專利名稱：一種實時測量安全車距用于汽車防撞預警的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及汽車安全技術領域，具體涉及到 一種實時測量安全車距用 于汽車防撞預警的方法及裝置。
背景技術：
隨著公路交通的車輛增多，近年來公路交通的傷亡事故呈現不斷上升 的趨勢。防撞預警系統是當前汽車安全輔助駕駛系統研究的熱點， 一般分 為縱向碰撞和側向防車道偏離兩個系統進行研究，其研究的核心問題是與 前方車輛車距的實時測量以及本車自身相對于車道邊界線位置的測量計算。當前研究較多的是采用雷達、激光和機器視覺等方法進行探測。如專利CN1745316A所述即為采用雷達進行車距測量。專利CN2209624Y全天候 車輛前后預警裝置所述，采用了超聲波進行車距的判斷，但是超聲波和雷 達容易產生誤判，由于車道隔離帶，路面坡度等干擾使得車距測量不準確， 系統的誤導艮率較高，而對于安全車距的判斷多為設定固定的安全距離值， 不具有自適應性，不能根據車輛的重量、制動減速度等情況進行適應性報警和判斷。因此，現有技術有待于改進和發展。發明內容本發明提出了一種實時測量安全車距用于汽車防撞預警的方法和裝 置，將預防碰撞計算集成到一個系統中，具有自動實時適用車輛本身情況 以做出預警判斷。
本發明的實時測量安全車距用于汽車防撞預警的方法，包括以下步驟A、 設置^f敖處理器實時采集預定時間間隔的前后兩個時間點本車與前車 的車距，利用兩個時間點車距差值除以其時間間隔得到本車相對前車的相對速度；B、 設置前橋和后橋位移傳感器用于測量汽車當前質量，根據預先設置 的預警時間、駕駛員反應時間、機構滯后時間和制動力增長時間以及本車 相對前車的相對速度，和制動距離，實時計算安全距離；C、 實時判斷本車與前車車距是否小于所述實時計算的安全距離；是， 則報警；否，則返回步驟A。所述的方法，其中，所述步驟A及所述步4緊C中對本車與前車車距的 計算包括Al、采集本車前方行進區域的圖像信息；A2、對獲得的所述圖像信息進行處理，并獲得二值化圖像數據； A3 、從所述二值化圖像數據中提取前方車輛的車牌特征信息； A4、根據所述車牌特征信息中的車牌圖像大小計算本車與前車的車距。 所述的方法，其中，所述步驟A2包括以下步驟 A21、獲得前方車輛的灰度圖像； A22、對所述灰度圖像進行預處理；A23、進行圖像邊緣檢測處理，從圖像中獲得車輛及車牌的輪廓線； A24、進行圖像分割和二值化處理，獲得用于識別車牌特征的二值化圖 像數據。所述的方法，其中，所述步驟C還采用如下步驟計算本車與前車的車距Cl、通過標定，分別找出前車車牌垂直方向和水平方向在不同車距下 成像的大小，獲得車距與前車車牌圖像大小的對應關系數據，并將該對應 關系數據預先存入系統中；
C2、根據前車車牌圖像大小查找計算獲得相應的車距。.所述的方法，其中，所述步驟A及所述步驟C中對本車與前車車距的計算采用超聲波測距方式。所述的方法，其中，所述步驟A及所述步驟C中對本車與前車車距的計算采用雷達測距方式。所述的方法，其中，在所述步驟C執行報警之后還執行以下步驟 D、判斷駕駛員是否減速制動；是，則返回步驟A;否則所述微處理器控制本車的制動執行機構進行減速制動，再返回步驟A。所述的方法，其中，所述步驟B按照下述公式實時計算安全距離^:1 ,^ 、 ^ s。 = A + j2 + s3 + & = r,"o +r2w0 +~"(r3 +—)w0 +-i0.6 、 J2…25.92。6max ( i )(l)式中，v 、 \ ^是要考慮的各相關距離參量；^為預先設置 的預警時間；^為駕駛員反應時間；^為機構滯后時間；、為制動力增長時間；"。為本車與前車相對速度；^皿為本車最大制動減速度；其中，最大 制動減速度用下式來計算w。 (2)(2)式中，《薩為最大可能地面制動力；氣為汽車當前質量。 一種實時測量安全車距用于汽車防撞預警的裝置，其中，所述裝置包括..CCD攝像機及圖像采集卡，用于釆集前方車輛的圖像信息； 圖像處理單元，用于對所述圖像信息進行圖像處理和特征提取； 決策控制單元，用于根據提取的特征信息進行計算和判斷，并向報警 裝置及執行才幾構發送執行命令；報警裝置，用于對外發出預警或報警信息；前橋位移傳感器和后橋位移傳感器，設置在車輛前、后橋與車廂之間，
并連接所述決策控制單元，用于測量本車的汽車當前質量。
所述的裝置，其中，所述裝置還包括車速傳感器，用于測量本車車速，并將車速數據提供給所述決策控制單元；制動執行機構，用于根據所述決策控制單元的制動指令控制本車減速制動；顯示器，用于顯示圖像信息及相關操作指令。本發明所提供的一種實時測量安全車距用于汽車防撞預警的方法和裝 置，由于釆用根據車輛情況實時計算與前車安全距離，并進行相應報警， 自適應性好，測量精度高。
圖l是本發明的總體結構示意圖；圖2是本發明裝置的結構示意圖； 圖3是本發明方法的流程圖；圖4是本發明方法圖像處理過程的流程圖；圖5是基于車牌象素大小的車距測量的示意圖；圖6是二值化圖像中本車行駛中心線與車牌象素的相對位置關系示意圖。
具體實施方式
以下對本發明的較佳實施例加以詳細說明。如圖3所示，本發明提供了一種實時測量安全車距用于汽車防撞預警 的方法和裝置，所述方法按照以下步驟進行A、設置微處理器實時采集預定時間間隔的前后兩個時間點本車與前車 的車距，利用兩個時間點車距差值除以其時間間隔得到本車相對前車的相
對速度；其計算公式為<formula>formula see original document page 9</formula>上式中，"。為前車相對于本車的相對車速；&、 s為前后兩次采樣所得 車距；r為預先設置的采樣周期。B、根據預先設置的預警時間、駕駛員反應時間、機構滯后時間和制動 力增長時間以及本車相對前車的相對速度，和制動距離，實時計算安全距 離；其計算公式包括<formula>formula see original document page 9</formula>
(l)式中，A、 &、 &、"是要考慮的各相關距離參量；巧為預先設置 的預警時間；72為駕駛員反應時間；^為機構滯后時間；、為制動力增長時 間；"。為本車與前車相對速度；"^x為本車最大制動減速度；其中，最大 制動減速度用下式來計算<formula>formula see original document page 9</formula> (2) (2)式中，《隨為最大可能地面制動力；氣為汽車當前質量。 理論地面最大制動力為<formula>formula see original document page 9</formula>取附著系數^為0.75, G為車身重量，根據汽車當前質量進行換算。 對于汽車當前質量的測量，.通過設置在前橋和后橋分別與車廂之間的前 橋位移傳感器和后橋位移傳感器來實現信號的感應。由于車身本身有凈重， 車廂與前橋和后橋之間設置有避震系統，其之間的間距變化符合彈性變形， 因此，可以通過實驗數據測量，對車身載重的不同導致前橋和后橋位移傳 感器的位移信號變化不同，并將數據或計算公式預先設置在系統中。根據
該前橋位移傳感器和后橋位移傳感器感知的車廂與車輛前橋和后橋的位移 信號情況，通過微處理器執行查表和計算可獲知汽車當前質量。C、實時判斷本車與前車車距是否小于所述實時計算的安全距離；是，則報警；否，'則返回步驟A。本發明方法和裝置充分考了 了汽車當前質量等因素，由其微處理器進 行自適應的計算，防止了汽車負載不同的情況下，系統依然4姿照空載情況 進行預警判斷，導致誤差的出現，避免由此可能導致的事故發生。本發明 方法中的安全距離的計算考慮了各種可能的車距參量，包括車的相對速度， 人的反應時間，汽車當前質量等等，因此，本發明方法的適應性更強，預 警判斷的準確度提高。其中對步驟A和步驟C中的本車與前車車距的計算過程包括 Al、采集本車前方行進區域的圖像信息，其圖像可以通過CCD攝像機 來獲得，該CCD攝像機，可以安裝在本車的前方位置，如圖l所示，并且 本車前方行進區域的圖像信息包括前方車輛的圖像信息，以及前方車道邊界線信息等；A2、對獲得的所述圖像信息進行處理，并獲得二值化圖像數據；A3、從所述二值化圖像數據中提取前方車輛的車牌特征信息，該步驟 可以采用統計模式識別方法從二值化圖像數據中提取前方車輛的車牌特征 信息，此統計才莫式識別方法屬于現有技術，在識別時需要根據相關特征建 立幾種識別模式，比如車道邊邊界線屬于直線連通區域，車牌通常在一矩 形連通區域內等，該方法為本領域技術人員熟知,在此不再贅述；A4、、根據所述車牌特征信息中的車牌象素大小計算本車與前車的車距.本發明的方法通過圖像信息的采集，并利用圖像中的車牌特征作為車 距判斷的依據，同時實時的計算車輛的狀況，例如預先設置的預警時間、 駕駛員反應時間、機構滯后時間和制動力增長時間以及本車相對前車的相 對速等，從而相對于現有技術來說，能夠自適應的進行車距預警，并且提 高了精確度，降低了系統的誤報率。如圖4所示，上述A2包括以下步驟 Bl、獲得前方車輛的灰度圖像； B2、對所述灰度圖像進行預處理，該預處理包括； B3、進行圖像邊緣檢測處理，從圖像中獲得車輛及車牌的輪廓線和車 道線；B4、進行圖像分割和二值化處理，獲得用于識別車牌特征或車道邊界 線特征的二值化圖像數據。通過攝像機獲得的原始圖像多為彩色圖像，本發明的道路檢測算法是 基于灰度信息的，所以需要將彩色圖像轉換為灰度圖像。當圖像輸入到計 算機的時候，由于輸入轉換器件(如光敏器件、A/ D轉換器等性質的差別) 及周圍環境的影響等，使圖像上含有各種各樣的噪聲和失真，則需要對輸 入圖像先進行去噪聲預處理。其常用的算法有圖像的灰度變換、直方圖 修正、鄰域平均、中值濾波等。圖像邊緣檢測可以被定義為在局部區域內圖像特征的差別，它表現為 圖像的不連續性，大范圍內的不連續性即成為邊界，其可以通過梯度^r測 圖像灰度值的顯著變化。常用的邊緣檢測方法有差分邊緣檢測、梯度邊 緣檢測、Roberts (羅伯茨)邊緣檢測算子、Sobel (索貝爾)邊緣檢測算子、 Prewitt邊緣檢測算子、Laplace (拉普拉斯)邊緣檢測算子等。對于道路圖像來說，圖像分割的目的就是建立一個基于灰度特征的分 割模型，最終得到一個二值化目標圖像。由于圖像邊緣檢測算法增強了各 種邊緣信息，包括樹木、行人、建筑、道路等。道路邊界信息淹沒在大量 的邊界信息當中，因此必須采用特征提取從諸多邊界信息中識別出道路邊 界及車牌。為提高本發明技術的精度，上述步驟A4采用如下方法計算本車與前車 的車距 ' 首先、通過標定步驟，分別找出前車車牌垂直方向和水平方向在不同 車距下成像的大小，獲得車距與前車車牌象素大小的對應關系數據(即可 以通過大量的統計計算荻得相應的函數關系式)，并將該對應關系數據預先 存入本發明系統中，如存儲器中；然后，根據圖像的處理結果，即前車車 牌圖像大小查找或計算獲得相應的車距。上述車距測量根據投影測距的原理，本車與前車距離越遠，車牌特征 在圖像中的成像圖像就會越小，其與成像成函數關系，所以就可以通過定 標試驗，分別找出標志物(即車牌)垂直方向和水平方向在不同距離下成 像的大小，將其預先存入處理系統，用于實時測距的查表計算。如圖5和圖6所示，按照以下過程可對本車的前方行使車道是否在安 全行駛范圍內進行判斷C13a、確定本車行駛中心線，其定義為本車質心在未來時刻可能到達 點的集合，確定方法為根據本車的當前行車狀態，包括位置坐標、速度、 加速度、轉向角，通過積分運算得到未來某時刻本車質心可能到達的點， 連接各點從而得到本車的理想行駛中心線。 一般可以近似將本車的中軸線 作為本車的行駛中心線處理；C13b、設定本車行進的安全行駛范圍，該安全行駛范圍包括從所述中 心線向左延伸預設的左車道安全寬度Z^ 、從所述中心線向右延伸預設的右 車道安全寬度A^，如圖5所示，這里的左車道安全寬度A^加上右車道安全 寬度i^再減去2個本車車寬，即為"安全行駛范圍"；C13c、在所述二值化圖像(如圖6所示)中，計算本車行駛中心線到 左側最近車牌象素203的左投影距離^、及本車行駛中心線到右側最近車牌象素204的右投影距離『v;C13d、根據投影關系或標定數據，依據左投影距離R,和右投影距離l 計算本車行使過程中，本車行駛中心線到左側最近車輛201的實際左車道 寬度W,、及本車行駛中心線到右側最近車輛202的實際右車道寬度『 .; C13e、比較左車道安全寬度^與實際左車道寬度『,、的大小、或比較右 車道安全寬度k與實際右車道寬度『,、的大小；若^,<、,或『 <、，則表示 本車的前方行使車道不安全，存在潛在危險；反之，表示本車的前方行使 車道安全。與上述依據車牌特征測量車距的標定方法相同，標定過程中同 時記錄左投影距離『w和右投影距離分別與實際左車道寬度W,和實際右 車道寬度『 對應關系，并建立相互的投影關系函數，存儲在系統中，當執 行步驟C13d時，只需要根據存儲在系統中的已知關系計算即可。上述方法給出了汽車防撞報警預警的方法，但是并沒有相應的監測實 施步驟，所以以下在上述方法之后增加一步監測駕駛員實施情況的步驟， 從而提高了本發明應用系統的自動化控制性能，更加保障了實施本發明方 法的安全性。在上述步驟C執行報警之后還包括執行以下步驟D、判斷駕駛員是否 減速制動；是，則返回步驟A;否，則控制本車減速制動，再返回步驟A。 控制本車減速制動可以采用汽車整車控制器的相關應用軟件和機構。基于上述方法，本發明還提供了一種實時測量安全車距用于汽車防撞 預警的裝置。如圖l和圖2所示，所述裝置包括攝像機100及圖像采集 卡110、圖像處理單元130、決策控制單元131、報警裝置160，前后橋位 移傳感器270，可設置在車輛的后橋與車廂之間。所述圖像處理單元130和 所述決策控制單元131合為微處理器ECU。所述CCD攝像機100及圖像采集卡110用于采集前方車輛的圖像信息， 并獲得數字圖像信息；圖像處理單元130用于對所述圖像信息進行圖像處 理和特征提取；決策控制單元131用于根據提取的特征信息進行計算和判 斷，并向報警裝置及執行機構發送執行命令；報警裝置160用于對外發出 預警或報警信息。報警的方式有很多種，可以是光報警或聲報警，則可以 將預警定為光報警，報警定為聲報警。所述前、后橋位移傳感器設置在車 輛的前橋和后橋分別與車廂之間，用于感知車廂與前橋或后橋的位移變化 情況。攝像機IOO可以采用兩個CCD攝像機， 一個近焦攝像機， 一個遠焦攝 像機，近焦攝像機作為遠焦攝像機的輔助部件。從圖2可以看出，控制單 元部分的圖像處理單元130和決策控制單元131所執行功能可以由汽車的 整車控制器ECU來執行，其執行的任務包括對采集到的車輛和路面信息 進行圖像處理，獲得對系統判斷有用的前方車輛狀態信息，以及道路邊界 位置信息；根據提取的特征信息(即車牌和車道邊界線)進行當前時刻是 否具有發生追尾碰撞和車道偏離碰撞的潛在危險判斷，同時給操作執行單 元(即報警裝置160、制動執行機構150、顯示器170或轉向執行機構140) 發出操作指令等。如圖2所示，本發明的裝置還可以包括用于測量本車車速的車速傳 感器120,其將車速數據提供給所述決策控制單元131 (即圖2中的ECU); 用于根據所述決策控制單元131的制動指令控制本車減速制動的制動執行 機構150;及用于顯示圖像信息及相關操作指令的顯示器170。所述裝置還 包括用于測量本車轉角的轉角傳感器180，其并將轉角數據提供給所述決 策控制單元131 (即圖2中的ECU);用于根據所述決策控制單元131的轉-向指令控制本車轉向的轉向執行機構140。如圖2所示，操作執行單元接受 控制單元的信號，進行視頻顯示，在危險狀況下進行車道偏離預警或追尾 碰撞預警，如果警示無效則啟動主動控制，對其進行主動制動和轉向控制， 避免碰撞事故的發生。綜上所示，相對于現有技術，本發明的方法與裝置具有精確度高、誤 報率低、自適應性強的特性。本發明采用機器視覺的方法實時采集前方車 輛車牌特征以及車道線信息，并根據其前方車輛車牌在機器一見覺的投影成 像像素點的多少大小，(或者說根據其前方車輛車牌在機器視覺的投影成 像的大小)，進行與前方車輛距離的計算，結合本車的車速、轉向等狀態信 息實時計算出前車的行駛狀態，根據本車與車道線邊界的相對距離，實時
判斷是否行駛在安全的車道范圍之內等，使本發明的方法更加靈活、便于 廣泛推廣。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以 改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護 范圍。
權利要求
1、一種實時測量安全車距用于汽車防撞預警的方法，包括以下步驟A、設置微處理器實時采集預定時間間隔的前后兩個時間點本車與前車的車距，利用兩個時間點車距差值除以其時間間隔得到本車相對前車的相對速度；B、設置前橋和后橋位移傳感器用于測量汽車當前質量，根據預先設置的預警時間、駕駛員反應時間、機構滯后時間和制動力增長時間以及本車相對前車的相對速度，和制動距離，實時計算安全距離；C、實時判斷本車與前車車距是否小于所述實時計算的安全距離；是，則報警；否，則返回步驟A。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A及所述步 驟C中對本車與前車車距的計算包括Al、采集本車前方行進區域的圖像信息；A2、對獲得的所述圖像信息進行處理，并獲得二值化圖像數據；A3 、從所述二值化圖像數據中提取前方車輛的車牌特征信息；A4、根據所述車牌特征信息中的車牌圖像大小計算本車與前車的車距。
3、 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟A2包括以下 步驟A21、獲得前方車輛的灰度圖像； A22、對所述灰度圖像進行預處理；A23、進行圖像邊緣檢測處理，從圖像中獲得車輛及車牌的輪廓線； A24、進行圖像分割和二值化處理，獲得用于識別車牌特征的二值化圖 像數據。
4、 根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟C還采用如下步驟計算本車與前車的車距Cl、通過標定，分別找出前車車牌垂直方向和水平方向在不同車距下 成像的大小，獲得車距與前車車牌圖像大小的對應關系數據，并將該對應 關系數據預先存入系統中；C2、根據前車車牌圖像大小查找計算獲得相應的車距。
5、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A及所述步 驟C中對本車與前車車距的計算采用超聲波測距方式。
6、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A及所述步 驟C中對本車與前車車距的計算采用雷達測距方式。
7、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟C執行報 警之后還執行以下步驟D、判斷駕駛員是否減速制動；是，則返回步驟A;否則所述微處理器 控制本車的制動執行^L構進行減速制動，再返回步驟A。
8、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟B按照下述公式實時計算安全距離&:<formula>formula see original document page 3</formula>(1)(l)式中，a、 &、 "、 ^是要考慮的各相關距離參量；^為預先設置 的預警時間；^為駕駛員反應時間；^為機構滯后時間；^為制動力增長時 間；"。為本車與前車相對速度；^隨為本車最大制動減速度；其中，最大 制動減速度用下式來計算<formula>formula see original document page 3</formula>(2) (2)式中，^跳為最大可能地面制動力； 為汽車當前質量。
9、 一種實時測量安全車距用于汽車防撞預警的裝置，其特征在于，所 述裝置包括 'CCD攝像機及圖像采集卡，用于釆集前方車輛的圖像信息； 圖像處理單元，用于對所述圖像信息進行圖像處理和特征提取; 決策控制單元，用于根據提取的特征信息進行計算和判斷，并向報警 裝置及執行機構發送l丸行命令；報警裝置，用于對外發出預警或報警信息；前橋位移傳感器和后橋位移傳感器，設置在車輛前、后橋與車廂之間， 并連接所述決策控制單元，用于測量本車的汽車當前質量。
10、 根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括 車速傳感器，用于測量本車車速，并將車速數據提供給所述決策控制單元；制動執行機構，用于根據所述決策控制單元的制動指令控制本車減速 制動；顯示器，用于顯示圖像信息及相關操作指令。
全文摘要
本發明公開了一種實時測量安全車距用于汽車防撞預警的方法和裝置，所述方法包括步驟設置微處理器實時采集預定時間間隔的前后兩個時間點本車與前車的車距，利用兩個時間點車距差值除以其時間間隔得到本車相對前車的相對速度；根據預先設置的預警時間、駕駛員反應時間、機構滯后時間和制動力增長時間以及本車相對前車的相對速度，和制動距離，實時計算安全距離；實時判斷本車與前車車距是否小于所述實時計算的安全距離；是，則報警。本發明方法和裝置由于采用根據車輛情況實時計算與前車安全距離，并進行相應報警，自適應性好，測量精度高廣。
文檔編號G01S17/93GK101131321SQ200710077379
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月28日 優先權日2007年9月28日
發明者吳炎喜, 徐國卿, 徐揚生, 波 朱, 羅全健, 雷 鄧 申請人:深圳先進技術研究院
專業數控銑床產品供應商
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