一、引言

在世界范圍內(nèi)，公路交通事故導致驚人的人員傷亡和經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，約有44%的汽車事故與車輛偏離正常車道行駛有關，其主要原因是駕駛員注意力不集中或者疲勞駕駛，造成車輛的無意識偏離。車道偏離報警系統(tǒng)（簡稱LDWS或RDWS）正是基于基本交通規(guī)則的車輛安全系統(tǒng)，其主要功能是輔助過度疲憊或者長時間單調(diào)駕駛的駕駛員保持車輛在車道內(nèi)行駛。由于LDWS具有顯著提高車輛行駛主動安全性的潛力，得到了國內(nèi)外研究人員越來越多的重視。因此該系統(tǒng)具有廣泛的市場潛力與應用價值。

二、系統(tǒng)總體設計

車道偏離報警系統(tǒng)的系統(tǒng)總體設計如圖1所示，主要包括軟件設計即人機界面設計和硬件設計兩大部分。人機界面為PC端上的圖形化控制臺，用于模擬汽車的制動信號和轉(zhuǎn)向信號以及車速信號等，通過串口將信號傳送給DSP，同時顯示由DSP送來的車輛偏離數(shù)據(jù)和實時道路場景。硬件部分由DSP構(gòu)成，負責實時車道檢測與識別，車道偏離量的計算。

圖1系統(tǒng)設計

系統(tǒng)通過圖像傳感器獲取車道幾何結(jié)構(gòu)，通過車輛運動參數(shù)傳感器獲取決策算法所必需的車輛運動參數(shù)如車速、車輛轉(zhuǎn)向狀態(tài)等，綜合分析判斷車輛偏離車道的程度。如果車輛偏離量超過設定閾值，控制臺界面上的報警燈將會閃亮，同時發(fā)出蜂鳴報警聲。

三、人機界面設計

在人機界面設計上采用VisualC++6.0開發(fā)環(huán)境和NI公司的Measurement Studio編程工具共同開發(fā)，用VC完成程序的主要功能，用Measurement Studio的精美控件完成程序的界面編程。在系統(tǒng)與DSP通信上我們采用微軟公司的MSSCOM控件進行編程，減小工作量，降低開發(fā)難度。軟件系統(tǒng)分為三個模塊：顯示模塊、控制模塊、通信模塊。顯示模塊負責將DSP發(fā)來的報警信號，車道偏移信號進行圖形化顯示，控制模塊主要向DSP發(fā)送控制命令，通信模塊負責PC與DSP間信號的交互。人機界面各模塊間的關系如圖2所示。

圖2人機界面設計

四、硬件設計

系統(tǒng)硬件主要是以DSP為核心的實時處理平臺，主要完成圖像采集、車道檢測與識別、車道偏移量計算等功能，并將計算結(jié)果傳送給控制臺界面作動態(tài)顯示。

DSP硬件系統(tǒng)包括視頻A/D模塊、實時圖像處理模塊、視頻D/A模塊、UART通信模塊、外部儲存器模塊。視頻A/D模塊采用ADV7183視頻解碼芯片，圖像處理芯片采用ADI公司的Blackfin-533多媒體數(shù)字信號處理器，ADM3202RS-232通用異步收發(fā)器。DSP系統(tǒng)框圖如圖1左方虛線框所示。

在開發(fā)中我們采用ADI公司的BF-533EZ-KitLite評估板，該平臺具有良好的可操作性和豐富的外設接口，為我們降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，節(jié)約了時間。

在DSP端，圖像經(jīng)CMOS攝像頭轉(zhuǎn)換成視頻信號送入ADV7183視頻編碼器，我們從解碼視頻流中的亮度分量獲得灰度圖像序列，首先進行圖像預處理，由3×3的高斯模板對圖像進行濾波，濾除部分隨機噪聲，然后進行車道標志檢測。由于結(jié)構(gòu)化道路上的車道標識線與路面背景具有較強的對比度，車道邊緣較明顯，因此利用邊緣檢測算法能夠較好地檢測出車道邊緣。目前較好的邊緣檢測算法是Canny法，檢測的車道邊緣準確，線條較細，但是計算量大。Sobel算法相對于Canny法的線條較粗，但計算量較小，便于實時系統(tǒng)應用。因此，系統(tǒng)采用了Sobel法，然后采用Ostu法對邊緣增強的圖像序列進行二值化，該算法能夠自動確定分割閾值，使前景與背景兩類的方差最大。

經(jīng)過分割后的二值圖像中包含了車道標識線，但還含有很多雜散線條，因此要對車道線進行識別，將其從雜散線條中提取出來。基于對道路的先驗知識，三維場景中的直線投影到二維平面上亦為直線，而實際道路中出現(xiàn)直道的概率遠大于彎道出現(xiàn)的概率，所以我們采用了簡化的道路模型，即直線車道模型。檢測直線的常用方法是Hough變換，由于標準Hough變換計算量太大，不能在DSP上實現(xiàn)，我們將圖像按重要性分為三個區(qū)域如圖3所示。

圖3圖像區(qū)域示意圖

我們只在區(qū)域1和區(qū)域2做Hough變換，區(qū)域3不做處理，并增大了Hough變換的角度搜索步長，進一步減小計算量。區(qū)域1中檢測到斜率在（0，90）度、長度為30像素以上的直線段判定為左車道，在區(qū)域2中檢測到的斜率在（0，-90）度、長度為30像素以上的直線段為右車道。

當車道檢測出來以后，需要根據(jù)車道信息判斷車輛在車道中的位置，因此車道偏離決策算法也是車道偏離報警系統(tǒng)的關鍵，它主要是確定一個合適的預警量向駕駛員提供報警，能夠保證及時和準確報警，同時不會對駕駛員造成過多的干擾。目前常用的偏離決策算法都需要對相機進行標定（如TLC方法），增加了系統(tǒng)的復雜性，并給安裝帶來不便。本系統(tǒng)采用的車道夾角法，不需要對相機進行標定，安裝時 保持相機與車輛平行即可。如果車輛的左右車道夾角之和超過某一設定閾值，則認為車輛偏離正常車道，系統(tǒng)根據(jù)當前行使狀況綜合判斷駕駛員是否無意識偏離了行車道，并發(fā)出報警，提醒駕駛員糾正行車路線。圖4為車道偏離算法流程圖。

圖4車道偏離算法流程圖

五、仿真結(jié)果與分析

圖5（a）為車輛位于車道中心附近行駛，（b）為車輛位于車道偏左行駛，（c）為車輛位于車道偏右行駛，（d）（e）（f）分別為（c）（b）（c）所示行使狀態(tài)下的控制臺顯示界面。如（d）所示，當車輛位于車道中心附近行使時，車道偏移量的值在0值附近擺動，表示車輛并未發(fā)生偏離，此時偏離報警燈也未點亮。如（e）所示，當車輛無意識行駛到車道左邊時，車道偏移量在-20到-30之間擺動，此時左偏報警燈閃亮，同時發(fā)出較低頻率的蜂鳴報警聲，表示車輛向左偏離。當車輛偏向右邊車道時如（c）所示；偏移量的值在20到30之間變化，右偏報警燈閃亮，并發(fā)出較高頻率的蜂鳴報警聲，如圖（f）所示。

車輛在虛線道路上行駛的情況如圖6所示，（b）表示車道偏離量在0值附近變化，說明車輛沒有發(fā)生偏離，（c）為車輛左偏時的偏離量的值，其值在-20附近變化 ，（d）為車輛右偏時的偏離量值，其值在-20到-30之間變化。

圖5車輛在實線車道上行駛的實驗結(jié)果

圖6

從以上模型車輛的實驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)能夠較好地適應不同線型的車道線，并能在模型車輛偏離時做出正確的判斷，發(fā)出不同的報警提示，達到了設計要求。

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