專利名稱：高等級公路上車輛防車道偏離預警方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能交通和智能車輛研究領(lǐng)域，具體說是對車輛在車道中的運行態(tài)勢進行檢測，當檢測到車輛偏離車道時，向駕駛員發(fā)出提醒警告的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于視覺的車道偏離預警系統(tǒng)大都依賴于道路上的車道標識線或道路邊界信息。如何快速、準確地提取出道路上車道標識線信息是該類系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵問題。我國在開展智能車輛自主導航研究過程中，對基于視覺的車道標識線識別和跟蹤方法也進行了一些研究，并取得了一些研究成果。這些研究大都針對較為理想的外界環(huán)境進行的，對于惡劣的光照條件下的車道標識線識別問題研究較少，目前還沒有一種方法能實現(xiàn)不同光照條件下的車道標識線參數(shù)的精確提取。另外，對車道偏離預警系統(tǒng)也缺乏深入系統(tǒng)的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能適應高等級公路上車輛防車道偏離的預警方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)能預測可能發(fā)生的車輛車道偏離事故，提前發(fā)出警告，提醒駕駛員采取正確的措施。
本發(fā)明提供的高等級公路上車輛防車道偏離預警方法為順序啟動圖像信息采集模塊a、車道標識線識別與跟蹤模塊b、車輛方向參數(shù)估計模塊c、車輛位置參數(shù)估計模塊d、車道寬度估計模塊e和車道偏離警告決策模塊f。
圖像信息采集模塊a用作獲取圖像信息及調(diào)節(jié)攝像機的控制參數(shù)，其采集的圖像為本車前方道路場景中的圖像，其中圖像信息包括圖像的灰度值和圖像大??；攝像機的控制參數(shù)為攝像機的快門和增益，通過這兩個參數(shù)調(diào)節(jié)圖像采集質(zhì)量。
車道標識線識別與跟蹤模塊b用圖像處理技術(shù)以及模式識別方法，提取圖像中的車道標識線，其中的車道標識線參數(shù)為左車道標識線(k_left)、右車道標識線(b_left)、斜率(k_right)和截距(b_right)。
車輛方向參數(shù)估計模塊c用獲得的車道標識線參數(shù)信息，估算出車輛在當前車道中的方向參數(shù)θ值，θ值由下式計算θ=-arctg[(H_image)2×μxf×(H_image+2×y0)×k_left+k_right2)]×180π]]>(1)式中H_image和W_image分別為重建圖像的高度和寬度；f為鏡頭焦距；μx為CCD靶面在寬度方向上的像素尺寸；y0表示在xoy坐標系中，進行逆投影變換時，在原始圖像中重建區(qū)域內(nèi)y坐標的極大值。
車輛位置參數(shù)估計模塊d用獲得的車道標識線參數(shù)信息，以及車輛方向參數(shù)信息估算出車輛在當前車道的位置參數(shù)x0，其計算模型為x0=[(W_image-b_rightk_right-b_leftk_left)×h2×|y0|]×cosθ-h×sinθ]]>式(2)車道寬度估計模塊e用獲得的車道標識線參數(shù)信息，以及車輛方向參數(shù)信息，估算出車輛在當前車道的寬度值w，其計算模型為w=h|y0|×|b_leftk_left-b_rightk_right|×cosθ]]>式(3)車道偏離警告決策模塊f用獲得的車輛方向信息、車輛位置信息以及車道寬度信息，對當前車輛是否偏離車道進行決策，采用的決策模型當滿足下式時，觸發(fā)車道偏離預警，偏離方向向右 式(4)當滿足下式時，觸發(fā)車道偏離預警，偏離方向向左 式(5)式中b為車輛寬度，θ0為事先設(shè)定好的一個閾值。xl為設(shè)定的報警臨界線距y軸的距離，當為小轎車時，xl的值按照下式選定xl=w2-200]]>式(6)當為貨車或大客車時，xl的值按照下式選定xl=w2+100]]>式(7)高等級公路上車輛防車道偏離預警系統(tǒng)由機電部分I、信息感知處理部分II和信息處理部分III組成，機電部分I中的逆變電源5的輸出端及繼電器7的一端與信息感知處理部分II的智能相機9的輸出信號接口連接，信息感知處理部分II中的智能相機9，信息處理部分III嵌于信息感知處理部分II的智能相機9的內(nèi)部芯片中，信息感知處理部分II的智能相機9經(jīng)機電部分I的安裝支架8，固定于車輛駕駛室的前風擋玻璃內(nèi)，安裝支架8是采用吸盤式結(jié)構(gòu)。
機電部分I由報警燈1、報警喇叭2、車載電源3、電源開關(guān)4、逆變電源5、啟動按鈕6、繼電器7、安裝支架8和濾光裝置10組成，逆變電源5的輸入端經(jīng)電源開關(guān)4與車載電源3連接，其輸出端分別與繼電器6及智能相機9連接；繼電器7的一端與智能相機9的輸出信號接口連接，另一端與報警燈1和報警喇叭2連接；安裝支架8與智能相機9連接，并固定于車輛駕駛室的前風擋玻璃內(nèi)；啟動按鈕6和濾光裝置10置于智能相機9上。
信息感知處理部分II的智能相機9為CCD攝像機+圖像采集卡+PC機的集成。
信息處理部分III由圖像信息采集模塊a、車道標識線識別與跟蹤模塊b、車輛方向參數(shù)估計模塊c、車輛位置參數(shù)估計模塊d、車道寬度估計模塊e和車道偏離警告決策模塊f組成，且順序啟動。信息處理部分III的軟件代碼，利用上位機通過以太網(wǎng)口傳輸?shù)街悄芟鄼C9內(nèi)的芯片中。
本發(fā)明的工作過程是首先將智能相機9利用安裝支架8吸附在車輛駕駛室內(nèi)的前風擋玻璃中間位置，要求智能相機9的鏡頭朝向車輛正前方，然后將車載電源3通過電源開關(guān)4連到逆變電源5的輸入端，通過逆變電源5變壓后給智能相機9供電。在此基礎(chǔ)上按下啟動按鈕6，則此時觸發(fā)智能相機9內(nèi)的信息處理部分III開始運行，此時圖像信息采集模塊a適時捕獲本車前方的場景圖像，利用獲得的圖像信息通過各個圖像處理模塊(包括車道標識線識別與跟蹤模塊b、車輛方向參數(shù)估計模塊c、車輛位置參數(shù)估計模塊d、車道寬度估計模塊e和車道偏離警告決策模塊f)的分析判斷，檢測車輛在當前車道中的運行態(tài)勢，當檢測到車輛將偏離車道而駕駛員并沒有開啟車輛轉(zhuǎn)向燈時，系統(tǒng)觸發(fā)聲光報警。
本發(fā)明的積極效果在于能使在高等級公路上行駛的車輛有效地避免偏離車道事故的發(fā)生，從而使大量人員的生命及財產(chǎn)得到保障，且系統(tǒng)成本低廉，并易于操作，具有直接和潛在的經(jīng)濟效益和社會效益。


圖1為高等級公路上車輛防車道偏離預警系統(tǒng)的示意圖其中I.機電部分 II.信息感知處理部分 III.信息處理部分 1.報警燈2.報警喇叭 3.車載電源 4.電源開關(guān) 5.逆變電源 6.啟動按鈕 7.繼電器8.安裝支架 9.智能相機 10.濾光裝置 a.圖像信息采集模塊 b.車道標識線識別與跟蹤模塊 c.車輛方向參數(shù)估計模塊 d.車輛位置參數(shù)估計模塊 e.車道寬度估計模塊 f.車道偏離警告決策模塊圖2為車輛位置參數(shù)、方向參數(shù)以及車道寬度參數(shù)示意3為不同光照條件下原始圖像中車道標識線參數(shù)提取流程4為不同光照條件下重建圖像中車道標識線參數(shù)提取流程圖具體實施方式
本發(fā)明的硬件安裝要求智能相機水平安裝，鏡頭朝前，即其光軸方向與地面平行。同時智能相機安裝位置盡量靠近前風擋玻璃橫向方向上的中間位置處。安裝高度H視不同類型車輛而定。
車輛在高等級公路上運行時，可通過按下電控裝置前面板上的啟動按鈕實現(xiàn)車道偏離預警功能。首先，圖像信息采集模塊a適時的采集本車前方場景中的圖像，圖像能夠包含視野范圍內(nèi)本車前方道路路面信息。當圖像信息采集模塊獲取一幀圖像后，啟動車道標識線識別與跟蹤模塊b模塊對該幀圖像進行分析，首先利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像光照模式分類器對光照模式進行分類，針對不同的光照模式，分別在原始圖像和重建圖像中利用不同的車道標識線參數(shù)提取方法，然后利用基于最優(yōu)權(quán)值的信息融合方法將兩種車道標識線參數(shù)信息進行融合，從而實現(xiàn)可靠、精確地提取出圖像中的車道標識線參數(shù)。不同光照模式下原始圖像和重建圖像中車道標識線參數(shù)提取流程分別見圖3和圖4。通過計算可以得到車道標識線參數(shù)信息融合的最優(yōu)權(quán)值如式(8)所示
W1=diag(0.7463,0.5798,0.8000,0.6150)W2=diag(0.2537,0.4202,0.2000,0.3850)]]>式(8)由此，可以得到車道標識線參數(shù)的融合識別結(jié)果為式(9)所示L0T=W1L1T+W2L2T]]>式(9)式中L1＝(kl1，bl1，lr1，br1)、L2＝(kl2，bl2，kr2，br2)分別為原始圖像和重建圖像中提取出的用于融合的車道標識線參數(shù)，L0＝(kl0，bl0，kr0，br0)為車道標識線參數(shù)最終融合結(jié)果。
在提取出車道標識線參數(shù)信息以后啟動車輛方向參數(shù)估計模塊c、車輛位置參數(shù)估計模塊d、車道寬度估計模塊e。車輛方向參數(shù)的求取是通過將車道標識線參數(shù)信息送入已建立的車輛方向參數(shù)估計模型(見式1)。車輛位置參數(shù)的求取是通過將車道標識線參數(shù)信息和已估計出的車輛方向參數(shù)信息送入已建立的車輛位置參數(shù)估計模型(見式2)。車到寬度的求取是通過將車道標識線參數(shù)信息和已估計出的車輛方向參數(shù)信息送入已建立的車道寬度估計模型(見式3)。
得到車輛在車道中的位置參數(shù)、方向參數(shù)以及道路寬度參數(shù)以后，啟動車道偏離警告決策模塊f，該模塊將得到的車輛在車道中的位置參數(shù)、方向參數(shù)以及道路寬度參數(shù)送入建立的車道偏離預警模型(見式4和式5)，從而對當前是否觸發(fā)車道偏離預警進行決策。
當車道偏離預警決策模塊做出決策后，若需要發(fā)出車道偏離報警信號，則通過智能相機的I/O輸出端口觸發(fā)電控裝置內(nèi)對應的報警燈閃爍，并發(fā)出相應的警報聲音。
信息處理部分III的軟件代碼利用上位機通過以太網(wǎng)口傳輸?shù)街悄芟鄼C內(nèi)的芯片中。
本發(fā)明的信息感知和處理部分II中采用智能相機作為圖像處理平臺。在智能相機非常小的體積內(nèi)含CCD，采用32位圖像處理專用DSP(TMS320C64XX)，工作頻率可達400MHz，運算速度高達3200MIPS。4路輸入輸出數(shù)字I/O口，僅需要一路24VDC供電。
信息感知處理部分II中的濾光裝置采用了利用圓偏振原理的濾光鏡片，其作用在于迎光駕駛時濾掉部分眩暈光，以保證采集圖像的質(zhì)量能滿足系統(tǒng)的防追尾碰撞警告功能。
權(quán)利要求
1.一種高等級公路上車輛防車道偏離預警方法，其特征在于順序啟動圖像信息采集模塊(a)、車道標識線識別與跟蹤模塊(b)、車輛方向參數(shù)估計模塊(c)、車輛位置參數(shù)估計模塊(d)、車道寬度估計模塊(e)和車道偏離警告決策模塊(f)。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的圖像信息采集模塊(a)用作獲取圖像信息及調(diào)節(jié)攝像機的控制參數(shù)，其采集的圖像為本車前方道路場景中的圖像。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的圖像信息包括圖像的灰度值和圖像大小。
4.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的攝像機的控制參數(shù)為攝像機的快門和增益。
5.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的車道標識線識別與跟蹤模塊(b)用圖像處理技術(shù)以及模式識別方法，提取圖像中的車道標識線。
6.按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述的車道標識線參數(shù)為左車道標識線(k_left)、右車道標識線(b_left)、斜率(k_right)和截距(b_right)。
7.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于車輛方向參數(shù)估計模塊(c)用獲得的車道標識線參數(shù)信息，估算出車輛在當前車道中的方向參數(shù)θ值，θ值由下式計算θ=-arctg[(H_image)2×μxf×(H_image+2×y0)×k_left+k_right2)]×180π]]>式中H_image和W_image分別為重建圖像的高度和寬度；f為鏡頭焦距；μx為CCD靶面在寬度方向上的像素尺寸；y0表示在xoy坐標系中，進行逆投影變換時，在原始圖像中重建區(qū)域內(nèi)y坐標的極大值。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的車輛位置參數(shù)估計模塊(d)用獲得的車道標識線參數(shù)信息，以及車輛方向參數(shù)信息估算出車輛在當前車道的位置參數(shù)x0，其計算模型為x0=[(W_image-b_rightk_right-b_leftk_left)×h2×|y0|]×cosθ-h×sinθ]]>
9.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的車道寬度估計模塊(e)用獲得的車道標識線參數(shù)信息，以及車輛方向參數(shù)信息，估算出車輛在當前車道的寬度值w，其計算模型為w=h|y0|×|b_leftk_left-b_rightk_right|×cosθ]]>
10.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的車道偏離警告決策模塊(f)用獲得的車輛方向信息、車輛位置信息以及車道寬度信息，對當前車輛是否偏離車道進行決策，采用的決策模型當滿足下式時，觸發(fā)車道偏離預警，偏離方向向右 當滿足下式時，觸發(fā)車道偏離預警，偏離方向向左 式中b為車輛寬度，θ0為事先設(shè)定好的一個閾值。xl為設(shè)定的報警臨界線距y軸的距離，當為小轎車時，xl的值按照下式選定xl=w2-200]]>當為貨車或大客車時，xl的值按照下式選定xl=w2+100]]>
11.一種高等級公路上車輛防車道偏離預警系統(tǒng)，由機電部分(I)、信息感知和處理部分(II)和信息處理部分(III)組成，其特征在于機電部分(I)中的逆變電源(5)的輸出端及繼電器(7)的一端與信息感知處理部分(II)的智能相機(9)的輸出信號接口連接，信息感知處理部分(II)中的智能相機(9)，信息處理部分(III)嵌于信息感知處理部分(II)的智能相機(9)的內(nèi)部芯片中，信息感知處理部分(II)的智能相機(9)經(jīng)機電部分(I)的安裝支架(8)，固定于車輛駕駛室的前風擋玻璃內(nèi)。
12.按權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中的機電部分(I)由報警燈(1)、報警喇叭(2)、車載電源(3)、電源開關(guān)(4)、逆變電源(5)、啟動按鈕(6)、繼電器(7)和安裝支架(8)組成，其特征在于逆變電源(5)的輸入端經(jīng)電源開關(guān)(4)與車載電源(3)連接，其輸出端分別與繼電器(6)及智能相機(9)連接；繼電器(7)的一端與智能相機(9)的輸出信號接口連接，另一端與報警燈(1)和報警喇叭(2)連接；濾光裝置(10)置于智能相機(9)前方；安裝支架(8)與智能相機(9)連接，并固定于車輛駕駛室的前風擋玻璃內(nèi)；啟動按鈕(6)置于智能相機(9)上。
13.按權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的信息感知處理部分(II)的智能相機(9)為CCD攝像機+圖像采集卡+PC機的集成。
14.按權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的信息處理部分(III)由圖像信息采集模塊(a)、車道標識線識別與跟蹤模塊(b)、車輛方向參數(shù)估計模塊(c)、車輛位置參數(shù)估計模塊(d)、車道寬度估計模塊(e)和車道偏離警告決策模塊(f)組成，且順序啟動。
15.按權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的安裝支架(8)采用吸盤式結(jié)構(gòu)。
全文摘要
高等級公路上車輛防車道偏離預警方法和系統(tǒng)屬智能交通和智能車輛研究領(lǐng)域，目的是預測并提前向駕駛員發(fā)出警告，有效避免高等級公路上車輛車道偏離和交通事故的發(fā)生。本發(fā)明中的逆變電源輸出端及繼電器一端與智能相機的輸出信號接口連接；圖像信息采集、車道標識線識別與跟蹤、車輛方向參數(shù)估計、車輛位置參數(shù)估計、車道寬度估計和車道偏離警告決策等六模塊嵌于智能相機的內(nèi)部芯片中；智能相機經(jīng)安裝支架，固定于車輛駕駛室的前風擋玻璃內(nèi)；順序啟動六模塊是防車道偏離預警方法的關(guān)鍵。采用本發(fā)明可使高等級公路上的車輛有效避免偏離車道事故的發(fā)生，從而使大量人員的生命及財產(chǎn)得到保障，且系統(tǒng)成本低廉、易于操作，具有可觀的經(jīng)濟和社會效益。
文檔編號B60W50/14GK101016052SQ20071005527
公開日2007年8月15日 申請日期2007年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月25日
發(fā)明者王榮本, 于天洪, 金立生, 郭烈, 李琳輝, 趙一兵 申請人:吉林大學