CN100515840C - 基于图像处理的汽车自动刹车系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的汽车自动刹车系统和方法，包括图像采集装置、车速采集装置、处理装置和自动刹车控制装置，图像采集装置采集汽车前方视野范围内的图像数据并输出到处理装置，车速采集装置采集汽车当前的行驶速度，并将车速数据传输给处理装置，处理装置根据图像数据计算出前方障碍物的位置，再结合车速数据控制自动刹车控制装置启动，还包括油门屏蔽装置，油门屏蔽是通过在汽车的电控转向系统的电控单元中屏蔽节气门信号，使电控单元不执行加油门信号实现。本发明在无人干涉的情况下，使汽车根据周边障碍物的情况和汽车的行驶情况，自动进行刹车操作，从而获得更高的安全性。

Description

基于图像处理的汽车自动刹车系统和方法

【技术领域】

本发明涉及汽车的刹车系统和刹车方法，尤其涉及一种基于图像处理的汽车自动刹车系统和方法。

【背景技术】

近年来，随着汽车产业化的进程，国内汽车的持有量持续上升，同时驾驶员的数量也在急剧增加。由于驾驶员中的新手很多，在道路拥挤和出现危险状况的时候，有的驾驶员由于比较紧张，经常会出现将油门当作刹车的误操作，由此引发了多起恶性交通事故。而这些交通事故的结果通常都会造成非常严重的人员伤亡。另外，有的驾驶员通常会出现疲劳驾驶的情况，在不经意间使车辆失去控制，车辆脱离正确行驶路线，造成严重的交通事故。这些事故无论给司机还是其他受害者及其家属都带来了巨大的伤害，是人们不愿看到其发生的。通过交通部门的数据统计，如果驾驶员能够正确的进行刹车操作，将会避免很多恶性事故的发生。

如何能够适当地减少这种因驾驶员的主观原因而发生的交通意外呢？一是从驾驶员自身出发，提倡安全驾驶，在环境复杂的情况下低速谨慎驾驶，避免疲劳驾驶，定期对车辆进行安全性检查。而另一种是通过一种可靠的自动刹车系统去帮助驾驶员在紧急情况下进行自动刹车，避免驾驶员因为误操作或不做为而导致交通事故的发生。如果汽车能够自己识别出当前位置、运动轨迹以及周围的环境参数，并且能够根据数据进行综合加以判断，以取代人为的刹车作业而避免上述的问题，则将大大提高驾驶的安全性。发明名称为“由计算机控制的汽车防撞装置”(申请号为CN02201964.2，公开日为2002年10月16日)中公开了一种防撞装置，由摄像机构探测出汽车前面的障碍物，并将数据传输到计算机，由计算机控制电机的转动与停止，由电机控制汽车制动臂动作。该方案通过摄像机构来探测障碍物，避免了因人为的疏忽而导致的车辆碰撞事故。但该方案的缺陷是：1)该方案只考虑了障碍物距汽车的距离，而没有考虑汽车的车速，如果汽车的车速很小，可能不需要自动刹车，相反如果突然自动刹车，可能出乎后面汽车司机的意料，和后面的汽车发生碰撞。2)在突发事件情况下，驾驶员往往比较紧张，特别是不熟练的驾驶员，往往将油门当作刹车踩，导致严重事故。而该方案中只是自动控制汽车制动臂动作进行刹车。

但如果此时驾驶员同时踩下油门，汽车仍然不会减速或停止，很难避免事故的发生。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决现有技术的问题，提供一种基于图像处理的汽车自动刹车系统和方法，利用摄像装置采集的图像数据，经过处理后，判断出障碍物的位置，并根据汽车的车速判断是否控制刹车，从而在无人干涉的情况下，根据周边障碍物的情况，自动进行刹车操作以获得更高的安全性。

本发明的次要目的就是为了解决现有技术的问题，提供一种基于图像处理的汽车自动刹车系统和方法，在自动刹车时，将油门屏蔽，即使驾驶员误踩了油门，也不会控制汽车加速，从而在驾驶员误操作的情况下，也能获得更高的安全性。

为实现上述目的，本发明提出的一种基于图像处理的汽车自动刹车系统，包括图像采集装置、处理装置和自动刹车控制装置，所述图像采集装置采集汽车前方视野范围内的图像数据并输出到处理装置，还包括车速采集装置，所述车速采集装置采集汽车当前的行驶速度，并将车速数据传输给处理装置，所述处理装置根据图像数据计算出前方障碍物的位置，再结合车速数据控制自动刹车控制装置启动，还包括油门屏蔽装置，所述油门屏蔽装置响应处理装置的控制，用于在自动刹车控制装置启动时对油门加油功能进行短时屏蔽，其中，油门屏蔽是通过在汽车的电控转向系统的电控单元中屏蔽节气门信号，使电控单元不执行加油门信号实现。

优选的，所述图像采集装置为CCD摄像头或CMOS摄像头，所述CCD摄像头或CMOS摄像头为三个，设置于车身前面，且三个摄像头排列在与地面平行的同一直线上。

本发明的更进一步改进是：所述汽车自动刹车系统还包括用于控制自动刹车功能启用和关闭的功能启动开关装置，所述功能启动开关装置的输出端耦合到处理装置。

所述汽车自动刹车系统还包括声音提示装置，所述声音提示装置响应处理装置输出的控制信号播放声音提示。

为实现上述目的，本发明提出的一种基于图像处理的汽车自动刹车方法，包括以下步骤：

A1、处理装置接收图像采集装置采集的汽车前方视野范围内的图像数据，根据图像数据计算出前方障碍物的位置；

B1、处理装置接收车速米集装置采集的汽车当前的行驶速度，根据前方障碍物的位置和汽车行驶速度计算出汽车到达障碍物的时间；

C1、判断汽车到达障碍物的时间是否小于设定时间，如果是则执行步骤D1，如果不是则执行步骤A1；

D1、处理装置控制自动刹车控制装置启动，以使汽车刹车；

在步骤D1后还包括油门屏蔽步骤：油门屏蔽装置响应处理装置的控制，对油门加油功能进行短时屏蔽；其中，油门屏蔽是通过在汽车的电控转向系统的电控单元中屏蔽节气门信号，使电控单元不执行加油门信号实现。

本发明的更进一步改进是还包括以下步骤：处理装置响应功能启动开关装置的信号，控制自动刹车功能启用或关闭。

在自动刹车功能启用后还包括以下步骤：处理装置控制声音提示装置输出语音提示。

本发明的又一改进是：在步骤B1之前、步骤D1后还包括以下步骤：判断汽车到达障碍物的时间是否小于第二设定时间，如果是则播放语音提示，如果不是则执行步骤A1，并且第二设定时间大于第一设定时间。

本发明的有益效果是：1)处理装置根据图像采集装置采集的汽车前方视野范围内的图像数据和车速采集装置采集的汽车当前的行驶速度，分析出周围物体距车身的距离数据和运动趋势后得出汽车的当前位置、运动轨迹以及周围的环境参数，依据上述参数作出自动刹车策略，并将其转换成电信号，自动刹车控制装置接受该电信号后，依据指令控制汽车刹车。从而在无人干涉的情况下，根据周边障碍物的情况和汽车的行驶情况，自动进行刹车操作以获得更高的安全性。与现有技术中都是根据汽车距离障碍物的距离来决定是否需要刹车的控制方式相比，本发明是根据汽车到达障碍物的时间来决定是否需要刹车，避免了不必要的刹车，既节约了汽油，也避免了不必要的后面追尾事故，在保证安全的基础上增加了自动刹车系统的准确性。2)在自动刹车控制装置启动后，油门屏蔽装置也启动，将油门加油功能进行短时屏蔽，防止驾驶员在紧张时将油门当作刹车踩，能够避免严重的事故，更全面的保证了汽车和驾驶员的安全。3)设置功能启动开关装置，可人为控制自动刹车功能的启用和禁用，增加了使用的方便性，并且在系统不启用时可以节约能源。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明一种实施例的汽车自动刹车系统的结构方块图；

图2是本发明另一种实施例的汽车自动刹车系统的结构方块图；

图3是本发明最佳实施例的汽车自动刹车系统的流程图。

【具体实施方式】

具体实施例一、如图1所示，图像采集装置、车速采集装置、自动刹车控制装置和油门屏蔽装置分别和处理装置相连，图像采集装置采集汽车前方视野范围内的图像数据并输出到处理装置，车速采集装置采集汽车当前的行驶速度，并将车速数据传输给处理装置，处理装置根据图像数据计算出前方障碍物的位置，再结合车速数据控制自动刹车控制装置启动和油门屏蔽装置启动。各装置之间又通过汽车的内部总线，如CAN BUS或LIN BUS等进行互联。

图像采集装置可以选用CCD摄像头(即电荷耦合器件摄像头)或CMOS摄像头(即互补金属氧化物半导体器件摄像头)。CCD摄像头和CMOS摄像头是目前最常用的两种数码相机，CCD是有为众多的微小光电二极管及译码寻址电路构成的固态电子感光成像部件。CMOS器件具有随即读取能力、优良的功能集成性能(容易与A/D转换电路、数字信号处理电路等集成一起，制作成本低)、较低的供耗和工作电压等优点。

车速采集装置包括相串联的速度传感器、调理电路和模数转换电路，速度传感器用于感知车速，车速信号是一些周期性的脉冲信号，经过采样后转换为模拟信号，调理电路将采集的车速信号进行放大和滤波等处理，经模数转换电路转换成数字信号后输出到处理装置。

自动刹车控制装置为ABS控制装置，ABS控制装置在汽车中作为汽车刹车装置。

油门屏蔽装置可采用在汽车的电控转向系统的ECU(电控单元)中屏蔽节气门信号，使ECU不执行加油门信号，从而即使驾驶员踩下油门也加不上油，保证紧急情况下的驾驶安全。

处理装置可以是CPU(中央处理器)。

汽车自动刹车系统的原理是：

将CCD摄像头或CMOS摄像头普遍设于车身周围，优选方案是CCD摄像头或CMOS摄像头为三个，设置于车身前面，且三个摄像头排列在与地面平行的同一直线上，利用三眼立体视觉的原理来测量图像距车身的距离和与车身的角度。所谓三眼视觉就是将三台摄像机放置在同一直线上，并且每台摄像机的纵轴都与该直线垂直。视频图像信号通过摄像头后就已经被转化为复合视频信号或者分量视频信号，这些信号直接连接到带视频接口的CPU中，这个CPU可直接将这些视频信号转换为数字图像，这类CPU很多，可以采用美国德州仪器的OMAP系列，ANYKA的AK3210系列等。假设中间位置上的摄像机所拍摄的图像为基准图像Is，位于两侧的另外两台摄像机相应地拍摄的图像为IL、IR。在任意时刻上，与基准线距离Bi上的基准图像Is上的点相对应的左右视差dRi、dRi可以从立体图像对求得。视差dLi、dRi与基准线的距离BLi、BRi的关系可由下式验证：

(dRi-∈)≤dLi*BRi/BLi  ≤(dRi+∈)

(dLi-∈)≤dRi*BLi/BRi  ≤(dLi+∈)

其中ε是图像的分辨率。满足上式关系点的视差di可由下式得到：

di＝dLi+dRi

当明确了三个摄像头的相对安装位置后，就可以确定出视差dRi、dRi。

在用三眼立体视觉方法的匹配中，用上述公式可求出视差信息，得到可靠性很高的信息。

通过立体视觉观测，可以获得与障碍物之间的距离，在汽车前方安装摄像机，设安装高度为H，汽车宽度为W，摄像头正下方的地面为原点O，高度方向设为Z轴，与Z轴相垂直的地面O-XY为汽车行驶的平面。对于在图像中的坐标为x，y的图像点p(x，y)，设用三眼立体视觉方法计算得到的视差为d，则对应的障碍物点P(X，Y，Z)的空间位置的关系可由下式简单地计算出来：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\frac{B}{d}\·R\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ f\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ H\end{array}\right]$

其中，B是三眼立体视觉地基准线距离，f是摄像机的焦距，R是表示摄像机方向的变换矩阵。从视野内障碍物的图像信息，由下式可求出方向角θ和距离L

θ＝arctan(X/Y)

$L=\sqrt{X^2+Y^2}.$

但要执行自动刹车控制还应该确定摄像机拍到的是否是障碍物。在移动环境中能够成为驾驶的障碍物，被定义为在有限距离L(视差d≠0)内，空间上的点Z的坐标值比汽车的高度H低，而且汽车自身没有能力跨越的目标物。

为了能够正确地识别可行驶区域和障碍物，利用满足下式的边界点的视差，检测出障碍物的方法：

$\left|\frac{I(x+\mathrm{\ϵ},y)-I(x-\mathrm{\ϵ},y)}{I(x,y)\×\mathrm{\ϵ}}\right|\≥\mathrm{\δ}$

上式中，I(x，y)是图像的灰度分布函数，δ是提取边界点时的阈值。利用三眼立体视觉的立体匹配以及选取适当的阈值，就可以得到具有高可靠性的视差信息。

由于边界点的视差信息是离散数据，所以传送到中央处理器中表示障碍物的数据也是离散的。在这些数据中，由于噪音的影响会存在着一些不确定的数据，这对距离信息的获取会有很大影响。为了减少这些影响，可以使用如下方法来删除不确定数据。由视觉信息求得的障碍物数据由于图像分辨率ε的影响，会产生方向误差Δθ和距离误差ΔL(d).

如果障碍物数据是由包含多个边界点的部分得到，则设在可由下列公式计算的范围ΔS内，假设障碍物具有连续性，则可估计出一定存在多个障碍物数据：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{\ϵ}}{f}$

$\mathrm{\ΔS}=\frac{2\mathrm{\ϵL}\left(d\right)}{f}\×L\left(d\right)$

ΔL(d)＝L(d-ε)-L(d+ε)

这里，在作障碍物信息的预处理时，设如果ΔS内只存在少于两个的障碍物数据的话，此障碍物数据被视为不确定数据删除。

经过障碍物信息的预处理后，所得到的数据就被认定位实际的障碍物数据。但是由于离散化处理后，障碍物数据之间会出现间隙。由此间隙的影响会使计算出来的距离信息产生误差，所以我们还要按照以下的处理顺序生成到障碍物的边界线，就可以求得可行驶的区域范围。

A)如果障碍物数据之间的间隙比汽车的宽度W窄，就作不能通行的数据处理。

B)沿任意方向的可驾驶距离限定为与该方向上障碍物数据中的距离障碍物最短的距离。

C)把经过A)、B)处理后所得到的表示可行走距离点用直线连接起来，所形成的连线定义为障碍物的边界线，任意方向上的可驾驶的距离限定在障碍物边界线以内。

具体还可以参照机器人探测障碍物的方法来确定障碍物的位置。

处理装置在确定障碍物并测得障碍物的距离和角度数据后，折算出障碍物到汽车的垂直距离，根据当前的车速，计算出汽车到达障碍物所在处所需时间T1，将该时间与第一设定时间T2比较，当T1＜T2时，处理装置控制ABS控制装置启动，使汽车刹车，并控制油门屏蔽装置将油门进行短时屏蔽。

自动刹车应用于紧急情况下，只有汽车进入紧急制动的距离后才启动自动刹车功能。设定的时间T2根据人的正常应急反应速度设定。人的正常应急反应速度是0.8秒，所以在时间上是足够驾驶员反应的，只有驾驶员不作为或误操作时，主动刹车才会启动。

刹车过程结束后，系统解除，直至汽车再次行驶。这个过程将周而复始地执行，也就是说，只要汽车处于行驶过程中，数据采集将不断地对周围环境进行图象采集和车速采集，并且分析汽车的当前位置，障碍物位置，汽车速度等参数，当满足主动刹车的条件时，由处理装置控制ABS控制装置和油门屏蔽装置启动，使汽车减速或停止。

具体实施例二、如图2所示，在具体实施例一的基础上增加了用于控制自动刹车功能启用和关闭的功能启动开关装置和声音提示装置，功能启动开关装置的输出端耦合到处理装置，声音提示装置响应处理装置输出的控制信号，用于在功能启动开关装置将自动刹车功能启用后播放声音提示。当驾驶员将功能启动开关装置设置在“开”的位置时，功能启动开关装置向处理装置发送第一电平信号，处理装置响应第一电平信号信号，控制图像采集装置和车速采集装置工作，ABS控制装置和油门屏蔽装置处于备用状态；同时处理装置向声音提示装置发送触发信号，触发声音提示装置中的语音芯片输出一语音提示，该语音信号通过放大后输出到喇叭播放出声音提示，提醒驾驶员汽车自动刹车系统已经启用。当驾驶员将功能启动开关装置设置在“关”的位置时，功能启动开关装置向处理装置发送第二电平信号，处理装置响应第二电平信号信号，控制汽车自动刹车系统的各部分关闭不工作。

还可以进一步设定第二设定时间T3，T3＞T2，当探测到障碍物后，将所需时间T1与第二设定时间T3比较，当T1＜T3时，处理装置控制声音提示装置报警，提醒驾驶员进行适当的操作，或减速或避让。第二设定时间T3可以设定为第一设定时间T2的2倍或1.5倍。

例如，通过障碍物距离进行分析，不同的车速下，紧急制动的距离是不同的，例如，在时速100公里时，驾驶员大概需要60米左右的安全刹车距离，所以当图像分析出距离小于80米后将进行语音提示，提醒驾驶员进行适当的操作，或减速或避让，小于40米后将进行主动刹车，否则就会发生交通事故。在这种速度下汽车从80米到40米需要1.44秒，人的正常应急反应速度是0.8秒，所以在时间上是足够驾驶员反应的，只有驾驶员不作为或误操作时，主动刹车才会启动。

该实施例的汽车自动刹车系统的流程图如图3所示，包括以下步骤：

在步骤101，处理装置响应功能启动开关装置输出的电平信号，然后执行步骤102；

在步骤102，处理装置判断电平信号是“开”信号还是“关”信号，如果电平信号为第一电平信号即“开”信号，则执行步骤104；如果电平信号为第二电平信号即“关”信号，则执行步骤103，控制汽车自动刹车系统的各部分关闭不工作；

在步骤104，处理装置控制汽车自动刹车系统的各部分工作，例如图像采集装置和车速采集装置工作，ABS控制装置和油门屏蔽装置处于备用状态，并且控制声音提示装置播放声音提示，然后执行步骤105；

在步骤105，处理装置接收图像数据和车速数据，然后执行步骤106；

在步骤106，处理装置计算出物体距汽车的距离和与汽车的角度，判断出障碍物，根据障碍物的距离、角度和车速，计算出汽车到达障碍物的时间T1，然后执行步骤107；

在步骤107，处理装置将T1与第二设定时间T3比较，如果T1＜T3则执行步骤108，如果T1＞T3则转向执行步骤105；

在步骤108，处理装置控制声音提示装置报警，然后继续执行步骤109；

在步骤109，处理装置将T1与第一设定时间T2比较，如果T1＜T2则执行步骤110，如果T1＞T2则转向执行步骤105；

在步骤110，处理装置控制ABS控制装置刹车、油门屏蔽装置屏蔽油门操作以防止误操作。

整个过程中，驾驶员可即时监控刹车过程，同时通过声音提示获得系统的工作状态，驾驶员在任何时候都可人工接控，关闭功能启动开关装置，解除主动刹车功能。

Claims (9)

1.基于图像处理的汽车自动刹车系统，包括图像采集装置、处理装置和自动刹车控制装置，所述图像采集装置采集汽车前方视野范围内的图像数据并输出到处理装置，还包括车速采集装置，所述车速采集装置采集汽车当前的行驶速度，并将车速数据传输给处理装置，所述处理装置根据图像数据计算出前方障碍物的位置，再结合车速数据控制自动刹车控制装置启动，还包括油门屏蔽装置，所述油门屏蔽装置响应处理装置的控制，用于在自动刹车控制装置启动时对油门加油功能进行短时屏蔽，其特征在于：油门屏蔽是通过在汽车的电控转向系统的电控单元中屏蔽节气门信号，使电控单元不执行加油门信号实现。

2.如权利要求1所述的汽车自动刹车系统，其特征在于：所述图像采集装置为CCD摄像头或CMOS摄像头，所述CCD摄像头或CMOS摄像头为三个，设置于车身前面，且三个摄像头排列在与地面平行的同一直线上。

3.如权利要求1所述的汽车自动刹车系统，其特征在于：所述自动刹车控制装置为ABS控制装置。

4.如权利要求1-3中任一项所述的汽车自动刹车系统，其特征在于：所述汽车自动刹车系统还包括用于控制自动刹车功能启用和关闭的功能启动开关装置，所述功能启动开关装置的输出端耦合到处理装置。

5.如权利要求4所述的汽车自动刹车系统，其特征在于：所述汽车自动刹车系统还包括声音提示装置，所述声音提示装置响应处理装置输出的控制信号播放声音提示。

6.基于图像处理的汽车自动刹车方法，包括以下步骤：

A1、处理装置接收图像采集装置采集的汽车前方视野范围内的图像数据，根据图像数据计算出前方障碍物的位置；

B1、处理装置接收车速采集装置采集的汽车当前的行驶速度，根据前方障碍物的位置和汽车行驶速度计算出汽车到达障碍物的时间；

C1、判断汽车到达障碍物的时间是否小于第一设定时间，如果是则执行步骤D1，如果不是则执行步骤A1；

D1、处理装置控制自动刹车控制装置启动，以使汽车刹车；

在步骤D1后还包括油门屏蔽步骤：油门屏蔽装置响应处理装置的控制，对油门加油功能进行短时屏蔽；其特征在于：油门屏蔽是通过在汽车的电控转向系统的电控单元中屏蔽节气门信号，使电控单元不执行加油门信号实现。

7.如权利要求6所述的汽车自动刹车方法，其特征在于还包括以下步骤：处理装置响应功能启动开关装置的信号，控制自动刹车功能启用或关闭。

8.如权利要求6或7所述的汽车自动刹车方法，其特征在于在自动刹车功能启用后还包括以下步骤：处理装置控制声音提示装置输出语音提示。

9.如权利要求8所述的汽车自动刹车方法，其特征在于在步骤B1之前、步骤D1后还包括以下步骤：判断汽车到达障碍物的时间是否小于第二设定时间，如果是则播放语音提示，如果不是则执行步骤A1，并且第二设定时间大于第一设定时间。

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