基于DSP芯片和BF-533EZ-KitLite評(píng)估板實(shí)現(xiàn)車道偏離報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一、引言

在世界范圍內(nèi)，公路交通事故導(dǎo)致驚人的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有44%的汽車事故與車輛偏離正常車道行駛有關(guān)，其主要原因是駕駛員注意力不集中或者疲勞駕駛，造成車輛的無意識(shí)偏離。車道偏離報(bào)警系統(tǒng)（簡稱LDWS或RDWS）正是基于基本交通規(guī)則的車輛安全系統(tǒng)，其主要功能是輔助過度疲憊或者長時(shí)間單調(diào)駕駛的駕駛員保持車輛在車道內(nèi)行駛。由于LDWS具有顯著提高車輛行駛主動(dòng)安全性的潛力，得到了國內(nèi)外研究人員越來越多的重視。因此該系統(tǒng)具有廣泛的市場潛力與應(yīng)用價(jià)值。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

車道偏離報(bào)警系統(tǒng)的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括軟件設(shè)計(jì)即人機(jī)界面設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩大部分。人機(jī)界面為PC端上的圖形化控制臺(tái)，用于模擬汽車的制動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)以及車速信號(hào)等，通過串口將信號(hào)傳送給DSP，同時(shí)顯示由DSP送來的車輛偏離數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)道路場景。硬件部分由DSP構(gòu)成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)車道檢測(cè)與識(shí)別，車道偏離量的計(jì)算。

圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過圖像傳感器獲取車道幾何結(jié)構(gòu)，通過車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器獲取決策算法所必需的車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)如車速、車輛轉(zhuǎn)向狀態(tài)等，綜合分析判斷車輛偏離車道的程度。如果車輛偏離量超過設(shè)定閾值，控制臺(tái)界面上的報(bào)警燈將會(huì)閃亮，同時(shí)發(fā)出蜂鳴報(bào)警聲。

三、人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在人機(jī)界面設(shè)計(jì)上采用VisualC++6.0開發(fā)環(huán)境和NI公司的Measurement Studio編程工具共同開發(fā)，用VC完成程序的主要功能，用Measurement Studio的精美控件完成程序的界面編程。在系統(tǒng)與DSP通信上我們采用微軟公司的MSSCOM控件進(jìn)行編程，減小工作量，降低開發(fā)難度。軟件系統(tǒng)分為三個(gè)模塊：顯示模塊、控制模塊、通信模塊。顯示模塊負(fù)責(zé)將DSP發(fā)來的報(bào)警信號(hào)，車道偏移信號(hào)進(jìn)行圖形化顯示，控制模塊主要向DSP發(fā)送控制命令，通信模塊負(fù)責(zé)PC與DSP間信號(hào)的交互。人機(jī)界面各模塊間的關(guān)系如圖2所示。

圖2人機(jī)界面設(shè)計(jì)

四、硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要是以DSP為核心的實(shí)時(shí)處理平臺(tái)，主要完成圖像采集、車道檢測(cè)與識(shí)別、車道偏移量計(jì)算等功能，并將計(jì)算結(jié)果傳送給控制臺(tái)界面作動(dòng)態(tài)顯示。

DSP硬件系統(tǒng)包括視頻A/D模塊、實(shí)時(shí)圖像處理模塊、視頻D/A模塊、UART通信模塊、外部儲(chǔ)存器模塊。視頻A/D模塊采用ADV7183視頻解碼芯片，圖像處理芯片采用ADI公司的Blackfin-533多媒體數(shù)字信號(hào)處理器，ADM3202RS-232通用異步收發(fā)器。DSP系統(tǒng)框圖如圖1左方虛線框所示。

在開發(fā)中我們采用ADI公司的BF-533EZ-KitLite評(píng)估板，該平臺(tái)具有良好的可操作性和豐富的外設(shè)接口，為我們降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，節(jié)約了時(shí)間。

在DSP端，圖像經(jīng)CMOS攝像頭轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)送入ADV7183視頻編碼器，我們從解碼視頻流中的亮度分量獲得灰度圖像序列，首先進(jìn)行圖像預(yù)處理，由3×3的高斯模板對(duì)圖像進(jìn)行濾波，濾除部分隨機(jī)噪聲，然后進(jìn)行車道標(biāo)志檢測(cè)。由于結(jié)構(gòu)化道路上的車道標(biāo)識(shí)線與路面背景具有較強(qiáng)的對(duì)比度，車道邊緣較明顯，因此利用邊緣檢測(cè)算法能夠較好地檢測(cè)出車道邊緣。目前較好的邊緣檢測(cè)算法是Canny法，檢測(cè)的車道邊緣準(zhǔn)確，線條較細(xì)，但是計(jì)算量大。Sobel算法相對(duì)于Canny法的線條較粗，但計(jì)算量較小，便于實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用。因此，系統(tǒng)采用了Sobel法，然后采用Ostu法對(duì)邊緣增強(qiáng)的圖像序列進(jìn)行二值化，該算法能夠自動(dòng)確定分割閾值，使前景與背景兩類的方差最大。

經(jīng)過分割后的二值圖像中包含了車道標(biāo)識(shí)線，但還含有很多雜散線條，因此要對(duì)車道線進(jìn)行識(shí)別，將其從雜散線條中提取出來?；趯?duì)道路的先驗(yàn)知識(shí)，三維場景中的直線投影到二維平面上亦為直線，而實(shí)際道路中出現(xiàn)直道的概率遠(yuǎn)大于彎道出現(xiàn)的概率，所以我們采用了簡化的道路模型，即直線車道模型。檢測(cè)直線的常用方法是Hough變換，由于標(biāo)準(zhǔn)Hough變換計(jì)算量太大，不能在DSP上實(shí)現(xiàn)，我們將圖像按重要性分為三個(gè)區(qū)域如圖3所示。

圖3圖像區(qū)域示意圖

我們只在區(qū)域1和區(qū)域2做Hough變換，區(qū)域3不做處理，并增大了Hough變換的角度搜索步長，進(jìn)一步減小計(jì)算量。區(qū)域1中檢測(cè)到斜率在（0，90）度、長度為30像素以上的直線段判定為左車道，在區(qū)域2中檢測(cè)到的斜率在（0，-90）度、長度為30像素以上的直線段為右車道。

當(dāng)車道檢測(cè)出來以后，需要根據(jù)車道信息判斷車輛在車道中的位置，因此車道偏離決策算法也是車道偏離報(bào)警系統(tǒng)的關(guān)鍵，它主要是確定一個(gè)合適的預(yù)警量向駕駛員提供報(bào)警，能夠保證及時(shí)和準(zhǔn)確報(bào)警，同時(shí)不會(huì)對(duì)駕駛員造成過多的干擾。目前常用的偏離決策算法都需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定（如TLC方法），增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并給安裝帶來不便。本系統(tǒng)采用的車道夾角法，不需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，安裝時(shí) 保持相機(jī)與車輛平行即可。如果車輛的左右車道夾角之和超過某一設(shè)定閾值，則認(rèn)為車輛偏離正常車道，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前行使?fàn)顩r綜合判斷駕駛員是否無意識(shí)偏離了行車道，并發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛員糾正行車路線。圖4為車道偏離算法流程圖。

圖4車道偏離算法流程圖

五、仿真結(jié)果與分析

圖5（a）為車輛位于車道中心附近行駛，（b）為車輛位于車道偏左行駛，（c）為車輛位于車道偏右行駛，（d）（e）（f）分別為（c）（b）（c）所示行使?fàn)顟B(tài)下的控制臺(tái)顯示界面。如（d）所示，當(dāng)車輛位于車道中心附近行使時(shí)，車道偏移量的值在0值附近擺動(dòng)，表示車輛并未發(fā)生偏離，此時(shí)偏離報(bào)警燈也未點(diǎn)亮。如（e）所示，當(dāng)車輛無意識(shí)行駛到車道左邊時(shí)，車道偏移量在-20到-30之間擺動(dòng)，此時(shí)左偏報(bào)警燈閃亮，同時(shí)發(fā)出較低頻率的蜂鳴報(bào)警聲，表示車輛向左偏離。當(dāng)車輛偏向右邊車道時(shí)如（c）所示；偏移量的值在20到30之間變化，右偏報(bào)警燈閃亮，并發(fā)出較高頻率的蜂鳴報(bào)警聲，如圖（f）所示。

車輛在虛線道路上行駛的情況如圖6所示，（b）表示車道偏離量在0值附近變化，說明車輛沒有發(fā)生偏離，（c）為車輛左偏時(shí)的偏離量的值，其值在-20附近變化 ，（d）為車輛右偏時(shí)的偏離量值，其值在-20到-30之間變化。

圖5車輛在實(shí)線車道上行駛的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6

從以上模型車輛的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)能夠較好地適應(yīng)不同線型的車道線，并能在模型車輛偏離時(shí)做出正確的判斷，發(fā)出不同的報(bào)警提示，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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