專利名稱：一種自適應(yīng)視覺輔助駕駛裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車輔助駕駛，特別是涉及一種自適應(yīng)視覺輔助駕駛裝置。
背景技術(shù)：
隨著信息和控制技術(shù)的快速發(fā)展，汽車輔助駕駛技術(shù)逐漸被汽車廠家和用戶所接受。汽車輔助駕駛可以幫助駕駛員減輕疲勞，提高安全性能，具有明顯的實用價值?；谝曈X的車道線跟蹤汽車輔助駕駛裝置，已經(jīng)逐漸成為高端汽車品牌的標(biāo)準(zhǔn)配置。通過對視頻圖像分析，確定汽車和車道線的相對位置和取向，并以此對汽車的轉(zhuǎn)向進行實時控制和補償，實現(xiàn)在駕駛員監(jiān)控之下的有限自動駕駛。汽車輔助駕駛裝置的實用價值在高等級公路上的長途汽車駕駛過程中，最為突出。視覺輔助駕駛裝置一般包含3個主要模塊:(I)視頻采集模塊；(2)圖像分析模塊；(3)轉(zhuǎn)向調(diào)整反饋模塊。其中圖像分析模塊擔(dān)負著識別車道線的任務(wù)，是視覺輔助駕駛裝置的核心技術(shù)。目前采用的車道線識別方法主要有4種:(I)采用Sobel算子、Canny算子等邊緣檢測算子對原始圖像進行處理，在車道線邊界處給出較高的處理值，從而判斷出邊界的位置，并從邊界信息得到車道線的位置(參見中國專利CN102303609A和美國專利US4970653) ；(2)直接或者在應(yīng)用邊緣檢測算子之后采用霍夫變換(Hough Transform),計算出圖像中存在的直線，并由此得到車道線的位置(參見中國專利CN102303609A和CN201712600U，美國專利US5790403);(3)采用模板匹配的方法，沿著不同角度尋找邊界，并由此得到車道線的位置(參見中國專利CNlO 1804813A，美國專利US5398292，US4970653)。先對灰度圖像進行二值化處理，通過選擇恰當(dāng)?shù)亩祷撝?，使車道線和路面圖像分離成二值圖像，進而搜索車道線的位置(參見中國專利CN101016052A和CN101016052A)。邊緣檢測是圖像識別的基礎(chǔ)性問題，有著很長的研究歷史(章毓晉，《圖像工程(中冊)圖像分析》第二版)。在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定和準(zhǔn)確圖像識別是圖像識別技術(shù)的終極目標(biāo)。實踐證明，單純的圖像二值化和邊緣檢測方法很難適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，而基于模型的圖像分割方法結(jié)合識別目標(biāo)的特征對圖像二值化和邊緣檢測過程進行約束，在很多應(yīng)用上取得 了很好的效果(Robert Hanek, Model-Based Image Segmentation Usinglocal Self-Adapting Separation Criteria， Lecture Notes in Computer ScienceVolume2191,2001:1_8)?；谀Ｐ偷膱D像分割方法雖然圖像分割效果較好，但是計算量很大，不適于實時視頻的圖像分析，特別是在計算資源嚴(yán)重受限制的車載平臺上。鄭新錢等人(鄭新錢等，基于FPGA的視覺導(dǎo)航小車設(shè)計與實現(xiàn)，廈門大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2012，2)提出了一種新穎的自適應(yīng)圖像二值化與軌道識別方法；把圖像二值化與軌道識別寬度結(jié)合起來，通過軌道識別寬度反饋二值化閾值?；谶@種自適應(yīng)識別方法的單軌道視覺導(dǎo)航模型小車，在多種光照和路面情況下取得了較好的導(dǎo)航效果。對圖像進行矩形波卷積，形成坡形導(dǎo)航線邊界，以形成二值化的導(dǎo)航線寬度與二值化閾值之間的關(guān)聯(lián)是鄭新錢等人提出的算法的關(guān)鍵。該算法只能在一條寬度在30個像素以上的導(dǎo)航線上實現(xiàn)，而視覺輔助駕駛裝置需要識別兩條很細的車道線(一般只有3-5個像素寬)。所以，鄭新錢等人提出的自適應(yīng)軌道識別算法無法直接在視覺輔助駕駛裝置上應(yīng)用。除了應(yīng)對復(fù)雜光照和復(fù)雜路面條件，根據(jù)車道線走向規(guī)劃合理的汽車行駛路線也是視覺輔助駕駛裝置的一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)。車道線導(dǎo)引的經(jīng)典方法是E.D.Dickmanns等人提出的基于曲率的車輛引導(dǎo)算法(A Curvature-based Scheme for Improving RoadVehicle Guidance by Computer Vision, SPIE Vol.727Mobile Robots,1986:161-168)。該方法對任意形態(tài)的車道線及相應(yīng)的透視效應(yīng)做了精確的處理，但是因為需要求解微分方程組，所以很多實際實現(xiàn)的視覺輔助駕駛裝置往往采用自己設(shè)計的近似方法，以簡化數(shù)據(jù)處理數(shù)量(美國專利US5163002，US5301115，US5390118)。很多視覺輔助駕駛裝置采用霍夫直線變換識別車道線，所以只能對直道，或者彎道的直道部分進行識別和處理。這類視覺輔助駕駛裝置只能做遠場或者近場的直線行車路線規(guī)劃(美國專利US5790403 )?，F(xiàn)有視覺輔助駕駛裝的圖像處理基本上采用單片機，數(shù)字信號處理器，計算機，或者計算機加上專門的圖像分析電路(美國專利US5430810)。這些圖像分析設(shè)備的共同點是采用串行處理方式，在處理大量視頻信息時，運算速度受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種自適應(yīng)視覺輔助駕駛裝置。本發(fā)明設(shè)有車載電源、降壓穩(wěn)壓電路、車載顯示面板、現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammable Gate Array, FPGA)核心板(以下簡稱為FPGA核心板)、數(shù)字攝像機和轉(zhuǎn)向控制接口 ；所述FPGA核心板設(shè)有電源模塊、晶振、FPGA芯片和輸入輸出接口 ；所述降壓穩(wěn)壓電路的輸入端接車載電源的輸出端，降壓穩(wěn)壓電路的輸出端分別接FPGA核心板的電源模塊輸入端和數(shù)字攝像機的輸入端，F(xiàn)PGA核心板的輸出接口接車載顯示面板的輸入端，所述數(shù)字攝像機的輸出端接FPGA核心板的輸入接口，數(shù)字攝像機的輸出端接FPGA核心板的輸入接口，轉(zhuǎn)向控制接口的輸出端接FPGA核心板的輸入接口。所述現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)核心板作為核心處理部件，通過對車道線圖像的分析，來確定汽車和車道線的相對位置和取向，并在汽車即將偏離車道線時，發(fā)出預(yù)警信號；車載電源通過降壓穩(wěn)壓電路輸出恒定5V電供給FPGA核心板和數(shù)字攝像機。數(shù)字攝像機接收圖像并把數(shù)據(jù)信號傳輸給FPGA核心板，F(xiàn)PGA核心板對圖像進行采集和分析后，計算轉(zhuǎn)向角，通過轉(zhuǎn)向控制接口輸出控制信號，對轉(zhuǎn)向控制接口進行控制；同時通過用戶界面接口向車載顯示面板發(fā)送車輛運行狀態(tài)的報告，向用戶界面發(fā)出輔助駕駛功能就緒、開始輔助駕駛功能或終止輔助駕駛功能的信號。FPGA核心板作為核心處理部件，通過分析車道線圖像，確定汽車和車道線的相對位置和取向，并規(guī)劃行車路線和發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向指令。與現(xiàn)有的主要采用計算機或者計算機與專用電路結(jié)合的串行計算方案進行圖像處理相比，本發(fā)明通過灰度膨脹和矩形波卷積等圖像處理算法，使車道線變寬并且形成坡形邊界，從而在車道線的二值化寬度與二值化閾值之間形成關(guān)聯(lián)；把車道寬度的測量值反饋給圖像二值化閾值，并做出相應(yīng)調(diào)整，從而使圖像二值化閾值自動適應(yīng)各種復(fù)雜光照和路面情況。本發(fā)明采用一種簡單的圓弧行車路線規(guī)劃方法。根據(jù)車道中心在視場末端的位置，直接出計算行車弧線的曲率。該方法容易實現(xiàn)，而且對車道線的反應(yīng)迅速準(zhǔn)確。本發(fā)明采用FPGA (Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)芯片，對圖像進行并行逐行處理，顯著提高了圖像處理和控制反應(yīng)速度。本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點:I)提高視覺輔助駕駛裝置在復(fù)雜光照和復(fù)雜路面情況下的車道線識別能力。2)提高視覺輔助駕駛裝置對彎道的路線規(guī)劃能力。3)提高視覺輔助駕駛裝置的圖像處理和控制反應(yīng)速度。


圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的降壓穩(wěn)壓電路原理圖。圖3為本發(fā)明實施例的自適應(yīng)車道線識別算法的示意圖。圖4為本發(fā)明實施例的灰度膨脹和矩形波卷積濾波之后效果的示意圖。圖5為本發(fā)明實施例的規(guī)劃行車路線的示意圖。
具體實施例方式以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。參見圖1 5，本發(fā)明實施例設(shè)有車載電源1、降壓穩(wěn)壓電路2、車載顯示面板3、FPGA核心板4、數(shù)字攝像機5和轉(zhuǎn)向控制接口 6 ;所述FPGA核心板4設(shè)有電源模塊、晶振、FPGA芯片和輸入輸出接口 ；所述降壓穩(wěn)壓電路2的輸入端接車載電源I的輸出端，降壓穩(wěn)壓電路2的輸出端分別接FPGA核心板4的電源模塊輸入端和數(shù)字攝像機5的輸入端，F(xiàn)PGA核心板4的輸出接口接車載顯示面板3的輸入端，所述數(shù)字攝像機5的輸出端接FPGA核心板4的輸入接口，數(shù)字攝像機5的輸出端接FPGA核心板4的輸入接口，轉(zhuǎn)向控制接口 6的輸出端接FPGA核心板4的輸入接口。FPGA核心板作為核心處理部件，通過對車道線圖像的分析，來確定汽車和車道線的相對位置和取向，并在汽車即將偏離車道線時，發(fā)出預(yù)警信號；車載電源I通過降壓穩(wěn)壓電路2輸出恒定5V電供給FPGA核心板4和數(shù)字攝像機
5。數(shù)字攝像機5接收圖像并把數(shù)據(jù)信號傳輸給FPGA核心板，F(xiàn)PGA核心板對圖像進行采集和分析后，計算轉(zhuǎn)向角，通過轉(zhuǎn)向控制接口輸出控制信號，對轉(zhuǎn)向控制接口 6進行控制；同時通過用戶界面接口向車載顯示面板3發(fā)送車輛運行狀態(tài)的報告，向用戶界面發(fā)出輔助駕駛功能就緒、開始輔助駕駛功能或終止輔助駕駛功能的信號。本發(fā)明的運行流程如下:(I)裝置上電后，各模塊進行初始化，開始學(xué)習(xí)軌道寬度Wtl、軌道線寬度W1等動態(tài)車道參數(shù)。(2)確定車道線識別的可靠度達到標(biāo)準(zhǔn)之后，通過用戶界面接口向用戶界面發(fā)出輔助駕駛功能就緒的信號。(3)等待用戶確認開始輔助駕駛功能。(4)開始車道線識別和自動轉(zhuǎn)向控制。(5)遇到特殊光照或者路面情況，現(xiàn)場可編程門陣列核心板確定車道線識別可靠性低于標(biāo)準(zhǔn)，向用戶界面發(fā)出終止輔助駕駛功能的信號。(6)特殊光照或者路面情況解除，現(xiàn)場可編程門陣列核心板確定車道線識別可靠性達到標(biāo)準(zhǔn)后，開始重新學(xué)習(xí)軌道寬度、軌道線寬度等動態(tài)車道參數(shù)。(7)向用戶界面發(fā)出可以重新開始輔助駕駛功能的信號。本發(fā)明的核心功能和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)是車道線的識別和轉(zhuǎn)向控制信號的生成。實現(xiàn)本發(fā)明的核心功能的具體步驟如下:I)數(shù)字攝像機5上電后，以固定的幀率，采集道路圖像，并逐行向現(xiàn)場可編程門陣列核心板4傳輸。2) FPGA核心板4接收步驟I)所述的一行圖像信息，并按照圖3所示的步驟進行分析處理。3)首先按照方程(I)對步驟2)所述的一行圖像進行灰度膨脹運算，增加車道線的覽度。Pi = max {pk}, i_7 ≤ k ≤ i+8 (I)其中Pi和pk是第i個和k個像素的灰度值,max是求最大值的函數(shù)。4)按照方程(2)對步驟3)所述的一行圖像進行矩形波卷積，在消除噪聲的同時，形成如圖4所示的圖形。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)視覺輔助駕駛裝置，其特征在于設(shè)有車載電源、降壓穩(wěn)壓電路、車載顯示面板、FPGA核心板、數(shù)字攝像機和轉(zhuǎn)向控制接口 ；所述FPGA核心板設(shè)有電源模塊、晶振、FPGA芯片和輸入輸出接口 ；所述降壓穩(wěn)壓電路的輸入端接車載電源的輸出端，降壓穩(wěn)壓電路的輸出端分別接FPGA核心板的電源模塊輸入端和數(shù)字攝像機的輸入端，F(xiàn)PGA核心板的輸出接口接車載顯示面板的輸入端，所述數(shù)字攝像機的輸出端接FPGA核心板的輸入接口，數(shù)字攝像機的輸出端接FPGA核心板的輸入接口，轉(zhuǎn)向控制接口的輸出端接FPGA核心板的輸入接口。
全文摘要
一種自適應(yīng)視覺輔助駕駛裝置，涉及汽車輔助駕駛。設(shè)有車載電源、降壓穩(wěn)壓電路、車載顯示面板、FPGA核心板、數(shù)字攝像機和轉(zhuǎn)向控制接口；所述FPGA核心板設(shè)有電源模塊、晶振、FPGA芯片和輸入輸出接口；所述降壓穩(wěn)壓電路的輸入端接車載電源的輸出端，降壓穩(wěn)壓電路的輸出端分別接FPGA核心板的電源模塊輸入端和數(shù)字攝像機的輸入端，F(xiàn)PGA核心板的輸出接口接車載顯示面板的輸入端，所述數(shù)字攝像機的輸出端接FPGA核心板的輸入接口，數(shù)字攝像機的輸出端接FPGA核心板的輸入接口，轉(zhuǎn)向控制接口的輸出端接FPGA核心板的輸入接口。
文檔編號G05D1/02GK103198320SQ20131014578
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者王輔明, 鄭新錢, 馬華, 林云, 朱銘璋 申請人:廈門大學(xué)