基于視覺(jué)影像的行車輔助盲點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

陳安柱 張峰 王淘玉

1、鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院 2、江蘇世紀(jì)龍科技有限公司

1 系統(tǒng)研究背景

汽車行駛過(guò)程中存在諸多的視覺(jué)盲點(diǎn)，其中有側(cè)面障礙物相對(duì)車輛高度較低，駕駛員不易發(fā)現(xiàn)，易造成汽車輪胎刮傷，輕則影響輪胎壽命，重則造成輪轂變形或爆胎，影響車主人身財(cái)產(chǎn)安全。目前很多車輛在側(cè)面裝有雷達(dá)，但功能一般局限于側(cè)邊有無(wú)車輛與行人以及其他較高的障礙物探測(cè)，無(wú)法探測(cè)到高度低于底盤的較低障礙物。因此需要這樣一種系統(tǒng)可以輔助駕車人探測(cè)汽車側(cè)面的不易察覺(jué)的障礙，達(dá)到安全駕車的目的。本項(xiàng)目研究的基于視覺(jué)的智能行車輔助避障盲點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)，利用先進(jìn)的圖像識(shí)別處理與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可以探測(cè)車輛側(cè)后方的翼子板下方較低區(qū)域內(nèi)的障礙物，對(duì)輪胎潛在的剮蹭危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代中期開始，美、英、以色列以及日本相繼在車載安防領(lǐng)域如防盜、定位、導(dǎo)航、防刮、監(jiān)控方面開展了積極的研究開發(fā)工作，并設(shè)計(jì)了幾種技術(shù)方案，推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。

日本是當(dāng)今在車載安防和智能交通系統(tǒng)方面技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家之一，其研究計(jì)劃于1971年的綜合車輛交通控制系統(tǒng)(Comper hensive Automobile Traffic Control System，CATCS)正式實(shí)施。本田、日產(chǎn)、豐田等車企基于高級(jí)安全汽車項(xiàng)目聯(lián)合開發(fā)了數(shù)個(gè)安全子系統(tǒng)，主要包括全球定位系統(tǒng)，障礙警示系統(tǒng)，車頭控制系統(tǒng)，嗜睡預(yù)警系統(tǒng)，自動(dòng)剎車系統(tǒng)及夜間行人警報(bào)系統(tǒng)，且實(shí)現(xiàn)了這些系統(tǒng)的集成。在日本的上述系統(tǒng)之上，美國(guó)的駕駛輔助系統(tǒng)中融入了更多的車輛運(yùn)行策略，包括模人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、糊控制理論以及兩者相結(jié)合的神經(jīng)模糊技術(shù)。隨著GPS（全球定位系統(tǒng)）、GPRS（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信）、語(yǔ)音引導(dǎo)等新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，各式各樣的車載安防產(chǎn)品被推向市場(chǎng)。其中，美國(guó)的車輛安防服務(wù)尤具特色，結(jié)合了緊急救援服務(wù)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，如通用汽車的安吉星（OnStar）輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)建設(shè)有專門的服務(wù)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心一般配備完善且信息處理功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)并配有全球地圖信息和通信設(shè)備，可以為每一輛裝有GPS導(dǎo)航設(shè)備的車輛提供報(bào)警服務(wù)受理、救助服務(wù)受理、定位跟蹤管理、緊急救援、在線語(yǔ)音導(dǎo)航等服務(wù)。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在輔助駕駛方面研究起步較遲。20世紀(jì)90年代中期清華大學(xué)自動(dòng)化系對(duì)通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛智能導(dǎo)航進(jìn)行了研究；國(guó)防科技大學(xué)對(duì)基于圖像視覺(jué)技術(shù)的車輛導(dǎo)航進(jìn)行了研究；近年來(lái)北京理工大學(xué)對(duì)GPS與數(shù)字地圖導(dǎo)航的智能車輛進(jìn)行了研究。吉林大學(xué)開發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線通信、快速識(shí)別跟蹤路徑、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)避障等功能的視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)；長(zhǎng)安大學(xué)開發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)自主識(shí)別引導(dǎo)線，并快速穩(wěn)定地尋線行駛等功能的智能尋跡模型車。系列研究促進(jìn)了汽車安防技術(shù)的高度智能化和功能多樣化，車輛剮蹭、被盜等現(xiàn)象已經(jīng)得到了有效控制。從目前掌握的技術(shù)來(lái)講，汽車盲區(qū)探測(cè)系統(tǒng)可以用超聲波、紅外、可見(jiàn)光和微波雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但是他們測(cè)試距離較遠(yuǎn)，價(jià)格昂貴。由于視覺(jué)聲控盲區(qū)探測(cè)指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，遇到障礙物后反射效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，體積小，易于集成和安裝，因此具有很好的使用潛力。

4 系統(tǒng)研究意義

目前，汽車安防市場(chǎng)可謂魚龍混雜，各種類型車載電子產(chǎn)品品種繁多，令人眼花繚亂。對(duì)于車底障礙物可給出警示語(yǔ)音和影像信息，實(shí)現(xiàn)智能控制。進(jìn)一步可將具有不同功能的眾多傳感器集成到同一個(gè)系統(tǒng)中，在任何環(huán)境工況下都可對(duì)盲區(qū)內(nèi)安全情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，逐步解決單一類型傳感器可能在較為惡劣的天氣或物理環(huán)境下失效而導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)的問(wèn)題，將極大地提升盲區(qū)內(nèi)的車輛安全性能和智能化水平。

5 研究目標(biāo)及主要內(nèi)容

5.1 研究目標(biāo)

視覺(jué)影像的行車輔助盲點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)探測(cè)器件從橫、縱兩個(gè)方向探測(cè)相對(duì)車身較低位置的障礙物，探測(cè)到障礙物后通過(guò)影像給出車輛與該障礙物的空間關(guān)系，分析兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并及時(shí)給出警示語(yǔ)音和影像信息，輔助駕駛?cè)藛T探測(cè)汽車側(cè)面不易察覺(jué)的障礙，削除了后輪較低盲區(qū)導(dǎo)致的安全隱患，提高了駕車安全性能。

5.2 主要內(nèi)容

該系統(tǒng)給出了能探測(cè)側(cè)邊較低障礙物且測(cè)量車輛與障礙物的空間位置關(guān)系并發(fā)出警示信息的方法，可以實(shí)現(xiàn)智能行車避障。系統(tǒng)主要包括縱向距離探測(cè)元件、橫向距離探測(cè)元件、高清相機(jī)、補(bǔ)光燈、警示系統(tǒng)以及中央控制單元等元件；縱向距離探測(cè)元件、橫向距離探測(cè)元件、相機(jī)、補(bǔ)光燈、警示系統(tǒng)都和中央控制單元通過(guò)線束連接。在車輛的后視鏡的下方設(shè)有一個(gè)水平的鏤空槽，在鏤空槽內(nèi)按照水平直線方向陣列布置至少兩個(gè)縱向距離探測(cè)元件，縱向距離探測(cè)元件用于探測(cè)正下方或者斜下方的障礙物；在后視鏡遠(yuǎn)離車身的一端安裝有高清相機(jī)，該相機(jī)的拍照方向向下，在高清相機(jī)側(cè)邊安裝有補(bǔ)光燈，可以在能見(jiàn)度較低環(huán)境下為相機(jī)拍照補(bǔ)光；在汽車底盤的兩個(gè)側(cè)邊安裝有橫向距離探測(cè)元件，兩側(cè)邊縱向陣列布置有至少兩個(gè)橫向距離探測(cè)元件，用于探測(cè)水平方向或者斜下方的障礙物；在車內(nèi)儀表臺(tái)安裝警示系統(tǒng)，該系統(tǒng)為外接設(shè)備或者是車輛自帶音響系統(tǒng)。

智能行車輔助避障系統(tǒng)具體工作步驟如下：中央控制單元檢測(cè)車輛工作狀態(tài)，當(dāng)車輛處于啟動(dòng)或行駛工況時(shí)，向縱向距離探測(cè)元件與橫向距離探測(cè)元件發(fā)出指令，提供工作電壓，使其開始工作。每個(gè)縱向距離探測(cè)元件測(cè)量其發(fā)射點(diǎn)至地面的距離，定時(shí)將測(cè)量結(jié)果反饋給中央控制單元，中央控制單元對(duì)同一時(shí)刻檢測(cè)到的距離值進(jìn)行分析；后視鏡上的所有縱向距離探測(cè)元件將同一時(shí)刻測(cè)量到的距離值形成一個(gè)數(shù)組序列反饋給中央控制單元，中央控制單元將同一時(shí)刻的數(shù)組序列進(jìn)行橫向及縱向?qū)Ρ?，?jì)算當(dāng)前地面的波動(dòng)特性。當(dāng)中央控制單元分析到所采集的地面波動(dòng)值超出閾值范圍，系統(tǒng)啟動(dòng)相機(jī)拍攝圖像，并基于圖像識(shí)別側(cè)面障礙物的情況，將診斷結(jié)果傳送給警示系統(tǒng)，警示系統(tǒng)適時(shí)發(fā)出報(bào)警或給出提示音和駕駛操作建議；若能見(jiàn)度低甚至黑夜的環(huán)境下，中央控制單元在相機(jī)拍攝圖像時(shí)同時(shí)控制補(bǔ)光燈對(duì)底部補(bǔ)充光強(qiáng)；若攝像頭被遮擋，中央控制單元基于實(shí)時(shí)采集的底盤同一側(cè)的橫向距離探測(cè)元件測(cè)得的距離值組成的數(shù)組序列進(jìn)行數(shù)值分析，得到車身與側(cè)面障礙物的位置關(guān)系曲線以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，同時(shí)向警示系統(tǒng)發(fā)送結(jié)果，警示系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)或給出提示音和駕駛員操作建議。

6 項(xiàng)目創(chuàng)新特色概述

（1）由以往依賴個(gè)人主觀意識(shí)來(lái)判別側(cè)方盲區(qū)的危情，變成自動(dòng)提供視野輔助與危險(xiǎn)預(yù)警；

（2）由傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)化為車輛視覺(jué)系統(tǒng)，更能滿足人類的認(rèn)知習(xí)慣。同時(shí)還兼具高科技技術(shù)所沒(méi)有的成本優(yōu)勢(shì)、探測(cè)范圍寬、目標(biāo)信息完整等優(yōu)點(diǎn)；

（3）當(dāng)前汽車大部分使用雷達(dá)探測(cè)儀作為測(cè)距裝置，其可探測(cè)距離最小僅為30cm，相對(duì)車輪上方距離較大，所以采用智能輔助行車避障系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果更精確，可實(shí)現(xiàn)小距離的障礙物位置確認(rèn)。通過(guò)建立閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)并實(shí)施，將汽車底部及車輪周圍實(shí)景化，實(shí)現(xiàn)駕駛員視覺(jué)盲區(qū)的障礙物探測(cè)，做到盲點(diǎn)不盲，保障車主人身財(cái)產(chǎn)安全。

（4）通過(guò)與車輛的安全監(jiān)控系統(tǒng)（倒車影像）相連接，實(shí)現(xiàn)汽車底盤部及輪胎周圍盲區(qū)的全視角監(jiān)控，極大地縮減駕駛員的視覺(jué)盲區(qū)，有效減低由于客觀因素造成的車輛事故。

7 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究提供的智能行車輔助避障盲點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)主要研究對(duì)車輛側(cè)方位較低處盲點(diǎn)的監(jiān)控和圖像收集，由傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)化為車輛視覺(jué)探測(cè)系統(tǒng)，更能滿足人類的認(rèn)知習(xí)慣，由以往依賴個(gè)人主觀意識(shí)來(lái)判別側(cè)方盲區(qū)的危情，變成自動(dòng)提供視野輔助與危險(xiǎn)預(yù)警，極大地減少了駕駛員的視線盲區(qū)，進(jìn)而降低了事故發(fā)生的客觀因素。