此人工对该匝道口前方道路的车道线进行标定，确定每个车辆所处的车道；
(2.2)对于最右侧车道上的车辆默认不存在危险行为；
(2.3)对于其余车道上的车辆，采用危险驶离主道判断条件判断是否存在危险驶离主道行为。
更进一步地，所述危险驶离主道判断条件为：
(a)存在车辆纵向车速大于等于0小于80km/h，且持续时间大于2s；
(b)存在车辆纵向加速度小于-3m/s2，且持续时间大于0.5s；
(c)存在车辆的横向加速度大于0.5m/s2，且横向车速大于0，且与相邻右侧车道的车道线间的横向距离小于0.5米；
其中，横向加速度的方向为由当前车道垂直指向右侧相邻车道；
若某车辆满足上述任一条件，则判断为存在危险驶离主道行为。
进一步地，所述根据存在危险驶离主道行为的车辆的位置，通过时空配准法确定该车辆在对应时刻的道路图像中的位置，具体为：
(3.1)确定与每一帧雷达数据时间间隔最小的道路图像，即将雷达每帧点云数据与道路图像进行时间匹配，找到危险驶离主道行为的车辆对应的道路图像；
(3.2)对雷达点云数据与匹配的道路图像进行空间匹配，即通过坐标转换找到危险驶离主道行为的车辆在该道路图像上的位置；具体步骤为：
(a)建立世界坐标系Ow-XwYwZw，；以毫米波雷达所处位置为原点建立雷达坐标系，设雷达检测到危险驶离主道行为的车辆即目标车辆的位置坐标为(r,α)；其中，r为雷达扫描半径，α为雷达扫描角度；
(b）将目标车辆的位置从雷达坐标系转换到世界坐标系，得到世界坐标系下的目标车辆的位置(X,Y,Z)：
Figure BDA0002949104320000041
其中，Z0为雷达的中心所处水平平面与摄像头的中心所处的水平平面的之间的竖直距离，H为雷达的中心所处竖直平面与摄像头的中心所处的竖直平面之间的水平距离；
(c)将目标车辆的位置从世界坐标系转换到相机坐标系，得到相机坐标系下的目标车辆的位置(XC,YC,ZC)：
Figure BDA0002949104320000042
其中，R是大小为3×3的矩阵，表示空间坐标旋转矩阵；T是大小为3×1的矩阵，表示空间坐标平移矩阵，上标T表示矩阵的转置；
(d)将目标车辆的位置从相机坐标系转换到图像坐标系，得到图像坐标系下的目标车辆的位置(x,y)：
Figure BDA0002949104320000051
其中，f为相机焦距；
(e))将目标车辆的位置从图像坐标系转换到像素坐标系，得到像素坐标系下的目标车辆的位置(u,v)：
Figure BDA0002949104320000052
其中，(u0,v0)为道路图像的左上角像素点的坐标。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明针对匝道口处内侧车道上车辆直接进行变道驶离主道的危险驾驶行为，通过在匝道口处布置的路侧雷达-视频一体化监控设备实时监测道路中行驶车辆横向与纵向的车速及减速度。利用车速判断是否存在车辆停车，利用加速度判断是否有车辆急减速，利用车速与加速度判断是否有车辆危险变道。对于存在具有以上危险驶出主道行为的车辆，通过摄像头与雷达配准找到危险车辆在图像中的位置并通过图像识别该车辆的车牌号码，通过语音播报该号码警示驾驶员，同时通过LED情报板显示危险车辆所在车道提醒后方车辆减速避让，既能大大减少工作人员的工作量同时有效提高预警效率，降低危险驶出主道行为导致的交通事故。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明实施例的一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警系统的安装示意图；
图2为本发明实施例的一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警方法的流程示意图；
图3为本发明的空间匹配坐标转换过程中的坐标系。
以上图中，1雷达-视频一体化监控设备；2LED情报板；3高音喇叭；4警示灯；5数据处理中心。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例1
参考图1，本发明提供一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警系统，包括：雷达-视频一体化监控设备1、LED情报板2、高音喇叭3、警示灯4和数据处理中心5；其中，所述雷达-视频一体化监控设备1上集成有毫米波雷达和摄像头；所述毫米波雷达用于实时监测来车的位置和运动参数，所述摄像头用于采集当前道路的图像；所述雷达-视频一体化监控设备1安装于匝道口的标志牌上，所述雷达-视频一体化监控设备1通过光纤与数据处理中心5连接；所述数据处理中心5通过光纤分别与LED情报板2、高音喇叭3、警示灯4连接；所述LED情报板2和警示灯4分别设置于匝道口的前方，即来车方向侧，用于提前对危险车辆的后方车辆进行提醒；所述高音喇叭3设置于匝道口的前方，用于对危险驾驶车辆的驾驶员进行警示。
以上实施例中，毫米波雷达采集监测范围内的点云数据，进而得到车辆的速度、纵向加速度和横向加速度位，其探测距离为200米。
以上实施例中，可以在匝道口向来车方向的100米、200米、300米、400米、500米处分别设置LED情报板2，以在500米内多次向危险驶离主道车辆的后方车辆进行警示。警示灯4布置于匝道口前方(即向来车方向)500米的道路两侧，用于视觉警示危险驶离车辆和后方车辆存在异常情况。
本实施例中，数据处理中心5可以设置于高速公路远程监控中心，也可以在路测单独设置高性能计算机，在数据量较小的情况下也可以直接采用雷达-视频一体化监控设备1的主控单元进行相应数据处理和控制。
实施例2
参考图2，本发明还提供了一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警方法，包括以下步骤：
步骤1，毫米波雷达实时采集匝道口前方道路的点云数据；摄像头实时采集道路图像；其中，由点云数据可得到监测范围内所有车辆的位置和运动参数；
步骤2，根据该匝道口前方道路的点云数据，判断是否存在危险驶离主道行为，若是，则通过警示灯进行警示，并转入步骤3；
(2.1)根据该匝道口前方道路的点云数据，确定该点云数据对应的毫米波雷达，据此人工对该匝道口前方道路的车道线进行标定，确定每个车辆所处的车道；
(2.2)对于最右侧车道上的车辆默认不存在危险行为；
(2.3)对于其余车道上的车辆，采用危险驶离主道判断条件判断是否存在危险驶离主道行为。
所述危险驶离主道判断条件为：
(a)存在车辆纵向车速大于等于0小于80km/h，且持续时间大于2s；
(b)存在车辆纵向加速度小于-3m/s2，且持续时间大于0.5s；
(c)存在车辆的横向加速度大于0.5m/s2，且横向车速大于0，且与相邻右侧车道的车道线间的横向距离小于0.5米；
其中，横向加速度的方向为由当前车道垂直指向右侧相邻车道；
若某车辆满足上述任一条件，则判断为存在危险驶离主道行为。
本实施例，以单向三车道为例，从左到右分别为第一、二、三车道，当车辆状态符合以下条件时，可以认为存在危险驶离主道行为:
(a)监测到道路中存在车辆纵向车速大于等于0小于80km/h，持续时间大于2s；
(b)监测到道路中存在车辆纵向加速度小于-3m/s2，持续时间大于0.5s；
(c)监测到第一车道中存在车辆垂直于车道朝向第二车道的横向加速度大于0.5m/s2，横向车速大于0，与第二车道车道线间的距离小于0.5米。
(d)监测到第二车道中存在车辆垂直于车道朝向第三车道的横向加速度大于0.5m/s2，横向车速大于0，与第三车道车道线间的距离小于0.5米。
步骤3，根据存在危险驶离主道行为的车辆的位置，通过时空配准法确定该车辆在对应时刻的道路图像中的位置，并对该位置处的车辆进行车牌号码识别，得到该车辆的车牌号码；将该车牌号码分别通过LED情报板和高音喇叭进行显示和播报，以对危险驶离主道车辆及其后方车辆进行预警。
(3.1）确定与每一帧雷达数据时间间隔最小的道路图像，即将雷达每帧点云数据与道路图像进行时间匹配，找到危险驶离主道行为的车辆对应的道路图像；
(3.2）对雷达点云数据与匹配的道路图像进行空间匹配，即通过坐标转换找到危险驶离主道行为的车辆在该道路图像上的位置；当检测到车辆存在危险驶出主道行为时，高性能计算机根据雷达检测到的危险车辆位置通过时空配准的方法找到该时刻视频采集到图像中对应危险车辆的位置，识别该危险车辆3的车牌号码并转换为音频信号发送给高音喇叭5；同时转换为图像信号发送给可变情报板4。具体步骤为：
(a）如图3所示，建立世界坐标系Ow-XwYwZw，其坐标表示为(X,Y,Z)；以毫米波雷达所处位置为Or原点建立雷达坐标系，其中，XrOrZr为探测平面，设雷达检测到危险驶离主道行为的车辆即目标车辆的位置坐标为(r,α)；其中，r为雷达扫描半径，α为雷达扫描角度。
相机系统中存在三个坐标系：像素坐标系、图像坐标系和相机坐标系，像素坐标系坐标表示为(u,v)，其中原点为图像左上角像素点(u0,v0)；图像坐标系坐标表示为(x,y)，其中原点为相机主点，即相机光轴与图像平面的交点，x轴与u轴平行，y轴与v轴平行；相机坐标系可以描述物体与相机的相对位置，坐标表示为(XC,YC,ZC)，其中原点为相机光心O点，XC轴与x轴平行，YC轴与y轴平行，ZC轴与摄像机光轴平行，与图像平面垂直。
(b）将目标车辆的位置从雷达坐标系转换到世界坐标系，得到世界坐标系下的目标车辆的位置(X,Y,Z)：
Figure BDA0002949104320000091
其中，Z0为雷达的中心所处水平平面与摄像头的中心所处的水平平面的之间的竖直距离，H为雷达的中心所处竖直平面与摄像头的中心所处的竖直平面之间的水平距离；
(c)将目标车辆的位置从世界坐标系转换到相机坐标系，得到相机坐标系下的目标车辆的位置(XC,YC,ZC)：
Figure BDA0002949104320000101
其中，R是大小为3×3的矩阵，表示空间坐标旋转矩阵；T是大小为3×1的矩阵，表示空间坐标平移矩阵，上标T表示矩阵的转置；
(d)将目标车辆的位置从相机坐标系转换到图像坐标系，是从三维坐标系转换为二维坐标系的过程，属于透视投影关系，满足三角形的相似定理；得到图像坐标系下的目标车辆的位置(x,y)：
Figure BDA0002949104320000102
其中，f为相机焦距；
(e)将目标车辆的位置从图像坐标系转换到像素坐标系，主要涉及伸缩变换和平移变换。得到像素坐标系下的目标车辆的位置(u,v)：
Figure BDA0002949104320000103
其中，(u0,v0)为道路图像的左上角像素点的坐标。
确定目标车辆在道路图像中的像素位置以后，即可对该车辆进行车牌号码识别，高音喇叭在接收到数据处理中心传来的信号后，播报危险车辆车牌号以警示其停止危险行为。道路两侧的警示灯在接收到数据处理中心传来的信号后开启，引起提醒后方车辆注意。LED情报板在接收到数据处理中心传来的信号后显示危险车辆车牌号码，所在车道并根据各自与危险车辆之间的距离，提醒后方车辆“前方XXX米事故，注意避让”。
本发明针对高速公路分流匝道岔口附近内侧车道上车辆直接进行变道驶离主道的危险驾驶行为，能够可靠地提前识别车辆危险驶出主道行为并对驾驶员进行及时有效预警的危险驶出主道行为预警系统，这既能大大减少工作人员的工作量同时有效提高预警效率，降低危险驶出主道行为导致的交通事故。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种匝道处车辆危险驶离主道行为的预警方法，基于匝道处车辆危险驶离主道行为的预警系统实现，所述系统包括：雷达-视频一体化监控设备、LED情报板、高音喇叭、警示灯和数据处理中心；其中，所述雷达-视频一体化监控设备上集成有毫米波雷达和摄像头；所述毫米波雷达用于实时监测来车的位置和运动参数，所述摄像头用于采集当前道路的图像；
所述雷达-视频一体化监控设备安装于匝道口的标志牌上，所述雷达-视频一体化监控设备通过光纤与数据处理中心连接；所述数据处理中心通过光纤分别与LED情报板、高音喇叭、警示灯连接；
所述LED情报板和警示灯分别设置于匝道口的前方，即来车方向侧，用于提前对危险车辆的后方车辆进行提醒；
所述LED情报板分别设置于匝道口的前方100米、200米、300米、400米、500米；
所述高音喇叭设置于匝道口的前方，用于对危险驾驶车辆的驾驶员进行警示；
其中，所述运动参数为车辆的速度、纵向加速度和横向加速度位；
所述警示灯布置于匝道口前方500米的道路两侧，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，毫米波雷达实时采集匝道口前方道路的点云数据；摄像头实时采集道路图像；其中，由点云数据可得到监测范围内所有车辆的位置和运动参数；
步骤2，根据该匝道口前方道路的点云数据，判断是否存在危险驶离主道行为，若是，则通过警示灯进行警示，并转入步骤3；
所述危险驶离主道判断条件为：
(a)存在车辆纵向车速大于等于0小于80km/h，且持续时间大于2s；
(b)存在车辆纵向加速度小于-3m/s2，且持续时间大于0.5s；
(c)存在车辆的横向加速度大于0.5m/s2，且横向车速大于0，且与相邻右侧车道的车道线间的横向距离小于0.5米；
其中，横向加速度的方向为由当前车道垂直指向右侧相邻车道；
若某车辆满足上述任一条件，则判断为存在危险驶离主道行为；
步骤3，根据存在危险驶离主道行为的车辆的位置，通过时空配准法确定该车辆在对应时刻的道路图像中的位置，并对该位置处的车辆进行车牌号码识别，得到该车辆的车牌号码；将该车牌号码分别通过LED情报板和高音喇叭进行显示和播报，以对危险驶离主道车辆及其后方车辆进行预警。
2.根据权利要求1所述的匝道处车辆危险驶离主道行为的预警方法，其特征在于，所述根据该匝道口前方道路的点云数据，判断是否存在危险驶离主道行为，具体为：
(2.1)根据该匝道口前方道路的点云数据，确定该点云数据对应的毫米波雷达，据此人工对该匝道口前方道路的车道线进行标定，确定每个车辆所处的车道；
(2.2)对于最右侧车道上的车辆默认不存在危险行为；
(2.3)对于其余车道上的车辆，采用危险驶离主道判断条件判断是否存在危险驶离主道行为。
3.根据权利要求1所述的匝道处车辆危险驶离主道行为的预警方法，其特征在于，所述根据存在危险驶离主道行为的车辆的位置，通过时空配准法确定该车辆在对应时刻的道路图像中的位置，具体为：
(3.1)确定与每一帧雷达数据时间间隔最小的道路图像，即将雷达每帧点云数据与道路图像进行时间匹配，找到危险驶离主道行为的车辆对应的道路图像；
(3.2)对雷达点云数据与匹配的道路图像进行空间匹配，即通过坐标转换找到危险驶离主道行为的车辆在该道路图像上的位置。
4.根据权利要求3所述的匝道处车辆危险驶离主道行为的预警方法，其特征在于，所述空间匹配的具体步骤为：
(a)建立世界坐标系Ow-XwYwZw，以毫米波雷达所处位置为原点建立雷达坐标系，设雷达检测到危险驶离主道行为的车辆即目标车辆的位置坐标为(r,α)；其中，r为雷达扫描半径，α为雷达扫描角度；
(b)将目标车辆的位置从雷达坐标系转换到世界坐标系，得到世界坐标系下的目标车辆的位置(X,Y,Z)：
Figure FDA0003565396290000031
其中，Z0为雷达的中心所处水平平面与摄像头的中心所处的水平平面的之间的竖直距离，H为雷达的中心所处竖直平面与摄像头的中心所处的竖直平面之间的水平距离；
(c)将目标车辆的位置从世界坐标系转换到相机坐标系，得到相机坐标系下的目标车辆的位置(XC,YC,ZC)：
Figure FDA0003565396290000032
其中，R是大小为3×3的矩阵，表示空间坐标旋转矩阵；T是大小为3×1的矩阵，表示空间坐标平移矩阵，上标T表示矩阵的转置；
(d)将目标车辆的位置从相机坐标系转换到图像坐标系，得到图像坐标系下的目标车辆的位置(x,y)：
Figure FDA0003565396290000041
其中，f为相机焦距；
(e)将目标车辆的位置从图像坐标系转换到像素坐标系，得到像素坐标系下的目标车辆的位置(u,v)：
Figure FDA0003565396290000042
其中，(u0,v0)为道路图像的左上角像素点的坐标。
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