CN113487901B - 基于摄像头感知的车道宽度校验方法及系统 - Google Patents

基于摄像头感知的车道宽度校验方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于摄像头感知的车道宽度校验方法及系统，能有效校准在结构化道路上因车道线模糊、路面积水造成的摄像头宽度误识别问题。通过将车道特殊场景转换到车道线系数角度分析，能有效解决因路面车道线标识丢失、本车道曲率异常、匝道场景下的车道宽度问题不一致减少了下游环节使用车道线信息的风险。通过内置的车道交叉验证能使下游控制端得到安全可行驶的车道宽度，避免碰撞护栏、路沿，提升系统安全性，并且本方法为车道对中功能提供可靠、稳定的车道宽度。

Description

基于摄像头感知的车道宽度校验方法及系统
技术领域
本发明属于汽车自动驾驶传感数据融合技术领域，具体涉及基于摄像头感知的车道宽度校验方法。
背景技术
自动驾驶是汽车产业与人工智能、物联网、高性能计算等新一代信息技术深度融合的产物，是当前全球汽车与交通出行领域智能化和网联化发展的主要方向，已成为各国争抢的战略制高点。因结构化道路(高速公路、城市干道等结构化较好的公路)具有清晰的道路标志线，道路的背景环境比较单一，道路的几何特征也比较明显。因此，针对它的道路检测问题可以简化为车道线或道路边界的检测。优先量产结构化道路场景的自动驾驶成为了各汽车厂商争夺的焦点。而基于结构化道路的自动驾驶，依赖视觉端输出的车道线用于横向控制。而车道宽度的鲁棒性、连续性、准确性直接影响车道保持辅助LKA(Lane KeepingAssist)功能的用户体验。但摄像头很容易受外部环境影响，其中包括天气、光线，并且路面也存在车道标线模糊、标线丢失，路面积水以及标线设计不合理等问题，而这些情况均可能导致摄像头输出车道宽度错误，从而影响自动驾驶舒服度甚至造成安全事故。
发明内容
本发明公开的基于摄像头感知的车道宽度校验方法及系统，解决在路面车道线模糊、丢失、路面积水以及路面标线不合理时摄像头输入车道线与下游控制端期望不一致，导致的车道宽度输出不连续、跳变、异常问题，从而提升自动驾驶横向对中能力，进而提高自动驾驶的安全性和可靠性的。
本发明公开的基于摄像头感知的车道宽度校验方法，包括以下步骤，
步骤一：接收当前帧摄像头车道线数据，用曲线方程表示各车道线，判断本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数是否符合预设条件，符合预设条件进入步骤二；不符合，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；
步骤二：通过计算本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数计算本车道宽度，判断当前帧车道线宽度是否在设定合理范围之内；在设定合理范围内，进入步骤三；不在设定合理范围内，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；
步骤三：通过车道位置关系计算本车道左线至右路沿横向距离、本车道右线至左路沿横向距离，将本车道左线至右路沿横向距离与上帧车道宽度比较，将本车道右线至左路沿横向距离与上帧车道宽度比较，任一比较结果显示小于上一帧车道宽度，则验证通过，进入步骤4；否则，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；
步骤四：拟定车道特定场景，确定车道特定场景数值化要求，当前帧车道线系数拟合计算属于车道特定场景但不满足车道特定场景数值化要求时，判定当前帧车道宽度无效，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；否则，返回车道宽度标志位为有效标志位，进入步骤五；
步骤五；接收到上述步骤中的当前帧车道宽度标志位，若标志位有效，则将当前计算车道宽度传入下游控制端，并使用当前帧车道宽度更新上一帧车道历史宽度；若标志位无效，则将上一帧车道历史宽度传入下游控制，上一帧车道历史宽度不做更新。
进一步地，步骤一中，
车道线曲线方程表征为:Y＝A0+A1X+A2X2+A3X.3
其中，A0表征本车坐标系下距离车道线的横向距离，A1表征本车纵向方向与车道线夹角关系，A2是与车道线曲率正相关因子，A3为车道线曲率变化率正相关因子；X-Y为二维欧式坐标系，以本车保险杠中点位置为坐标系原点，其中X正轴为本车前进方法，规定Y轴右侧为正。
使用以下判断准则过滤无效的车道线：
条件1：A0、A1、A2、A3有任一系数不为零则该条车道线系数有效；
条件2：A0、A1、A2、A3同时满足为数值类型；
条件3：该条车道线长度大于设定值；
同时满足以上三个条件，则判断该条车道线有效。
进一步地，步骤二中，
定义当前帧本车道左线lane_0、本车道右线lane_1的曲线A0做差的绝对值|lane0_A0-lane1_A0|为当前帧本车所在车道宽度值；根据公路宽度标准制定公路宽度合理范围值。
进一步地，步骤三中，
本车道左线至右路沿横向距离：
guard_distance_Left＝lane4_A0-lane1_A0；其中，lane1_A0为本车道右线到本车坐标系原点的横向距离、lane4_A0为本车道左护栏到本车坐标系原点的横向距离。
本车道右线至左路沿横向距离：
guard_distance_Right＝lane5_A0-lane0_A0；其中，lane0_A0为本车道左线到本车坐标系原点的横向距离,lane5_A0为本车道右护栏到本车坐标系原点的横向距离。
并判断是否满足如下任一条件：
条件1：left_guard_distance<last_lane_width；
条件2：right_guard_distance<last_lane_width；
则验证通过，进入步骤4；否则，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五。
进一步地，步骤四中，
提出以下条件保证融合车道宽度鲁棒性；
条件1：为剔除前方车道线丢失，左右车道线长度差值应小于设定值；
条件2：为排除直道、弯道曲率异常，本车道左右车道线曲率值误差在设定值内；
条件3：判断本车是否处于单车道匝道，判断条件为是否存在左邻车道线lane_2与右邻车道线lane_3是否有效，若lane_2、lane_3均无效则判断为匝道。
上述任一条件不满足则判定当前帧车道宽度无效，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；都满足，返回车道宽度标志位为有效标志位，进入步骤五。
本发明的另一发明目的是提供一种基于摄像头感知的车道宽度校验系统，用于实现以上所述的校验方法，该系统包括以下功能模块：
第一判断模块，用于接收当前帧摄像头车道线数据，用曲线方程表示各车道线，判断本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数是否符合预设条件，符合预设条件则进入第二判断模块，不符合，返回车道宽度标志位为无效标志位，则传给更新模块。
第二判断模块，用于通过计算本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数计算本车道宽度，判断当前帧车道线宽度是否在设定合理范围之内；在设定合理范围内，则传给计算模块，不在设定合理范围内，返回车道宽度标志位为无效标志位，则传给更新模块。
计算模块，用于通过车道位置关系计算本车道左线至右路沿横向距离、本车道右线至左路沿横向距离，将本车道左线至右路沿横向距离与上帧车道宽度比较，将本车道右线至左路沿横向距离与上帧车道宽度比较，任一比较结果显示小于上一帧车道宽度，则验证通过，传给第三判断模块；否则，返回车道宽度标志位为无效标志位，则传给更新模块。
第三判断模块，用于拟定车道特定场景，确定车道特定场景数值化要求，当前帧车道线系数拟合计算属于车道特定场景但不满足车道特定场景数值化要求时，判定当前帧车道宽度无效，返回车道宽度标志位为无效标志位，否则，返回车道宽度标志位为有效标志位，则传给更新模块。
更新模块，用于接收到上述的当前帧车道宽度标志位，若标志位有效，则将当前计算车道宽度传入下游控制端，并使用当前帧车道宽度更新上一帧车道历史宽度；若标志位无效，则将上一帧车道历史宽度传入下游控制，上一帧车道历史宽度不做更新。
本发明有益技术效果为：
1)本发明提出的车道宽度校验方法和系统，能有效校准在结构化道路上因车道线模糊、路面积水造成的摄像头宽度误识别问题。
2)通过将车道特殊场景转换到车道线系数角度分析，能有效解决因路面车道线标识丢失、本车道曲率异常、匝道场景下的车道宽度问题不一致减少了下游环节使用车道线信息的风险。
3)通过内置的车道交叉验证能使下游控制端得到安全可行驶的车道宽度，避免碰撞护栏、路沿，提升系统安全性，并且本方法为车道对中功能提供可靠、稳定的车道宽度。
附图说明
图1为车道线模型图；
图2为基于摄像头感知的车道宽度校验方法步骤图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1、图2所示，本方法所用车道线均由三次曲线表征:Y＝A0+A1X+A2X2+A3X.3。
系数说明：A0表征本车坐标系下距离车道线的横向距离，A1表征本车纵向方向与车道线夹角关系，A2是与车道线曲率正相关因子，A3为车道线曲率变化率正相关因子，X-Y为二维欧式坐标系，以本车保险杠中点位置为坐标系原点，其中X正轴为本车前进方法，规定Y轴右侧为正。
在结构化道路上使用的车道线模型是由本车道、左邻车道、右邻车道、左路沿(护栏)、右路沿(护栏)构成。如图1所示，车道线分别为本车道左线lane_0、本车道右线lane_1，左邻车道线lane_2，右邻车道线lane_3，左路沿车道线lane_4和右路沿车道线lane_5。
本发明公开的基于摄像头感知的车道宽度校验方法，包括以下步骤：
步骤一：接收当前帧摄像头车道线数据，用曲线方程表示各车道线，判断本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数是否符合预设条件，符合预设条件进入步骤二；不符合，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；
由于摄像头容易受光线、雨雾、路面污渍影响，输出车道线三次曲线方程与实际不符，为保证后续下游获取的车道线曲线方程可靠，使用以下判断准则过滤无效的车道线：
条件1：A0、A1、A2、A3有任一系数不为零则该条车道线系数有效；
条件2：A0、A1、A2、A3同时满足为数值类型；
条件3：该条车道线长度大于设定值，如为：20m；
同时满足以上三个条件，则判断该条车道线有效。
步骤二：通过计算本车道左线lane_0与本车道左线lane_1曲线方程车道线系数计算本车道宽度，判断当前帧车道线宽度是否在设定合理范围之内；在设定合理范围内，进入步骤三；不在设定合理范围内，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；
定义当前帧左车道线lane_0、右车道线lane_1的曲线A0做差的绝对值|lane0_A0-lane1_A0|为当前帧本车所在车道宽度值；根据公路宽度标准制定公路宽度合理范围值；按国家对三级以上公里对车道宽度的标准，多车道公路每条机动车道宽度为3.5～3.75米。考虑到我国地形复杂，部分地区结构化道路的车道宽度与国家标准不符，本方法设定车道宽度在2m～6.5m为合理的车道宽度。
步骤三：为保证系统的可靠性，加结构化道路上路沿、护栏信息确保控制接收到融合感知车道线信号，可能偏离本车道也不会撞向护栏、路沿。
通过车道位置关系计算本车道左线至右路沿横向距离、本车道右线至左路沿横向距离，将本车道左线至右路沿横向距离与上帧车道宽度比较，将本车道右线至左路沿横向距离与上帧车道宽度比较，任一比较结果显示小于上一帧车道宽度，则验证通过，进入步骤4；否则，返回无效标志位，进入步骤五；这里是判断出本车距离护栏小于本车道上一帧宽度才进入步骤4，因此为小于，若此时继续使用历史车道宽度则可能导致本车撞向护栏。
使用车道线有效判断路沿(护栏)曲线是否有效，若有效分别计算本车道左线至右路沿横向距离和本车道右线至左路沿横向距离。
本车道左线至右路沿横向距离：
guard_distance_Left＝lane4_A0-lane1_A0；其中，lane1_A0、lane4_A0分别代表本车道右线、左护栏(路沿)到本车坐标系原点的横向距离；
本车道右线至左路沿横向距离：
guard_distance_Right＝lane5_A0-lane0_A0；其中，lane0_A0、lane5_A0分别代表本车道左线、右护栏(路沿)到本车坐标系原点的横向距离其中；
考虑到结构化道路上本车道宽度的连续性，将计算得到的guard_distance_left、guard_distance_right分别与上一帧车道宽度进行比较大小，并判断是否满足如下任一条件：
条件1：left_guard_distance<last_lane_width；
条件2：right_guard_distance<last_lane_width；
则验证通过，进入步骤4；否则，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五。
步骤四：按标准结构化道路设计，车道宽度不会突然发生变化，但实际情况可能存在路面车道线模糊、车道线标识丢失、路面积水等情况，使得摄像头不能拟合出下游控制端期望的三次车道线曲线，融合端如果继续使用错误的三次曲线更新车道宽度可能会导致功能端出现横向控偏的风险，为保证控制端接收到准确的车道宽度，提出以下条件保证融合车道宽度鲁棒性：
条件1：为剔除前方车道线丢失，左右车道线长度差值应小于设定值；
条件2：为排除直道、弯道曲率异常，本车道左右车道线曲率值误差在设定值内；
条件3：可根据下游端控制需求判断本车是否处于单车道匝道，判断条件为是否存在左邻车道线lane_2与右邻车道线lane_3是否有效，若lane_2、lane_3均无效则判断为匝道；
上述任一条件不满足则判定当前帧车道宽度无效，返回无效标志位，进入步骤五；都满足，返回车道宽度标志位为有效标志位，进入步骤五。
步骤五；接收到上述步骤中的当前帧车道宽度标志位，若车道宽度标志位为有效标志位，则将当前计算车道宽度传入下游控制端，并使用当前帧车道宽度更新上一帧车道历史宽度；若车道宽度标志位为无效标志位，则将上一帧车道历史宽度传入下游控制，上一帧车道历史宽度不做更新。
本发明进一步的实施例，是实现以上方法的车道宽度校验系统，其包括：
第一判断模块，被配置为用于接收当前帧摄像头车道线数据，用曲线方程表示各车道线，判断本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数是否符合预设条件，符合预设条件则进入第二判断模块，不符合，返回车道宽度标志位为无效标志位，则传给更新模块。
第二判断模块，被配置为用于通过计算本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数计算本车道宽度，判断当前帧车道线宽度是否在设定合理范围之内；在设定合理范围内，则传给计算模块，不在设定合理范围内，返回车道宽度标志位为无效标志位，则传给更新模块。
计算模块，被配置为用于通过车道位置关系计算本车道左线至右路沿横向距离、本车道右线至左路沿横向距离，将本车道左线至右路沿横向距离与上帧车道宽度比较，将本车道右线至左路沿横向距离与上帧车道宽度比较，任一比较结果显示小于上一帧车道宽度，则验证通过，传给第三判断模块；否则，返回车道宽度标志位为无效标志位，则传给更新模块。
第三判断模块，被配置为用于拟定车道特定场景，确定车道特定场景数值化要求，当前帧车道线系数拟合计算属于车道特定场景但不满足车道特定场景数值化要求时，判定当前帧车道宽度无效，返回车道宽度标志位为无效标志位，否则，返回车道宽度标志位为有效标志位，则传给更新模块。
更新模块，被配置为用于接收到上述的当前帧车道宽度标志位，若标志位有效，则将当前计算车道宽度传入下游控制端，并使用当前帧车道宽度更新上一帧车道历史宽度；若标志位无效，则将上一帧车道历史宽度传入下游控制，上一帧车道历史宽度不做更新。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

Claims (6)

1.基于摄像头感知的车道宽度校验方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：接收当前帧摄像头车道线数据，用曲线方程表示各车道线，判断本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数是否符合预设条件，符合预设条件进入步骤二；不符合，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；
步骤二：通过计算本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数计算本车道宽度，判断当前帧车道宽度是否在设定合理范围之内；在设定合理范围内，进入步骤三；不在设定合理范围内，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；
步骤三：通过车道位置关系计算本车道左线至右路沿横向距离、本车道右线至左路沿横向距离，将本车道左线至右路沿横向距离与车辆所在车道的上一帧车道宽度比较，将本车道右线至左路沿横向距离与车辆所在车道的上一帧车道宽度比较，任一比较结果显示小于车辆所在车道的上一帧车道宽度，则验证通过，进入步骤四；否则，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；
步骤四：拟定车道特定场景，确定车道特定场景数值化要求，当前帧车道线系数拟合计算属于车道特定场景但不满足车道特定场景数值化要求时，判定当前帧车道宽度无效，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；否则，返回车道宽度标志位为有效标志位，进入步骤五；
步骤五；接收到上述步骤中的当前帧车道宽度标志位，若标志位有效，则将当前计算车道宽度传入下游控制端，并使用当前帧车道宽度更新上一帧车道历史宽度；若标志位无效，则将上一帧车道历史宽度传入下游控制，上一帧车道历史宽度不做更新。
2.如权利要求1所述的基于摄像头感知的车道宽度校验方法，其特征在于：步骤一中，
车道线曲线方程表征为:Y＝A0+A1X+A2X2+A3X3
其中，A0表征本车坐标系下距离车道线的横向距离，A1表征本车纵向方向与车道线夹角关系，A2是与车道线曲率正相关因子，A3为车道线曲率变化率正相关因子；X-Y为二维欧式坐标系，以本车保险杠中点位置为坐标系原点，其中X正轴为本车前进方法，规定Y轴右侧为正；
使用以下判断准则过滤无效的车道线：
条件1：A0、A1、A2、A3有任一系数不为零则该条车道线系数有效；
条件2：A0、A1、A2、A3同时满足为数值类型；
条件3：该条车道线长度大于设定值；
同时满足以上三个条件，则判断该条车道线有效。
3.如权利要求2所述的基于摄像头感知的车道宽度校验方法，其特征在于：步骤二中，
定义当前帧本车道左线lane_0、本车道右线lane_1的曲线A0做差的绝对值|lane0_A0-lane1_A0|为当前帧本车所在车道宽度值；根据公路宽度标准制定公路宽度合理范围值。
4.如权利要求3所述的基于摄像头感知的车道宽度校验方法，其特征在于：步骤三中，
本车道左线至右路沿横向距离：
guard_distance_Left＝lane4_A0-lane1_A0；其中，lane1_A0为本车道右线到本车坐标系原点的横向距离、lane4_A0为本车道左护栏到本车坐标系原点的横向距离；
本车道右线至左路沿横向距离：
guard_distance_Right＝lane5_A0-lane0_A0；其中，lane0_A0为本车道左线到本车坐标系原点的横向距离,lane5_A0为本车道右护栏到本车坐标系原点的横向距离；
并判断是否满足如下任一条件：
条件1：guard_distance_Left<last_lane_width；
条件2：guard_distance_Right<last_lane_width；
则验证通过，进入步骤4；否则，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五。
5.如权利要求4所述的基于摄像头感知的车道宽度校验方法，其特征在于：步骤四中，
提出以下条件保证融合车道宽度鲁棒性；
条件1：为剔除前方车道线丢失，左右车道线长度差值应小于设定值；
条件2：为排除直道、弯道曲率异常，本车道左右车道线曲率值误差在设定值内；
条件3：判断本车是否处于单车道匝道，判断条件为是否存在左邻车道线lane_2与右邻车道线lane_3是否有效，若lane_2、lane_3均无效则判断为匝道；
上述任一条件不满足则判定当前帧车道宽度无效，返回车道宽度标志位为无效标志位，进入步骤五；都满足，返回车道宽度标志位为有效标志位，进入步骤五。
6.一种基于摄像头感知的车道宽度校验系统，其特征在于：包括，
第一判断模块，用于接收当前帧摄像头车道线数据，用曲线方程表示各车道线，判断本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数是否符合预设条件，符合预设条件则进入第二判断模块，不符合，返回车道宽度标志位为无效标志位，则传给更新模块；
第二判断模块，用于通过计算本车道左线lane_0与本车道右线lane_1曲线方程车道线系数计算本车道宽度，判断当前帧车道宽度是否在设定合理范围之内；在设定合理范围内，则传给计算模块，不在设定合理范围内，返回车道宽度标志位为无效标志位，则传给更新模块；
计算模块，用于通过车道位置关系计算本车道左线至右路沿横向距离、本车道右线至左路沿横向距离，将本车道左线至右路沿横向距离与车辆所在车道的上一帧车道宽度比较，将本车道右线至左路沿横向距离与车辆所在车道的上一帧车道宽度比较，任一比较结果显示小于车辆所在车道的上一帧车道宽度，则验证通过，传给第三判断模块；否则，返回车道宽度标志位为无效标志位，则传给更新模块；
第三判断模块，用于拟定车道特定场景，确定车道特定场景数值化要求，当前帧车道线系数拟合计算属于车道特定场景但不满足车道特定场景数值化要求时，判定当前帧车道宽度无效，返回车道宽度标志位为无效标志位，否则，返回车道宽度标志位为有效标志位，则传给更新模块；
更新模块，用于接收到上述的当前帧车道宽度标志位，若标志位有效，则将当前计算车道宽度传入下游控制端，并使用当前帧车道宽度更新上一帧车道历史宽度；若标志位无效，则将上一帧车道历史宽度传入下游控制，上一帧车道历史宽度不做更新。
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