專利名稱：一種車輛車道變換輔助裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及機動車輛駕駛安全領域，特別涉及一種車輛車道變換輔助裝置。
背景技術：
汽車駕駛員的車道變換行為與道路交通安全密切相關，統計數據表明，由于不正 確的車道變換行為導致了大量的交通事故，給人民的生命財產安全帶來了巨大損失。駕駛 員在進行車道變換時，通常使用左、右后視鏡以及車內后視鏡觀察其側后車輛，判斷側后車 輛與自身車輛之間的橫向相對距離、縱向相對距離、縱向相對速度等參數。與前方車輛相 比，駕駛員通過后視鏡判斷側后車輛的縱向相對距離、縱向相對速度時要困難得多，主要原 因在于后視鏡的鏡面在成像時將大范圍內物體成像在很小的鏡面上，側后車輛及道路周圍 場景都會發生一定的形變，導致駕駛員從后視鏡中不容易判斷出與側后車輛的縱向相對距 離、縱向相對速度等信息，從而在換道過程中對于換道的安全性把握不夠，容易出現在不安 全的情況下進行換道操作，引發交通事故。目前，針對車輛的車道變換技術通常采用擴大后視鏡觀察范圍的方法，如在后視 鏡外側安裝圓形凸面鏡，或者是在發動機蓋上安裝小后視鏡。采用上述方法能夠增加駕駛 員在車道變換過程中對側后車輛的觀察范圍，但是沒有解決通過后視鏡觀察側后車輛時不 容易判斷縱向相對距離、縱向相對速度的問題。目前，在高檔轎車上有采用在車輛后保險杠安裝雷達來監測側后車輛的方法，這 種方法能夠對駕 駛員的車道變換過程提供輔助幫助，但是雷達傳感器的價格昂貴，通常在5 萬人民幣以上，不適合進行大規模推廣使用。
發明內容本實用新型的目的在于提供一種車輛車道變換輔助裝置及其輔助判斷方法，該車 輛車道變換輔助裝置投資費用少、適合規模化推廣，其輔助判斷方法，智能化、自動化，無需 操作，且可靠性高。本實用新型的基本原理是通過使用兩個攝像頭來采集駕駛員開啟轉向燈情況下 自身車輛左后方或者自身車輛右后方的道路圖像，然后將自身車輛左后方或者自身車輛右 后方的道路圖像傳輸至圖像處理器。圖像處理器中利用圖像處理程序，通過圖像識別得到 側后車輛在道路圖像中的準確位置，由于攝像頭相對于自身車輛的位置不變，因此，圖像識 別得到的不同時刻的側后車輛的圖像位置，經過幾何計算就能夠得到側后車輛相對自身車 輛的縱向相對距離、縱向相對速度以及橫向相對距離，同時結合自身車輛的行駛速度對車 道變換的安全性進行評估，評估結果為安全和不安全兩種，通過使用不同顏色的信號燈將 評估結果向駕駛員進行提示，為駕駛員的車道變換過程提供輔助幫助。為了達到上述技術目的，本實用新型采用以下技術方案予以實現。1、一種車輛車道變換輔助裝置，其特征在于，包括兩個攝像頭，分別固定在車輛的左后視鏡和右后視鏡上，采集自身車輛左側后方和右側后方的道路圖像； 一個指示安全的綠色信號燈和一個指示不安全的紅色信號燈，分別固定在車輛儀 表盤上； 一個圖像處理器，分別通過USB接口電連接兩個攝像頭的視頻線，分別通過I/O接 口電連接綠色信號燈、紅色信號燈以及自身車輛的速度信號線、左轉向燈開啟信號線、右轉 向燈開啟信號線。上述技術方案的進一步改進和特點在于所述攝像頭采用中星YJS-01 USB2. 0攝像頭。所述圖像處理器為ARM9處理器，具體型號為S3C2410。所述綠色信號燈為綠色LED燈，紅色信號燈為紅色LED燈。2、一種車輛車道變換輔助判斷方法，基于上述車輛車道變換輔助裝置，其特征在 于，包括以下步驟( 1)左側攝像頭標定在自身車輛的左側后方豎立標桿，通過左側攝像頭采集標桿 圖像，識別出標桿圖像中的標桿位置，對標桿圖像中的標桿位置與標桿實際位置進行標定， 換算自身車輛和標桿的縱向相對距離和橫向相對距離；(2)右側攝像頭標定，其方法同左側攝像頭標定；(3)圖像采集自身車輛在運動過程中，圖像處理器實時監控自身車輛的行駛速 度，當自身車輛的行駛速度高于10km/h時，圖像處理器對左轉向燈開啟信號、右轉向燈開 啟信號進行監控；當駕駛員開啟某一側轉向燈時，圖像處理器接通該側攝像頭，采集該側攝 像頭的道路圖像；(4)圖像預處理去除道路圖像中的無用點及干擾點；(5)側后車輛輪廓提取對經過圖像預處理的道路圖像進行二值化處理，提取道路 圖像中側后車輛的形狀，得到側后車輛的輪廓圖像；(6)提取側后車輛位置的特征點，選取側后車輛的特征點，提取該特征點在道路圖 像中的位置；(7)縱向相對距離、縱向相對速度以及橫向距離計算得到側后車輛特征點在道路 圖像中的位置之后，換算自身車輛和側后車輛的縱向相對距離和橫向相對距離；通過對連 續兩次換算得到的縱向相對距離，實時計算得到自身車輛和側后車輛的縱向相對速度；(8)換道安全性評估根據實時計算得到的自身車輛和側后車輛的縱向相對距離、 縱向相對速度以及橫向距離，分析進行換道導致與側后車輛發生碰撞的可能性，通過紅色 信號燈發出不適合進行換道警示或通過綠色信號燈發出可以進行換道的提示。上述技術方案的特點在于所述選取側后車輛的特征點為其外形輪廓下邊緣線的 中占。
I ； WN O本實用新型的車輛車道變換輔助裝置，主要部件采用攝像頭和ARM9處理器，投資 費用少、設計簡單、可靠性高，而且不需要對車輛進行過多改裝。本實用新型的車輛車道變 換輔助判斷方法，基于上述車輛車道變換輔助裝置，其道路圖像的處理以及車道變換安全 性的分析計算由ARM9處理器直接完成，智能化高，對駕駛員車道變換輔助提示的結果直 觀、可靠。
圖1為攝像頭的安裝及對車輛左后方和右后方的拍攝示意圖；圖2為ARM9圖像處理器的信號輸入輸出示意圖；圖中1、ARM9處理器；2、左側攝像頭；3、右側攝像頭；4、LED燈；5、左側后車輛； 6、右側后車輛；7、USB接口一 ；8、USB接口二 ；9、左轉向燈信號I/O接口 ； 10、右轉向燈信號 I/O接口 ；11、車速信號I/O接口 ；12、綠色信號燈I/O接口 ；13、紅色信號燈I/O接口。
具體實施方式
參照圖1、圖2，在車輛車道變換的輔助裝置中，ARM9處理器1安裝在車內儀表盤 下方。圖像采集裝置中，本實施例采用左側攝像頭2和右側攝像頭3。左側攝像頭2采用 螺栓固定在自身車輛的左側后視鏡上，鏡頭朝向左側后車輛5所在區域安裝。右側攝像頭 3采用螺栓固定在自身車輛的右側后視鏡上，鏡頭朝向右側后車輛6所在區域安裝。紅、綠 兩個LED燈4安裝在儀表盤左側駕駛員容易注意到的區域。左側后車輛5和右側后車輛6 在攝像頭所采集圖像中的形狀為近似矩形。ARM9處理器1通過車速信號接口 11采集自身車輛固有的車速傳感器的速度信號， 用于識別自身車輛的行駛速度，在車速高于10km/h時ARM9處理器1將啟動車輛車道變換 輔助系統。ARM9處理器1通過左、右轉向燈信號I/O接口 9、10采集車輛左轉向燈的開啟信 號和右轉向燈的開啟信號，用于判斷駕駛員是否意圖進行車道變換以及意圖進行車道變換 的方向。本實施例攝像頭采用中星YJS-Ol USB2. 0攝像頭，有效像素600萬，將左側攝像頭 2通過USB數據線連接到ARM9處理器的USB接口一 7，將右側攝像頭3通過USB數據線連 接到ARM9處理器的USB接口二 8。ARM9處理器1接收自身車輛左后方的道路圖像或者右 后方的道路圖像，通過圖像識別得到不同時刻道路圖像中的側后車輛位置，通過幾何計算 得到自身車輛與側后車輛之間的縱向距離、縱向相對速度以及橫向距離，結合車輛行駛速 度對車道變換的安全性進行分析，通過綠色信號燈I/O接口 12控制綠色信號燈向駕駛員提 示安全，或者通過紅色信號燈I/O接口 13控制紅色信號燈向駕駛員提示不安全。在對駕駛員進行車道變換輔助判斷時，由于車道變換本身持續的時間比較短，因 此，攝像頭的采樣頻率和ARM9處理器1的處理速率必須滿足車道變換輔助裝置的快速性要 求。本實施例中采用的攝像頭采集頻率為25Hz，即攝像頭每秒對車輛左后方或者右后方采 集25幀圖片。ARM9處理器1對圖像的處理速率設定為10Hz，即車道變換輔助系統每秒鐘 能進行10次車道變換安全性評估，符合車道變換輔助速率需求。由于攝像頭的采樣頻率高 于ARM9的處理頻率，因此系統能夠正常工作，不會出現圖像滯后的現象。為了實現本實用新型的車輛車道變換輔助判斷方法，結合上述車輛車道變換輔助 裝置為基礎，具體步驟如下(1)攝像頭、ARM9處理器以及信號燈安裝首先安裝攝像頭，共使用兩個相同的攝像頭，分別安裝在左側后視鏡上和右側后 視鏡上。攝像頭采用細螺栓安裝在后視鏡上邊緣，水平安裝，鏡頭朝向車輛后方。由于攝像 頭的安裝沒有遮擋左后視鏡或者右后視鏡，因此攝像頭正常工作時不會對駕駛員通過后視 鏡觀察車輛后方信息帶來干擾。使用USB連接線分別將左側攝像頭和右側攝像頭與ARM9
5處理器的USB接口一、二連接。攝像頭安裝完成之后安裝ARM9處理器。ARM9處理器封裝在金屬盒中，通過導線與 外界進行信號傳輸，其安裝位置位于車輛儀表盤內部空間中。使用導線將車輛的左轉向燈 信號線、右轉向燈信號線、以及自身車輛速度信號線分別與ARM9處理器的I/O接口連接。將紅色信號燈和綠色信號燈固定在一個底座上，利用雙面膠將底座粘貼在駕駛員 前方的儀表盤上，其中底座的位置需要在駕駛員容易注意到的地方，但不能偏離駕駛員正 常視線太多，否則駕駛員會感覺需要特別注意才能觀察信號燈的狀態，影響到正常的駕駛 行為。(2)攝像頭標定以左側攝像頭標定為例在自身車輛的左側后方豎立標桿，通過左側攝像頭采集 標桿圖像，識別出標桿圖像中的標桿位置，對標桿圖像中的標桿位置與標桿實際位置進行 標定，換算自身車輛和標桿的縱向相對距離和橫向相對距離。具體為將車輛停在空闊地帶，以車輛后保險杠位置為起點向后方進行距離標記， 作出地面標識，在地面標識位置豎立標桿。然后控制左側攝像頭采集左后方的標桿圖像。 對采集到的標桿圖像進行分析處理，識別出標桿圖像中的標桿位置。由于標桿實際距離已 知，通過攝像頭標定即可得到自身車輛和標桿的縱向相對距離和橫向相對距離的數學計算 公式。右側攝像頭標定，其方法同左側攝像頭標定。(3)圖像采集與傳輸系統啟動后，ARM9處理器啟動對車輛行駛速度和車輛轉向燈狀態的監控。首先監 控的條件是車速，由于道路環境信息比較復雜，在低速情況下車輛與周圍側后車輛之間的 距離通常較小，且在低速情況下駕駛員對周圍環境的觀察能力相對較強，通常不會出現由 于駕駛員觀察能力不夠而引發的交通事故。因此，ARM9處理器中的車速條件設置為IOkm/ h，即只有在自身車速大于10km/h的情況下，ARM9處理器才進行后續操作，否則將停止工 作。當自身車速大于10km/h時，ARM9處理器開始監控自身車輛的轉向燈狀態，具體包括左 轉向燈和右轉向燈。當ARM9處理器監控到駕駛員開啟轉向燈時，首先判斷駕駛員開啟的是 那一側轉向燈，然后通過USB接口采集該側攝像頭的道路圖像。例如，駕駛員開啟左轉向燈 后，ARM9處理器判斷出駕駛員準備向左變換車道，此時ARM9處理器將通過USB接口采集左 側攝像頭的道路圖像，對于右側攝像頭的道路圖像則不采集。ARM9處理器根據車速信號和轉向燈開啟信號控制左側攝像頭和右側攝像頭的道 路圖像采集，圖像采集過程從駕駛員開啟轉向燈到轉向燈關閉為止，但最短的圖像采集時 間設置為10秒鐘，這是由于現代汽車通常安裝了轉向燈自動關閉系統，有時會出現駕駛員 還沒有完成車道變換的時候轉向燈已經關閉的情況，為了保證在后續過程中繼續對駕駛員 進行車道變換提供輔助，ARM9處理器將持續工作，持續時間為10秒鐘。(4)圖像預處理去除道路圖像中的無用點及干擾點。圖像預處理的目的是去除左側攝像頭或者右側攝像頭所采集道路圖像中的干擾 信息。由于車輛行駛的環境存在差異性，攝像頭所采集到的道路圖像中經常會出現與目標 車輛無關的信息，這些信息對于后續距離計算會產生干擾，因此在圖像處理過程中首先對 道路圖像進行濾波，具體采用中值濾波算法進行。對于圖像中的某一個像素點，計算該點周圍3X3范圍內像素點灰度值的平均值，用該平均值作為該點的灰度值。通過使用3X3的 中值濾波算法能基本消除攝像頭所采集圖像中所存在的干擾信息。(5)側后車輛輪廓提取對經過圖像預處理的道路圖像進行二值化處理，提取道路 圖像中側后車輛的形狀，得到側后車輛的輪廓圖像。對經過圖像預處理的道路圖像進行二值化處理，提取道路圖像中側后車輛的前視 形狀。對于左側攝像頭和右側攝像頭，都是從側后車輛前方對側后車輛進行圖像采集，因此 在所采集到的道路圖像中側后車輛的形狀為前視形狀。圖像處理程序中采用二值化方法對 圖像進行輪廓提取，具體過程為設定一個灰度閾值，對于圖像中的某一個點，如果該點的灰 度值大于等于閾值，則認為該點屬于側后車輛所在范圍，將該點的灰度值改為0，反之如果 該點的灰度值小于閾值則認為該點不屬于側后車輛區域，將該點的灰度值改為1。對一幀圖 像按照此方法運算完成之后，道路圖像中的灰度值0部分所組成的形狀即為側后車輛的形 狀。(6)提取側后車輛的特征點選取側后車輛前視輪廓中下邊緣的中點作為特征點。提取側后車輛的輪廓后得到 側后車輛在道路圖像中的前視輪廓。由于車輛的前視輪廓具有完整性，即提取得到的側后 車輛輪廓應該為一封閉的近似矩形形狀，其中矩形的下邊緣實際代表了側后車輛的前端， 進行車道變換安全性計算時所采用的距離為自身車輛后保險杠到側后車輛前保險杠的距 離。圖像處理程序中采用車輛前視輪廓中下邊緣的中點作為特征點，具體的提取過程是圖 像處理程序對提取側后車輛輪廓的結果進行分析，按照類似封閉矩形的識別規則識別出道 路圖像中的側后車輛，然后從類似矩形的封閉圖像中選取下邊緣的中點，得到下邊緣中點 的縱向圖像位置和橫向圖像位置。(7)縱向相對距離、縱向相對速度以及橫向距離計算得到側后車輛特征點在道路 圖像中的位置之后，換算自身車輛和側后車輛的縱向相對距離和橫向相對距離；通過對連 續兩次換算得到的縱向相對距離，實時計算得到自身車輛和側后車輛的縱向相對速度。得到側后車輛特征點的圖像位置之后，利用攝像頭標定所得到的縱向圖像位置與 實際縱向距離、橫向圖像位置與實際橫向距離之間的數學關系計算出側后車輛與自身車輛 之間的實際距離，具體包括實際縱向距離和實際橫向距離。其具體的過程為對于得到的橫 向圖像位置Xl和縱向圖像位置值yl，利用攝像頭標定所得到的橫向圖像位置與實際橫向 距離之間的數學關系f (χ)和縱向圖像位置與實際縱向距離之間的數學關系g(y)，將Xl和 yl分別代入到函數f(x)和g(y)中，計算得到實際橫向距離值和實際縱向距離值。通過對連續兩次換算得到的縱向相對距離，用后一次計算處理得到的實際縱向距 離值減去前一次計算得到的實際縱向距離值，得到兩次計算之間的縱向距離差，用縱向距 離差除以兩次計算之間的時間差得到縱向相對速度。當縱向相對速度< 0時表示自身車 輛速度要比側后車輛速度低，而縱向相對速度> 0時表示自身車輛速度要比側后車輛速度 高。縱向相對速度用于反應側后車輛的接近速度，從而可以進行車道變換安全性評估。例 如在側后車輛高速接近時進行車道變換是不安全的，需要對駕駛員進行提示。(8)換道安全性評估根據實時計算得到的自身車輛和側后車輛的縱向相對距離、 縱向相對速度以及橫向距離，分析進行換道導致與側后車輛發生碰撞的可能性，通過紅色 信號燈發出不適合進行換道警示或通過綠色信號燈發出可以進行換道的提示。[0056]得到自身車輛與側后車輛的縱向距離、橫向距離以及縱向相對速度值之后，圖像 處理程序進行換道安全性評估，評估結果分為兩種情況安全和不安全。如果評估結果為安 全，則ARM9處理器將控制綠色信號燈發光，提示駕駛員可以進行換道操作，如果評估結果 為不安全，則ARM9處理器將控制紅色信號燈發光，提示駕駛員此時不適合進行車道變換操 作。具體的評估流程如下1.判斷橫向距離的大小，車道變換的過程是橫向方向發生位移變化，且通常理解 的車道變換過程是從一個車道變換到相鄰車道中，因此如果在車道變化過程中側后車輛不 是位于相鄰車道中，而是位于更遠的車道中，這種情況下的車道變換是安全的，因此首先 判斷橫向距離。我國高速公路車道標準寬度為3. 75m，通常其他道路的車道寬度不會大于 3. 75m，考慮一定的彈性系數，判斷橫向距離的安全性時采用4. 5m作為判斷值。當計算得到 的橫向距離大于4. 5m時，表明進行車道變換不會給后方側后車輛的正常行駛帶來干擾，安 全評估結果為安全，因此ARM9處理器將控制綠色信號燈發光，提示駕駛員可以進行車道變 換。如果計算得到的橫向距離值小于等于4. 5m時，此時需要進行下一步的安全性判斷。2.設定參數k，k=縱向距離/自身車輛速度，其中自身車輛速度單位為km/h，縱向 距離單位為m，參 數k反應的是側后車輛的跟車時間。當側后車輛跟車距離很近時進行換道 將導致自身車輛出現在側后車輛的正前方，而且兩車之間的距離很近，這會引起后車駕駛 員的緊張從而采取剎車操作，會干擾到周圍車輛的正常運行，加大追尾事故發生的風險性。 計算參數k的大小，采用k=0. 5作為閾值，當參數k < 0. 5時安全評估結果為不安全，此時 ARM9處理器將控制紅色信號燈發光，提醒駕駛員此時不能進行換道操作。當參數k > 0. 5 時將進行下一步車道變換安全性評估。3.判斷縱向相對速度的正負。當縱向相對速度> 0時，自身車輛的速度要高于或 者等于側后車輛速度，因此此時進行換道是安全的，ARM9處理器將控制綠色信號燈發光。當 縱向相對速度< 0時，將進行下一步車道變換安全性評估。4.設定參數η，η=縱向距離/縱向相對速度絕對值，其中縱向距離絕對值的單位 為m，縱向相對速度的單位為m/s，參數η反應的是車道變換過程中與后方相鄰車道緊隨車 輛發生碰撞事故的可能性。參數η值很小時表明側后車輛正以高速接近自身車輛，此時如 果進行車道變換則可能導致車道變換過程中與高速接近的車輛發生碰撞事故。計算參數η 的大小，采用η=3作為閾值，當參數η < 3時安全評估結果為不安全，此時ARM9處理器將控 制紅色信號燈發光，提醒駕駛員此時不能進行換道操作。當參數η>3時，安全評估結果為安 全，因此ARM9處理器將控制綠色信號燈發光，提示駕駛員可以進行車道變換。通過上述4步車道變換安全性評估，得到車道變換的安全性，當評估結果為安全 時，ARM9處理器控制綠色信號燈發光，向駕駛員提示此時可以進行車道變換，當評估結果為 不安全時，ARM9處理器控制紅色信號燈發光，向駕駛員提示此時不適合進行車道變換，實現 對駕駛員車道變換的輔助提示功能，從而保證車輛的安全運行。
權利要求1.一種車輛車道變換輔助裝置，其特征在于，包括兩個攝像頭，分別固定在車輛的左后視鏡和右后視鏡上，采集自身車輛左側后方和右 側后方的道路圖像；一個指示安全的綠色信號燈和一個指示不安全的紅色信號燈，分別固定在車輛儀表盤上；一個圖像處理器，分別通過USB接口電連接兩個攝像頭的視頻線，分別通過I/O接口電 連接綠色信號燈、紅色信號燈以及自身車輛的速度信號線、左轉向燈開啟信號線、右轉向燈 開啟信號線。
2.根據權利要求1所述的車輛車道變換輔助裝置，其特征在于，所述攝像頭采用中星 YJS-Ol USB2. 0 攝像頭。
3.根據權利要求1所述的車輛車道變換輔助裝置，其特征在于，所述圖像處理器為 ARM9處理器，具體型號為S3C2410。
4.根據權利要求1所述的車輛車道變換輔助裝置，其特征在于，所述綠色信號燈為綠 色LED燈，紅色信號燈為紅色LED燈。
專利摘要本實用新型涉及機動車輛駕駛安全領域，公開了一種車輛車道變換輔助裝置。該車輛車道變換輔助裝置，包括兩個攝像頭，一個指示安全的綠色信號燈和一個指示不安全的紅色信號燈，一個圖像處理器；圖像處理器分別通過USB接口電連接兩個攝像頭的視頻線，分別通過I/O接口電連接綠色信號燈、紅色信號燈以及自身車輛的速度信號線、左轉向燈開啟信號線、右轉向燈開啟信號線，并通過攝像頭采集道路圖像，計算自身車輛和側后車輛的縱向相對距離、縱向相對速度以及橫向距離，綜合判斷車輛的換道安全性。
文檔編號G01C11/00GK201881988SQ20102053245
公開日2011年6月29日 申請日期2010年9月17日 優先權日2010年9月17日
發明者付銳, 張瓊, 彭金栓, 李山虎, 王暢, 袁偉, 詹盛, 郭應時 申請人:長安大學