一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测装置及方法与流程

本发明涉及汽车行驶主动安全领域，具体涉及一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测装置及方法。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，汽车保有量逐年递增的同时，带来的交通问题也非常严峻。根据驾驶员的驾驶风格以及车辆所处的道路以及车流环境，驾驶员往往会进行合理的换道超车动作。换道超车过程中，即使车路状况良好，相比于车辆进行稳定直线行驶也要危险的多。这个过程需要驾驶员有较高的驾驶技巧和经验。

在换道超车过程中，需要后车驾驶员对前方即将被超过的目标车辆的运动姿态进行实时观测，以便做出正确的反应，不断调整驾驶动作，避免危险发生。当车辆处于高速行驶时，由于后车驾驶员的注意力不集中或缺少有效的参照物等原因，会对前方目标车辆的行驶轨迹发生误判，特别是当本车进行超车动作时，前方目标车辆同时进行加速，或者偏离其行驶车道，靠近本车车道，这会给后车超车车辆带来较大的风险。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测方法及装置，为后车驾驶员在进行超车动作时提供安全预警，辅助后车进行安全超车动作。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测装置，包括激光雷达，视觉摄像头，数字图像处理器和数据处理器；

所述激光雷达用于采集并输出前方目标车辆的纵向速度vtx，横向速度vty以及前方目标车辆与本车的实时间距d，其输出端连接至车载can总线；

所述视觉摄像头的输出端连接所述数字图像处理器的输入端，用于采集包括道路信息和前方目标车辆行驶位置的图像信息；

所述数字图像处理器的输出端连接所述数据处理器的输入端，用于接收并处理视觉摄像头采集的图像信息；输出车道线f(t)和前方目标车辆前轮触地点位置pt；

所述数据处理器分别接收所述can总线和所述数字图像处理器的数据，并输出风险评价结果。

进一步的，还包括预警指示器，所述预警指示器的输入端连接所述数据处理器的输出端，用于响应所接收到的数据进行预警提示。

进一步的，所述激光雷达设置在车辆前方的进气栅格处；所述视觉摄像头设置在车辆的前挡风玻璃的上方；所述数字图像处理器，数据处理器和预警指示灯均设置在车体内。

一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测方法，包括以下步骤：

s1，视觉摄像头采集前方目标车辆和路况信息，输出数字图像；

s2，数字图像处理器接收并预处理数字图像，得到拟合的车道线f(t)和前车前轮触地点位置pt；

s3，数据处理器计算前车前轮触地点位置pt到拟合的车道线f(t)的最短距离l；

s4，激光雷达采集前方目标车辆的纵向速度vtx，横向速度vty以及前方目标车辆与本车的实时间距d；

s5，数据处理器根据前车前轮触地点到车道线的最短距离l，前方目标车辆的纵向速度vtx，横向速度vty以及前方目标车辆与本车的实时间距d，生成超车动作实时风险等级。

进一步的，所述步骤s2的具体方法为：

数字图像处理识别出前方目标车辆前轮触地点位置以及车道线，通过逆透视变换、二值化处理、最小二乘法基于b样条曲线得到拟合车道线f(t)，通过霍夫变换得到前车前轮触地点位置pt。

进一步的，当前车所处位置在本车的右前方时，则前车前轮触地点位置为前车左前轮触地点位置ptl；前车所处位置在本车的左前方时，则前车前轮触地点位置为前车右前轮触地点位置ptr。

进一步的，所述步骤s3中，当l<0时，表示前方目标车辆跨越到当前车辆行驶车道；当l＝0时，表示前方目标车辆前轮压线行驶；当l>0时，表示前方目标车辆在其原车道行驶。

进一步的，所述步骤s5包括以下步骤：

步骤1，数据处理器根据前方目标车辆的纵向速度vtx，横向速度vty、前方目标车辆与本车的实时间距d以及前方目标车辆前轮触地点位置相距车道线的最短距离l，计算出实时的跨道时间ttlc；对ttlc进行阈值划分并对每个阈值范围进行风险评分，得到sttlc；

步骤2，当前方目标车辆纵向速度vtx增大时，将前方目标车辆纵向速度vtx分为若干个阈值范围，并对每个阈值范围进行评分，得到svtx；

当前方目标车辆纵向速度vtx减小时，将vtx的评分结果记为

步骤3，对每个阈值的评分结果sttlc和svtx进行求和得到总评分s，将总评分s分档，根据分档结果完成风险等级划分。

进一步的，所述实时间距d不变或增大时，表示vtx在增大，按照vtx增大时的阈值划分及评分规则进行评价；

所述实时间距d减小时，则判断本车的加速度与前方目标车辆的加速度，当本车的加速度大于前方目标车辆的加速度时，则按照vtx增大时的阈值划分及评分规则进行评价；否则

进一步的，所述步骤s5中，数据处理器通过can总线接收激光雷达采集的前方目标车辆的纵向速度vtx，横向速度vty以及前方目标车辆与当前进行超车动作的车辆的实时间距d；数据处理器根据所输出的风险等级触发预警指示灯进行预警提示。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测装置，通过视觉摄像头和激光雷达对前方目标车辆运动信息和车路信息进行持续同步采集；通过数字图像处理器处理采集到的车路信息，得到拟合的车道线和前方目标车辆的前轮触地点位置；通过数据处理器综合分析前方目标车辆的前轮触地点位置到拟合车道线的最短距离、通过激光雷达采集到的前方目标车辆的纵向速度、前方目标车辆的横向速度、前方目标车辆与当前进行超车动作的车辆的实时间距，得到超车风险等级，通过预警指示器进行超车风险等级提示，预防交通事故发生。

本发明一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测方法，可适用多种超车工况，既可识别在直线车道超车时前方目标车辆的运动状态，也可识别在弯道上进行超车时前方目标车辆运动状态；本发明方法在工作时，无需采集大量当前车辆或前方目标车辆的运动参数，只需通过视觉摄像头采集前方目标车辆的运动位置，并通过视觉算法对前车所处的车道位置进行处理，结合激光雷达采集的前方目标车辆的运动参数，综合分析后得到实时的超车动作风险程度，判断风险程度的高低，将风险程度等级发送到预警指示器，预警指示器实时显示风险等级，给驾驶员进行实时预警，降低交通风险。

附图说明

图1为本发明提供的一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测装置结构示意图；

图2为本发明提供的一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测方法流程图；

图3为本发明在直线车道超车时对前方目标车辆运动姿态实时观测示意图；

图4为本发明在左弯曲车道进行超车动作时对前方目标车辆运动姿态实时观测示意图；

图5为本发明在左弯曲车道进行超车动作时，前方目标车辆处于当前车辆右前方时识别到的车道线以及左前轮触地点位置示意图；

图6为本发明在左弯曲车道进行超车动作时，前方目标车辆处于当前车辆左前方时识别到的车道线以及右前轮触地点位置示意图；

图7为本发明在右弯曲车道进行超车动作时对前方目标车辆运动姿态实时观测示意图；

图8为本发明在右弯曲车道进行超车动作时，前方目标车辆处于当前车辆右前方时识别到的车道线以及左前轮触地点位置示意图；

图9为本发明在右弯曲车道进行超车动作时，前方目标车辆处于当前车辆左前方时识别到的车道线以及右前轮触地点位置示意图；

图中:1、激光雷达，2、视觉摄像头，3、数字图像处理器，4、数据处理器，5、预警指示器。

具体实施方式

为了使本发明所实现的技术手段易于明白了解，下面结合附图，进一步阐述本发明。

如图1，一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测装置，包括:激光雷达1，视觉摄像头2，数字图像处理器3，数据处理器4和预警指示灯5；其中，

激光雷达1用于采集并输出前方目标车辆的纵向速度、横向速度以及与当前车辆的实时间距；

视觉摄像头2用于采集道路信息和前方目标车辆的行驶位置信息；

数字图像处理器3和数据处理器4用于处理视觉摄像头采集的车路信息并输出车道线信息和前方目标车辆前轮触地点位置信息；

预警指示器5用于接收数据处理器4的信号并对当前超车动作进行预警提示；

激光雷达1的输出端连接至车载can总线，视觉摄像头2的输出端连接数字图像处理器3的输入端，数字图像处理器3的输出端连接数据处理器4的输入端；数据处理器4的另一输入端连接至can总线，数据处理器4输出端连接预警指示器5输入端。

在本发明的优选实施例中，激光雷达1安装在车辆前方进气栅格的中间位置；视觉摄像头2安装在前挡风玻璃中间正上方位置；数字图像处理器3和数据处理器4均安装在车内仪表盘后侧；预警指示器5安装在车内仪表盘旁。

如图2所示，为本发明提供的一种超车时前方目标车辆运动姿态实时观测方法流程图，包括以下步骤：

步骤1，通过视觉摄像头2按照一定的工作频率对前方目标车辆以及其所在车道的道路信息进行持续采集，所采集的信息包括车道线和前方目标车辆前轮触地点位置；本发明中考虑了三种超车工况，分别为直线车道行驶超车、向左弯曲车道行驶超车、向右弯曲车道行驶超车，对应的三种工况分别对应图3、图4和图7，其中，当进行超车动作时，前方目标车辆位于当前车辆所在车道的右侧车道时，视觉摄像头2采集前方目标车辆的左前轮触地点位置，如图5和图8所示；当前方目标车辆位置当前车辆所在车道的左侧车道时，视觉摄像头2采集前方目标车辆的右前轮触地点位置，如图6和图9所示；

视觉摄像头2的采集频率可根据实际工况进行适当调整，在本发明的优选实施例中，视觉摄像头2采集频率为25hz。

步骤2，对获取的前方目标车辆和道路的图像信息进行实时处理，具体为：视觉摄像头2采集的车路信息为数字图像形式，将信号发送到数字图像处理器3中，数字图像处理3识别出前方目标车辆前轮触地点位置以及车道线，通过逆透视变换将采集到的信息转换成俯视图形式的“鸟瞰模型”，继续二值化处理“鸟瞰模型”图，再通过最小二乘法基于b样条曲线拟合车道线，通过霍夫变换画出前方目标车辆前轮触地点位置，得到拟合车道线f(t)和前车左前轮触地点坐标位置ptl或前车右前轮触地点坐标位置ptr，其中a，d是车道曲线的起点和终点，b、c控制样条的形状，设待拟合点为fi(t)，其对应的d(qj,qj-1)为欧氏距离。

在本发明的优选实施例中，数字图像处理器3按照每隔40ms的计算频率，计算处理视觉摄像头2发送的车路信息。

步骤3，前方目标车辆运动状态参数采集，具体为：通过激光雷达1采集前方目标车辆的纵向速度vtx，横向速度vty以及前方目标车辆与当前进行超车动作的车辆的实时间距d，此时检测到纵向速度和横向速度被认为是前方目标车辆的质心速度，实时间距d为前方目标车辆的车尾边缘相距当前车辆的车头边缘，如图3，图4和图7所示。

激光雷达1的采集频率可根据实际工况进行适当调整，在本发明的优选实施例中，激光雷达1采集频率为25hz。

步骤4，综合分析数据得到实时风险等级，具体为：数据处理器4接收到数字图像处理3发送过来的前方目标车辆左前轮触地点坐标位置ptl或前方目标车辆右前轮触地点坐标位置ptr以及拟合车道线f(t)，并计算前方目标车辆前轮触地点位置到拟合车道线f(t)的最短距离为l，其中当前方目标车辆所处位置为当前车辆所在车道的右侧车道时，l为前方目标车辆左前轮触地点位置ptl至车道线f(t)的最短距离ltl，如图5和图8所示；当前方目标车辆所处位置为当前车辆所在车道的左侧车道时，l为前方目标车辆右前轮触地点位置ptr至车道线f(t)的最短距离ltr，如图6和图9所示；

在本发明的优选实施例中，最短距离l通过求解下述方程组得到：其中y0为前车前轮触地点位置pt在图像坐标系中的纵坐标，x0前车前轮触地点位置pt在图像坐标系中的横坐标，f′(x0)为拟合的车道曲线在在图像坐标系中x0处的斜率；

数据处理器4同时接收到can总线上由激光雷达1检测并发送的前方目标车辆的纵向速度vtx，横向速度vty以及前方目标车辆与当前进行超车动作的车辆的实时间距d，结合前方目标车辆前轮触地点位置相距车道线的最短距离l，同时近似前方目标车辆前轮的横向速度为激光雷达检测到的前方目标车辆的横向速度，如图5，图6，图8和图9所示，计算出实时跨道时间ttlc(timetolanecrossing)，ttlc＝l/vty；

激光雷达1的采集频率可根据实际工况进行适当调整，在本发明的优选实施例中，激光雷达1采集频率为25hz；

结合跨道时间ttlc、前方目标车辆纵向速度vtx和两车的实时间距d对当前进行超车动作的车辆进行超车动作风险预估，预测规则为：将ttlc，d，vtx分为多个阈值范围，对三个参数的不同阈值范围分别进行评分，将评分结果求和，得到总评分s，总评分s越高表示当前超车动作风险越高，总评分s越低表示当前超车动作风险越低，最后对总评分s进行分档，按照分档进行风险等级划分。

跨道时间ttlc表示前方目标车辆偏离其行驶的车道而进入当前超车车辆所在车道的时间，超车过程中这个参数可以直观的反应超车动作的危险程度，其阈值划分及评分规则为：若ttlc<0，则sttlc＝10；若ttlc＝0，则sttlc＝8；若0<ttlc<3s,则sttlc＝5；若3s<ttlc<6s，则sttlc＝3；若6s<ttlc<10s，则sttlc＝2；若ttlc>10s,则sttlc＝2；

前方目标车辆与当前车辆的实时间距d的变化是由当前车辆的车速与前方目标车辆纵向速度共同影响的结果，如果当前车辆正在进行超车动作，即当前车辆开始加速，d的阈值划分及评分规则为：d不变或增大时，则表示前方目标车辆同时在加速，即vtx在增大，这时结合前方目标车辆的纵向速度vtx；

前方目标车辆纵向速度vtx增大时，其阈值划分及评分规则为：若增速在0～5km/h范围内，则若增速在5km/h～10km/h范围内，则若增速在10km/h～15km/h，则若增速在15km/h～20km/h范围内，则若增速在20km/h以上，则

d持续减小时，由于当前车辆处于加速状态，此时可分为两种情况：若当前车辆的加速度大于前方目标车辆的加速度，则按照vtx增大时的阈值划分及评分规则进行评价；若vtx持续减小，

超车动作风险程度t由跨道时间ttlc、前方目标车辆纵向速度vtx和两车的实时间距d三个参数同时决定，当总评分s在0～3区间时，风险等级t为1级；当总评分s在4～6区间时，风险等级t为2级；当总评分s在7～8区间时，风险等级t为3级；当总评分s在9～10区间时，风险等级t为4级；当总评分s在10或以上时，风险等级t为5级；

在本发明的优选实施例中，数据处理器4按照每间隔40ms的计算频率对激光雷达1和数字图像处理器3发送的信号进行计算处理，计算每隔40ms的跨道时间ttlc、两车间距d和前方目标车辆纵向速度vtx，并对其记录分析得到超车动作风险等级，将得到的判断结果发送到预紧指示器5；通过预警指示器5提醒驾驶员当前超车动作实时风险程度。

在本发明某一实施例中，当预警指示器5当接收到数据处理器4发送的风险等级信号为5级时，预警指示器5将通过声音提醒驾驶员当前超车动作风险较高，放弃超车动作。

工作时，视觉摄像头2采集到车路信息为数字图像形式，数字图像处理器3对采集到的数字图像进行处理，通过逆透视变换、最小二乘法、霍夫变换得到车道线以及前方目标车辆前轮触地点位置信息，并将信号发送到数据处理器4，数据处理器4根据获取得信号得到前方目标车辆前轮触地点位置到车道线的最短距离l，同时数据处理器4也接收到can总线发来的由激光雷达1采集的前方目标车辆纵向速度vtx，横向速度vty以及前方目标车辆与当前进行超车动作的车辆的实时间距d，综合数据计算分析得到超车动作实时风险等级，将判断结果发送到预紧指示器5，通过预紧指示器5提醒驾驶员当前超车动作的实时风险等级，注意预警。

以上结合附图对本发明的实施方式进行了阐述，但本发明不局限于上述具体的实施方式，上述具体的实施方式仅仅是示意性的，而非限制性的，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于本发明要求保护范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。