基于国产芯片的车道偏离预警装置研制

周定华，吴敏，朱向冰

（1.奇瑞商用车（安徽）有限公司，安徽 芜湖 241000；2.安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241002）

引言

在众多交通事故中，车道偏离是危及人身安全的重要原因。现行乘用车辆一般依赖于驾驶员的操纵，在长途高速驾驶情况下，驾驶员易出现瞌睡、疲劳，注意力不集中，不经意间会造成车辆缓缓偏离车道，从而引发交通事故。为了减少交通事故和提高安全性，对驾驶员辅助系统（Driver Assistant System，DAS）的研究已经在全球范围内进行了很多年[1]，而车道偏离报警系统（Lane Departing Warning System，LDWS）是驾驶员辅助系统重要的核心组成之一。

车道偏离报警系统早在2003年就出现了，经过多年的发展，车道偏离报警系统技术越来越成熟，由于生产成本较高，在高档车型上也仅为选装件，并且其核心器件要使用国外的元器件，不能完全实现国产化，由于主流的车道偏离报警系统只有当车辆偏离车道以后才会报警，而不能提前预警，为了同时满足国产化、降低成本和提高安全性的要求，本文在分析了车道偏离报警系统原理的基础上设计了一种新的软硬件方案，不仅实现了国产化，而且也实现了提前预警的功能。

1 车道偏离预警系统

车辆偏离预警系统（LDWS）是一种通过报警的方式辅助驾驶员减少或避免汽车因车道偏离而发生交通事故的系统。它在车辆超过一定速度的情况下无意识（驾驶员未打转向灯）偏离原车道前发出警报，为驾驶员提供更多的反应时间，大大减少了因偏离车道引发的碰撞事故。它通过摄像头实时检测车道线[2,3,4,5]，根据方向盘方向、车速、车与车道线角度、车与车道线的距离来估计偏离时间，如果偏离时间小于一个阈值，则会发出报警提醒驾驶员。

本文完全使用国产芯片研制一种检测驾驶员在瞌睡、疲劳、注意力不集中等状况下，不经意间即将偏离车道的情况，向驾驶员提供警告信息的装置，并提出了有效预警的方法。

2 整体结构

本文研制的车道偏离预警装置主要由图像捕获单元、图像处理单元、警示单元、电源模块以及CAN总线接口组成。图像捕获单元采集车辆前方道路图像，其核心部件采用国产数字摄像头，数字图像数据逐行输出。图像处理单元对捕获的图像进行车道线提取，计算出在极短的时间内车道线位移的变化，图像处理单元通过CAN总线获取车速、横摆角加速度和方向角等运动信息，综合车道线信息和运动信息，估计偏离时间，判断车辆是否存在偏离车道的风险，如果存在风险就发出电信号至警示单元，如图1所示。

图1 车道偏离预警系统结构示意图

本文根据“不经意间即将偏离车道”的概念，明确了预警的场景，并通过图像处理技术实现对这种场景的识别，相对于仅能检测车辆已经偏离车道才发出警示信息的方案有明显的改进[6]。本文采用了警示音、警示图标及座椅振动相结合的警示方式，向驾驶员提供充分的警示信息。

3 硬件

图像捕获单元所使用的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补型金属氧化物半导体）摄像头输出信号为黑白视频信号，通过提取画面灰度信息进行寻线。摄像头核心芯片为北京某公司生产的OV7725，该芯片信噪比高、速度快、稳定性好和微光灵敏度高。摄像头总有效像素单元为664（水平方向）×492（垂直方向）像素；内置10位双通道 A/D转换器，输出8位图像数据；具有自动增益调整和自动白平衡控制等功能，能实现亮度、对比度、饱和度及ɣ校正等多种调节功能；其视频时序产生电路可产生行同步、场同步、混合视频同步和像素时钟等多种时序信号；摄像头采用3.3V电源供电，工作时功耗小于120mW，待机时功耗小于10μW。

摄像头获取前方道路的视频信号，其输出引脚直接与单片机的I/O口相连，CMOS摄像头布置在车辆前风挡玻璃内侧正上方，既可以充分捕获车道线及路面信息又不遮挡驾驶员视野。

本系统的图像处理单元以GD32F103VET6芯片为核心。该单元接收图像捕获单元传送来的信息，并向其他单元模块发出控制命令。GD32F103VET6芯片使用3.3V电源供电，主频可达108MHz，同主频下，GD32比STM32速度更快，运行时功耗更低，性价比更高。

车载汽车电瓶提供12V直流电压，通过DC-DC模块,转换成其他模块所需的电压，通过使能开关控制电源通断。DC-DC模块中选用上海某公司生产的开关稳压器BL8516，输入电压范围是3.6V-20V，输出电压可调，输出电流可达1.2A。搭建电路将12V降压为3.3V和5V，给其他模块供电。

传感器模块包括车速传感器、车辆横摆角加速度传感器、车辆转角传感器等多个传感器，将传感器模块获取的信息与摄像头获取前方道路的视频信号进行数据融合，图像处理单元计算出在极短的时间内车道线位移的变化，再结合横摆角加速度和方向角信息，确定是否要发出预警。

在大多数情况下，车辆CAN网络中已有车速、转角及横摆角加速度等信号，由于GD32F103VET6芯片自带CAN控制器，可通过CAN总线将车辆信号接入图像处理单元，不需另行加装额外的传感器。

预警信息通过警示单元传达给驾驶者，警示单元在汽车组合仪表盘中，暂时还未实现座椅振动功能。警示单元包括警示音发生器、LCD显示器，警示音发生器包括左、右蜂鸣器，LCD显示器布置在车辆组合仪表盘中间醒目位置，预警时显示警示图标。

4 软件

CMOS摄像头被配置成逐行输出，传输速率为30帧。将图像分为两个区域，如图 2所示。区域Ⅰ为感兴趣区域，在该区域中将进行车道线识别。反之，对区域Ⅱ中的图像不做处理[7]。

对每帧图像，当数字摄像头传输的数据位于区域Ⅰ时，逐行提取车道线特征点并作归类处理。为减少内存消耗，系统仅保存最新的数行图像数据和车道线特征参数。在区域Ⅱ，不做图像处理，而是利用识别到的车道线特征拟合出车道线，并根据拟合结果更新下一帧图像中的感兴趣区域的范围。最后执行偏离预警决策，判断是否对驾驶员进行提示。

图2 图像处理区域

按下使能开关，单片机上电后开始检测车速，如车速大于某设定的速度(一般是60km/h)，则单片机启动图像捕获单元，摄像头按每秒30帧的速率将车辆前方视野的图像传送至图像处理单元，提取图像中的车道线，计算出在极短的时间内车道线位移的变化，再结合横摆角加速度和方向角等信息，检测出车辆是否有偏离车道的趋势，如达到设定的参数，即发出电信号至警示单元，警示单元控制警示音发生器及LCD显示器，如有左偏的趋势，则激活左蜂鸣器并显示左偏图标，如有右偏离的趋势，则激活右蜂鸣器并显示右偏图标，无论有哪一种偏离趋势，驾驶员座椅振动器都会被激活，通过电机带动偏心轮转动引起座椅振动。

5 结语

本文研制了一种基于国产芯片的车道偏离预警装置，采用GD32F103VET6、OV7725、BL8516等国产芯片，具有较好的灵活性、扩展性，生产成本更低。根据车道线信号和车辆行驶状态，发出预警信号，预防车辆偏离车道，和大多数车道偏离报警装置相比本装置能够提前预警，满足安全驾驶需求，可降低交通事故发生率。

本文设计的装置经过试验验证能够满足大多数路况的要求，但是当车道线标识过于模糊或破损，精确性会大幅降低，漏报警或误报警的情况都有可能发生，而且受天气状况影响较大，然而恶劣天气状态下驾驶员一般比较专注，应关闭此系统避免影响正常驾驶。