基于嵌入式的車輛偏離預(yù)警系統(tǒng)研究

摘要：以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)對(duì)車輛駛離車道的預(yù)警進(jìn)行研究。在采用改進(jìn)的Hough變換對(duì)道路圖像標(biāo)識(shí)線識(shí)別的基礎(chǔ)上，利用透視投影原理，完成車輛位置信息的重建，確定車輛在車道中的橫向距離和橫向偏轉(zhuǎn)角，建立基于橫向距離和橫向速度的車輛偏離預(yù)警算法。車輛行駛實(shí)驗(yàn)表明，該算法能夠?qū)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/偏離">偏離車道的車輛給以準(zhǔn)確的報(bào)警，并且充分考慮車輛的速度以及偏轉(zhuǎn)角度對(duì)車輛偏離車道過程的影響。
關(guān)鍵詞：車輛偏離預(yù)警；車輛位置；嵌入式系統(tǒng)；道路標(biāo)識(shí)線

研究表明，大約15％的道路交通事故是由車輛駛離公路造成的，車道偏離預(yù)警系統(tǒng)能夠有效減少道路交通事故的發(fā)生。目前車道偏離預(yù)警系統(tǒng)采用的方法大致分為3種：1)基于車輛將到達(dá)車道邊界時(shí)間(Time to Lane Crossing，TLC)的預(yù)警算法；2)基于預(yù)測(cè)軌跡曲線偏離量不同的預(yù)警算法；3)基于平面圖像道路標(biāo)線夾角的預(yù)警算法。這幾種算法能夠?qū)崿F(xiàn)車道預(yù)警，但車輛出現(xiàn)偏離一般是由于駕駛員注意力分散或
處于疲憊狀態(tài)時(shí)對(duì)車輛的控制疏忽所致，上述所做的各種假設(shè)與實(shí)際行駛過程均有偏差，如沒有考慮車輛的橫向偏轉(zhuǎn)角及駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)角在某個(gè)行駛過程中對(duì)車道偏離的影響。鑒于此，提出基于車輛橫向距離與橫向分速度進(jìn)行車輛偏離預(yù)警的方法。作為車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的處理平臺(tái)，PC機(jī)的體積、成本及功能的冗余性是其應(yīng)用在車載系統(tǒng)中難以克服的瓶頸，采用嵌入式方法對(duì)車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分利用了嵌入式系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性與體積小巧等特點(diǎn)。

1 道路圖像的處理
使用Sobel算子邊緣檢測(cè)和最大類間方差圖像分割法將道路灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，作為下一步處理的基礎(chǔ)。直線的矢量基元表示方法是按照某種準(zhǔn)則將矢量基元(ELS)合并連接來表示直線。如行基元、列基元和45°基元。行基元是道路圖像中同一行上的連續(xù)邊緣點(diǎn)的集合；列基元是道路圖像中同一列上的連續(xù)邊緣點(diǎn)的集合；45°基元是道路圖像中在傾角為45°?；?35°的掃描線上連續(xù)邊緣點(diǎn)的集合。其優(yōu)
點(diǎn)是計(jì)算耗費(fèi)的時(shí)間與變量存儲(chǔ)需要的空間較少。
Hough變換是利用投票機(jī)制參照?qǐng)D像全局特性對(duì)目標(biāo)直線輪廓進(jìn)行直接檢測(cè)。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)直線斷裂、局部遮擋等缺陷不敏感，對(duì)隨機(jī)噪聲具有魯棒性，特別適用于直線道路的識(shí)別。利用直線的矢量基元減少Hough變換中參數(shù)的量化范圍，能夠節(jié)省Hough變換的時(shí)間和空間消耗，同時(shí)彌補(bǔ)矢量基元表示直線的局部性和噪聲敏感性等不足，較好識(shí)別道路標(biāo)識(shí)線。

2 行駛車輛位置的確定
2．1 道路關(guān)鍵信息的重建
圖像傳感器固定在車輛前端頂部，攝像頭距地面高度為h。建立空間坐標(biāo)系如下：世界坐標(biāo)系XYZ與攝像機(jī)坐標(biāo)系xyz。動(dòng)態(tài)的世界坐標(biāo)系隨車輛一起運(yùn)動(dòng)，以攝像機(jī)鏡頭中心在地面的垂直投影點(diǎn)為原點(diǎn)，地面的垂直線向上為Z軸正向，車身縱軸線方向?yàn)閄軸，正向?yàn)槠嚽斑M(jìn)的反方向；攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)以光軸為z軸，鏡頭中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，攝像機(jī)坐標(biāo)xy平面與像平面平行；表征圖像內(nèi)部各點(diǎn)位置的像平面坐標(biāo)系統(tǒng)的u軸、v軸與x軸、y軸平行，原點(diǎn)位于圖像中心既攝像機(jī)光軸與圖像的交點(diǎn)。所有坐標(biāo)系滿足右手規(guī)則。
平面圖像上某點(diǎn)(u，v)經(jīng)過逆透視投影變換后獲取其在空間點(diǎn)(X，Y，Z)的位置信息，由此重建道路關(guān)鍵信息

式中，f為攝像機(jī)的有效焦距，γ表示攝像機(jī)x坐標(biāo)軸相對(duì)于X軸的夾角稱為掃視角，α表示攝像機(jī)光軸(z軸)相對(duì)于垂直方向(Z軸)的夾角稱為傾斜角。
2．2 車輛在當(dāng)前道路中橫向距離及橫向偏轉(zhuǎn)角的確定
利用改進(jìn)的Hough變換識(shí)別道路標(biāo)識(shí)線后，通過圖像平面的道路標(biāo)線直線方程和式(1)，得到左、右道路標(biāo)識(shí)線在世界坐標(biāo)系內(nèi)的直線方程