汽车工程 2010 年(第32卷)第4期 Automotive Engineering 2010(Vo1.32)No.4 2010068 道路环境感知与预警系统的研究水 龚进峰,戎辉,张宏伟,王旭,李艳文 (中国汽车技术研究中 ,天津300162) [摘要]提出了一种具有3层控制结构的车辆道路环境感知与预警系统,其中主要包含前向碰撞预警和自适 应前照灯两个模块。实车道路试验结果表明,该系统能有效地增强驾驶员的感知能力并在危险时发出碰撞预警,显 著提高了行车安全性。 关键词:环境感知;碰撞预警;自适应前照灯 A Study on Road Condition Perception and Warning System Gong Jinfeng,Rong Hui,Zhang Hongwei,Wang Xu&Li Yanwen China Automotive Technology&Research Center.Tianfin 300162 [Abstract] A road condition perception and warning system with three—layer control structure is proposed, which mainly includes forward collision warning and adaptive front—lighting modules.The results of real vehicle road test indicate that the system can effectively enhance the perception ability of driver,and give collision warning in dangerous situation,greatly improving vehicle operation safety. Keywords:environment perception;collision warning;adaptive front-lighting 基于多传感器信息融合的驾驶人感知增强技 前言 术、自动驾驶技术等,不仅是目前国内外相关科技人 员研究的重要内容,也是未来基于智能交通(ITS)的 国外对于智能汽车及环境感知技术的研究起步 汽车安全技术发展的一个重要方向。 于20世纪80年代,最初的研究目的是为了军事领 文中提出一种车辆道路环境感知与预警(road 域的应用,后来逐步应用到民用领域¨ j。 condition perception and warning,RCPW)系统,它属 国内对智能汽车环境感知技术的研究比国外起 于一种车辆安全辅助驾驶系统,可使车辆在较差的 步要晚,20世纪90年代一些科研院所开始进行相 环境中能够识别路况信息,增强驾驶人在不利环境 关领域的研究工作。吉林大学从20世纪9O年代开 下对环境的感知能力,以辅助驾驶人安全行车。 始进行自动引导车的研究,先后开发出多个型号的 自动引导车辆,如JLUIV-4实验型智能汽车。西安 1 整体构架 交通大学在其开发的Springrobot智能汽车实验平台 上开展了结合视觉和雷达的车道检测、车辆检测和 RCPW系统主要用于提高车辆在夜间及弯道行 摄像机标定方法的研究。清华大学在道路环境感知 驶时对危险情况的辨识能力,同时通过辅助照明及 方面主要针对驾驶安全辅助技术开展研究工作,在 夜视系统增大驾驶员的可视距离及范围。RCPW系 车道识别、车辆检测等关键技术方面取得了一系列 统还具有网络接口(CAN/LIN网络),使其传感器信 突破,建立了THASV-II安全汽车平台。国防科技大 息以及预警信号可以更好地同车上的其他系统共 学和上海交大都在此领域开展了研究工作。 享,增加整车的集成度,提高信息的利用率。 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2006AA11Z216)和天津市科技支撑计划重点项目(08zCKFGx026o0)资助。 原稿收到日期为2009年3月26 13,修改稿收到13期为2009年7月27 13。 2010(Vo1.32)No.4 龚进峰,等:道路环境感知与预警系统的研究 ・329・ RCPW系统采用分层控制结构,如图1所示,共 戬包含了道路信息感知层、决策层和执行层。 ,’‘。‘ 一一一 ‘ !道路信息感知层 ; 彩色摄像机 平台 一鞑一一一一 处理,图像信息的分层显示 图像信息与系统参数的 叠加等,并通过液晶显示屏向驾乘人员提供友好的、 人性化的界面。 信息集中平台子系统主要包括一个控制器 模块和一个液晶显示器。控制器模块用于该系 统的信息采集显示以及子系统的状态切换等,其中 包括了图像、车辆状态、碰撞预警信息的采集显示 等。其输入信号有视频信号、CAN信号和用户的按 ,吝 。 .. ;.H 图1 RCPW系统结构示意图 道路信息感知层包括多种传感器,例如彩色摄 像机、红外摄像机、激光雷达和车速传感器等。系统 通过这些传感器得到道路信息及车辆当前的状态, 为系统提供了信号输入。系统的决策也是基于对传 感器信号的判断做出的。 各种情况的处理将在决策层进行。该层包括信 息集中平台、前向碰撞预警(FCW,forward collision warning)模块和自适应前照灯系统(AFS,adaptive front—lighting system)模块。信息集中平台显示当前 系统的状态信息,控制系统状态。FCW模块负责提 供前向碰撞预警信号。如果经碰撞监测算法得出车 辆处于危险状态,则启动报警(包括声音提示及指示 灯提示)。AFS模块中含有的运动学模型及其控制 策略,可根据车辆的当前状态,由运动学模型计算出 近光灯光轴的偏转角度。 执行层包括人机界面和近光灯光轴调整执行单 元。由摄像机采集并经处理后的路面图像将显示在 车载LCD屏幕上,同时车速、转向盘转角等状态信 息也显示在其上。报警时报警灯点亮并伴有声音提 示。光轴调整单元由步进电机和转向机构组成,它 可以提供在水平和垂直两个方向上的光轴移动。 通过3个层次的协调工作,RCPW系统可以显 著增强夜间的可视性,及时进行危险预警,并显示系 统的状态信息。 2信息集中平台 信息集中平台主要通过与FCW系统和AFS的 网络通信,实现图像信息的传输、系统信息的采集与 键操作;输出有图像、指示灯和蜂鸣器等。 中控器模块的硬件结构分为两个部分: DM355 图像处理模块和接口控制模块。其结构框图如图2 所示。 I l 液晶显示屏 8寸TFT II 一 …二…二…一P【●… ●。:t●信 :A号L●输: 视出频●: 按I::—:_ -链1广\输I 入 \l_1\ l. :三i景= 。视频处理 _, 视频切换 信息显示 = 及放大模块 高 。。 三..L f AFS 模块 一 速cAN f 图2 中控器模块硬件框图 DM355模块包括视频前端和后端的处理模块和 串口模块等。接口控制模块包括MCU、视频切换及 放大模块、CAN收发器、指示灯和蜂鸣器。 从图2可知,DM355模块通过串口与MCU连 接。视频切换及放大模块通过输入与输出视频信号 与DM355连接,同时与外部FCw模块的视频输出 和红外CCD连接。外部的液晶显示屏通过队L制 式视频信号同视频切换及放大模块连接。MCU通 过通用的I/O接口与视频切换及放大模块连接。指 示灯与蜂鸣器通过通用的I/0接口和MCU连接。 AMIS30660通过串行总线和MCU连接。同时通过 高速CAN5OOK接口同外部的AFS和FCW模块 连接。 DM355模块用于图像处理和系统信息的显示 等,通过串口与MCU进行通信。MCU将要显示的 信息和控制状态字传送到DM355模块。 -视频切换及放大模块用于视频信号的放大及切 ・330・ 汽车工程 2010年(第32卷)第4期 换分配。其输人为FCW系统处理后的彩色CCD信 号和一个红外CCD的视频信号。MCU可通过通用 I/O口选择这两路视频信号中的一路输入DM355 像和传感器数据进行实时处理。处理后得到的图像 模块,同时DM355模块的输出信号通过视频切换及 放大模块放大后输入到外部的液晶显示屏上进行显 示。指示灯及蜂鸣器用于FCW系统的报警和系统 状态的指示。 和预警信息,通过CAN总线发送到信息集中平台进 行显示和预警信号的发布。 前向CCD安装在后视镜附近,利用它采集道路 图像,使用嵌入式系统进行图像处理,利用边缘提取 和模式匹配的方法提取并辨识道路标识线和车辆障 碍物的特征信息,在图像上标记位置。 雷达的测量信号可能来源于目标车辆,也可能 来源于其他干扰物。由于雷达自身工作的不稳定及 AMIS30660为高速CAN接口,MCU可通过它与 高速CAN网络通信,与FCW和AFS模块进行数据 的共享。 3前向碰撞预警(FCW)系统 FCW系统对减少交通事故的发生率和死亡率 发挥了显著作用 。其主要功能是通过对车辆、道 路和行驶环境的判断,得出恰到好处的判断信息,提 醒驾驶员以提高驾车的安全性。当车辆处于危险状 况时,给出声音及灯光警示;如果驾驶员没有采取任 何措施,FCW模块会关闭节气门进行辅助制动,以 帮助车辆减速,从而使其摆脱将要碰撞的危险。 FCw系统将雷达信号和视频图像进行融合,雷 达给出障碍物的准确距离及相对速度,同时视频图 像提出 该障碍物的确切方位角度,这样就达到了 对特定障碍物进行辨识的要求。模块会把扫描到的 所有障碍物标识出来,对可能造成碰撞的情况及时 警示。 FCw系统包括传感器、处理器和预警设 备,但并未包括辅助制动功能(将在后续工作中完 善),其硬件框图如图3所示。 制动信号l I节气门开度 彩色 摄像机 _叫Fcw处理I…-取 .. :…………. 扫描激光 —J模块J雷达 荔 嚣褰I和『嚣-l 辜 信) …………….荨箱函像L..惶翻 一像 兰皇 一 图3 FCW系统硬件配置 传感器包括一台彩色摄像机和扫描激光雷达。 车速信号、制动信号和节气门开度信息都来自试验 车辆自身的传感器。所有这些传感器信息将会送人 FCW系统的处理单元。它负责危险状况的监 测,做出判断并采取相应的措施。处理单元使 用基于TI达芬奇技术的DM6446处理器,可以对图 目标回波能量分布的不均,还可能出现虚假目标。 另外,随着车辆行驶中的随机颠簸和摆动,雷达测量 信号可能出现短暂丢失,从而导致目标物信息的较 大波动。 为提高雷达测量信号的准确性,雷达对车前目 标的检测和识别分为3部分内容:目标初选、目标预 测和目标一致性检验。其中目标初选的目的是按照 一定准则,从雷达检测到的所有目标中选出一个有 效目标。并使用一定的范围准则来进行目标的 同车道识别,通过临界车间距离来判断两车相对运 动的危险程度,使用Kalman滤波方法进行目标信息 提取,再利用假设检验的方法进行目标跟踪H 。 通过上述方法过滤后的雷达信号,同CCD图像 处理得到的障碍物信息相互匹配,剔除错误的信息, 同时重点标识匹配信息,以提高系统探测道路信息 的准确性和鲁棒性。 在得出道路上的目标信息后,使用基于避撞时 间TI'C的前向报警算法评估当前车辆所处的状态。 本算法基于安全程度值的分布情况,设计了分级别 的报警算法。按照安全程度值的变化,将车辆行驶 状态分为4个级别:安全行驶、警告、比较危险和危 险。报警系统将采集到的车速、车距和相对车速信 息发送到报警控制单元,并计算出车辆当前的安全 程度值。比照预先根据驾驶员特性数据统计出的限 定值,判断出当前车辆的安全状态,确定报警级别。 报警控制单元根据报警级别以及当前驾驶员的操作 情况,判断是否报警以及采取何种报警方式。 4 自适应前照灯系统(AFS) AFS是使近光灯光轴在水平方向上与转向盘转 角联动进行左右转动,在垂直方向上与车高联动进 行上下摆动的灯光随动系统 。 该系统可以使近光灯的照射光线转向车辆的前 进方向,因此在夜间行驶时,前方交叉路口、弯道处 龚进峰,等:道路环境感知与预警系统的研究 — 及车灯位置传感器 ;l j CAN/LIN .想 位置反馈 车 络 … AFS控制器能够根据车身的动态变化、转向机 构的动作特性和发动机的工作状态等综合因素进行 计算和判断,从而判定汽车当前的行驶状态并对前 照灯近光进行相应的调整。 5试验及结论 5.1试验 依照提出的构架方案, 在实验室搭建了RCPW系 统,并进行功能测试和系统 联调。然后将该系统移植 到试验车上,进行实车道路 试验。采用的试验车为奇 瑞公司生产的东方之子 2.OAT型轿车,其中AFS控 制器安装在发动机舱,信息 集中平台安装于驾驶室内 (图5),FCW系统装在后备 图5信息集中平 箱中。 台安装位置 各个分系统问通过CAN总线传输数据命令。 在试验车的前部安装了支架,用于固定AFS车灯、 红外线光源和激光雷达,其布置如图6所示。 在试验车安装了RCPW系统后,进行了系统试 验。分别对AFS和FCW系统及红外系统进行了道 路试验。 AFS试验主要在夜间道路照明情况较差的路段 进行。首先是照射范围试验,就是在车辆静止条件 下观察车灯左右的照射角度是否达到设计要求;然 图6前部支架安装布置 后是运行试验,观察AFS在转弯时的提前照明效 果。表1中列出以右灯为例的试验数据。 表1右车灯水平转角试验数据 序号 转角/(。) 车速/km・h 设计转角/(。) 实际转角/(。) l l6o 5 O O 2 95 20 1O.1l 1O.02 3 64 20 6.75 6.85 4 35 60 11.72 l1.63 5 50 80 l8 17.95 6 25 1oo l1.98 12.11 7 25 120 l2.15 12.29 由表1中数据可见该系统符合技术参数要求, 其最大系统误差0.14。,完全满足使用要求。 FCW系统的试验主要是在日间照明条件较好 的道路进行,对前向障碍物的探测进行了试验。 首先进行有效目标跟踪距离范围的试验。通过 试验得到能稳定检测和跟踪2~150m范围内的有 效目标,基本满足目标选取的需要。然后进行多干 扰工况的试验,以检验方法的鲁棒性。装有激光雷 达的自车行驶在设有护栏的双车道上,前方存在多 个行驶车辆。在此过程中,雷达探测到3个典型目 标信息,系统能够对目标信息进行实时更新,并有效 排除来自护栏的干扰。综合试验结果见表2,对于 目标车的选择、识别的正确率达到了95%。 表2 目标车选择识别数据 总车数/辆 误检数目/辆 漏检数目/辆 136 4 2 该试验表明,FCW系统可以有效地识别危险情 况,具有较强的抗干扰能力和较高的正确识别率。 红外系统试验和AFS一样,试验环境也是夜间 照明情况较差的路段。主要观察红外系统的照射范 ・332・ 汽车工程 2010年(第32卷)第4期 围,以及红外光源的辅助照明作用。其试验效果如 图7所示。 5.2结论 文中提出的RCPW系统可以有效地扩展驾驶员 的视野,提升对道路环境的感知能力,同时可以及时 判断前方危险情况并发出预警,极大地提高了行车 安全性。 参考文献 [1] Erez Dagan,Ofer Mano,Stein Gideon P,et a1.Forward Collision Warning with a Single Camera[c].2004 IEEE Intelligent Vehi— cles Symposium,Parma,Italy,2004:37—42. 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(上接第327页) 输出轴获得较大转矩,差分转矩逐步增大;当输入转 矩增大至约550N・m以上时,两输出轴转矩仍逐步 增/减速机构传动比等参数进行重新设计。 增大,但差分转矩保持不变(约240N・in)。这是由 于TVD系统在输入转矩约为550N・in时已达到了 对转矩进行差分分配的极限值(约240N・in),当输 入转矩进一步增加时,输出的最大差分转矩亦不能 超过此极限值。此过程中TVD系统的传动效率如 图12所示,在没有达到转矩差分分配的极限时,传 3结论 通过对转矩主动分配差速器(aWD)系统的仿真 分析可以看出,该系统能在不同工况下根据需要将 不等的转矩分配给左右车轮,以产生正或负的横摆 力矩,改善车辆的行驶姿态;而且在工作过程中能保 证较高的传动效率(90%以上)。因此TVD系统是 一动效率为100%;当达到其极限时,传动效率将随着 输入转矩的增大而降低。若要提高TVD系统转矩 差分分配的工作极限,则须对离合器的内部参数和 种较为理想的车辆稳定性控制系统,只须针对其 的意图对可控式离合器进行控制,即可有效地实现 设计相应的控制策略,根据车辆行驶状态和驾驶员 车辆操纵稳定性控制的目标。 参考文献 … ’ [1] 谢文云.电控限滑差速器限滑转矩与整车性能匹配的仿真研究 [D].长春:吉林大学,2007. … [2]Sawase Kaoru,Ushiroda Yuichi,Miura Takami.Left—RigIlt Torque Vectoring Technology as the Core of Super All Wheel Control(S— 0 10 20 30 40 50 60 7O 8O 9O l00 AWC)[J].Mitsubishi Motors Teehinical Review,2006(18). [3]李道飞.基于轮胎力最优分配的车辆动力学集成控制研究 [D].上海:上海交通大学,2008. 时间/s 图12输入转矩变化时的传动效率 [4]The MathWorks,Inc.SimDriveline User's Guide[M].2006.