一种基于双目激光的车辆限高障碍预警系统及预警方法与流程

本发明涉及车辆限高障碍预警
技术领域：
，具体涉及一种基于双目激光的车辆限高障碍预警系统及预警方法。
背景技术：
：车辆在行驶过程中，会遇到限高杆、拱形桥等限高障碍物，为提高车辆通过限高障碍的安全性与便利性，通过车辆限高障碍探测预警系统，提前探测车辆是否能够安全通过限高障碍，并能够发出报警信号提醒驾驶员，及时减速或停车，避免事故发生。车辆在行驶时，如何准确探测感知限高障碍物，是车辆限高障碍探测预警系统的关键技术。现阶段的在国内外研究领域中，关于车辆行驶路径上的障碍物检测研究，提出了许多算法和实施手段。如彩色ccd的计算机视觉方法，此外还有基于三维激光雷达的方法，多传感器信息融合等方法。但受制于夜间低光照度环境限制、探测距离的限制、数据处理难度大等问题，以上方案都不能很好地满足系统要求。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种基于双目激光的车辆限高障碍预警系统及预警方法，具有结构简单、成本低廉、安装方便，且不受夜间低光照度制约等优势。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：设计一种基于双目激光的车辆限高障碍预警系统，包括两个激光测距传感器，以及控制与报警模块；所述两个激光测距传感器分别通过安装板固定安装在车辆前端仪表台的两侧，两个激光测距传感器保持在同一高度，且使所述两个激光测距传感器发射的光路所在直线与车辆前端仪表台所在水平面呈≤5度的夹角；所述控制与报警模块包括mcu控制单元、电源模块、存储模块、sram模块和报警模块，所述电源模块的输入端与车载电源对应连接，输出端分别与所述mcu控制单元和两个激光测距传感器对应连接；所述mcu控制单元与两个激光测距传感器之间分别通过rs485模块进行通讯；所述存储模块、sram模块和报警模块分别与mcu控制单元对应电连接；所述报警模块包括警示灯和蜂鸣器。在上述技术方案中，将两个激光测距传感器分别安装在车辆前端仪表台的两侧，控制与报警模块通过rs485总线对两个激光测距传感器测得的数据进行采集，并存储、处理、计算，从而得出判断结果，若车辆无法安全通过限高障碍物，则通过声/光报警装置发出报警信号，提醒驾驶员及时减速或停车，避免事故发生。使两个激光测距传感器发射的光路所在直线与车辆前端仪表台所在水平面呈≤5度的夹角，可以根据车体的高低不同调整适合的角度，在车辆行驶的过程中，激光测距传感器以固定频率测量前方障碍物信息，即车辆前端与障碍物的直线距离d0，c表示激光测距传感器距离路面的高度，通过三角函数模型计算出前方障碍物高度v0以及障碍物与车辆前端的水平距离h0。如：在某一时刻t0，传感器返回有效距离数据d0，由三角函数可得出：v0＝d0sinθ+c，h0＝d0cosθ。进而判断车辆是否能够正常通过限高障碍物，参见附图1。优选的，所述安装板的中心设有固定孔，所述安装板底部固定孔位置处与车辆前端仪表台之间设有弹性垫块，通过固定螺栓将所述安装板和弹性垫块固定安装在车辆前端仪表台上；在所述安装板的四个角处分别开设有螺纹孔，在每个螺纹孔内分别安装有调节螺栓，所述调节螺栓的底端面与车辆前端仪表台的表面紧密接触，所述调节螺栓的高度大于车辆前端仪表台表面与安装板上表面之间的高度。安装板的这种安装结构，可以通过调节螺栓来调整激光测距传感器的高度和角度，由于安装板的中心通过螺栓固定在车辆前端仪表台上，四角的调节螺栓下端与车辆前端仪表台紧密接触，抵在车辆前端仪表台上，当后侧两个调节螺栓不动，前侧两个调节螺栓拧紧时，由于车辆前端仪表台与调节螺栓下端面的抵触力，会使得安装板前侧升高，使得激光测距传感器与水平面的夹角增大；当前侧两个调节螺栓不动，后侧两个调节螺栓拧紧时，会使安装板后侧升高，使得激光测距传感器与水平面的夹角减小；同时调节四个调节螺栓，可以调整安装板的整体高度，车辆前端仪表台有可能不是水平的，拧动对应位置调节螺栓可以将安装板调整至水平位置。在固定孔和车辆前端仪表台之间设置弹性垫块，能够给安装板前侧和后侧预留出上下倾斜的空间，给调节螺栓提供一个调节范围，同时可以起到缓冲作用，避免调节螺栓拧动幅度较大时损坏车辆前端仪表台。优选的，所述两个激光测距传感器分别为激光测距传感器a和激光测距传感器b，在所述安装板的上表面开设有固定槽，所述激光测距传感器a、激光测距传感器b分别固定在两个安装板上的固定槽内，所述控制与报警模块固定安装在激光测距传感器a的后部。优选的，所述mcu控制单元的型号为stm32f103zet6，最高工作频率为72mhz，内置乘法器，完全满足存储要求和计算要求。所述sram模块的型号为is62wv51216，是issi公司生产的一颗16位宽512k(512*16，即1m字节)容量的cmos静态内存芯片；所述存储模块采用型号为24lc256的eeprom存储芯片。优选的，所述电源模块采用lm1117-5.0电源芯片和lm1117-3.3电源芯片，其中5v的lm1117-5.0电源芯片给两个激光测距传感器供电，3.3v的lm1117-3.3电源芯片给mcu供电；所述rs485模块采用sp3072芯片。优选的，所述激光测距传感器a和激光测距传感器b的型号为zdl-0100-1，测量范围为0.5-125m。两个激光测距传感器弱光环境或强光环境测量范围均可达到0.5-125m，指向性达到系统检测要求。激光传感器zdl-0100-1性能指标见下表0。表1激光测距传感器主要性能指标型号zdl-0100-1测量范围0.5-125m测量精度5cm分辨率1cm测量频率100hz光源安全等级1级输入电压5vdc通讯接口rs485使用寿命≥50000h测量方式连续测量，单次测量工作温度-40---80℃防护等级ip65外形尺寸80x40x60mm重量250g本发明还涉及一种基于双目激光的车辆限高障碍预警方法，使用上述车辆限高障碍预警系统，将两个激光测距传感器分别通过安装板固定安装在车辆前端仪表台的两侧，两个激光测距传感器保持在同一高度，通过调节螺栓调整激光测距传感器的角度，使两个激光测距传感器发射的光路所在直线与车辆前端仪表台所在水平面的夹角θ≤5度；在车辆行驶的过程中，激光测距传感器以固定频率测量车辆前端与前方障碍物之间的直线距离d0，c表示激光测距传感器距离路面的高度，通过三角函数模型计算出前方障碍物高度v0以及障碍物与车辆前端的水平距离h0：v0＝d0sinθ+c，h0＝d0cosθ，进而判断车辆是否能够正常通过限高障碍物，如过判断结果是无法通过限高障碍物，则报警模块发出警告。判断车辆是否能够正常通过限高障碍物的过程包括下列步骤：(1)传感器采集数据，将激光测距传感器a、激光测距传感器b测得距离信号的差值定义为差分信号，将差分信号的浮动范围定义为阈值，将阈值变化的情况称为阈值梯度；(2)选定两个激光测距传感器测得的距离信息作为随机变量x和y，在一定的时间长度内，e(x)和e(y)分别是随机变量x和y的数学期望，如公式1-1所示：两个传感器测得的距离信息以各自的数学期望值作为标准，x和y的值在数学期望值上下变动；采用两个变量x、y的协方差cov(x,y)表示两个变量的变化趋势，如公式1-2所示：cov(x,y)＝e[(x-e(x))(y-e(y))](1-2)；以相关系数ρ表示变量之间线性相关程度的量，ρ的取值范围为(0-1)，0表示相关程度最低，1表示相关程度最高，相关系数ρ的计算如公式1-3所示，其中分别表示x、y的标准差：(3)综合概率判断，以pd表示差分信号阈值在一定范围内的概率，pρ表示相关系数在一定范围内的概率，ptotal代表两个事件同时发生的概率，如公式1-4所示，ptotal＝pρ·pd(1-4)；pd和pρ的概率分布表见下表1和表2，表1差分信号阈值的概率分布表差分信号阈值(cm)概率(pd)描述400.530cm<差值<40cm300.620cm<差值<30cm200.710cm<差值<20cm100.80cm<差值<10cm表2相关系数的概率分布表相关系数概率(pρ)描述0.6<ρ<0.70.5变化趋势基本一致0.7<ρ<0.80.6变化趋势非常一致0.8<ρ<0.90.7变化趋势非常一致0.9<ρ<10.8变化趋势完全相同根据公式1-4和表1、表2计算出ptotal的值；(4)根据ptotal的值判断车辆是否能够安全通过前方障碍物，通过控制与报警模块发出警示信号：当0≤ptotal＜0.25时，表示车辆可安全通过前方障碍物，系统不报警；当0.25≤ptotal＜0.48时，表示车辆有可能无法安全通过前方障碍物，系统可通过蜂鸣器以较低频率的“嘀嘀”声和指示灯以较低频率闪烁进行报警；当0.48≤ptotal，表示车辆有较高的可能无法安全通过前方障碍物，系统可通过蜂鸣器以较高频率的“嘀嘀”声和指示灯以较高频率闪烁进行报警，从而提醒驾驶员注意前方限高障碍物情况，减速或停车，防止事故发生。本发明的有益效果在于：本发明基于双目激光的车辆限高障碍预警系统，通过两个激光测距传感器测量车辆前端与障碍物的直线距离，判断车辆是否能够正常通过限高障碍物，根据判断结果发出警示信号，提醒驾驶员注意前方限高障碍物情况。相对于以往的三维激光雷达、多传感器信息融合、视觉感知等方法，本发明基于双目激光的车辆限高障碍预警系统，仅需要两个激光测距传感器进行限高障碍物检测，结构简单、成本低廉，安装方便，且不受夜间低光照度制约，适用范围更加广泛，具有广阔的市场前景。本发明基于双目激光的车辆限高障碍物检测方法，通过双目激光测得的距离差分信号和基于时间域的距离曲线相关程度两个因素，进行综合概率计算，判断车辆是否能够顺利通过限高障碍物，判断结果更加准确，能够有效提醒驾驶员注意前方限高障碍物情况，减速或停车，防止事故发生。附图说明图1是障碍物高度及距离采集原理图；图2是两个激光测距传感器及安装板的安装方式示意图；图3是图2中激光测距传感器及安装板的前视图；图4是安装板的底部结构示意图；图5是控制与报警模块的电气原理框图；图6是判断车辆是否能够正常通过限高障碍物的流程图；图7是不同状况下的道路测距曲线，其中7-1是前方无限高障碍物的道路测距曲线、图7-2是前方有限高杆的道路测距曲线、图7-3是前方有拱形桥的道路测距曲线。图中标号：1为激光测距传感器a，2激光测距传感器b，3安装板，4调节螺栓，5控制与报警模块；6固定孔，7螺纹孔，8弹性垫块。具体实施方式下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件。实施例1：一种基于双目激光的车辆限高障碍预警系统，参见图2-图5，包括两个激光测距传感器1、2，以及控制与报警模块。所述两个激光测距传感器分别通过安装板3固定安装在车辆前端仪表台的两侧，两个激光测距传感器保持在同一高度，且使所述两个激光测距传感器发射的光路所在直线与车辆前端仪表台所在水平面呈≤5度的夹角；所述两个激光测距传感器1、2分别为激光测距传感器a和激光测距传感器b，在所述安装板3的上表面开设有固定槽，所述激光测距传感器a、激光测距传感器b分别固定在两个安装板3上的固定槽内，所述控制与报警模块5固定安装在激光测距传感器a的后部。所述安装板3的中心设有固定孔6，所述安装板3底部固定孔位置处与车辆前端仪表台之间设有弹性垫块8，通过固定螺栓将所述安装板3和弹性垫块8固定安装在车辆前端仪表台上；在所述安装板3的四个角处分别开设有螺纹孔7，在每个螺纹孔7内分别安装有调节螺栓4，所述调节螺栓4的底端面与车辆前端仪表台的表面紧密接触，所述调节螺栓4的高度大于车辆前端仪表台表面与安装板上表面之间的高度。所述控制与报警模块5包括mcu控制单元、电源模块、存储模块、sram模块和报警模块，所述电源模块的输入端与车载电源对应连接，输出端分别与所述mcu控制单元和两个激光测距传感器对应连接；所述mcu控制单元与两个激光测距传感器之间分别通过rs485模块进行通讯；所述存储模块、sram模块和报警模块分别与mcu控制单元对应电连接；所述报警模块包括警示灯和蜂鸣器。其中，所述mcu控制单元的型号为stm32f103zet6，最高工作频率为72mhz；所述sram模块的型号为is62wv51216；所述存储模块采用型号为24lc256的eeprom存储芯片。所述电源模块采用lm1117-5.0电源芯片和lm1117-3.3电源芯片，其中5v的lm1117-5.0电源芯片给两个激光测距传感器供电，3.3v的lm1117-3.3电源芯片给mcu供电；所述rs485模块采用sp3072芯片。所述激光测距传感器a和激光测距传感器b的型号为zdl-0100-1，测量范围为0.5-125m。实施例2：基于双目激光的车辆限高障碍预警方法，使用实施例1中的车辆限高障碍预警系统，将两个激光测距传感器分别通过安装板固定安装在车辆前端仪表台的两侧，两个激光测距传感器保持在同一高度，通过调节螺栓调整激光测距传感器的角度，使两个激光测距传感器发射的光路所在直线与车辆前端仪表台所在水平面的夹角θ≤5度；在车辆行驶的过程中，激光测距传感器以固定频率测量车辆前端与前方障碍物之间的直线距离d0，c表示激光测距传感器距离路面的高度，通过三角函数模型计算出前方障碍物高度v0以及障碍物与车辆前端的水平距离h0：v0＝d0sinθ+c，h0＝d0cosθ，参见图1，进而判断车辆是否能够正常通过限高障碍物，如过判断结果是无法通过限高障碍物，则报警模块发出警告。判断车辆是否能够正常通过限高障碍物的过程包括下列步骤：(1)传感器采集数据，将激光测距传感器a、激光测距传感器b测得距离信号的差值定义为差分信号，将差分信号的浮动范围定义为阈值，将阈值变化的情况称为阈值梯度。通过两个激光测距传感器a、b测得距离信号的差值(差分信号)作为判断的重要依据，如果同时检测到的距离信号的差值在一定的“阈值”范围之内，作为检测到限高障碍的依据，可以过滤掉不规则物体，防止“误报”现象的发生。为了避免“漏报”，在时间域内对距离信息进行分析处理。采用判断距离曲线“趋势”的数学方法，识别出高度相似，但距离有误差的情况(包括没有落在阈值范围之内情况)，作为系统判断的另一个依据。最终，基于双目距离差值(差分信号)阈值和距离曲线的相关系数，结合概率计算出综合判断结果。判断车辆是否能够正常通过限高障碍物的流程图如图6所示。基于差分信号的阈值梯度处理：本系统中的激光测距传感器在正常环境下测量范围为0.5m-125m，考虑到车辆在行驶过程中会有前方车辆遮挡以及激光传感器指向天空(距离无限大)等情况，综合考虑刹车距离及驾驶员的反应时间，传感器测距实际有效距离设定为30m到60m之间。基于双目激光传感器而得出的距离差分信号为实际有效距离的差值，此差值代表规则障碍物的形状特征。在理想情况下，对于限高杆和拱形桥等近似规则的障碍物，差分信号接近于0(或者是一个无穷小值)。但是受到车身和路面以及障碍物本身的影响，差分信号可能在一定范围内浮动。为了描述这种浮动，这里使用阈值的概念，同时为了描述阈值的变化，引入阈值梯度的描述方法，如下表3所示。表3阈值梯度的描述方法阈值(cm)描述40可能性：低30可能性：中20可能性：高10可能性：极高基于时间域的距离曲线处理：传感器采集的距离信息随着车辆的前进或后退在不断更新，通过连续采集差分信号数值结合阈值梯度来判定结果，如果前方是不规则的障碍物，将不可避免地出现“误报”的情况，比如在两边有枝叶繁茂树木的道路上，两个传感器将检测到同样高度和距离的障碍物，系统将判定道路前方具有影响车辆安全通过的限高障碍，或者在车辆转弯的过程中，前方任何障碍物的距离信息会变得不规则，也会有一定概率检测到同样高度的障碍物而出现“误报”。为了防止出现“误报”，通过研究距离信息和障碍物特征的规律，根据时间基准和传感器采集的数据，可以拟合出在一段时间内的距离信息曲线，参见图7。如图7-1、图7-2、图7-3所示，两个传感器在正常道路以及前方有限高障碍物的情况下采集的数据是各具特征的。(2)选定两个激光测距传感器测得的距离信息作为随机变量x和y，在一定的时间长度内，e(x)和e(y)分别是随机变量x和y的数学期望，如公式1-1所示：两个传感器测得的距离信息以各自的数学期望值作为标准，x和y的值在数学期望值上下变动；采用两个变量x、y的协方差cov(x,y)表示两个变量的变化趋势，如公式1-2所示：cov(x,y)＝e[(x-e(x))(y-e(y))](1-2)；在公式1-2中，如果两个变量的变化趋势一致，也就是说如果其中一个大于自身的期望值，另外一个也大于自身的期望值，那么两个变量之间的协方差就是正值。如果两个变量的变化趋势相反，即其中一个大于自身的期望值，另外一个却小于自身的期望值，那么两个变量之间的协方差就是负值。以相关系数ρ表示变量之间线性相关程度的量，ρ的取值范围为(0-1)，0表示相关程度最低，1表示相关程度最高，相关系数ρ的计算如公式1-3所示，其中分别表示x、y的标准差：一段时间内，距离信息的协方差表明这段时间内两条距离曲线的变化趋势的一致性。由于车辆震动、道路不平等原因会造成测量数据幅值的整体偏移，协方差可以表示两个变量变化的相关程度，而相关系数ρ则消除了幅值对于相关度的影响，只从趋势来判断，符合系统判断的要求。如果仅仅考虑差分信号阈值或者仅仅考虑相关系数都可能造成系统对于限高障碍物的漏报和误报情况。因此综合考虑以上两个因素才能最大程度地正确检测限高障碍物，当差分信号小于固定阈值时，同时检测到临近的一段时间内的相关系数很高，基本可以判定检测到前方有影响车辆安全通过的限高障碍物。(3)综合概率判断，以pd表示差分信号阈值在一定范围内的概率，pρ表示相关系数在一定范围内的概率，ptotal代表两个事件同时发生的概率，如公式1-4所示，ptotal＝pρ·pd(1-4)；pd和pρ的概率分布表见表1和表2，表1差分信号阈值的概率分布表差分信号阈值(cm)概率(pd)描述400.530cm<差值<40cm300.620cm<差值<30cm200.710cm<差值<20cm100.80cm<差值<10cm表2相关系数的概率分布表根据公式1-4和表1、表2计算出ptotal的值；(4)根据ptotal的值判断车辆是否能够安全通过前方障碍物，通过控制与报警模块发出警示信号：当0≤ptotal＜0.25时，表示车辆可安全通过前方障碍物，系统不报警；当0.25≤ptotal＜0.48时，表示车辆有可能无法安全通过前方障碍物，系统可通过蜂鸣器以较低频率的“嘀嘀”声和指示灯以较低频率闪烁进行报警；当0.48≤ptotal，表示车辆有较高的可能无法安全通过前方障碍物，系统可通过蜂鸣器以较高频率的“嘀嘀”声和指示灯以较高频率闪烁进行报警，从而提醒驾驶员注意前方限高障碍物情况，减速或停车，防止事故发生。本发明基于双目激光的车辆限高障碍预警系统及预警方法，通过双目激光测得的距离差分信号和基于时间域的距离曲线相关程度两个因素，进行综合概率计算，判断车辆是否能够顺利通过限高障碍物，相对于以往的三维激光雷达、多传感器信息融合、视觉感知等方法，本发明仅需要两个激光测距传感器进行限高障碍物检测，具备成本低廉，安装方便，且不受夜间低光照度制约等优势，为系统的大规模应用推广奠定坚实的基础。上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属
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的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。当前第1页12