輔助駕駛： 汽車(chē)離道報警完整結構設計

第一部分：設計概述

安全輔助駕駛(Safety Driving Assist，簡(jiǎn)稱(chēng)SDA)是當前國際智能交通系統研究的重要內容，它主要解決交通安全的問(wèn)題，對于困擾運輸領(lǐng)域的交通堵塞及環(huán)境污染兩個(gè)問(wèn)題也有緩解作用?；诖?，世界上很多國家都在加強車(chē)輛安全輔助駕駛技術(shù)領(lǐng)域的研究。關(guān)于安全輔助駕駛技術(shù)的研究主要集中在車(chē)道偏離預警，前方障礙物探測，以及駕駛員狀態(tài)監測等方面。近20年來(lái)，車(chē)道偏離預警系統作為安全輔助駕駛研究領(lǐng)域的一個(gè)組成部分，已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注，很多國家都投入大量的人力、物力和財力進(jìn)行系統研發(fā)。

車(chē)道偏離預警系統研究背景：

車(chē)道偏離報警系統( Lane Departure Warning System, 簡(jiǎn)稱(chēng)LDWS)是指汽車(chē)在高速行駛的過(guò)程中,在駕駛員沒(méi)有示意車(chē)輛變道的情況下,車(chē)輛偏離了正常行駛的車(chē)道時(shí), 利用報警方式提醒駕駛員修正車(chē)輛方向的汽車(chē)主動(dòng)安全裝置。車(chē)道偏離報警系統將會(huì )是繼安全帶、安全氣囊后,在汽車(chē)內安裝的又一項安全裝置。在美國,1994 年由于車(chē)道偏離引起的傷亡事故占所有車(chē)輛傷亡事故的37.0%, 2000 年為42.0%, 2001 年則上升到43.0%, 平均每年上升0.75 個(gè)百分點(diǎn)。車(chē)道偏離報警系統在車(chē)輛偏離車(chē)道線(xiàn)時(shí), 可以向駕駛員發(fā)出警示信號, 提示駕駛員修正車(chē)輛的方向, 提醒駕駛員集中注意力。有研究表明,車(chē)道偏離報警系統可以減少至少24%的車(chē)道偏離傷亡事故。世界上一些國家已經(jīng)成功研制出一些各具特色的車(chē)道偏離報警系統, 如Auto Vue 系統、AWSTM系統、DSS 系統、SCARF 系統和ALVINN 系統等。在我國,車(chē)道偏離報警方面的研究起步較晚,還沒(méi)有相關(guān)的產(chǎn)品問(wèn)世, 只有吉林大學(xué)的汽車(chē)動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗室、東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院進(jìn)行了一些探索性的研究。經(jīng)過(guò)探索性的研究表明, 基于視覺(jué)的車(chē)道偏離報警系統是一種切實(shí)可行的方案。

MicroBlaze嵌入式軟核是一個(gè)被Xilinx公司優(yōu)化過(guò)的可以嵌入在FPGA中的RISC處理器軟核，具有運行速度快、占用資源少、可配置性強等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于通信、軍事、高端消費市場(chǎng)等領(lǐng)域。Xilinx公司的MicroBlaze 32位軟處理器核是支持CoreConnect總線(xiàn)的標準外設集合。MicroBlaze處理器運行在150MHz時(shí)鐘下，可提供125 D-MIPS的性能，非常適合設計針對網(wǎng)絡(luò )、電信、數據通信和消費市場(chǎng)的復雜嵌入式系統。

設計摘要：

本課題是以Xilinx公司FPGA開(kāi)發(fā)板上的MicroBlaze微處理器IP核為核心，和其它外設一起，針對于行駛在高速公路或者城市道路上的司機，設計出了汽車(chē)離道報警系統。該系統圖像采集子系統、FPGA開(kāi)發(fā)板和其他設備組成。圖像采集子系統能實(shí)時(shí)地采集路面實(shí)況數據，數據進(jìn)入系統后，它被實(shí)時(shí)地變換成可處理的格式，在處理器內部，首先進(jìn)行預處理，過(guò)濾掉圖像捕獲期間混入的噪聲，然后探測車(chē)輛相對于車(chē)行道標志線(xiàn)的位置。道路圖像的輸入信息流被變換為一系列畫(huà)出道路表面輪廓的線(xiàn)條。在數據字段內尋找邊緣就能發(fā)現車(chē)道標志線(xiàn)。這些邊緣事實(shí)上形成了車(chē)輛向前行駛應保持的邊界。處理器則要時(shí)刻跟蹤這些標志線(xiàn)，以確定行車(chē)路線(xiàn)是否正常。一旦發(fā)現車(chē)輛無(wú)意間偏離車(chē)行道，處理器作出判斷后輸出一個(gè)信號驅動(dòng)報警電路，讓駕駛員立即糾正行車(chē)路線(xiàn)。報警電路采用蜂鳴器放出警告聲音。

第二部分：設計結構

1.系統框圖介紹

不管是哪一種車(chē)道偏離報警系統，都可以劃分成三個(gè)基本模塊：道路和車(chē)輛狀態(tài)感知模塊、車(chē)道偏離評價(jià)算法模塊和信號報警電路，如圖1所示系統運行的基本過(guò)程是：狀態(tài)感知模塊感知道路幾何特征和車(chē)輛的動(dòng)態(tài)參數，然后由車(chē)道偏離評價(jià)算法對車(chē)道偏離的可能性進(jìn)行評價(jià)，一旦發(fā)現車(chē)輛無(wú)意間偏離車(chē)行道，處理器作出判斷后輸出一個(gè)信號驅動(dòng)報警電路，讓駕駛員立即糾正行車(chē)路線(xiàn)。報警形式可以是蜂鳴器或者喇叭，也可以用語(yǔ)言提示，還可以用振動(dòng)座椅來(lái)提醒駕駛員。

圖1 系統設計框圖

車(chē)道偏離報警系統具體在硬件上則是通過(guò)裝在車(chē)上的攝像頭進(jìn)行視頻圖像的采樣，然后對表現為模擬信號的視頻圖像進(jìn)行數字轉換，將數字的視頻信息傳輸給處理器單元，處理器單元根據算法要求進(jìn)行計算，得出車(chē)輛偏離車(chē)道的實(shí)時(shí)狀態(tài)，如果出現車(chē)道偏離或者將要出現車(chē)道偏離，系統將通過(guò)報警電路對駕駛員進(jìn)行提示報警，防止意外發(fā)生。

2.硬件框圖

圖2 硬件框圖

3.軟件流程圖

軟件流程圖如圖3所示

圖3 軟件流程圖

1.道路圖像采集

本文主要研究車(chē)道線(xiàn)檢測技術(shù)在車(chē)道偏離預警中的應用，圖像在采集過(guò)程中，光照強度、障礙物遮擋、路邊樹(shù)木以及路面不平坦而導致的攝像頭抖動(dòng)都會(huì )對圖像中車(chē)道線(xiàn)信息造成影響。因而，要想準確地提取出車(chē)道線(xiàn)參數，就必須對采集的道路圖像在車(chē)道線(xiàn)檢測之前進(jìn)行預處理。在圖像處理算法中，沒(méi)有哪一種算法可以適用于各類(lèi)圖像，每一種算法都有自己的局限性。因此，在實(shí)際應用中，需要做大量的實(shí)驗，并結合車(chē)道偏離預警系統的需要，選取適合該系統的算法。適用于本文檢測算法的路面為攝像機視野上方可能會(huì )為天空或高山等背景的至少含有兩個(gè)同向以車(chē)道線(xiàn)隔開(kāi)的高速公路和城市道路。

2.圖像預處理

根據投影理論，當攝像機光軸與地平面平行時(shí)，而車(chē)輛一般在下方的地面部分，因此圖像下半部分有車(chē)輛的區域才是我們的感興趣區域，只需要分析這部分的情況即可，預處理中一般把圖像的下半部分劃分為感興趣的部分，而上半部分一律作黑色處理，從而使得預處理后的白色部分所表示的信息即為車(chē)道線(xiàn)。這樣既較好地符合實(shí)際情況，同時(shí)算法簡(jiǎn)便，避免了處理大量信息的冗余，提高了計算速率。預處理分四步完成：

a.灰度化。這里之所以進(jìn)行灰度化，是因為石子瀝青路面為深黑色，而黃線(xiàn)為淺色，灰度化以后，二者在圖像上就表現為一黑一白，易于操作，也便于后面的處理。