輔助駕駛： 汽車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，簡稱SDA)是當前國際智能交通系統(tǒng)研究的重要內容，它主要解決交通安全的問題，對于困擾運輸領域的交通堵塞及環(huán)境污染兩個問題也有緩解作用?；诖?，世界上很多國家都在加強車輛安全輔助駕駛技術領域的研究。關于安全輔助駕駛技術的研究主要集中在車道偏離預警，前方障礙物探測，以及駕駛員狀態(tài)監(jiān)測等方面。近20年來，車道偏離預警系統(tǒng)作為安全輔助駕駛研究領域的一個組成部分，已經受到越來越多的關注，很多國家都投入大量的人力、物力和財力進行系統(tǒng)研發(fā)。

車道偏離預警系統(tǒng)研究背景：

車道偏離報警系統(tǒng)( Lane Departure Warning System, 簡稱LDWS)是指汽車在高速行駛的過程中,在駕駛員沒有示意車輛變道的情況下,車輛偏離了正常行駛的車道時, 利用報警方式提醒駕駛員修正車輛方向的汽車主動安全裝置。車道偏離報警系統(tǒng)將會是繼安全帶、安全氣囊后,在汽車內安裝的又一項安全裝置。在美國,1994 年由于車道偏離引起的傷亡事故占所有車輛傷亡事故的37.0%, 2000 年為42.0%, 2001 年則上升到43.0%, 平均每年上升0.75 個百分點。車道偏離報警系統(tǒng)在車輛偏離車道線時, 可以向駕駛員發(fā)出警示信號, 提示駕駛員修正車輛的方向, 提醒駕駛員集中注意力。有研究表明,車道偏離報警系統(tǒng)可以減少至少24%的車道偏離傷亡事故。世界上一些國家已經成功研制出一些各具特色的車道偏離報警系統(tǒng), 如Auto Vue 系統(tǒng)、AWSTM系統(tǒng)、DSS 系統(tǒng)、SCARF 系統(tǒng)和ALVINN 系統(tǒng)等。在我國,車道偏離報警方面的研究起步較晚,還沒有相關的產品問世, 只有吉林大學的汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室、東南大學儀器科學與工程學院進行了一些探索性的研究。經過探索性的研究表明, 基于視覺的車道偏離報警系統(tǒng)是一種切實可行的方案。

MicroBlaze嵌入式軟核是一個被Xilinx公司優(yōu)化過的可以嵌入在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，廣泛應用于通信、軍事、高端消費市場等領域。Xilinx公司的MicroBlaze 32位軟處理器核是支持CoreConnect總線的標準外設集合。MicroBlaze處理器運行在150MHz時鐘下，可提供125 D-MIPS的性能，非常適合設計針對網絡、電信、數(shù)據(jù)通信和消費市場的復雜嵌入式系統(tǒng)。

設計摘要：

本課題是以Xilinx公司FPGA開發(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，設計出了汽車離道報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)圖像采集子系統(tǒng)、FPGA開發(fā)板和其他設備組成。圖像采集子系統(tǒng)能實時地采集路面實況數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)進入系統(tǒng)后，它被實時地變換成可處理的格式，在處理器內部，首先進行預處理，過濾掉圖像捕獲期間混入的噪聲，然后探測車輛相對于車行道標志線的位置。道路圖像的輸入信息流被變換為一系列畫出道路表面輪廓的線條。在數(shù)據(jù)字段內尋找邊緣就能發(fā)現(xiàn)車道標志線。這些邊緣事實上形成了車輛向前行駛應保持的邊界。處理器則要時刻跟蹤這些標志線，以確定行車路線是否正常。一旦發(fā)現(xiàn)車輛無意間偏離車行道，處理器作出判斷后輸出一個信號驅動報警電路，讓駕駛員立即糾正行車路線。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(tǒng)框圖介紹

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

圖1 系統(tǒng)設計框圖

車道偏離報警系統(tǒng)具體在硬件上則是通過裝在車上的攝像頭進行視頻圖像的采樣，然后對表現(xiàn)為模擬信號的視頻圖像進行數(shù)字轉換，將數(shù)字的視頻信息傳輸給處理器單元，處理器單元根據(jù)算法要求進行計算，得出車輛偏離車道的實時狀態(tài)，如果出現(xiàn)車道偏離或者將要出現(xiàn)車道偏離，系統(tǒng)將通過報警電路對駕駛員進行提示報警，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

本文主要研究車道線檢測技術在車道偏離預警中的應用，圖像在采集過程中，光照強度、障礙物遮擋、路邊樹木以及路面不平坦而導致的攝像頭抖動都會對圖像中車道線信息造成影響。因而，要想準確地提取出車道線參數(shù)，就必須對采集的道路圖像在車道線檢測之前進行預處理。在圖像處理算法中，沒有哪一種算法可以適用于各類圖像，每一種算法都有自己的局限性。因此，在實際應用中，需要做大量的實驗，并結合車道偏離預警系統(tǒng)的需要，選取適合該系統(tǒng)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為天空或高山等背景的至少含有兩個同向以車道線隔開的高速公路和城市道路。

2.圖像預處理

根據(jù)投影理論，當攝像機光軸與地平面平行時，而車輛一般在下方的地面部分，因此圖像下半部分有車輛的區(qū)域才是我們的感興趣區(qū)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道線。這樣既較好地符合實際情況，同時算法簡便，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。這里之所以進行灰度化，是因為石子瀝青路面為深黑色，而黃線為淺色，灰度化以后，二者在圖像上就表現(xiàn)為一黑一白，易于操作，也便于后面的處理。