基于单目机器视觉的汽车主动安全系统及其控制方法.pdf

本发明公开了一种基于单目机器视觉的汽车主动安全系统及其控制方法。该系统包括输入装置、输出装置和处理器。输入装置包括速度传感器、加速度传感器、制动信号传感器和摄像机。输出装置是指制动执行器。所述的方法包括以下步骤：摄像机内外标定；摄像机采集目标障碍物的信息，处理器实时计算出本车距离目标障碍物的距离；计算目前工况条件下安全距离；判断本车与目标障碍物的距离是否小于安全距离，并根据驾驶员是否制动决定制动执行器是否自动制动。本发明采用基于单帧静态图像测距的方法和反应驾驶员驾驶特点的安全距离设定的方法，使得本安全系统精确度高，自适应性强。

1、  基于单目机器视觉的汽车主动安全系统，其特征在于：包括输入装置、处理装置和输出装置；所述的输入装置包括速度传感器(2)、加速度传感器(3)、制动传感器(4)和摄像机(1)，摄像机(1)安装于汽车前方；所述的处理装置是处理器(6)；所述的输出装置是制动执行器(5)；速度传感器(2)、加速度传感器(3)、制动传感器(4)、摄像机(1)及制动执行器(5)均与处理器(6)相连。

2、  一种针对权利要求1所述的基于单目机器视觉的汽车主动安全系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)摄像机(1)采集前方目标障碍物信息，并将该信息传送给处理器(6)，处理器(6)计算出本车与前方目标障碍物之间的实际距离；
2)速度传感器(2)、加速度传感器(3)将采集到的本车的速度、加速度信息传送给处理器(6)，处理器(6)根据本车的速度、加速度信息实时计算出目前工况下本车与前车需要保持的安全距离；
3)实时判断本车与目标障碍物的实际距离是否小于步骤2)中实时计算出的安全距离；如果否，则主动安全系统不采取制动；如果是，则处理器要根据制动传感器信号判断驾驶员是否采取了制动，如果是，则处理器不采取制动，否则，处理器则对制动执行器发出制动命令使本车制动。

3、  根据权利要求2所述的基于单目机器视觉的汽车主动安全系统的控制方法，其特征在于：步骤1)中所述的计算本车与前方目标障碍物之间的实际距离，具体包括以下步骤：
i)获取摄像机的内部参数：所述的内部参数包括有效焦距和像素对应的物理尺寸的比值a_y、摄像机光轴与像平面交点的帧存坐标(u₀，v₀)；
ii)处理器(6)利用道路上已知长度的线段来确定摄像机对地的安装高度h：首先测得地面上已知线段两个端点p₁、p₂之间的距离l，其中：p₁、p₂在摄像机内的的帧存坐标分别为(u₁，v₁)、(u₂，v₂)，则摄像机对地的安装高度h为：
h＝l(v₂-v₀)(v₁-v₀)/[(v₁-v₂)a_y]
iii)摄像机(1)采集前方目标障碍物的原始图像信息，并将所采集的信息传递给处理器(6)，处理器(6)对原始图像进行预处理，预处理后获得目标点的帧存坐标(u，v)，则本车与前方目标障碍物之间的实际距离d为：
d＝ha_y/(v-v₀)。

4、  根据权利要求2所述的基于单目机器视觉的汽车主动安全系统的控制方法，其特征在于：步骤2)中所述的本车与前方障碍物在目前工况下需要保持的安全距离按以下方法确定：
i)实时采集前后两个时间点本车与前方目标障碍物之间的距离，两次采集的距离的差值除以两次采集点的时间间隔，就得到本车相对于目标障碍物的相对速度v_rel，则目标障碍物的速度v₂＝v₁-v_rel，其中：v₁为此时本车的速度；
ii)通过两个时间采集点t₁、t₂之间目标障碍物的速度变化Δv₂，求得目标障碍物的加速度a₂；
iii)由速度传感器和加速度传感器分别得到本车的速度v₁和加速度a₁，则驾驶员所期望的相对减速度记为δ_a：若目标障碍物静止则δ_a＝v₁；若目标障碍物运动则δ_a＝a₁-a₂；
iv)消除本车与前方目标障碍物的相对速度v_rel所需要的距离d_br为：
d_br＝v_rel²/(2δ_a)
v)消除本车与目标障碍物间相对速度后，本车与目标障碍物间仍需要保持的距离为d_re，d_re的取值应大于0.3m，则汽车主动安全距离ds＝d_br+d_re。

基于单目机器视觉的汽车主动安全系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种汽车安全系统，更具体地，涉及基于单目机器视觉的汽车主动安全系统及其控制方法。
背景技术
随着社会地发展和经济进步，汽车越来越多地应用于人们的生活，随着汽车数量的增多，交通事故大幅增加。面对严峻的交通安全形势，汽车消费者和政府管理者对汽车安全性的期望越来越高，传统的针对事故发生后的乘员保护技术和措施已经不能满足现代交通的要求，发展以预防为核心的先进汽车主动安全技术已成为现代交通的迫切要求。交通事故大多数是由于驾驶员操作失误所致。如果能够在事故发生前在紧急状况下帮助驾驶员采取安全措施，对减少交通事故的发生无疑是非常有用的。
发明内容
本发明提出了基于单目机器视觉的汽车主动安全系统和基于单帧静态图像测距用于汽车主动安全系统的控制方法，该方法可以再紧急情况下控制汽车制动，保证驾驶员的安全。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本装置包括输入装置、处理装置和输出装置。所述的输入装置包括速度传感器、加速度传感器、制动传感器和摄像机，摄像机安装于汽车前方。所述的处理装置是处理器。所述的输出装置是制动执行器。速度传感器、加速度传感器、制动传感器、摄像机及制动执行器均与处理器相连。
所述的速度传感器，用于测量本车车速并将车速数据提供给处理器；
所述的加速度传感器，用于测量本车加速度并将加速度数据提供给处理器；
所述的制动信号传感器，用于检测制动机构是否制动，并将此信号提供给处理器；
所述的摄像机，用于采集前方障碍物的信息，把信息传给处理器，是实现测距的重要装置；
所述的处理器，根据采集的各种信息实时计算出目前工况下安全距离并与实际距离相比较，根据比较结果的不同向制动执行器发出不同的控制指令。
所述的制动执行器，根据处理器发出的控制指令控制本车的制动。
一种基于单目机器视觉的汽车主动安全系统的控制方法，该方法包括以下步骤：
1)摄像机1采集前方目标障碍物信息，并将该信息传送给处理器6，处理器6计算出本车与前方目标障碍物之间的实际距离；
2)速度传感器2、加速度传感器3将采集到的本车的速度、加速度信息传送给处理器6，处理器6根据本车的速度、加速度信息实时计算出目前工况下本车与前车需要保持的安全距离；
3)实时判断本车与目标障碍物的实际距离是否小于步骤2)中实时计算出的安全距离；如果否，则主动安全系统不采取制动；如果是，则处理器要根据制动传感器信号判断驾驶员是否采取了制动，如果是，则处理器不采取制动，否则，处理器则对制动执行器发出制动命令使本车制动。
步骤1)中所述的计算本车与前方目标障碍物之间的实际距离，具体包括以下步骤：
i)获取摄像机的内部参数：所述的内部参数包括有效焦距和像素对应的物理尺寸的比值ay、摄像机光轴与像平面交点的帧存坐标(u₀，v₀)；
ii)处理器6利用道路上已知长度的线段来确定摄像机对地的安装高度h：首先测得地面上已知线段两个端点p₁、p₂之间的距离l，其中：p₁、p₂在摄像机内的的帧存坐标分别为(u₁，v₁)、(u₂，v₂)，则摄像机对地的安装高度h为：
h＝l(v₂-v₀)(v₁-v₀)/[(v₁-v₂)a_y]
iii)摄像机1采集前方目标障碍物的原始图像信息，并将所采集的信息传递给处理器6，处理器6对原始图像进行预处理，预处理后获得目标点的帧存坐标(u，v)，则本车与前方目标障碍物之间的实际距离d为：
d＝ha_y/(v-v₀)
步骤2)中所述的本车与前方障碍物在目前工况下需要保持的安全距离按以下方法确定：
i)实时采集前后两个时间点本车与前方目标障碍物之间的距离，两次采集的距离的差值除以两次采集点的时间间隔，就得到本车相对于目标障碍物的相对速度v_rel，则目标障碍物的速度v₂＝v₁-v_rel，其中：v₁为此时本车的速度；
ii)通过两个时间采集点t₁、t₂之间目标障碍物的速度变化Δv₂，求得目标障碍物的加速度a₂；
iii)由速度传感器和加速度传感器分别得到本车的速度v₁和加速度a₁，则驾驶员所期望的相对减速度记为δ_a：若目标障碍物静止则δ_a＝v₁；若目标障碍物运动则δ_a＝a₁-a₂；
iv)消除本车与前方目标障碍物的相对速度v_rel所需要的距离d_br为：
d_br＝v_rel²/(2δ_a)
v)消除本车与目标障碍物间相对速度后，本车与目标障碍物间仍需要保持的距离为d_re，d_re的取值应大于0.3m，则汽车主动安全距离ds＝d_br+d_re。
本发明采用基于单帧静态图像测距的方法实时计算本车与障碍物的距离，并且采用了反应驾驶员驾驶特点的安全距离设定的方法用于设定基于单目视觉的汽车主动安全系统的安全距离，使得本安全系统精确度高，自适应性强。
附图说明
图1是本发明提供的基于单目机器视觉的汽车主动安全系统的结构原理图
图2是本发明提供的基于单目机器视觉的汽车主动安全系统的具体实施方式的结构图
图3是本发明方法的流程图
图中：1.摄像机  2.速度传感器  3.加速度传感器  4.制动传感器  5.制动执行器  6.处理器  7.障碍物。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1和图2所示，基于单目视觉的汽车主动安全系统包括输入装置、处理装置和输出装置。所述的输入装置包括速度传感器2、加速度传感器3、制动传感器4和摄像机1。摄像机1安装于汽车前方，如图2所示。处理装置是指处理器6。输出装置是指制动执行器5。连接顺序按照信号方向依次连接，如图1所示。速度传感器2测量本车车速并将车速数据提供给处理器6；加速度传感器3，测量本车加速度并将加速度数据提供给处理器6；制动传感器4，检测制动机构是否制动，并将此信号提供给处理器6；摄像机1，采集前方障碍物的信息，并把信息传给处理器6。处理器6根据采集的各种信息实时计算出目前工况下安全距离并与实际距离相比较，根据比较结果的不同向制动执行器5发出不同的控制指令。制动执行器5，根据处理器6发出的控制指令采取相应的动作。
本实施例中的速度传感器、加速度传感器及制动传感器都是车上所配备的，处理器可以选用DSP处理器或单片机。
本实施例提供的一种基于单帧静态图像测距用于汽车主动安全系统的控制方法，包括以下步骤：
1)摄像机1采集前方目标障碍物7的图像信息，通过处理器6实时计算出本车与目标障碍物的实际距离，具体包括以下步骤：
i)摄像机的内部参数：有效焦距和像素对应的物理尺寸的比值记为a_y，摄像机光轴与像平面交点的帧存坐标记为(u₀，v₀)。上述两个参数a_y，(u₀，v₀)可由摄像机内标定获得。该操作为本领域技术人员所熟知，不再赘述。
ii)处理器6利用道路上已知长度的线段来确定摄像机对地的安装高度h：首先根据先验知识或测量得到地面上已知线段两个端点p₁、p₂之间的距离(如利用人行横道上的斑马线，斑马线的标准长度为600cm)，记为l。其中p₁、p₂在摄像机内的的帧存坐标分别记为(u₁，v₁)、(u₂，v₂)，则摄像机高度h可按以下公式求得：
h＝l(v₂-v₀)/(v₁-v₀)/[(v₁-v₂)a_y]
iii)摄像机1采集前方目标障碍物的原始图像信息，并将所采集的信息传递给处理器6，处理器对原始图像进行去除噪声和增强图像质量的预处理；
iv)通过预处理后比较精确地获得目标点的帧存坐标，记为(u，v)；
v)根据上面三个步骤得到的数据按照下式来求取本车与目标障碍物之间的距离d：
d＝ha_y/(v-v₀)
2)根据本车的速度传感器2提供的速度信号、加速度传感器3提供的加速度信号，处理器6实时计算目前工况下本车与前方目标障碍物需要保持的安全距离，汽车主动安全距离即汽车主动安全系统用于判断汽车是否进入危险状态的距离，由两部分组成，一是驾驶员按照他所期望的相对减速度消除自车与目标障碍物相对速度所需要的距离；二是消除自车与目标障碍物相对速度后，自车与目标障碍物仍需要保持的距离。具体确定方法如下：
i)实时采集前后两个时间点本车与目标障碍物的距离，两次采集的距离的差值除以两次采集点的时间间隔，就得到本车相对于目标障碍物的相对速度。记前后两次采样得到的本车与障碍物的距离分别为d₁、d₂，记前后两次采样的时间间隔为ΔT，本车与目标障碍物的相对速度v_rel可由下式求得：
v_rel＝(d₂-d₁)/ΔT
ii)目标障碍物的速度记为v₂，由下式求得：
v₂＝v₁-v_rel
上式中：v₁为此时本车的速度
通过采集两个时间点t₁、t₂，两次采集点之间目标障碍物的速度变化为Δv₂，可求得目标障碍物的加速度a₂，具体计算公式如下：
a₂＝Δv₂/(t₂-t₁)
iii)由速度传感器得到本车的速度和加速度，分别记为v₁、a₁，驾驶员所期望的相对减速度记为δ_a。若目标障碍物静止则δ_a＝v₁；若目标障碍物运动则δ_a＝a₁-a₂。
iv)消除自车与目标障碍物的相对速度v_rel，所需要的距离记为d_br可由下式求得：
d_br＝v_rel²/(2δ_a)
v)消除自车与目标障碍物间相对速度后，自车与目标障碍物间仍然需要保持的距离，记为d_re，d_re的取值为3.6m。
则汽车主动安全距离即判断汽车进入危险状态的安全距离ds为：
ds＝d_br+d_re
3)实时判断本车与目标障碍物7的距离是否小于所述实时计算的安全距离。如果否，则主动安全系统不采取制动。如果是，则要根据制动传感器4提供的信号判断驾驶员是否采取了制动，如果是，则主动安全系统不采取制动，否则，主动安全系统则对制动执行器5发出制动命令使本车制动。
本发明采用基于单帧静态图像测距的方法实时计算本车与障碍物的距离，并且采用了反应驾驶员驾驶特点的安全距离设定的方法用于设定基于单目视觉的汽车主动安全系统的安全距离，使得本安全系统精确度高，自适应性强。