汽車主動(dòng)安全技術(shù)6-1車道偏離預(yù)警系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)課件

1、第六章 車道偏離預(yù)警系統(tǒng)6.1 概述6.2 車道偏離預(yù)警系統(tǒng)組成6.3 車道偏離預(yù)警算法6.4 相關(guān)應(yīng)用6.1 概述 交通事故統(tǒng)計(jì)分析顯示，歐洲國(guó)家和美國(guó)80% 90%的交通事故是由于駕駛員的人為因素造成的。根據(jù)美國(guó)警察局統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，大約有20%的事故是由于車道偏離造成的。車道偏離是指車輛駛出當(dāng)前行駛的車道線或行駛車輛的一部分超出車道線的狀況。由于駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕駛，會(huì)出現(xiàn)打瞌睡和注意力不集中的現(xiàn)象，而此現(xiàn)象正是導(dǎo)致車道偏離事故的主要原因。車道偏離預(yù)警系統(tǒng)(Lane Departure Warning System, LDWS )可以避免30% 70%的車道偏離交通事故的發(fā)生。 車道偏離報(bào)警系統(tǒng)

2、可識(shí)別車輛何時(shí)偏離車道，并通過聲音或方向盤的不連續(xù)振動(dòng)提前向駕駛員發(fā)出警告，使駕駛員全神貫注于前方道路。 它利用集成在后視鏡附近的攝像頭監(jiān)控前方道路，夜間監(jiān)控大燈光束內(nèi)的道路。監(jiān)控錄像被發(fā)送至中央控制單元，在那里進(jìn)行分析。系統(tǒng)會(huì)識(shí)別出車道標(biāo)記線，并持續(xù)跟蹤觀察標(biāo)記線的位置。如果探測(cè)到車輛即將要偏離標(biāo)記線，系統(tǒng)會(huì)通過聲音或方向盤的振動(dòng)向駕駛員發(fā)出警告，提醒駕駛員及時(shí)校正車輛方向。 根據(jù)車速的不同，報(bào)警提醒的時(shí)間也不同，當(dāng)車速較高時(shí)會(huì)系統(tǒng)會(huì)提前發(fā)出警告，讓駕駛員有足夠的時(shí)間來校正方向。車道偏離預(yù)警系統(tǒng)流程圖國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 最早對(duì)車道偏離預(yù)警系統(tǒng)研究始于美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局發(fā)起的車道偏離預(yù)警項(xiàng)

3、目。項(xiàng)目報(bào)告中對(duì)車道偏離進(jìn)行了分類，分為由于車速過快失控導(dǎo)致的縱向偏離和由于駕駛員分神或放棄操縱方向盤引起的橫向偏離兩類。 通過檢測(cè)車輛的橫向位置可以防止大約53%的車道偏離事故。因此將車輛相對(duì)車道線的橫向位置作為判斷車輛是否偏離的基準(zhǔn)是可行的。 檢測(cè)車輛的橫向相對(duì)位置的方法有基于道路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的，也有基于車輛自身的。1)基于道路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng) 利用車輛感應(yīng)器檢測(cè)車輛與掩埋在地下的磁鐵或線圈的感應(yīng)信號(hào)強(qiáng)弱來估計(jì)車輛距車道線的距離。硬件上需要對(duì)目前已經(jīng)存在的道路進(jìn)行重新鋪設(shè)感應(yīng)線圈。2)基于車輛的車道偏離預(yù)警系統(tǒng) 對(duì)車道線標(biāo)識(shí)位置的檢測(cè)一般是通過機(jī)器視覺或者紅外傳感器完成。如安裝在車輛上的攝像頭。

4、根據(jù)傳感器的安裝位置和檢測(cè)范圍的差視覺系統(tǒng)又分為俯視系統(tǒng)與前視系統(tǒng)。(1)俯視系統(tǒng) 攝像頭安裝在車輛側(cè)面，斜指向車道。 由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)院1997開發(fā)的Aurora是俯視系統(tǒng)的代表。該系統(tǒng)由帶廣角鏡頭的彩色攝像機(jī)、數(shù)字轉(zhuǎn)換器和一個(gè)便攜Sun Sparc工作站等組成。該系統(tǒng)通過安裝在車輛一側(cè),視野大約為115116m區(qū)域的俯視彩色攝像機(jī)檢測(cè)車輛旁邊的車道標(biāo)識(shí),通過數(shù)字轉(zhuǎn)換器采集攝像機(jī)的視頻輸出并在一個(gè)便攜Sun Sparc工作站上進(jìn)行處理，處理速度為60Hz。 AURORA系統(tǒng)的處理算法主要由基于視覺的車道標(biāo)識(shí)識(shí)別與跟蹤、車輛橫向位置估計(jì)、車道偏離警告3部分組成。系統(tǒng)對(duì)每幀圖像進(jìn)行單

5、純的線掃描,利用1個(gè)可調(diào)的二次標(biāo)準(zhǔn)化模板相關(guān)技術(shù)對(duì)車道標(biāo)識(shí)進(jìn)行識(shí)別,在標(biāo)識(shí)跟蹤時(shí)采取先搜索前面探測(cè)到的車道標(biāo)識(shí)附近區(qū)域，假如在該區(qū)域沒有搜索到車道標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行整個(gè)掃描線搜索。當(dāng)系統(tǒng)定位出車道標(biāo)識(shí)后,將計(jì)算出車輛的橫向位置,即車輛中心與車道中心距離。然后, 采用一種合適的警告觸發(fā)準(zhǔn)則,使該系統(tǒng)與駕駛員相互作用防止車道偏離的發(fā)生。 俯視系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是在結(jié)構(gòu)化道路上效率高并簡(jiǎn)單易行，有可能取得更高的定位精度，然而俯視系統(tǒng)應(yīng)用范圍有限，在沒有道路標(biāo)線或者結(jié)構(gòu)性不明顯的道路上不能工作。(2)前視系統(tǒng) 攝像頭安裝在車輛前部，斜指向前方的車道。 前視系統(tǒng)相對(duì)于俯視系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以有效利用道路結(jié)構(gòu)參數(shù)，即便

6、在不完善的車道標(biāo)識(shí)線的路面，也可通過檢測(cè)路基或其他物理邊界確定道路邊界。而如果反應(yīng)車道線特征的點(diǎn)被行人或者車輛、樹木遮擋那么視覺系統(tǒng)很容易受到影響。 目前，前視系統(tǒng)應(yīng)用比較廣泛，常見的系統(tǒng)有AutoVue系統(tǒng)，AWS系統(tǒng)，STAR系統(tǒng)等。 AutoVue系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,主要由一個(gè)安裝在汽車內(nèi)擋風(fēng)玻璃后部的攝像機(jī)、道路標(biāo)識(shí)線識(shí)別跟蹤軟件、2個(gè)立體音箱,1個(gè)小顯示設(shè)備和控制單元等組成。主要通過攝像機(jī)監(jiān)測(cè)和跟蹤識(shí)別車道線，計(jì)算車輛相對(duì)車道線的距離，并與設(shè)定的距離閾值進(jìn)行比較，由控制單元做出預(yù)警的判斷是否進(jìn)行預(yù)警,當(dāng)檢測(cè)到將要發(fā)生車道偏離時(shí),它將發(fā)出一種類似于車輛在隆聲帶上行駛時(shí)發(fā)出的隆隆作響的聲音來提

7、醒駕駛員修正車輛位置。該系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，受環(huán)境影響較小，可在多種天氣下應(yīng)用，在歐洲和美國(guó)得到大力的推廣。 Mobil eye-AWS系統(tǒng)是以色列研究開發(fā)的。AWS系統(tǒng)利用安裝在前擋風(fēng)玻璃上的單個(gè)攝像機(jī)監(jiān)測(cè)車道標(biāo)識(shí)線以及測(cè)量和監(jiān)控本車與道路邊界的距離。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)出不同的車道線類別，如實(shí)線、虛線。在車道標(biāo)線模糊或者缺失的情況下，系統(tǒng)依舊可利用道路路基或者邊緣線擬合出車道線。 其車道偏離警告模塊通過檢測(cè)道路邊界,檢測(cè)車輛的橫向速度，用以計(jì)算車輛即將越過車道線的時(shí)間，當(dāng)該時(shí)間低于設(shè)定的閾值時(shí), 觸發(fā)視覺警告和聲音警告, 以使駕駛員對(duì)不同的危險(xiǎn)狀態(tài)做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)而減少意外事故的發(fā)生。系統(tǒng)采用的警

8、告閾值能適應(yīng)不同的駕駛風(fēng)格。車道偏離系統(tǒng)在有意識(shí)的車道偏離、制動(dòng)、沒有道路標(biāo)識(shí)等情況下對(duì)警告的產(chǎn)生進(jìn)行了抑制, 同時(shí)也適當(dāng)考慮了駕駛員的個(gè)人駕駛行為。系統(tǒng)可以在沒有明顯車道線標(biāo)識(shí)的情況下檢測(cè)道路邊緣和路沿，在雨天和夜晚情況下也能工作。 日本豐田公司研發(fā)的STAR系統(tǒng)是采用黑白攝像機(jī)來進(jìn)行車道線檢測(cè)，并計(jì)算車橫向偏移量、道曲率半徑和橫擺角，車輛的橫擺角速度來源于橫擺角速度傳感器，最終依據(jù)車輛實(shí)時(shí)的行駛軌跡和預(yù)期行駛軌跡的軌跡偏差來判斷是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 STAR的獨(dú)特之處是在駕駛員聽到報(bào)警沒有做出修正動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力矩輔助駕駛員方向盤回正。 DSS系統(tǒng)：日本三菱汽車公司于1998年提出設(shè)

9、計(jì)和開發(fā)DSS系統(tǒng),并于1999年秋季應(yīng)用于模型車上。DSS系統(tǒng)由1個(gè)小型的CCD攝像機(jī)、速度傳感器以及視覺和指示器及警報(bào)蜂鳴器等聽覺警告裝置組成。利用裝在后視鏡內(nèi)的CCD攝像機(jī)通過圖像處理方式識(shí)別車道線，并進(jìn)行車道曲率半徑、橫向偏移量和橫擺角的計(jì)算，使用橫擺角速度傳感器檢測(cè)車輛的橫擺角速度，并通過控制器來計(jì)算當(dāng)前車輛的實(shí)際行駛軌跡和預(yù)期行駛軌跡的偏差，確定自車與車道線的相對(duì)距離和速度來判斷車輛是否已經(jīng)開始偏離其車道，計(jì)算跨道時(shí)間，從而判斷是否發(fā)出警報(bào)。如有必要,系統(tǒng)將利用視覺警告信息和聽覺警告信息以及震動(dòng)轉(zhuǎn)向盤來提醒駕駛員小心駕駛車輛。 DSS系統(tǒng)的特別之處是系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)促使車輛回到自身車

10、道中央的轉(zhuǎn)向力矩來幫助駕駛員采取正確的駕駛行為。當(dāng)然,該力矩不會(huì)干涉駕駛員自己施加的轉(zhuǎn)向力矩,保證駕駛員對(duì)車輛的完全控制。 西安交通大學(xué)人工智能與機(jī)器人研究所研發(fā)的Spring robot智能車，采用多種傳感器組合方式感知車輛運(yùn)行狀態(tài)和當(dāng)前的行車環(huán)境。 測(cè)距雷達(dá)、全球定位系統(tǒng)、攝像機(jī)等用于對(duì)車輛行駛環(huán)境的感知，車身內(nèi)部傳感器采集車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)。系統(tǒng)主要針對(duì)結(jié)構(gòu)化道路，首先采集圖像，處理圖像信息，檢測(cè)出車道線，結(jié)合車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來確定道路參數(shù)；然后由當(dāng)前時(shí)刻車輛所在的車道數(shù)、以及車道距雙黃線、邊界線的距離確定警告類型，用不同的色彩信號(hào)表示車輛的不同狀態(tài)，如偏離、警告和正常行駛。 吉林大學(xué)智能車輛課題

11、組開發(fā)了JLUIV系列車道偏離預(yù)警系統(tǒng)。 該系統(tǒng)基于車輛速度與駕駛員方向聯(lián)合控制最優(yōu)預(yù)瞄加速度模型和穩(wěn)態(tài)預(yù)瞄動(dòng)態(tài)校正假說，同樣利用機(jī)器視覺獲取車輛前方道路信息和車輛距車道的橫向距離，對(duì)比車輛預(yù)測(cè)軌跡進(jìn)行車道偏離判斷。另外在駕駛模擬平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)中，采用Hough變換擬合車道，增加了機(jī)器視覺的魯棒性，特別是針對(duì)有陰影的路面和有障礙物的路面上車道線檢測(cè)有較好的魯棒性。根據(jù)距離作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)車輛距一側(cè)車道線距離小于閾值，且此時(shí)駕駛員未開啟轉(zhuǎn)向燈，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出視覺和聲音提醒。 國(guó)防科技大學(xué)自動(dòng)化研究所研發(fā)的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)利用單目機(jī)器視覺檢測(cè)車道線，并使用改進(jìn)的Sable算子提取車道線邊緣，Hough變

12、換擬合車道線，使得系統(tǒng)更具有魯棒性，增強(qiáng)適應(yīng)環(huán)境能力。并基于駕駛員預(yù)瞄系統(tǒng)，建立了關(guān)于駕駛員一車輛一道路的關(guān)聯(lián)模型，將預(yù)計(jì)車輛跨越車道線的時(shí)間與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若在報(bào)警范圍內(nèi)，則以聲音的方式提醒駕駛員。 清華大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也在車道偏離預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)方面進(jìn)行了大量的工作。研發(fā)出的THMR系列智能汽車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用視覺傳感器和車輛動(dòng)態(tài)參數(shù)采集傳感器，計(jì)算機(jī)內(nèi)部程序完成圖像信息處理和偏離決策判斷。此外，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行激光測(cè)距、車輛定位、通訊、駕駛控制等信息的處理工作。根據(jù)車載電腦計(jì)算出車輛預(yù)計(jì)跨越車道線的時(shí)間，并與系統(tǒng)預(yù)警閾值進(jìn)行對(duì)比，判定是否發(fā)出報(bào)警信息。 東南大學(xué)開發(fā)的基于DSP技術(shù)