基于人眼疲勞檢測的車道偏離預警系統設計

王寒東，趙志國，朱 昱，李克昌，吳 浩

（淮陰工學院交通工程學院，淮安 223001）

基于人眼疲勞檢測的車道偏離預警系統設計

王寒東，趙志國，朱 昱，李克昌，吳 浩

（淮陰工學院交通工程學院，淮安 223001）

以模型車為例，將人眼疲勞檢測與車道偏離系統協同起來，設計了基于STM32F4作為系統的處理芯片的預警系統，進行了系統主控模塊、數據采集、處理、通信模塊、人眼疲勞模塊及車道偏離預警的軟硬件系統設計。試驗結果表明，該系統能夠比較快速、準確地判斷車輛與道路關系，及時做出預警響應，符合設計要求。

疲勞駕駛；疲勞檢測；車道偏離；預警系統

1 基于人眼疲勞檢測的車輛車道偏離預警方案和原理

圖1為基于人眼疲勞檢測的車輛車道偏離警系統框圖，該系統以STM32F4為處理器，通過攝像頭采集駕駛員面部信息，進行視網膜瞳孔檢測對駕駛員疲勞狀況進行檢測，如果檢測到駕駛員疲勞駕駛則立即通過警示音提醒駕駛員注意安全。CCD攝像機采集道路信息，反饋給處理器集合當前車速進行判別車輛是否即將偏離車道，如將偏離車道集合轉向燈信號，若轉向燈未開則發出預警，反之靜默。

圖1 基于人眼疲勞檢測的車道偏離警系統框圖

2 車道偏離的檢測

采用攝像頭采集道路信息，識別車道標志線，從而得到車輛在道路中的位置信息。一旦發現車輛正在偏離車道，蜂鳴器發出警報，LCD顯示器閃爍。

當前的研究難點在于，非結構化道路下的識別方法、惡劣天氣下的識別方法、光照變化影響、城市模糊車道的識別等。系統采用基于梯形感興趣區域的車道標識線識別和跟蹤方法。在進行車道標識線識別時，主要基于如下假設：車道標識線為直線型，且道路為平面。本文系統的研究對象是針對車輛在高速公路上行駛的車道偏離預警的開發，應用于光照條件良好的環境，路面較好的情況。

車道識別和跟蹤是車道偏離預警研究的重要內容之一，OV2460攝像頭采集道路信息，顯示器上捕獲的道路寬度大于該車道兩端標志線距離。三角形部分為攝像頭能夠采集的道路長度。OV2460攝像頭在該區域判斷是否有兩條道路標志線，經過圖像處理，可以判斷車輛在車道內的位置。

在進行車道標識線的識別時，主要基于如下假設：車道標志線為直線，且道路為平面，可建立如圖2所示坐標系。依次取x軸上各點，芯片掃描與該點對應的列，捕獲出白色模擬道路上的黑色標志線。

圖2 圖像平面坐標系示意圖

由于圖像采集速度很快，相鄰兩幀圖像中車道標識線的位置不會發生突變。為此，采用建立感興趣區域的方法進行跟蹤，在感興趣區域內利用基于邊界跟蹤的車道標識線的識別方法進行識別。其感興趣區域的建立如圖3所示：實線表示前一幀圖像中識別出的車道標識線，虛線在圖像中所夾區域為建立的感興趣。

考慮到由于投影投射影響，圖像底部與圖像中央部分的車道標識線偏離的距離會有所不同，在建立感興趣區域時，與前一幀中識別出的車道標識線不可能平行，因此不采用平行的感興趣區域的方法，而是建立一個非平行的感興趣區域。

圖3 感興趣區域示意圖

3 預警系統軟硬件設計

3.1 硬件結構設計

圖4所示為系統的硬件結構圖。OV2460攝像機安裝在車頭頂端，車輛在行駛過程中，以每秒15幀的速度采集道路信息，在采集的畫面中未出現道路標志線時，系統進行報警。疲勞檢測采用的是gogo850平安行，外接在模擬小車上，若實驗人員閉眼或東張西望，發出語音提醒“請注意專心駕駛”。

圖4 系統硬件結構框圖

3.2 主要元器件選取

（1）系統處理器STM32F4的選取。STM32F4自帶了一個DCMI接口，能夠接收外部8位、10位、12位或14位CMOS攝像頭模塊發出的高速數據流，可支持不同的數據格式。

（2）OV2460攝像頭的選取。該攝像頭應用領域廣，圖像質量清晰穩定，選用CMOS原件優良，外形多樣化。

3.3 軟件設計

STM32F4自帶數字攝像頭（DCMI）接口，它有以下特點：一是DCMI接口是一個同步并行接口，可接收高速達54 MB／s的數據流。該接口有14條數據線（D13-D0）和1條像素時鐘線（PIXCLK）。像素時鐘的極性進行編程，在像素時鐘的上升沿或下降沿捕獲了數據。DCMI接收到的攝像頭數據后，將它放到一個32位數據寄存器（DCMI_DR）中，然后是通過通用DMA進行傳輸。

DCMI驅動OV2640的步驟如圖5，配置完畢后，程序就在周期性地進行采集數據到DMA原地址，通過整合原地址數據信息，轉換為灰度數據便可以進行邊緣化提取進而進行預警處理。

圖5 獲取圖像程序流程圖

4 系統調試與試驗

4.1 系統調試

在硬件調試時，用萬用表測量單片機的工作電壓及各個管腳的電壓是否達到正常工作電壓，在燒入程序后，測試每個I／O端口輸出電壓，檢查I／O端口與程序控制值是不是一致。當單片機控制模塊硬件部分制作好后，調試顯示程序，在LCD上顯示一個簡單的數字，若顯示結果正確，表明液晶顯示電路和單片機是正確連接的，單片機能正常工作。軟件調試包括兩方面：一方面是調試程序的語法，另一方面是在電路板上調試功能是否實現。

4.2 調試運行

車道偏離預警模擬系統中，實際車輛寬度和模擬車輛寬度之比為14∶1，實際道路寬度與和模擬道路寬度之比也為14∶1。固定在車頭正中間；外接于小車，小車的電源供電，信號經單片機輸入。

進入“車道偏離界面”，小車行駛狀態在兩條黑色模擬車道標志線內，LCD燈不閃爍，蜂鳴器不報警，接通BAWS電源和信號輸入端，駕駛人員注意力集中，預警器不提醒；小車行駛狀態偏離一條黑色模擬車道標志線，LCD燈閃爍，蜂鳴器報警，接通BAWS電源和信號輸入端，駕駛人員長時間閉眼，或左顧右盼，預警器提醒，請專心駕駛。

5 結 論

（1）構建了人眼疲勞檢測的車道偏離預警系統框架，該系統由疲勞檢測模塊、車道采集模塊、信息處理模塊和預警系統組成；

（2）給出了車道偏離預測方法；

（3）以模型車為研究對象，完成了預警系統的軟硬件設計，并進行了系統調試；

（4）試驗結果表明，該系統能夠比較快速、準確地判斷駕駛員的疲勞狀況及車與車道的位置關系，及時做出預警響應，符合設計要求。

［1］ 趙志國.重型車輛側翻預警技術現狀及研究進展［J］.黑龍江交通科技，2012，（1）：93-94.

［2］ 辛春林，王金連.危險化學品運輸事故歷史數據研究綜述［J］.中國安全科學學報，2012，22（7）：89-94.

［3］ 王榮本，余天洪，郭烈等.基于機器視覺的車道偏離警告系統研究綜述［J］.汽車工程，2005，27（4）：463-466.

U461.6

C

1008-3383（2017）01-0170-02

2016-04-08

趙志國（1977-），男，博士研究生，教授。

江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃（201411049020Z，201511049018Z）。