专利名称：一种对驾驶员换道安全性进行判断并预警的装置及方法
技术领域：
本发明涉及道路交通安全领域，具体涉及一种对驾驶员换道安全性进行判断并预警的装置及方法。
背景技术：
相对于维持当前车道内行驶，驾驶员在进行车道变换时，除了关注本车道前方交通场景外，还需要通过内后视镜及侧后视镜实时关注后方相关车辆运动状态。为保证换道安全性，要求驾驶员感知-判断决策-操控等各子模块的完美统一。如果驾驶员对车辆操控不熟练，或者对自车与周围其他车辆相对运动关系判断不准确，极易酿成追尾或擦刮事故，导致人员伤亡及财产损失。随着计算机、电子通讯等技术的迅速发展，催生了各类辅助驾驶系统，以降低事故发生率，提高行车安全性。当前实际应用的换道辅助系统多以转向灯信号判断驾驶员的换道意图，在侧方后视镜区域安装摄像头，通过图像处理的方式计算自身车辆与周围其他车辆的相对距离，判断换道安全性。若后方设定安全距离内存在相关车辆，则进一步对驾驶员进行预警。此类辅助系统在应用中存在以下问题许多驾驶员行车过程中操作不规范，如换道前开启转向灯较晚甚至不打转向灯，导致系统出现漏报警或未能及时报警；此外，换道辅助系统多依据国外驾驶员的驾驶习惯及行为特性制定预警规则，由于不同国家间交通环境及驾驶习惯等因素的差异，在我国实际应用过程中可能会导致驾驶员对系统的不适应，以至于无法发挥其应有的安全辅助作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种对驾驶员车道变换进行安全预警的装置及预警方法，在行车过程中动态采集驾驶员眼睛及头部运动信息，实时识别驾驶员的车道变换意图，进一步对自车与其他车辆尤其是侧后方车辆的相对运动关系进行判断，最终实现对驾驶员车道变换行为的安全预警。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。技术方案一—种驾驶员车道变换安全预警的装置，包括微处理器、眼睛运动追踪仪、毫米波雷达、车速传感器、车道线识别系统、绿色信号灯和红色信号灯；微处理器设置在车体内部；眼睛运动追踪仪固定于车体正前方位置，并通过USB数据线将眼睛运动追踪仪数据接收终端与微处理器接口连接；车速传感器安装于车辆右前轮上，并通过导线将车速信号经I/O接口发送至微处理器；车道线识别系统设置在车体前部，通过导线微处理器连接；毫米波雷达固定在汽车后端中心处，并通过导线连接微处理器；绿色信号灯和红色信号灯与微处理器电连接。所述眼睛运动追踪仪为faceLAB5非接触式眼睛运动追踪仪，该眼睛运动追踪仪安装于驾驶室仪表板上方，用于实时测量驾驶员眼睛及头部运动参数，依此识别驾驶员车道变换意图。所述眼动仪数据采集终端通过USB接口电连接微处理器，并将眼睛及头部运动参数持续发送至微处理器中。所述毫米波雷达为77GHz毫米波雷达，该毫米波雷达安装于汽车后保险杠处，用于测量自车与其他目标车辆的相对距离、相对速度及相对角度等参数。所述毫米波雷达终端电连接于微处理器，通过信号线将以上参数信号发送至微处理器中。所述车速传感器为4s2m型车速传感器，该传感器安装于车轮上随车轮一起转动，用于测量车辆速度。所述车速传感器电连接于微处理器，通过信号线将车速信号发送到微处理器中。 所述车道线识别系统安装于前挡风玻璃处，采用图像处理的方式采集车辆在车道中的横向位置信息，包括左前车轮到车道左线的距离，右前车轮到车道右线的距离，经过换道可以得到车辆纵向中心投影线至车道左线及右线的距离。所述车道线识别系统电连接于微处理器，通过信号线将车速信号发送至微处理器中。所述微处理器为TMS320LF2407A型DSP处理器，该处理器安装于车辆仪表盘下方内部并电连接于眼动仪、车速传感器、车道线识别系统和毫米波雷达以及信号灯等。一个指示安全的绿色LED信号灯和一个指示不安全的红色LED信号灯，分别固定在车辆仪表盘上方。技术方案二 一种驾驶员车道变换预警方法，以驾驶员车道变换安全预警的装置为基础，其特征在于，所述方法包括换道可能性识别及换道安全性判断两个步骤。考虑到城市道路低速行驶条件下无关注视目标对驾驶员的干扰，以及行驶速度对换道安全预警的影响，本系统仅工作在车速40km/h以上，车速值由方案一中的车速传感器得到。驾驶员换道可能性识别通过微处理器软件的以下方案予以实现(I)利用驾驶员眼睛运动追逐仪器对驾驶过程中驾驶员的实时头部和眼睛运动状态进行监测，实时提取后视镜注视时间T、水平视角标准差ε、头部水平转角标准差σ作为衡量驾驶人打算换道的特征指标。(2)以5s为固定时间窗口，采取“同进同出”的数据处理方式，对驾驶员换道可能性进行实时地持续识别。将驾驶员换道可能性分为4个等级，很大、较大、一般和较小，具体识别规则如下若T>0. 5s，ε >13°，。>9。，则驾驶员换道的可能性为“很大”；T>0. 5s, ε >13°，σ彡9。，则驾驶员换道的可能性为“较大”；T>0. 5s, ε彡13°，。>9。，则驾驶员换道的可能性为“较大”；T>0. 5s, ε彡13°，σ彡9°，则驾驶员换道的可能性为“一般”；T彡O. 5s, ε >13°，σ >9°，则驾驶员换道的可能性为“较大”；T彡O. 5s, ε >13。，σ彡9。，则驾驶员换道的可能性为“一般，，；T彡O. 5s，ε ( 13。，σ >9。，则驾驶员换道的可能性为“一般，，；T^O. 5s, ε彡13。，σ彡9°，则驾驶员换道的可能性为“较小”。(3)判断结束后，如果驾驶员换道可能性为“很大”或者“较大”，则此时驾驶员换道可能性识别结果标记为1，表示识别出驾驶员打算换道，否则标记为O。(4)识别结果为I时，假定在固定5s的时间窗口内驾驶员有注视点落在左后视镜区域，则预判驾驶员打算“向左换道”;若驾驶员有注视点落在右后视镜区域，则认为驾驶员打算“向右换道”;若左右后视镜区域均无注视点停留，则认为驾驶员打算换道，但无法预判其换道方向。(5)换道可能性识别结果为I时，则进行后续的换道安全性判断。驾驶员换道安全性判断通过以下步骤予以实现1、雷达参数标定装置毫米波雷达的车辆H1,另一试验车辆H2跟驰H1行驶，试验人员记录两车的速度V1和V2，得到二者差值V’，与毫米波雷达实际测得的两车相对速度Λ V进行比较；两车静止时，用皮尺测量两车间的实际距离，与毫米波雷达测得的相对距离进行比较，完成对毫米波雷达参数的标定。
2、毫米波雷达动态目标筛选。若车速传感器测得的车速值V1与毫米波雷达测得某目标的相对速度值△ V相等，则视为静态目标，将其剔除，剩余的目标为动态目标。3、微处理器接收换道可能性识别模块最终的输出信号，当识别结果为O时，安全性判断模块不工作，否则进入下一步。4、基于毫米波雷达采集的相对角度参数Φ，筛选出Φ彡O的动态目标，即H1左后方相关目标车辆；而Φ < O时，则目标车辆位于H1右侧后方行驶。5、基于车道线识别系统采集的自车在车道中的横向位置信息，得到车辆纵向中心投影线至左右车道线的距离DJPD2，结合毫米波雷达测得的各目标的相对角度Φ及相对距离L :当D1;^ L β ηφ ^ 7. 5m时,则认为该目标位于自车H1左侧车道后方行驶！D1SLsin(J)时，该认为该目标与H1处于同一车道。右侧车道后方车辆的确定可基于类似方法进行。6、预警目标锁定。在(5)中确定的众多潜在目标中，若某目标满足Lcoscj5最小，则将其作为最终的待预警目标。7、预警规则制定及实施。基于毫米波雷达刺激的预警目标的相对距离及相对速度等参数，结合自身车速，实时判断换道安全性。若判定结果为不安全，则以红色信号灯对驾驶员进行提示，否则，以绿色信号灯对驾驶人进行提示。上述技术方案的特点和进一步改进在于本发明以驾驶员执行车道变换前表现出的眼睛及头部运动特性为切入点，提前识别出驾驶员是否打算换道，并以毫米波雷达采集的参数作为判断换道安全性的主要依据，可以避免由于驾驶员不打转向灯导致的漏报警问题，并将预警时间有效提前，提高驾驶员换道安全性。
图1为本发明实施例中车道变换预警系统的结构示意图；图2为微处理器的信号输入输出不意图；以上两图中1为微处理器；2为眼睛运动追踪仪；3为车速传感器；4为车道线识别系统；5为毫米波雷达；6为绿色信号灯；7为红色信号灯；8为USB接口 ；9为车速信号I/O接口；10为车道线识别系统I/O接口 ；11为毫米波雷达信号I/O接口 ；12为绿色信号灯I/O接口； 13为红色信号灯I/O接口。图3为毫米波雷达相邻车道目标判定示意图；图4为处理器逻辑判断流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述驾驶员车道变换预警系统的具体实施步骤如下(I)结合图1、图2，首先进行换道预警系统设备的安装。首先安装微处理器1，其封装于金属盒中，其他设备借助于信号导线与其进行信号传输，本系统将微处理器安装于车辆仪表板盖内侧，不会影响驾驶员的正常操作。然后将faceLAB5眼睛运动追踪仪2通过支座固定于安装于仪表板上方驾驶员正前方位置，主机摄像头朝向驾驶员，其场景摄像头通过强力胶固定于前挡风玻璃处，朝外安装，用于实时记录驾驶过程中前方信息。通过USB数据线将眼动仪数据接收终端与微处理器接口 8连接。·车速传感器3安装于车辆右前轮上，通过导线将车速信号经I/O接口 9发送至微处理器。车道线识别系统4通过强力胶固结于前挡风玻璃处，通过导线将车辆横向位置信息由I/o接口 10持续发送至微处理器。毫米波雷达系统5经由螺栓固定在汽车后保险杠中心处，并通过导线将采集的自车与其他车辆的相对距离、相对速度及相对角度等参数经I/o接口 11发送至处理器中。最后进行绿色及红色信号灯的安装，将绿色信号灯6电连接于与微处理器I/O接口 12微处理器通过控制绿色信号灯6用以提示驾驶员当前状况下可以执行换道，通过I/O接口 13控制红色信号灯号灯7则用于提示驾驶人放弃车道变换。(2) faceLAB5眼睛运动追踪仪的标定在faceLAB5主程序软件中建立驾驶员的头部追踪模型，并且在Worldview软件中建立后视镜、仪表板等典型目标的模型。在车辆正前方放置一标定板，分别标记有对称的左上、左下、右上及右下四个标定点，引导驾驶员依次完成对四个标定点的注视，当实际注视点与系统显不的视点完全契合时，完成标定过程。(3)雷达参数标定毫米波雷达可以同时追踪64个目标，为便于锁定车道变换时驾驶员打算换至的车道后方威胁车辆，需要剔除静态目标。将装置毫米波雷达的车辆H1行驶至开阔试验场地，以稳定的速度行驶，另一试验车辆H2匀速跟驰H1行驶(距离在200m以内)，试验人员分别记录不同时刻两车的速度V1和V2,得到二者差值V’，与毫米波雷达实际测得的两车相对速度AV进行比较；两车静止时，用皮尺测量两车的距离，并与毫米波雷达的输出值进行比较，如果精度较高，则完成以上标定过程。(4)眼睛及头部运动参数采集完成标定过程后，系统即可以进入工作状态。当微处理器通过接收车速传感器采集的车速信号判断V彡40km/h时，以20HZ的频率筛选并接收眼睛运动追踪仪便携式计算机终端发送的眼睛及头部运动参数，包括后视镜注视时间T、水平视角标准差ε、头部水平转角标准差σ等；当微处理器判断车速V <40km/h时，停止对眼动仪输出参数的采集。(5)驾驶员换道可能行识别拟定5s为固定时间窗口，采取“同进同出”的数据处理方式，对驾驶员换道可能性进行持续识别。将驾驶员换道可能性分为4个等级，很大、较大、一般和较小，制定识别规则如下若T>0. 5s，ε >13°，。>9。，则驾驶员换道的可能性为“很大”；T>0. 5s, ε >13°，σ彡9。，则驾驶员换道的可能性为“较大”；T>0. 5s, ε彡13°，。>9。，则驾驶员换道的可能性为“较大”；T>0. 5s, ε彡13°，σ彡9°，则驾驶员换道的可能性为“一般”;T彡O. 5s, ε >13。，σ >9。，则驾驶员换道的可能性为“较大”；T彡O. 5s, ε >13°，σ彡9°，则驾驶员换道的可能性为“一般”；T彡O. 5s，ε彡13。，σ >9。，则驾驶员换道的可能性为“一般，，； T彡O. 5s，ε彡13。，σ彡9°，则驾驶员换道的可能性为“较小”。若识别驾驶员换道可能性为“很大”或者“较大”时，则将识别结果标记为1，表示识别出驾驶员打算换道；而当识别结果为“一般”或者“较小”时，则将识别结果标记为0，表示驾驶员打算继续维持在当前车道行驶。在眼睛运动追踪仪自带worldview软件中可以建立左后视镜、右后视镜及仪表板等区域的仿真模型，当驾驶员注视这些典型区域时，微处理器可以实时采集到驾驶员的观察目标信息。在识别结果为I的条件下，假定在固定5s的时间窗口内驾驶员有注视点落在左后视镜区域，则预判驾驶员打算“向左换道”;若驾驶员有视点落在右后视镜区域，则认为驾驶员打算“向右换道”;若左右后视镜区域均无注视点驻留，则认为驾驶员打算换道，但无法识别其换道方向。换道可能性识别结果为I时，均进入下一步。( 6 )雷达采集目标筛选当微处理器判断车速传感器测得的车速值V与雷达测得的某目标物的相对速度值Λ V相等时，则将该目标视为静态目标，否则即为动态目标。当换道可能性识别的结果为“向左换道”时，基于毫米波雷达采集的相对角度参数Φ，筛选出Φ >0的动态目标,即自车左后方相关目标车辆。识别结果为“向右换道”的右侧目标车辆基于类似的方法进行提取。(7)预警目标确定微处理器接收车道线识别系统采集的自车在车道中的横向位置信息，假定车辆左前车轮到车道左线的距离为I1，右前轮到车道右线的距离为I2，车身宽度为定值1 ，则车辆纵向中心投影线至左右车道线的距离D1和D2可以分别由下式得到D1 = li+ko/2D2 = l2+k0/2假定毫米波雷达测定某目标与自车相对距离为L，相对角度为Φ，当D1 ( Lsin Φ彡7. 5m时，则确定该目标位于自车H1左侧车道后方行驶，如图3所示；当D1 >Lsin Φ时，该认为该目标与H1处于同一车道。右侧车道后方目标的确定采用类似方式进行。在依照上述方法确定的H1左侧车道众多潜在目标中，假定某目标可以实现Lcos Φ最小，则确定其为识别结果为向左换道时最终的待预警目标。识别结果为向右换道时H1右侧车道待预警目标采取类似方法进行确定。若换道可能性识别结果为I，但无法预测其换道方向，则在毫米波雷达所有满足D1彡Lsin<i)彡7. 5m的动态目标中(此时不必考虑Φ为正值还是负值)，直接筛选出满足Lcos Φ最小的目标作为待预警对象。
(8)预警规则制定当预警目标车辆与自车距离过近时，即使目标车辆速度低于自车，其也存在突然加速通过或紧急制动的潜在可能性，这两种情形均有可能导致追尾事故的发生。考虑到系统工作在车速40km/h以上，当毫米波雷达测得目标车辆与自车相对距离小于20m时，微处理器将控制红色信号灯发亮，提示驾驶员当前状况下不具备换道条件。当相对距离值大于20m时,进入下一步判断。对毫米波雷达测得的相对速度AV进行判断，当AV>0时，表明预警目标车辆车速低于自车车速，微处理器控制绿色信号灯亮，示意驾驶员此时可以执行车道变换；若AV ^ O,则进入下一步。定义TTC = Lcos Φ/Λ V，其中TTC为交通冲突时间，单位为s，L单位为m，AV单位为m/s。TTC可以反映车辆间发生事故的潜在可能性，其值越小，发生碰撞的潜在可能性 越大。当TTC小于3. 5s时，处理器控制红色信号灯亮，提示驾驶员此时不宜进行车道变换；当TTC大于3. 5s时，处理器将控制绿色信号灯亮，示意驾驶员此时可以保证换道安全性。图4为处理器的逻辑判断流程图。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种驾驶员车道变换安全预警的装置，其特征在于包括微处理器、眼睛运动追踪仪、毫米波雷达、车速传感器、车道线识别系统、绿色信号灯和红色信号灯；微处理器设置在车体内部；眼睛运动追踪仪固定于车体正前方位置，并通过USB数据线将眼睛运动追踪仪数据接收终端与微处理器接口连接；车速传感器安装于车辆右前轮上，并通过导线将车速信号经I/O接口发送至微处理器；车道线识别系统设置在车体前部，通过导线微处理器连接；毫米波雷达固定在汽车后端中心处，并通过导线连接微处理器；绿色信号灯和红色信号灯与微处理器电连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述眼睛运动追踪仪是faceLAB5眼睛运动追踪仪，其通过支座固定于安装于仪表板上方驾驶员正前方位置，主机摄像头朝向驾驶员，其场景摄像头通过强力胶固定于前挡风玻璃处，朝外安装，用于实时记录驾驶过程中前方信息；通过USB数据线将眼动仪数据接收终端与微处理器接口连接。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述车速传感器安装于车辆右前轮上，通过导线将车速信号经I/o接口发送至微处理器。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述车道线识别系统通过强力胶固结于前挡风玻璃处，通过导线将车辆横向位置信息由I/O接口 10持续发送至微处理器。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述毫米波雷达系经由螺栓固定在汽车后保险杠中心处，并通过导线将采集的自车与其他车辆的相对距离、相对速度及相对角度等参数经I/O接口 11发送至微处理器中。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述绿色信号灯电连接于与微处理器I/O接口 ；微处理器通过控制绿色信号灯用以提示驾驶员当前状况下可以执行换道，通过I/o接口 13控制红色信号灯，红色信号灯则用于提示驾驶人放弃车道变换。
7.基于权利要求1、2、3、4、5或6所述装置的车道变换预警方法，其特征在于，所述方法包括换道可能性识别及换道安全性判断两个步骤 (1)利用驾驶员眼睛运动追逐仪器对驾驶过程中驾驶员的实时头部和眼睛运动状态进行监测，实时提取后视镜注视时间T、水平视角标准差ε、头部水平转角标准差σ作为衡量驾驶人打算换道的特征指标； (2)以5s为固定时间窗口，采取“同进同出”的数据处理方式，对驾驶员换道可能性进行实时地持续识别；将驾驶员换道可能性分为4个等级，很大、较大、一般和较小，具体识别规则如下 若T>0. 5s，ε>13°，σ >9°，则驾驶员换道的可能性为“很大”； T>0. 5s, ε >13° ,σ≤9°，则驾驶员换道的可能性为“较大”； T>0. 5s, ε≤13°，σ >9°，则驾驶员换道的可能性为“较大”； T>0. 5s, ε≤13°，σ≤9°，则驾驶员换道的可能性为“一般”； T ≤ O. 5s, ε >13°，σ >9°，则驾驶员换道的可能性为“较大”； T ≤O. 5s, ε >13° ,σ^9°，则驾驶员换道的可能性为“一般”； T ≤ O. 5s, ε≤13°，σ>9°，则驾驶员换道的可能性为“一般”； T≤O. 5s，ε≤13°，σ≤9°，则驾驶员换道的可能性为“较小”； (3)判断结束后，如果驾驶员换道可能性为“很大”或者“较大”，则此时驾驶员换道可能性识别结果标记为1，表示识别出驾驶员打算换道，否则标记为O ;(4)识别结果为I时，假定在固定5s的时间窗口内驾驶员有注视点落在左后视镜区域，则预判驾驶员打算“向左换道”;若驾驶员有注视点落在右后视镜区域，则认为驾驶员打算“向右换道”;若左右后视镜区域均无注视点停留，则认为驾驶员打算换道，但无法预判其换道方向； (5)换道可能性识别结果为I时，则进行后续的换道安全性判断； 驾驶员换道安全性判断通过以下步骤予以实现 (a)、雷达参数标定装置毫米波雷达的车辆H1，另一试验车辆H2跟驰H1行驶，试验人员记录两车的速度V1和V2,得到二者差值V’，与毫米波雷达实际测得的两车相对速度Λ V进行比较；两车静止时，用皮尺测量两车间的实际距离，与毫米波雷达测得的相对距离进行比较，完成对毫米波雷达参数的标定； (b)、毫米波雷达动态目标筛选；若车速传感器测得的车速值V1与毫米波雷达测得某目标的相对速度值相等，则视为静态目标，将其剔除，剩余的目标为动态目标； (C)、微处理器接收换道可能性识别模块最终的输出信号，当识别结果为O时，安全性判断模块不工作，否则进入下一步； (d)、基于毫米波雷达采集的相对角度参数Φ，筛选出Φ> O的动态目标，即H1左后方相关目标车辆；而Φ < O时，则目标车辆位于H1右侧后方行驶； (e)、基于车道线识别系统采集的自车在车道中的横向位置信息，得到车辆纵向中心投影线至左右车道线的距离D1和D2，结合毫米波雷达测得的各目标的相对角度Φ及相对距离L :当D1≤Lsin Φ ≤ 7. 5m时,则认为该目标位于自车H1左侧车道后方行驶！D1 > Lsin Φ时，该认为该目标与H1处于同一车道；右侧车道后方车辆的确定可基于类似方法进行； (f)、预警目标锁定；在(5)中确定的众多潜在目标中，若某目标满足Lcoscj5最小，则将其作为最终的待预警目标； (g)、预警规则制定及实施；基于毫米波雷达刺激的预警目标的相对距离及相对速度等参数，结合自身车速，实时判断换道安全性；若判定结果为不安全，则以红色信号灯对驾驶员进行提示，否则，以绿色信号灯对驾驶人进行提示。
全文摘要
本发明公开了一种对驾驶员换道安全性进行判断并预警的装置及方法，在行车过程中动态采集驾驶员眼睛及头部运动信息，实时识别驾驶员的车道变换意图，进一步对自车与其他车辆尤其是侧后方车辆的相对运动关系进行判断，最终实现对驾驶员车道变换行为的安全预警。本发明以驾驶员执行车道变换前表现出的眼睛及头部运动特性为切入点，提前识别出驾驶员是否打算换道，并以毫米波雷达采集的参数作为判断换道安全性的主要依据，可以避免由于驾驶员不打转向灯导致的漏报警问题，并将预警时间有效提前，提高驾驶员换道安全性。
文档编号B60W40/08GK102991504SQ20121052367
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者郭应时, 付锐, 袁伟, 彭金栓, 王畅 申请人:长安大学