安全距離與碰撞時間權(quán)衡風險的單攝像頭汽車防撞方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種安全距離與碰撞時間權(quán)衡風險的單攝像頭汽車防撞方法。本發(fā)明首先單一攝像頭每隔Δt時間拍攝一幀圖像，對獲得的圖像幀進行圖像分割和目標識別，得到車輪與道路的分界線。其次計算車間距離D、前車與本車的相對速度v和碰撞時間T。然后根據(jù)D、vf、T、v，計算碰撞時間風險函數(shù)f1和安全距離風險函數(shù)f2。最后根據(jù)相對車速v的大小折衷權(quán)衡風險，當v大于某個閾值v0時取風險函數(shù)f1，否則取風險函數(shù)f2。本發(fā)明采用安全距離和碰撞時間相結(jié)合權(quán)衡風險的方法，控制更加準確。采用單一攝像頭獲取車間距離、相對速度和碰撞時間的參數(shù)，簡化了傳感器設置，大大降低了成本，非常方便實用。
【專利說明】安全距離與碰撞時間權(quán)衡風險的單攝像頭汽車防撞方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車【技術(shù)領域】，涉及一種用于汽車的自動控制方法，尤其涉及一種結(jié)合安全距離與碰撞時間進行風險權(quán)衡的單攝像頭汽車防撞方法。

【背景技術(shù)】
[0002]汽車防撞系統(tǒng)不僅可以減少交通事故和人員傷亡，而且與汽車的未來發(fā)展密切相關(guān)。未來的汽車駕駛一定會變得簡單便捷，直至實現(xiàn)完全自動駕駛。而實現(xiàn)自動駕駛的前提條件和重要保障，便是可靠的防撞系統(tǒng)。為了提高行車的安全性，一個合理實用的防撞系統(tǒng)需要有一個合適的報警、控制方式。
[0003]目前，用于實現(xiàn)汽車防撞告警的系統(tǒng)核心輸入?yún)?shù)主要有安全距離和碰撞時間這兩種，其他參數(shù)如車速、天氣、路況等主要起輔助作用。當本車與前車之間的實際距離小于安全距離時，或當計算得到的碰撞時間小于某個設定的閾值時，觸發(fā)報警或自動制動裝置。然而，單一使用安全距離或碰撞時間的參數(shù)有較大的局限性，比如，當本車車速較高時，設定的安全距離未必有效，有可能來不及將本車減速至避免碰撞；同樣的，當本車與前車的相對車速較小時，計算得到的碰撞時間極大，而同時本車與前車的距離可能較近并且本車車速較高，這時如遇前車緊急制動，單純根據(jù)碰撞時間的參數(shù)判斷告警或自動剎車的時機，也可能來不及剎車。
[0004]因此，將安全距離和碰撞時間這兩個參數(shù)結(jié)合起來，同時考慮其影響，是非常必要的，參考本車與前車的相對車速的參數(shù)，便可精確控制報警或制動的時間點，從而避免追尾碰撞，同時不致因過早報警而引起不舒服的駕駛體驗。同時考慮安全距離與碰撞時間的實用的汽車防撞系統(tǒng)尚未見有文獻或?qū)＠l(fā)表，主要原因是同時獲取這兩個參數(shù)依賴于復雜的傳感器裝置。本發(fā)明僅只依靠單一的一只攝像頭獲取的圖像，就能準確得到車間距離、相對速度和碰撞時間的參數(shù)，從而大大簡化了傳感器設置、數(shù)據(jù)處理和告警策略的運用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了采用單一攝像頭結(jié)合安全距離與碰撞時間進行風險權(quán)衡的方法。
[0006]本發(fā)明方法具體是:
[0007]首先單一攝像頭每隔At時間拍攝一幀圖像，對獲得的圖像幀進行圖像分割和目標識別，得到車輪與道路的分界線，得到前車車身上兩個特征點在感光屏上的投影距離I。
[0008]其次計算車間距離D、前車與本車的相對速度V和碰撞時間T，具體是:
[0009]D^—f
η
[0010]其中f為攝像頭的透鏡焦距，H為攝像頭安裝位置距離地面的高度，h為車輪與道路的分界線在感光屏上的投影與焦距中心之間的距離高度；
Δ￡) D, — D(、
[0011 ] V = —- = --
Δ? tx -t0
[0012]其中t(l時刻的圖像計算車間距離為Dtl, ti時刻的圖像計算車間距離為D1 ；
[0013]由前車車身上兩個特征點在感光屏上的投影距離1，得到碰撞時間T ；
[0014]由霍爾車速傳感器測量得到本車車速vf。
[0015]然后根據(jù)D、vf, T、V,計算碰撞時間風險函數(shù)Π
[0016]fl = D+vT-vfTp
[0017]其中，Tp為對車速的補償時間，本車車速Vf越高，補償時間Tp越大；
[0018]計算安全距離風險函數(shù)f2

(v+V,)2 V^.
[0019]fi 二 D--—^~ + -^--1tT +du
Zal Iaf
[0020]其中，ai和af分別為前車和本車減速度，Tr為駕駛員及制動機構(gòu)反應時間，Cltl為緩沖距離。
[0021]最后根據(jù)相對車速V的大小折衷權(quán)衡風險，當V大于某個閾值Vtl時取風險函數(shù)f1;否則取風險函數(shù)f2 ;
[0022]當風險函數(shù)或f2〈0時，為碰撞風險超閾值，需采取告警或剎車措施，輸出信號至聲光告警單元或緊急制動單元。
[0023]進一步說，由前車車身上兩個特征點在感光屏上的投影距離1，得到碰撞時間T具體是:
[0024]設前車車身上兩個特征點之間的距離為L，t0時刻其在攝像頭感光屏上的投影長度為1(1，則有，
f
[0025]10=-L
"O
[0026]tl時刻其在攝像頭感光屏上的投影長度為I1,則有，
[0027]h 二言 L
[0028]tl時刻和h時刻特征點投影長度的比值r為，
一 A — D0 — D1 -VAr At
[0029]r — — —-二 IH--
DDT
1O -tyI"I1
[0030]其中，當V取負值時，
[0031]T =——L

V
[0032]當V取正值時，碰撞時間T為無窮大，當V取負值時T為正值，可得，
V Δ/
I =-
r-1
[0033]i

η
r 二丄.h °
[0034]進一步說，當前后兩幀圖像上的目標的兩個特征點不易匹配提取時，用特征目標的像素面積來計算r ；
[0035]設h時刻特征目標在攝像頭感光屏上的投影面積為Stl, h時刻特征目標在攝像頭感光屏上的投影面積為S1，則
[0036]r = -^=
VO 。
[0037]本發(fā)明的有益效果:
[0038](I)采用安全距離和碰撞時間相結(jié)合權(quán)衡風險的方法，控制更加準確；
[0039](2)采用單一攝像頭獲取車間距離、相對速度和碰撞時間的參數(shù)，簡化了傳感器設置，大大降低了成本，非常方便實用；
[0040](3)給出了利用單一攝像頭計算車間距離、相對速度和碰撞時間的具體方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]附圖1是本發(fā)明單一攝像頭計算車間距離的方法示意圖；
[0042]附圖2是本發(fā)明安全距離與碰撞時間權(quán)衡風險的單攝像頭防撞系統(tǒng)示意圖。
[0043]圖中，1.前車，2.本車，3.攝像頭透鏡，4.車輪與道路的分界線，5.攝像頭，6.圖像幀，7.車間距離算法模塊，8.相對速度算法模塊，9.霍爾車速傳感器，10.碰撞時間算法模塊，11.安全距離、碰撞時間風險計算模塊，12.碰撞風險折衷權(quán)衡，13.聲光告警單元，14.緊急制動單元。

【具體實施方式】
:
[0044]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0045](I)單一攝像頭計算車間距離的方法。
[0046]如附圖1所示，前車I與本車2之間的車間距離為D，安裝在本車I上的攝像頭透鏡3將前車I的影像投影在感光屏上。設透鏡焦距為f，攝像頭安裝位置距離地面的高度為H，車輪與道路的分界線4在感光屏上的投影與焦距中心之間的距離高度為h，則車間距離為，
_7] D = Tf(I)
[0048](2)單一攝像頭計算相對速度的方法。
[0049]攝像頭每隔At時間拍攝一幀圖像，根據(jù)h時刻的圖像計算車間距離為Dtl，根據(jù)ti時刻的圖像計算車間距離為D1,則At = W AD = D1-Dci,前車與本車的相對速度可計算為，
AD D' —
[0050]v 二 ~ —
Δ? d(2)
[0051]當本車車速大于前車車速，即兩車接近時，相對速度為負值。對連續(xù)測得的一組車間距離和相對速度數(shù)據(jù)可做濾波處理，得到穩(wěn)定的測量值。
[0052](3)單一攝像頭計算碰撞時間的方法。
[0053]設前車車身上兩個特征點之間的距離(可為車身寬度、車牌寬度或其它易于進行圖像特征識別的兩點距離)為L’ t0時刻其在攝像頭感光屏上的投影長度為Itl，則有，
/
[0054]10 =JTL
[0055]h時刻其在攝像頭感光屏上的投影長度為I1,則有，
_] 1'女(4)
[0057]設tl時刻和h時刻特征點投影長度的比值為，
/ 丨 D0 D1 - VAt At
[0058]r = 了二 — =-= IH--
/o O1 D1T(5)
[0059]其中，限定V取負1且Η、?, T為碰撞時間。當V取負值時，
r I T- A
[0060]T 二f
V(6)
[0061]當V取正值時碰撞時間T為無窮大，當V取負值時T為正值。根據(jù)公式(5)，可得，
Γ At
T 二——
r-1
[0062]< ,
γ
V h(7)
[0063]當前后兩幀圖像上的目標的兩個特征點不易匹配提取時，可用特征目標的像素面積(計算特征目標的像素點的總數(shù)目)來計算尺度變化r。設h時刻特征目標在攝像頭感光屏上的投影面積為Stl, h時刻特征目標在攝像頭感光屏上的投影面積為S1，則
[0064]r 二 -1J=
A(8)
[0065](4)碰撞時間風險函數(shù)。
[0066]當本車車速大于前車，兩車快速接近時，碰撞時間的大小體現(xiàn)了碰撞發(fā)生的風險高低，定義碰撞時間風險函數(shù)為，
[0067]fj = D+vT-vfTp(9)
[0068]其中，Vf為本車車速，Tp為對車速的補償時間，本車車速Vf越高，補償時間Tp越大。
[0069]當4〈0時，為碰撞風險超閾值，需采取告警或剎車措施。
[0070](5)安全距離風險函數(shù)。
[0071]當兩車車速值大小相近，車間距離變化不明顯時，由公式(7)計算碰撞時間為較大的值，此時用風險函數(shù)不能客觀表達風險大小，則可用車間距離和相對車速構(gòu)成風險函數(shù)如下，

(v +Vf)2 V2r
[0072]fi=D —~ + —--VfTr + d0
2a, Iar(10)
[0073]其中，B1和af分別為前車和本車減速度，Tr為駕駛員及制動機構(gòu)反應時間，Cltl為緩沖距離。
[0074]當f2〈0時，為碰撞風險超閾值，需采取告警或剎車措施。
[0075]圖2中，單一攝像頭5每隔At時間拍攝一幀圖像，對獲得的圖像幀6進行圖像分割和目標識別等圖像處理，得到車輪與道路的分界線4如圖1所示，得到前車車身上兩個特征點在感光屏上的投影距離1，或特征目標的像素面積S。由車輪與道路的分界線4在感光屏上的投影與焦距中心之間的距離h，根據(jù)公式(I)可算得車間距離D，此即圖2中的“車間距離算法模塊”7 ;根據(jù)公式(2)，可算得前車與本車的相對速度V，此即圖2中的“相對速度算法模塊”8 ;由前車車身上兩個特征點在感光屏上的投影距離1，根據(jù)公式(7)可算得碰撞時間T，或由特征目標的像素面積S，根據(jù)公式(8)代入公式(7)可算得碰撞時間T，即圖2中“碰撞時間算法模塊” 10?；魻栜囁賯鞲衅?可測量得到本車車速vf。
[0076]以上計算得到的數(shù)據(jù)D、vf, T、V作為輸入?yún)?shù)，輸入“安全距離、碰撞時間風險計算模塊”11，由公式(9)計算碰撞時間風險函數(shù)4，由公式(10)計算安全距離風險函數(shù)f2。然后，“碰撞風險折衷權(quán)衡模塊” 12根據(jù)相對車速V的大小折衷權(quán)衡風險，當V大于某個閾值％時取風險函數(shù)，否則取風險函數(shù)f2。
[0077]最后，當風險函數(shù)或f2〈0時，為碰撞風險超閾值，需采取告警或剎車措施，輸出信號至聲光告警單元13，或緊急制動單元14。
【權(quán)利要求】
1.安全距離與碰撞時間權(quán)衡風險的單攝像頭汽車防撞方法，其特征在于: 首先單一攝像頭每隔At時間拍攝一幀圖像，對獲得的圖像幀進行圖像分割和目標識另O，得到車輪與道路的分界線，得到前車車身上兩個特征點在感光屏上的投影距離I ; 其次計算車間距離D、前車與本車的相對速度V和碰撞時間T，具體是: D = ILf h 其中f為攝像頭的透鏡焦距，H為攝像頭安裝位置距離地面的高度，h為車輪與道路的分界線在感光屏上的投影與焦距中心之間的距離高度；
AD D1-D0 V =-二-
Δ? ti —10 其中h時刻的圖像計算車間距離為Dtl, h時刻的圖像計算車間距離為D1 ； 由前車車身上兩個特征點在感光屏上的投影距離1，得到碰撞時間T ； 由霍爾車速傳感器測量得到本車車速Vf ； 然后根據(jù)D、vf, T、V,計算碰撞時間風險函數(shù) f1 = D+vT-vfTp 其中，Tp為對車速的補償時間，本車車速Vf越高，補償時間Tp越大； 計算安全距離風險函數(shù)f2
(V+ Vf)2 V2f f =D--——j上+」~ — V T 2a, Iaf 其中，B1和&{分別為前車和本車減速度，I；為駕駛員及制動機構(gòu)反應時間，Cltl為緩沖距離； 最后根據(jù)相對車速V的大小折衷權(quán)衡風險，當V大于某個閾值N0時取風險函數(shù)，否則取風險函數(shù)f2 ； 當風險函數(shù)或f2〈0時，為碰撞風險超閾值，需采取告警或剎車措施，輸出信號至聲光告警單元或緊急制動單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的安全距離與碰撞時間權(quán)衡風險的單攝像頭汽車防撞方法，其特征在于: 由前車車身上兩個特征點在感光屏上的投影距離1，得到碰撞時間T具體是: 設前車車身上兩個特征點之間的距離為L，t0時刻其在攝像頭感光屏上的投影長度為1。，則有， 10=-L D
-l^o I1時刻其在攝像頭感光屏上的投影長度為I1，則有， /丨山
Di t,時刻和h時刻特征點投影長度的比值r為，
L Dn Di — V 1st tst r = — = — = —-= 1 + — 10 D1 D1T 其中，當V取負值時， Γ =-叢
V 當V取正值時，碰撞時間T為無窮大，當V取負值時T為正值，可得， ir 二 I
r-1
<
Z1 r =— 、 Iqο
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的安全距離與碰撞時間權(quán)衡風險的單攝像頭汽車防撞方法，其特征在于: 當前后兩幀圖像上的目標的兩個特征點不易匹配提取時，用特征目標的像素面積來計算r ； 設h時刻特征目標在攝像頭感光屏上的投影面積為Stl, ^時刻特征目標在攝像頭感光屏上的投影面積為S1，則 _ A
【文檔編號】B60Q9/00GK104129387SQ201410359140
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】姜顯揚 申請人:杭州電子科技大學