基于车牌像素高度变化的安全驾驶辅助方法和系统与流程

本发明属于交通技术领域，尤其是智能交通技术领域，具体涉及基于车牌像素高度变化的安全驾驶辅助方法和系统。

背景技术：

城市道路交通与人们的生活息息相关，是日常生活中不可缺少的重要组成部分，随着国家的富强和国民经济的快速发展，尤其是汽车制造业的飞速发展和汽车拥有量的膨胀性增加，机动车辆已成为人们日常生活中不可缺少的代步工具。近些年来，高速公路建设速度有着突飞猛进的提高，驾驶人员呈现井喷式的增长，非职业驾驶员的数量增多，因驾驶人员技术水平参差不齐，驾驶行为各不相同，驾驶员的驾驶工作繁重，仅仅依赖驾驶员的经验驾驶，导致交通事故频繁发生，交通安全形势面临严峻考验。如何提高汽车的主动安全性和交通安全性已成为急需解决的社会性问题。

随着计算机技术、电子技术、图像处理等信息处理技术研究的发展，智能交通系统已成为当前交通管理发展的重要方向，研究人员开始将各种先进的技术应用于汽车控制上，辅助驾驶员进行汽车的操纵控制。在这些汽车电子控制系统研究的基础上，结合蓬勃发展的智能化信息处理技术，逐步产生了一个新兴的交叉学科——车辆的自动驾驶(又称为智能汽车)。目前，智能交通领域研究的热点是安全辅助驾驶系统，因智能汽车还不够成熟，成本高，无法普及，如何最大限度地减少交通事故、提高运输效率、减轻驾驶员操纵负担。车道偏离预警和防与前方车辆相碰预警系统，可以提醒驾驶员注意规避不该有危险，或帮助驾驶员操作控制汽车的方向和速度(即自动辅助驾驶)，这样可以有效防止事故发生，从而提高整个道路交通的安全性、机动性与汽车行驶的主动安全性。

车辆行驶中车距检测是预警系统的重要组成部分，当前比较流行的测距方法主要有雷达测距，超声波测距，激光测距等，但是这些方法需要加装多种装置，成本较高结构复杂，实时性不太好，不利于在现有车辆中推广使用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种通过车牌识别结合本车的车速以及车牌像素高度的变化情况及时提醒并实时辅助驾驶员进行安全驾驶，与前方车辆保持安全的距离。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于车牌像素高度变化的安全驾驶辅助方法，包括以下步骤：

设置摄像机，拍摄车辆前方的图像；

采集自身车辆当前速度vt以及摄像机到车头距离s2；

根据摄像机拍摄的车辆前方图像识别车牌并确定前车车牌的像素高度h；

确定当前车间距d，所述车间距d由摄像机焦距f、前方车牌实际高度h以及车牌像素高度h确定；

确定当前安全距离s，所述安全距离s根据驾驶员反应距离s0、驾驶员制动距离s1以及摄像机到车头距离s2确定；

控制车速以确保车间距d大于安全距离s。

进一步地，安全距离s的表达式如下：

s＝s0+s1+s2，

s0为反应距离且s0＝vt*t0，s1为驾驶员制动距离且s1＝vt²/gμ其中vt为车辆当前速度，t0为驾驶员的反应时间，g为重力加速度，μ为道路附着系数，s2为摄像机到车头距离。

进一步地，确定当前车间距d的计算公式如下：

其中f为摄像机焦距，h为车牌实际高度，h为车牌像素高度。

进一步地，包括：

根据车间距d大于安全距离s的要求确定前车车牌像素高度h的阈值下限t1以及阈值上限t2；

根据前车车牌像素高度h的当前值与前车车牌像素高度h的阈值下限t1以及阈值上限t2的对比调整当前车辆行驶状态。

再进一步地，确定前车车牌像素高度h的阈值下限t1以及阈值上限t2具体方法如下：

前方车辆车牌的像素高度阈值下限t1根据自身车辆当前速度vt计算得到，表达式如下：

t1＝f*h/(s0+s1+s2)，

s0＝vt*t0，

s1＝vt²/gμ，

其中vt为自身车辆当前速度，t0为驾驶员的反应时间，g为重力加速度，μ为道路附着系数，s2为摄像机到车头距离。

前方车辆车牌的像素高度阈值上限t2根据自身车辆相对于前方车辆的相对速度vrel计算得到，表达式如下：

s0’＝vrel*t0，

s1’＝vrel²/gμ，

t2＝f*h/(s0’+s1’+s2)。

其中s0’为相对速度对应的反应距离，s1’为相对速度对应的制动距离，相对速度的计算方法采用常规的方法，在一定的时间间隔δt内，车间距的变化确定，车间距转化为前车车牌的像素高度的变化情况，h1为前方车辆δt时间间隔之前时刻的车牌像素高度，h2为前方车辆当前时刻的车牌像素高度。

车牌像素高度的阈值t1和t2均是随着车辆车速、相对前车速度、道路状况实时动态变化的。

再进一步地，根据前车车牌像素高度h的当前值与前车车牌像素高度h的阈值下限t1以及阈值上限t2的对比调整当前车辆行驶状态的具体方法包括：

若当前前方车辆车牌的像素高度h低于所述阈值下限t1，则提示当前驾驶模式为安全驾驶模式；

若当前前方车辆车牌的像素高度h大于所述阈值下限t1小于所述阈值上限t2，则提示当前驾驶模式为黄色预警模式；

若当前前方车辆车牌的像素高度h大于所述阈值上限t2，则提示当前驾驶模式为红色预警模式。

再进一步优选地，若当前车辆处于安全驾驶模式时执行慢启动策略(相当于加速驾驶策略)，则使自身车辆的行驶速度按照指数规律由小到大逐渐增加同时前车车牌像素高度保持在阈值下限t1以下；

若当前车辆处于黄色预警策略执行拥塞避免策略(相当于谨慎驾驶策略)，按线性规律缓慢增大行驶速度或维持速度不变或随时准备减速，避免引起道路拥塞或发生碰撞，保持前车车牌像素高度阈值上限t2以下；

若当前车辆处于红色预警策略执行快恢复策略(相当于快速减速策略)，则将行驶速度快速降下来，必要时采取紧急刹车、安全变更车道的措施快速恢复到安全驾驶范围内，确保前车车牌像素高度回到阈值下限t1或阈值上限t2以下。

在另一个方面，本发明提供了基于车牌像素高度变化的安全驾驶辅助系统，包括：

摄像机模块，用于拍摄前方车尾的车牌图像；

图像处理模块，用于根据摄像机拍摄的车辆前方图像识别车牌和计算车牌的像素高度h；

车辆行驶参数采集模块，用于采集车辆行驶参数包括车辆自身当前的速度vt、摄像机的焦距f、摄像机到车头距离s2；

当前车间距d计算模块，用于根据摄像机焦距f、前方车牌实际高度h以及车牌像素高度h确定车间距d；

反应距离计算模块，用于根据车辆行驶参数采集模块传送的车辆自身当前的速度vt以及驾驶员的反应时间t0计算当前车辆驾驶员的反应距离s0；

制动距离计算模块，用于根据车辆行驶参数采集模块传送的车辆自身当前的速度vt和当前方车辆辆行驶道路的道路附着系数μ计算当前车辆的制动距离s1；

安全距离计算模块，用于根据当前车辆驾驶员的反应距离s0和当前车辆的制动距离s1确定当前安全距离；

阈值设置模块，用于根据车辆行驶参数采集模块传送的摄像机的焦距f、以及前方车辆的车牌实际高度h以及当前反应距离s0、当前车辆的制动距离s1以及当前摄像机距自身车辆车头的距离s2设置前方车辆车牌的像素高度阈值下限t1；

所述阈值设置模块还用于根据车辆行驶参数采集模块传送的前车车牌的像素高度变化值δh和前车车牌的像素高度变化的时间间隔δt计算前方车辆车牌的像素高度阈值上限t2；

驾驶模式控制模块，用于判断

若当前前方车辆车牌的像素高度h低于所述阈值下限t1，则提示当前驾驶模式为安全驾驶模式；

若当前前方车辆车牌的像素高度h大于所述阈值下限t1小于所述阈值上限t2，则提示当前驾驶模式为黄色预警模式；

若当前前方车辆车牌的像素高度h大于所述阈值上限t2，则提示当前驾驶模式为红色预警模式。

进一步优选地，还包括安全驾驶车速控制模块，用于判断

若当前车辆处于安全驾驶模式时执行慢启动策略(相当于加速驾驶策略)，则使自身车辆的行驶速度按照指数规律由小到大逐渐增加同时前车车牌像素高度保持在阈值下限t1以下；

若当前车辆处于黄色预警策略执行拥塞避免策略(相当于谨慎驾驶策略)，按线性规律缓慢增大行驶速度或维持速度不变或随时准备减速，避免引起道路拥塞或发生碰撞，保持前车车牌像素高度阈值上限t2以下；

若当前车辆处于红色预警策略执行快恢复策略(相当于快速减速策略)，则将行驶速度快速降下来，必要时采取紧急刹车、安全变更车道的措施快速恢复到安全驾驶范围内，确保前车车牌像素高度回到阈值下限t1或阈值上限t2以下。

本发明所达到的有益效果：

本发明提出基于前车车牌像素高度变化的车速控制和安全辅助驾驶的行驶方法，算法冗余度小实时性好，有利于提高安全驾驶辅助系统的安全性能；

本发明提出的基于车牌像素高度变化的行驶策略切换非常适用于未来自动驾驶中对于车速的控制，特别是对于高速公路上的自动行驶车辆在本车道的行驶速度控制方法。

附图说明

图1是本发明具体实施例方法流程示意图；

图2是本发明另一具体实施例方法流程示意图；

图3是制动过程中摩擦力变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例，本发明具体实施例方法流程示意图见图1。图1示出的实施例提供了基于车牌像素高度变化的安全驾驶辅助方法，包括：

step1:首选在采用本发明的基于车牌像素高度变化的安全驾驶辅助方法的自身车辆中设置摄像机用于拍摄前方车尾的车牌图像。目前基本所有的车辆上都设置有可以拍摄前方车尾的车牌图像的类似行车记录仪的摄像机，因此可以采用已有的车辆内部的摄像机，而不外加摄像机设备。

step2:要根据摄像机拍摄的车牌图像识别车牌和计算车牌的像素高度h。借助成熟的车牌识别技术，可以识别不同车牌情况。识别车牌的图像识别算法采用现有技术即可实现，本发明的区别技术特征不在此，因此不加赘述。

在车辆行驶过程中，常发生前车转弯或换道的情况，此时前车车牌所在平面与摄像机中心光轴不垂直，成像时车牌图像的宽因前车角度的改变而减小，但此时像平面中车牌的高度不受影响，根据车牌的成像原理，可以得到车牌的像素高度与车牌真实高度的比例关系计算牵扯距离。

根据成像原理和三角形的相似性可得：

式中d为车间距，f为摄像机的焦距，h为车牌实际高度，h为图象中车牌的像素高度

step3:车辆行驶参数采集，采集车辆行驶参数包括车辆自身当前的速度vt、摄像机的焦距f、以及摄像机到自身车头距离s2；

车辆行驶参数采集都采用现有技术手段实现，这里不做赘述。如车辆自身当前的速度vt可以通过车辆内置的obd系统采集到，摄像机的焦距f可以预先输入；关于前方车辆车牌的实际高度可以根据前方车辆的型号预先设置，如

我国大型汽车前：440mm×140mm，黄底黑字黑框线；总质量4.5t(含)、乘坐人数20人(含)和车长。后：440mm×220mm(含)以上的汽车、无轨电车及有轨电车，小型汽车：440mm×140mm，蓝底白字白框线，除大型汽车以外的各种汽车；step4:此外根据车辆自身当前的速度vt以及驾驶员的反应时间t0计算当前车辆驾驶员的反应距离s0；

反应距离是反应时间t0(驾驶员从发现障碍物到决定紧急制动)过程中行驶的距离。

反应时间t0主要取决于驾驶员的反应速度，同时与油门踏板和制动踏板的位置有关，一般需要0.3～1.0s，驾驶员可根据自身情况，在行驶前设置，在t0时间内，汽车以原速度vt行驶，则反应距离s0＝vt*t0。

step5:根据车辆自身当前的速度vt和当前方车辆辆行驶道路的道路附着系数μ计算当前车辆的制动距离s1；

车辆制动距离是从司机踩动刹车踏板开始，到车辆完全停止所走过的距离，这个安全驾驶距离对于安全驾驶有着重要作用。

制动距离安全距离的确定受到道路条件、汽车性能、天气状况、驾驶人员反应速度等多种因素的影响，不同条件因素下的安全距离不尽相同，根据能量守恒定理，汽车行驶阻力在制动距离上所做的功等于汽车制动前所具有的平均动能，汽车行驶阻力包括道路摩擦力、上下坡汽车滑动力、空气阻力等，主要为道路摩擦力，但由于制动初期阶段，制动力是逐渐增大到最大摩擦力fmax＝mgμ，因驾驶员操作行为不同，图3中i,j,m到达最大摩擦力的时间不同，整个制动过程中的平均摩擦力也不同，m是平均摩擦力最小的情况，也就是制动距离最长的一个，由此可算出汽车行驶平均阻力最小值为f1＝0.5fmax(可参考图3)。

根据能量守恒定理，f1*s1＝1/2*m*vt²由此可知制动距离s1＝vt²/gμ，g为重力加速度，μ为道路附着系数，μ与不同路面有关，驾驶员在行驶前根据当时情况参考下表进行设定，如表1所示：

表1不同道路的道路附着力系统

综上所述，安全驾驶距离s＝s0+s1。通过计算，可以参见表2示出的不同车速下的最小跟车距离。

表2不同车速下的最小跟车距离

step6:根据驾驶员反应距离s0、驾驶员制动距离s1以及摄像机到车头距离s2确定安全距离s；安全车距是后方车辆为了避免与前方车辆发生意外碰撞而在行驶中与前车所保持的必要间隔距离。

step7:控制车速以确保车间距d大于安全距离s。

要做到行车安全，保持安全车距是防止追尾事故最直接、最有效、最广泛和最根本的方法，因此必须控制车速保证车间距大于安全距离。

step8：在以上实施例的基础上，在另一个具体实施例中为了进一步优化本发明方法，在成像原理和三角形的相似性关系的基础上可以将控制车间距与安全距离的关系转化为前车车牌像素高度和前车车牌像素高度h的上下阈值来实现，本实施例的具体流程可参考图2，在本实施例中考虑到本车相对于前车的相对速度vrel。在以上实施例方法的基础上本实施例的具体方法还包括：

根据车间距d大于安全距离s的要求确定前车车牌像素高度h的阈值下限t1以及阈值上限t2；

根据当前车牌的像素高度h与前车车牌像素高度h的阈值下限t1以及阈值上限t2的对比调整当前车辆行驶状态。

在具体实施例中，确定前车车牌像素高度h的阈值下限t1的具体方法如下：

前方车辆车牌的像素高度阈值下限t1根据自身车辆当前速度vt计算得到，表达式如下：

t1＝f*h/(s0+s1+s2)，

s0＝vt*t0，

s1＝vt²/gμ，

其中vt为自身车辆当前速度，t0为驾驶员的反应时间，g为重力加速度，μ为道路附着系数，s2为摄像机到车头距离。

对于上面的安全驾驶距离，是相对速度与距离的关系，但实际情况是驾驶员只知道自己车子的行驶速度，不知道前车的行驶速度，如果根据自行车速按照上述安全距离进行操作，势必影响道路交通效率。因此在具体实施例中采用了相对速度确定安全距离。

相对速度测量方法：

传统的相对速度测量方法：相对速度vrel可以通过一段时间内两辆车之间距离的变化来获得，如下式所示：

式中d1上一时刻测量的车间距(m)，d2当前时刻测量的车间距(m)，△t测量的时间间隔(s)

这里，通过车牌像素高度的变化来测量相对速度，d1、d2可以用车牌像素高度表示，可得：

因此基于以上前方车辆车牌的像素高度阈值上限t2根据自身车辆相对于前方车辆的相对速度vrel计算得到，表达式如下：

s0’＝vrel*t0，

s1’＝vrel²/gμ，

t2＝f*h/(s0’+s1’+s2)。

其中s0’为相对速度对应的反应距离，s1’为相对速度对应的制动距离，δt为前车车牌的像素高度变化的时间间隔，h1为前方车辆前一时刻的像素高度，h2为δt时间间隔之后前方车辆的像素高度。

在其他具体实施例中，还包括根据当前车牌的像素高度h与前车车牌像素高度h的阈值下限t1以及阈值上限t2的对比调整当前车辆行驶状态的具体方法包括：

若当前前方车辆车牌的像素高度h低于所述阈值下限t1，表明与前车之间的距离大于安全行驶设定的门限距离，则提示当前驾驶模式为安全驾驶模式；

若当前前方车辆车牌的像素高度h大于所述阈值下限t1小于所述阈值上限t2，表明与前车之间的距离达到谨慎驾驶的距离门限，则提示当前驾驶模式为黄色预警模式；

若当前前方车辆车牌的像素高度h大于所述阈值上限t2，表明与前车之间的距离小于碰撞预警的门限距离，则提示当前驾驶模式为红色预警模式。

为了增加车辆车速控制的灵活性，设定前车车牌像素高度阈值t2大于t1，初始车辆刚起步时前车车牌像素高度阈值上限t2设置为阈值下限t1+1，当后车相对前车车速vrel为负值时，车牌像素高度阈值上限t2不变。

优选地，在以上实施例的基础上，在具体实施例的基础上还包括：1、安全行驶策略

当前车车牌像素高度低于阈值下限t1或前面无车辆时，这个阶段称为“慢启动(slow-start)”阶段，驾驶员进入安全驾驶策略，依据驾驶员的驾驶行为特性，在不超过道路交通规则规定的最高行驶速度前提条件下，按指数规律由小到大逐渐增大行驶速度进行驾驶，提高道路使用效率，保持前车车牌像素高度保持在阈值下限t1以下。

2、黄色预警的行驶策略

当前车车牌像素高度大于阈值下限t1且小于阈值上限t2时，这个阶段称为“拥塞避免(congestionavoidance)”阶段，即避免与前车相碰，驾驶员进入黄色预警行驶策略，需要谨慎驾驶，在遵守道路交通规则及行驶速度规定的要求下，按线性规律缓慢增大行驶速度或维持速度不变或随时准备减速，避免引起道路拥塞或发生碰撞，保持前车车牌像素高度阈值上限t2以下。

3、红色预警的行驶策略

当前车车牌像素高度大于阈值上限t2时，这个阶段称为“快恢复(fastrecovery)”阶段，即快速恢复与前车的安全间距，进入红色预警范围，提醒驾驶员高度集中注意力，就执行“乘法减小”将行驶速度快速降下来，必要时采取紧急刹车、安全变更车道等措施快速恢复到安全驾驶范围内，确保前车车牌像素高度回到阈值上限t2或阈值下限t1以下。

本发明方法基于视觉测距，由于视觉测距对于车载系统更具有实际运用价值，不仅算法简单，且容易实现，运算速度快实时性好，本发明提出利用现有汽车上的摄像头摄到周边的环境信息，通过车牌识别，结合本车的车速，车牌像素高度的变化情况，及时提醒并实时辅助驾驶员进行安全驾驶，与前方车辆保持安全的距离。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。