专利名称：基于红外图像处理的汽车防撞安全保护装置及保护方法
技术领域：
本发明涉及汽车行驶防撞安全保护领域，特别是一种采用主动红外光照射图像处理技术的防止汽车行驶碰撞的安全保护装置与方法，保护范围涉及车前方和车后方。在车前方避免碰撞，在车后方防止被后车追尾。
背景技术：
汽车行驶中的安全车距测量、危险评判与预警、车速控制是汽车智能防撞系统的重要功能，长期以来都受到人们的高度重视。其中，安全车距测量和危险评判与预警是汽车智能防撞系统研究的关键内容。目前，国内外已经发明了许多采用毫米雷达波测距、红外线测距和图像测距的汽车安全保护器。毫米雷达波测距技术和图像测距技术主要使用于各国处于研究阶段的无人驾驶车，我国部分进口高档豪华型小车也有使用的，它们仅适用于高等级公路的定速巡航，未见有在乡村道路、城镇道路使用的报道与案例，其成本高，无法使用于中低档小车、客车和货车，而且现有图像测距技术的汽车安全保护器常需利用自然光照，在大雾天气、大雨天气、夜间不能使用。红外线测距技术在汽车行驶中不能实现运动目标的精确距离检测，只能完成适当距离内目标的有无探测，且依赖于目标对红外光线的反射程度，即红外反光强度。因此，不能有效探测如行人、动物、树木、路面低矮物体、脏污车辆等反光能力弱的目标，导致其使用
严重受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于红外图像处理的汽车防撞安全保护装置及保护方法，适用于各型车辆、各类天气环境的车载设备，实时捕获和定位行驶车辆前方或后方一定空间区域内出现的障碍物，控制车辆速度，有效地避免碰撞事故和追尾事故的发生，确保行车安全。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种基于红外图像处理的汽车防撞安全保护装置，包括红外摄像机及摄像机控制子系统、红外摄像照明子系统、中央处理器、声像与灯光报警子系统、车速控制子系统、信号检测模块和电源模块，所述红外摄像机及摄像机控制子系统包括红外摄像机和与所述红外摄像机连接的摄像机控制子系统，所述摄像机控制子系统、红外摄像照明子系统、声像与灯光报警子系统、车速控制子系统、信号检测模块、电源模块均与所述中央处理器双向连接；所述电源模块为所述红外摄像机及摄像机控制子系统、红外摄像照明子系统、声像与灯光报警子系统、车速控制子系统、信号检测模块提供电源；所述车速控制子系统与汽车的刹车系统、油路控制系统连接；所述信号检测模块与汽车的车速传感器、转向灯控制器连接。—种基于红外图像处理的汽车防撞安全保护方法，该方法为I)中央处理器通过系统总线初始化设置红外摄像机、标定红外摄像机内外参数、开启和关闭红外摄像照明子系统，读取SRAM中经FPGA预处理过的红外帧图像数据；2)建立虚拟车道与识别空间:虚拟车道以本车中心轴为中心线，宽度为4米；识别空间是本车车头和/或车尾长度6(T80米、宽度4米、高度4米所组成的空间；3)计算虚拟车道与识别空间内红外帧图像数据的灰度值，采用并行区域阈值分割算法，将图像灰度值分割为目标像素灰度集合和背景像素灰度集合，完成图像分割；依据像素灰度集合提取图像中各目标物体的边缘，并对边缘进行特征析取，即分析边缘的形状，然后计算目标物体图像的特征参数；提取的目标物体边缘、析取的特征和计算的特征参数描述了目标物体的外形轮廓；4)根据目标物体的外形轮廓识别危险物体；5)根据上述目标物体的外形轮廓，建立如下障碍物数学模型:
rp%| pi) p| pc-k Vp - O I= O - y
IL OI LfJ) Lfl U-其中，k为转换系数，f为摄像机坐标系中镜头焦距，(xp, yp)为虚拟车道坐标系中目标物体的像素点坐标，(x, y, z)为空间道路坐标系中目标物体的像素点坐标；6)利用下述公式测量目标物体距离L:
权利要求
1.一种基于红外图像处理的汽车防撞安全保护装置，包括中央处理器(3)、声像与灯光报警子系统(4)、车速控制子系统(5)、信号检测模块(7)、电源模块(8)，以及固定于汽车前方和/或尾部的红外摄像机及摄像机控制子系统(I)、红外摄像照明子系统(2)，所述红外摄像机及摄像机控制子系统(I)包括红外摄像机和与所述红外摄像机连接的摄像机控制子系统，其特征在于，所述摄像机控制子系统、红外摄像照明子系统(2)、声像与灯光报警子系统(4)、车速控制子系统(5)、信号检测模块(7)、电源模块(8)均与所述中央处理器(3)双向连接，所述电源模块(8)为所述红外摄像机及摄像机控制子系统(I)、红外摄像照明子系统(2)、声像与灯光报警子系统(4)、车速控制子系统(5)、信号检测模块(7)提供电源；所述车速控制子系统(5)与汽车的刹车系统、油路控制系统连接；所述信号检测模块(7)与汽车的车速传感器、转向灯控制器连接。
2.根据权利要求1所述的基于红外图像处理的汽车防撞安全保护装置，其特征在于，所述摄像机控制子系统采用FPGA。
3.根据权利要求1所述的基于红外图像处理的汽车防撞安全保护装置，其特征在于，所述声像与灯光报警子系统(4)包括灯光报警系统、图像显示系统和声音报警系统，所述灯光报警系统、图像显示系统、声音报警系统均与所述中央处理器双向连接。
4.根据权利要求1所述的基于红外图像处理的汽车防撞安全保护装置，其特征在于，所述摄像机控制子系统通过SRAM与所述中央处理器双向连接。
5.根据权利要求1所述的基于红外图像处理的汽车防撞安全保护装置，其特征在于，所述中央处理器⑶连接有CAN通信接口(6)。
6.一种基于红外图像处理的汽车防撞安全保护方法，其特征在于，该方法为: 1)中央处理器通过系统总线初始化设置红外摄像机、标定红外摄像机内外参数、开启和关闭红外摄像照明子系统，读取SRAM中经FPGA预处理过的红外帧图像数据； 2)建立虚拟车道与识别空间:虚拟车道以本车中心轴为中心线，宽度为4米；识别空间是本车车头和/或车尾长度60 80米、宽度4米、高度4米所组成的空间； 3)计算虚拟车道与识别空间内红外帧图像数据的灰度值，采用并行区域阈值分割算法，将图像灰度值分割为目标像素灰度集合和背景像素灰度集合，完成图像分割；依据像素灰度集合提取图像中各目标物体的边缘，并对边缘进行特征析取，即分析边缘的形状，然后计算目标物体图像的特征参数；提取的目标物体边缘、析取的特征和计算的特征参数描述了目标物体的外形轮廓； 4)根据目标物体的外形轮廓识别危险物体； 5)根据上述目标物体的外形轮廓，建立如下障碍物数学模型: 『PI pi! pi p- k yP1- O 丨=O - y IL 0 LfJ) Lfl U- 其中，k为转换系数，f为摄像机坐标系中镜头焦距，(xp, yp)为虚拟车道坐标系中目标物体的像素点坐标，(X，1，z)为空间道路坐标系中目标物体的像素点坐标； 6)利用下述公式测量目标物体距离L: Ll=-JHIypl^2 =^-, X, - X ,p z piL = a Lzl+(1- a )Lz2,0 < a < 1， 其中，H为摄像机距地面的高度，D为空间道路坐标系中车身左右两侧各加0.3m的宽度，Ypl为车身底部在红外图像坐标系中的位置坐标，Lzi> Lz2为摄像机坐标系中目标物体到摄像机坐标原点的Z轴坐标值，a为LZ1、Lz2两种距离计算的加权系数； 7)根据连续两次目标物体距离值LpL2和本车速度V，计算障碍物的相对速度Vref=Vref=AL/tces, AL = L2-L1，其中为连续两次测量的时间间隔； 8)计算本车的紧急制动距离Ljj: lJJ = (Kjj+0-狀训， Kjj = -H), 其中:LjjQ = 40m, Kjj 为加权系数，0 ( Kjj ( I ； 9)若实测目标物体距离L大于的1.3倍，则无危险，安全度高，不需要进行相对速度判断，返回I);若实测目标物体距离L大于O、小于Ljj的1.3倍，且相对速度VMf彡0，即本车速度低于或等于障碍物速度，本车与障碍物之间的距离会拉大或保持不变，无危险，安全度高，返回I);若实测目标物体距离L小于等于Ljj的1.3倍，且相对速度Vref < 0，即本车速度高于障碍物速度，本车与障碍物之间的距离会缩短，有危险，需进行安全性计算与评判，进入10)； 10)定义距离安全系数、速度安全系数和总安全系数，其中距离安全系数Sf的范围为:-1 < Sf ≤ 0.3 ;速度安全系数Sv的范围为: -1≤Sv≤0 ;总安全系数S的范围为:-1≤S≤0 ; 11)将总安全系数S划分为3个等级:一级S位于-0.1 0区间，二级S位于-0.3 -0.1区间，三级S位于-1 -0.3区间；一级适应速度安全系数和距离安全系数的变化范围大，危险较小；二级适应速度安全系数和距离安全系数的变化范围较宽，危险增大；三级适应速度安全系数和距离安全系数的变化范围很窄，危险； 12)根据S所处区间选择报警信号和降速控制； 13)返回1)，直到行车结束。
全文摘要
本发明公开了一种基于红外图像处理的汽车防撞安全保护装置及保护方法，本发明的保护装置包括红外摄像机及摄像机控制子系统、红外摄像照明子系统、中央处理器、声像与灯光报警子系统、车速控制子系统、信号检测模块和电源模块。本发明利用红外成像技术，适用于各种环境气候条件和各种路况下的汽车安全保护；建立了基于虚拟车道和识别空间的障碍物数学模型，完成对障碍物的精确测距；在虚拟车道内建立识别空间，限定被处理的图像范围，有效减少了处理数据量，保障了装置的实时性和快速性；利用障碍物数学模型推导出障碍物测距公式，测距简单可靠，有较强的实用性，不影响正常超车与转向，能有效地避免碰撞事故和追尾事故的发生，确保行车安全。
文档编号B60W30/095GK103072537SQ20131004608
公开日2013年5月1日 申请日期2013年2月5日 优先权日2013年2月5日
发明者孟志强, 江和平 申请人:湖南大学