CN113548046A - 一种基于电子车道线的车道偏离预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电子车道线的车道偏离预警系统及方法，所述系统安装于车辆上，包括：相对位置接收模块，包括第一定位信号收发器，与部署于车道线上的智能道钉通讯，获取车辆与车道线的相对位置；偏离判断模块，根据所述相对位置判断车辆是否存在车道偏离情况；预警模块，在所述偏离判断模块的判断结果为是时响应，产生偏离警示信息；其中，所述智能道钉嵌入安装有与所述第一定位信号收发器相对应的第二定位信号收发器。与现有技术相比，本发明能更好地减少因天气原因引起的车道检测误差，有效提升了驾驶的安全性，实用高效，具有可靠性高、车辆相对定位精度高、成本低等优点。

Description

一种基于电子车道线的车道偏离预警系统及方法

技术领域

本发明属于驾驶辅助技术领域，涉及一种车道偏离预警技术，尤其是涉及一种基于电子车道线的车道偏离预警系统及方法。

背景技术

车联网的概念源于物联网，即车辆物联网，是以行驶中的车辆为信息感知对象，借助新一代信息通信技术，实现车与X(即车与车、人、路、服务平台)之间的网络连接，提升车辆整体的智能驾驶水平，为用户提供安全、舒适、智能、高效的驾驶感受与交通服务，同时提高交通运行效率，提升社会交通服务的智能化水平。车联网是智能交通系统的核心信息通信平台，将在车辆安全、交通控制、信息服务、智慧城市与智能交通等方面发挥日益重要的作用。其中在车辆安全方面，车联网通过危险预警功能包括超速警告、红灯预警、行人预警等相关手段提醒驾驶员从而有效降低交通事故的发生率，保障车辆及行人安全并在发生情况时及时实施相应措施。本发明提出的相对定位技术，是为了克服现有的车道偏离预警系统存在的缺陷。

现有的车道偏离预警系统采用由HUD抬头显示器、摄像头、控制器以及传感器组成(如专利CN106515742B公开的一种车道偏离预警方法及系统)，当车道偏离系统开启时，摄像头(一般安置在车身侧面或后视镜位置)会时刻采集行驶车道的标识线，通过图像处理获得汽车在当前车道中的位置参数，当检测到汽车偏离车道时，传感器会及时收集车辆数据和驾驶员的操作状态，之后由控制器发出警报信号，整个过程大约在0.5秒完成，为驾驶者提供更多的反应时间。而如果驾驶者打开转向灯，正常进行变线行驶，那么车道偏离预警系统不会做出任何提示。国外车道偏离预警系统有AURORA系统，AutoVue系统，Mobileye_AWS系统，DSS系统(Driver Support System)；国内有JLUVA-1系统，基于DSP技术的嵌入式车道偏离报警系统。目前车道偏离预警系统的研究主要集中在基于视觉的车道偏离预警系统上。但是，从现有的技术水平来看，系统应用的天气条件以及光照变化的影响还是所有基于视觉系统目前面临的一个主要难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的采用摄像头进行车道偏离预警受天气及光照等因素影响严重的缺点而提供一种基于电子车道线的车道偏离预警系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电子车道线的车道偏离预警系统，该系统安装于车辆上，包括：

相对位置接收模块，包括第一定位信号收发器，与部署于车道线上的智能道钉通讯，获取车辆与车道线的相对位置；

偏离判断模块，根据所述相对位置判断车辆是否存在车道偏离情况；

预警模块，在所述偏离判断模块的判断结果为是时响应，产生偏离警示信息；

其中，所述智能道钉嵌入安装有与所述第一定位信号收发器相对应的第二定位信号收发器。

进一步地，所述第一定位信号收发器和第二定位信号收发器均为UWB信号收发器。

进一步地，所述第一定位信号收发器内存储有车辆尺寸及该收发器在车辆上的安装位置。

进一步地，所述第一定位信号收发器安装于车宽的中心线上。

进一步地，多个所述智能道钉部署于车道线上形成电子车道线。

进一步地，多个所述智能道钉的部署方式为：

对于直线车道，相邻智能道钉间隔为15米；对于弧线车道，相邻智能道钉间隔为12米。

进一步地，所述相对位置接收模块基于TW-TOF双向测距算法和三边定位算法获得车辆与车道线的所述相对位置。

进一步地，所述偏离判断模块根据车辆与车道线间的距离和警报界限值间的关系判断是否存在车道偏离情况。

进一步地，对于弧线车道，计算所述车辆与车道线间的距离时考虑弯道偏移。

本发明还提供一种基于电子车道线的车道偏离预警方法，包括以下步骤：

在车道线上部署多个智能道钉；

利用所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统与所述智能道钉进行通讯，实现车道偏离预警。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过部署在车道线上的智能道钉，利用行驶车辆与电子车道线的相对位置信息，通过分析相对位置准确、及时地判断行驶车辆是否会偏离当前行驶车道，有效地提升了驾驶的安全性，减少车辆交通事故的发生率。

2、本发明利用智能道钉构建电子车道线，无需使用视觉技术，能克服基于视觉进行车道偏离预警受天气影响的缺陷，使车道偏离预警系统的适用场景更多样化。

3、利用低功耗的智能道钉构建电子车道线进行车辆的相对定位，具有低成本、高精度的特点。

4、本发明在计算车辆与车道线间的距离时对直线车道与弧线车道分开考虑，有效提高了预警准确度。

5、本发明对智能道钉的部署间隔进行设计，使得基于UWB信号的智能道钉在较大范围内性能稳定。

6、目前车辆定位更多地使用GPS进行定位，其精度为10米级；而本发明基于UWB信号进行车辆的相对定位，精度能达到厘米级，相对定位精度更加准确。

附图说明

图1为本发明实施例的系统架构图；

图2为本发明实施例的预警流程示意图；

图3为基于UWB信号进行车辆的相对定位原理示意图；

图4为三边定位的交点加权质心算法示意图，其中，(4a)为理想状态下由三个基站对一个标签定位的示意图，(4b)为实际情况下三个圆不相交于一点时的定位示意图；

图5为弧线车道偏离预警示意图，其中，(5a)为弯道偏移示意图，(5b)为车辆距离车道的距离计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种基于电子车道线的车道偏离预警系统，该系统安装于车辆上，包括相对位置接收模块、偏离判断模块和预警模块，其中，相对位置接收模块包括第一定位信号收发器，与部署于车道线上的智能道钉通讯，获取车辆与车道线的相对位置，所述智能道钉嵌入安装有与所述第一定位信号收发器相对应的第二定位信号收发器；偏离判断模块根据所述相对位置判断车辆是否存在车道偏离情况；预警模块在所述偏离判断模块的判断结果为是时响应，产生偏离警示信息。如图1所示，本实施例提供的车道偏离预警系统包括车载芯片，将预警信息通过HMI提前警示驾驶员。

本实施例中，第一定位信号收发器和第二定位信号收发器均为UWB信号收发器，基于UWB信号进行车辆的相对定位，精度能达到厘米级。

为能计算出行驶车辆在车道的相对位置，在安装进车辆的第一定位信号收发器内存储有车辆尺寸及该收发器在车辆上的安装位置。一般情况下，将第一定位信号收发器安装在车头前保险杠中间位置上，即在车宽的中心线上，方便后续相对位置的获取。

路侧的智能道钉应安装在车道线上，即智能道钉构成了电子车道线，实际测量中，所用基于UWB信号的智能道钉在20米范围内性能稳定，所以安装规则如下：

1)对于直线车道，相邻道钉间隔为15米；

2)对于弧线车道，相邻道钉间隔为12米。

相对位置接收模块中，基于TW-TOF双向测距算法和三边定位算法获得车辆与车道线的所述相对位置，相对定位原理示意图如图3所示。

31)TW-TOF双向测距算法：

当车载基站收到路侧标签的轮询信息，基站记录此时的时间T_RP,发送回复信息给标签，并记录发送时间T_SR。当标签收到回复信息后，记录接收时间T_RR，并在T_SF时将标签记录的时间(T_SR、T_RR、T_SF)发送给基站。基站获得标签发送的最终信息后获得足够的数据计算距离并进行以下计算：

a1)标签的信号往返延迟时间T_TRT＝(T_RR-T_SP)减去这期间基站的反应时间T_RSPA＝(T_SR-T_RP)，得到2次标签到基站的单程飞行时间t_TA、t_AT。

a2)基站的信号往返延迟时间T_ART＝(T_RF-T_SR)减去这期间标签的反应时间T_RSPT＝(T_SF-T_RR)，得到2次基站到标签的单程飞行时间。

a3)取T_RSP＝T_RSPT时，单程飞行时间TOF计算由式(1)计算：

当T_RSP和T_RSPT不相等时，采用不对称的双向测距以获得TOF，由式(2)计算：

UWB信号传播速度为光速c，车载基站到标签的距离S由式(3)计算：

S＝C·TOF (3)

32)三边定位算法

由图3所示的定位原理图，以基站为圆心，基站到标签的距离为半径做圆，可知理想状态下由三个基站对一个标签定位的示意图如(4a)所示，为交于一点的三个圆，在坐标系下解三个圆的相交方程即可得到交点也即待定位标签位置。

但是实际情况会由于定位误差的存在导致三个圆并不相交于一点，如(4b)所示。针对三遍定位的缺陷，采用交点加权质心算法。质心的是指多边形顶点坐标的平均值。其原理简单但只是一个粗略定位。所以可采用加权的质心算法。在一般情况下，离定位标签越远其权值应越小。如附图所示，已知三个基站坐标A，B，C，测得待测标签到三个基站的距离分别为d1，d2，d3，求得三个圆的三个交点依次为R(x_r,y_r)，S(x_s,y_s)，T(x_t,y_t)。待测标签的坐标由式(4-1)(4-2)计算：

在大于三个基站的情况下，可以选取与标签距离最近的4个基站作为计算节点。4个基站中每3个节点可以上述方式计算得一加权质心，对4个加权质心再取平均值得到标签的坐标。

偏离判断模块中，根据车辆与车道线间的距离和警报界限值间的关系判断是否存在车道偏离情况。计算所述车辆与车道线间的距离时对直线车道和弧线车道进行分别考虑，其中，对于弧线车道需考虑弯道偏移。在直线车道行驶时，判断车辆是否有车道偏离情况可以不需要获得车辆的精确位置，只需要判断车载接收装置到车道线的距离与车宽一半的大小，如图3中接收装置1到左侧车道线的距离h₁和到右侧车道线的距离h₂。可以这么判断的依据是，在直线车道上正常行驶时，与车头平行的水平线总是或近乎垂直于车道线，车辆不会突然转动一个大的角度。对于弧线车道，在公路平面设计有超高的情况下，设计车辆时速为40km/h的圆曲线最小半径一般值为100m，极限值为60m，而没有超高的情况下最小半径要更大。对曲率半径大于50m的弯道其车道线在15m内近似直线，只需在直线定位的基础上加相应的补偿即可；曲率半径越大，一小段距离内约趋近于直线，需要的补偿越小。

41)直线车道偏离预警：

设道钉间距为d，即图3中道钉2与道钉4之间的距离为d。经过步骤3)的测距算法测得接收装置1到道钉2的距离为R₁，到道钉4的距离为R₂。经过计算可得h₁由式(5)计算：

h₁ ²＝R₁ ²-x² (5)

其中，x由式(6)计算：

设车宽为W，警报界限为车辆距离车道线0.2m，那么：

a)当(h₁-W/2)>0.2时，车辆行驶在规定车道线内，不做警报；

b)当0<(h₁-W/2)≤0.2时，显示预警信息车辆有偏离左侧车道线危险；

c)当(h₁-W/2)≤0时，显示警报信息车辆已驶出左侧车道线。

同理，右侧车道偏离预警做同样计算并警报。

42)弧线车道偏离预警

对于曲率半径r的道路，道钉如图5方式铺设，相邻道钉间距为d。接收装置1距离道钉2、道钉4水平连接线的距离h1的计算方式与41)中的计算方式相同。但是由于弧线车道的特殊情况需要将h1加上一定的弯道偏移b才是距离车道的真实距离。如(5b)所示在曲率半径较大时b的计算可近似为B，则b的取值可由式(7-1)(7-2)计算：

其中B_max的取值由式(8)计算：

所以弯道内，车辆与两侧车道线的距离H₁、H₂可由式(9)(10)计算：

H₁＝h₁-B (9)

H₂＝h₂+B (10)

设车宽为W，警报界限为车辆距离车道线0.2m，那么：

a)当(H₁-W/2)>0.2时，车辆行驶在规定车道线内，不做警报；

b)当0<(H₁-W/2)≤0.2时，显示预警信息车辆有偏离左侧车道线危险；

c)当(H₁-W/2)≤0时，显示警报信息车辆已驶出左侧车道线。

同理，右侧车道偏离预警做同样计算并警报。

实施例2

本实施例提供一种基于电子车道线的车道偏离预警方法，包括以下步骤：在车道线上部署多个智能道钉；利用如实施例1所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统与所述智能道钉进行通讯，实现车道偏离预警。

如图2所示，该车道偏离预警方法具体过程包括：

1)沿车道线部署智能道钉，形成电子车道线。本实施例中，对于直线车道，相邻道钉间隔为15米；对于弧线车道，相邻道钉间隔为12米。在铺设有智能道钉的道路上车辆沿车道线行驶，车载端的第一定位信号收发器不断接收路侧道钉发送的数据并分析计算，此时车辆在规定的车道线内安全行驶，HMI不做任何提示。

2)假设车辆沿直线车道线行驶，当接收的数据计算结果为0<h1<0.2m时，HMI提示左侧车道偏离预警；当0<h2<0.2m时，HMI提示右侧车道偏离预警。

3)驾驶员从HMI了解到车辆即将偏离当前车道，及时调整方向盘，当h1>0.2m且h2>0.2m时车道偏离预警警报解除。

4)若驾驶员在车道偏离预警信息发出后仍继续偏离车道，当h1<0时，HMI提示车辆越过左侧车道线；当h2<0时，HMI提示车辆越过右侧车道线。

5)车辆偏离车道线后，驾驶员及时调整方向盘。在回归安全路线过程中，当0<h1<0.2m时，HMI提示左侧车道偏离预警；当0<h2<0.2m时，HMI提示右侧车道偏离预警。

6)直到当h1>0.2m且h2>0.2m时车道偏离预警警报解除，车辆行驶在安全路线上。

7)如果车辆进行变道或超车，打开转向灯时车道偏离预警系统不做警报。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于电子车道线的车道偏离预警系统，其特征在于，该系统安装于车辆上，包括：

相对位置接收模块，包括第一定位信号收发器，与部署于车道线上的智能道钉通讯，获取车辆与车道线的相对位置；

偏离判断模块，根据所述相对位置判断车辆是否存在车道偏离情况；

预警模块，在所述偏离判断模块的判断结果为是时响应，产生偏离警示信息；

其中，所述智能道钉嵌入安装有与所述第一定位信号收发器相对应的第二定位信号收发器。

2.根据权利要求1所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统，其特征在于，所述第一定位信号收发器和第二定位信号收发器均为UWB信号收发器。

3.根据权利要求1所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统，其特征在于，所述第一定位信号收发器内存储有车辆尺寸及该收发器在车辆上的安装位置。

4.根据权利要求1所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统，其特征在于，所述第一定位信号收发器安装于车宽的中心线上。

5.根据权利要求1所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统，其特征在于，多个所述智能道钉部署于车道线上形成电子车道线。

6.根据权利要求5所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统，其特征在于，多个所述智能道钉的部署方式为：

对于直线车道，相邻智能道钉间隔为15米；对于弧线车道，相邻智能道钉间隔为12米。

7.根据权利要求1所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统，其特征在于，所述相对位置接收模块基于TW-TOF双向测距算法和三边定位算法获得车辆与车道线的所述相对位置。

8.根据权利要求1所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统，其特征在于，所述偏离判断模块根据车辆与车道线间的距离和警报界限值间的关系判断是否存在车道偏离情况。

9.根据权利要求8所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统，其特征在于，对于弧线车道，计算所述车辆与车道线间的距离时考虑弯道偏移。

10.一种基于电子车道线的车道偏离预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

在车道线上部署多个智能道钉；

利用如权利要求1所述的基于电子车道线的车道偏离预警系统与所述智能道钉进行通讯，实现车道偏离预警。

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