基于嵌入式的車(chē)輛偏離預警系統研究

摘要：以嵌入式系統為平臺對車(chē)輛駛離車(chē)道的預警進(jìn)行研究。在采用改進(jìn)的Hough變換對道路圖像標識線(xiàn)識別的基礎上，利用透視投影原理，完成車(chē)輛位置信息的重建，確定車(chē)輛在車(chē)道中的橫向距離和橫向偏轉角，建立基于橫向距離和橫向速度的車(chē)輛偏離預警算法。車(chē)輛行駛實(shí)驗表明，該算法能夠對偏離車(chē)道的車(chē)輛給以準確的報警，并且充分考慮車(chē)輛的速度以及偏轉角度對車(chē)輛偏離車(chē)道過(guò)程的影響。
關(guān)鍵詞：車(chē)輛偏離預警；車(chē)輛位置；嵌入式系統；道路標識線(xiàn)

研究表明，大約15％的道路交通事故是由車(chē)輛駛離公路造成的，車(chē)道偏離預警系統能夠有效減少道路交通事故的發(fā)生。目前車(chē)道偏離預警系統采用的方法大致分為3種：1)基于車(chē)輛將到達車(chē)道邊界時(shí)間(Time to Lane Crossing，TLC)的預警算法；2)基于預測軌跡曲線(xiàn)偏離量不同的預警算法；3)基于平面圖像道路標線(xiàn)夾角的預警算法。這幾種算法能夠實(shí)現車(chē)道預警，但車(chē)輛出現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)對車(chē)輛的控制疏忽所致，上述所做的各種假設與實(shí)際行駛過(guò)程均有偏差，如沒(méi)有考慮車(chē)輛的橫向偏轉角及駕駛員轉動(dòng)方向盤(pán)轉角在某個(gè)行駛過(guò)程中對車(chē)道偏離的影響。鑒于此，提出基于車(chē)輛橫向距離與橫向分速度進(jìn)行車(chē)輛偏離預警的方法。作為車(chē)道偏離預警系統的處理平臺，PC機的體積、成本及功能的冗余性是其應用在車(chē)載系統中難以克服的瓶頸，采用嵌入式方法對車(chē)道偏離預警系統的設計，充分利用了嵌入式系統處理的實(shí)時(shí)性與體積小巧等特點(diǎn)。

1 道路圖像的處理
使用Sobel算子邊緣檢測和最大類(lèi)間方差圖像分割法將道路灰度圖像轉化為二值圖像，作為下一步處理的基礎。直線(xiàn)的矢量基元表示方法是按照某種準則將矢量基元(ELS)合并連接來(lái)表示直線(xiàn)。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邊緣點(diǎn)的集合；列基元是道路圖像中同一列上的連續邊緣點(diǎn)的集合；45°基元是道路圖像中在傾角為45°?；?35°的掃描線(xiàn)上連續邊緣點(diǎn)的集合。其優(yōu)
點(diǎn)是計算耗費的時(shí)間與變量存儲需要的空間較少。
Hough變換是利用投票機制參照圖像全局特性對目標直線(xiàn)輪廓進(jìn)行直接檢測。其優(yōu)點(diǎn)是對直線(xiàn)斷裂、局部遮擋等缺陷不敏感，對隨機噪聲具有魯棒性，特別適用于直線(xiàn)道路的識別。利用直線(xiàn)的矢量基元減少Hough變換中參數的量化范圍，能夠節省Hough變換的時(shí)間和空間消耗，同時(shí)彌補矢量基元表示直線(xiàn)的局部性和噪聲敏感性等不足，較好識別道路標識線(xiàn)。

2 行駛車(chē)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(chē)輛前端頂部，攝像頭距地面高度為h。建立空間坐標系如下：世界坐標系XYZ與攝像機坐標系xyz。動(dòng)態(tài)的世界坐標系隨車(chē)輛一起運動(dòng)，以攝像機鏡頭中心在地面的垂直投影點(diǎn)為原點(diǎn)，地面的垂直線(xiàn)向上為Z軸正向，車(chē)身縱軸線(xiàn)方向為X軸，正向為汽車(chē)前進(jìn)的反方向；攝像機坐標系統以光軸為z軸，鏡頭中心為坐標原點(diǎn)，攝像機坐標xy平面與像平面平行；表征圖像內部各點(diǎn)位置的像平面坐標系統的u軸、v軸與x軸、y軸平行，原點(diǎn)位于圖像中心既攝像機光軸與圖像的交點(diǎn)。所有坐標系滿(mǎn)足右手規則。
平面圖像上某點(diǎn)(u，v)經(jīng)過(guò)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為攝像機的有效焦距，γ表示攝像機x坐標軸相對于X軸的夾角稱(chēng)為掃視角，α表示攝像機光軸(z軸)相對于垂直方向(Z軸)的夾角稱(chēng)為傾斜角。
2．2 車(chē)輛在當前道路中橫向距離及橫向偏轉角的確定
利用改進(jìn)的Hough變換識別道路標識線(xiàn)后，通過(guò)圖像平面的道路標線(xiàn)直線(xiàn)方程和式(1)，得到左、右道路標識線(xiàn)在世界坐標系內的直線(xiàn)方程