实现主动安全：汽车离道报警系统设计方案

1.概述

随着汽车的普及和高速公路的兴建，汽车的主动安全性能受到人们越来越多的关注，安全辅助驾驶已成为国际智能交通系统研究的重要内容。然而，研究表明，在驾驶员--汽车--道路3个环节中，驾驶员是可靠性最差的一个环节，80％以上的交通事故来自于驾驶员的错误。据统计，其中约有44％的交通事故与车辆行驶偏离正常车道有关，其主要原因是驾驶员注意力不集中或者疲劳驾驶，造成车辆的无意识偏离。针对此情况，行车过程中的车道检测及报警的研究，受到了世界各国的高度重视。
 
系统功能及项目目标
   
系统的主要功能分为下面五个部分：

（1）通过摄像机获取车道信息，即视频帧图像
（2）对得到的视频帧图像进行预处理
（3）对预处理后的图像进行边缘提取，获得车道标识
（4）根据车道标识进行离道评估
（5）根据评估结果做出相应报警措施
 
系统的要求及目标：
   
（1）系统的所有功能和算法都使用FPGA实现
（2）系统能满足实时处理要求，达到系统的实用性
 
2.项目方案

2.1 功能模块

从功能上，车道偏离报警系统可分为4个功能模块，分别是：车道识别预处理(Preprocessing)、车道模型判断(Mode Selection)、车道识别(Lane Detection)和道路偏离判断(Warning)，采用例图表示系统功能，如图一所示。

图1：车道偏离报警系统结构图

 
1. 车道识别预处理模块

车道识别预处理模块是整个系统的基础，车道边缘特征点提取模块主要包括一些预处理的平滑算法，基于灰度阈值分割的车道外边缘检测和车道图像的二值化处理。
 
2. 车道判断模块

车道判断模块，根据道路的先验知识，通过直线或者曲线模型来确定车道线，将车道检测转化为确定数学模型的参数。车道模型分为直线模型，曲线模型和组合模型三种。
 
3. 车道检测模块

车道检测指在没有道路先验信息条件下，确定车道标志线的位置，用直线或者曲线拟合车道特征点，得到车道线的数学模型，用于车道偏离预警的判断。
 
4. 道路偏离模块

道路偏离模块根据车道检测模块得到的数据，利用车道偏离警告标准进行车道偏离判断，根据判断的结果和给定的阈值比较，做出相应警告。
 
从用例图中可以看出这四个模块的相互关系，在图像预处理模块和车道模型选择模块的基础上，启动车道检测模块。预警模块则依赖于车道检测模块，根据车道检测的参数，判断是否预警。
 
2.2 处理流程

该系统的流程图如图二所示：

图2：车道偏离报警系统流程图

 
1.视频图像采集

根据摄像头的安装位置，摄像头可以分为侧视摄像（摄像头安装在车辆侧面）和前视摄像（摄像头安装在车辆前部，斜指向车辆的前方），本系统中采用前视摄像方式。
 
2.图像预处理

图像在采集过程中，由于路面存在坡度，障碍物，车道在远方还有天空等信息，这些信息具有很强的干扰性，因此捕获得到的车道不能直接用于车道检测。需要通过一些图像初始化，选择感兴趣的区域，以减少干扰和提高计算性能。为了消除噪音的影响还要做低通滤波，最后还要采用利用阈值对图像进行二值化分割，以获取更为清晰的车道线，简化了车道线检测。
 
3.车道检测

车道检测指在没有道路先验信息条件下，确定车道标志线的位值，用直线或者曲线拟合车道特征点，得到车道线的数学模型，用于车道偏离预警的判断。车道的视频图像具有连续性，车道线不会发生突变，因此，对于车道特征不明的单帧图像，可以引入前一帧图像的车道模型参数，提高检测的精度。同时，在前一帧车道线周围设置感兴趣区域，缩小检测范围，提高检测速度。
 
4.车道偏离判断

车道偏离判断的警告标准可以分为四种，基于车辆在车道中的当前位置，基于将来偏移量的不同，基于车辆将横越车道边界的时间，基于知识的道路场景感知。
 
2.3 硬件架构

本设计采用Xilinx公司的Nexys 3 Spartan-6 FPGA Board开发板，利用其上的Xilinx Spartan®-6 FPGA (XC6LX16-CS324) 的大容量逻辑资源完成各个模块。根据2.2节中的处理流程，系统应该包括以下模块：视频数据提取模块，预处理模块，车道检测模块，车道偏离模块，整体的硬件架构如图三所示：

图3：硬件架构图

 
视频数据提取模块复杂提取车道视频图像，并通过USB控制单元将视频帧传输到预处理模块。在预处理模块对视频帧图像进行加强，得到车道与背景分割的二值化图像。在车道检测模块中将二值化图像的中的车道进行拟合，得到清晰稳定的车道信息。最后根据车道的信息参数，判断汽车离道。

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