基于國產芯片的車道偏離預警裝置研制

周定華，吳敏，朱向冰

（1.奇瑞商用車（安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241002）

引言

在眾多交通事故中，車道偏離是危及人身安全的重要原因。現行乘用車輛一般依賴于駕駛員的操縱，在長途高速駕駛情況下，駕駛員易出現瞌睡、疲勞，注意力不集中，不經意間會造成車輛緩緩偏離車道，從而引發交通事故。為了減少交通事故和提高安全性，對駕駛員輔助系統（Driver Assistant System，DAS）的研究已經在全球范圍內進行了很多年[1]，而車道偏離報警系統（Lane Departing Warning System，LDWS）是駕駛員輔助系統重要的核心組成之一。

車道偏離報警系統早在2003年就出現了，經過多年的發展，車道偏離報警系統技術越來越成熟，由于生產成本較高，在高檔車型上也僅為選裝件，并且其核心器件要使用國外的元器件，不能完全實現國產化，由于主流的車道偏離報警系統只有當車輛偏離車道以后才會報警，而不能提前預警，為了同時滿足國產化、降低成本和提高安全性的要求，本文在分析了車道偏離報警系統原理的基礎上設計了一種新的軟硬件方案，不僅實現了國產化，而且也實現了提前預警的功能。

1 車道偏離預警系統

車輛偏離預警系統（LDWS）是一種通過報警的方式輔助駕駛員減少或避免汽車因車道偏離而發生交通事故的系統。它在車輛超過一定速度的情況下無意識（駕駛員未打轉向燈）偏離原車道前發出警報，為駕駛員提供更多的反應時間，大大減少了因偏離車道引發的碰撞事故。它通過攝像頭實時檢測車道線[2,3,4,5]，根據方向盤方向、車速、車與車道線角度、車與車道線的距離來估計偏離時間，如果偏離時間小于一個閾值，則會發出報警提醒駕駛員。

本文完全使用國產芯片研制一種檢測駕駛員在瞌睡、疲勞、注意力不集中等狀況下，不經意間即將偏離車道的情況，向駕駛員提供警告信息的裝置，并提出了有效預警的方法。

2 整體結構

本文研制的車道偏離預警裝置主要由圖像捕獲單元、圖像處理單元、警示單元、電源模塊以及CAN總線接口組成。圖像捕獲單元采集車輛前方道路圖像，其核心部件采用國產數字攝像頭，數字圖像數據逐行輸出。圖像處理單元對捕獲的圖像進行車道線提取，計算出在極短的時間內車道線位移的變化，圖像處理單元通過CAN總線獲取車速、橫擺角加速度和方向角等運動信息，綜合車道線信息和運動信息，估計偏離時間，判斷車輛是否存在偏離車道的風險，如果存在風險就發出電信號至警示單元，如圖1所示。

圖1 車道偏離預警系統結構示意圖

本文根據“不經意間即將偏離車道”的概念，明確了預警的場景，并通過圖像處理技術實現對這種場景的識別，相對于僅能檢測車輛已經偏離車道才發出警示信息的方案有明顯的改進[6]。本文采用了警示音、警示圖標及座椅振動相結合的警示方式，向駕駛員提供充分的警示信息。

3 硬件

圖像捕獲單元所使用的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補型金屬氧化物半導體）攝像頭輸出信號為黑白視頻信號，通過提取畫面灰度信息進行尋線。攝像頭核心芯片為北京某公司生產的OV7725，該芯片信噪比高、速度快、穩定性好和微光靈敏度高。攝像頭總有效像素單元為664（水平方向）×492（垂直方向）像素；內置10位雙通道 A/D轉換器，輸出8位圖像數據；具有自動增益調整和自動白平衡控制等功能，能實現亮度、對比度、飽和度及?校正等多種調節功能；其視頻時序產生電路可產生行同步、場同步、混合視頻同步和像素時鐘等多種時序信號；攝像頭采用3.3V電源供電，工作時功耗小于120mW，待機時功耗小于10μW。

攝像頭獲取前方道路的視頻信號，其輸出引腳直接與單片機的I/O口相連，CMOS攝像頭布置在車輛前風擋玻璃內側正上方，既可以充分捕獲車道線及路面信息又不遮擋駕駛員視野。

本系統的圖像處理單元以GD32F103VET6芯片為核心。該單元接收圖像捕獲單元傳送來的信息，并向其他單元模塊發出控制命令。GD32F103VET6芯片使用3.3V電源供電，主頻可達108MHz，同主頻下，GD32比STM32速度更快，運行時功耗更低，性價比更高。

車載汽車電瓶提供12V直流電壓，通過DC-DC模塊,轉換成其他模塊所需的電壓，通過使能開關控制電源通斷。DC-DC模塊中選用上海某公司生產的開關穩壓器BL8516，輸入電壓范圍是3.6V-20V，輸出電壓可調，輸出電流可達1.2A。搭建電路將12V降壓為3.3V和5V，給其他模塊供電。

傳感器模塊包括車速傳感器、車輛橫擺角加速度傳感器、車輛轉角傳感器等多個傳感器，將傳感器模塊獲取的信息與攝像頭獲取前方道路的視頻信號進行數據融合，圖像處理單元計算出在極短的時間內車道線位移的變化，再結合橫擺角加速度和方向角信息，確定是否要發出預警。

在大多數情況下，車輛CAN網絡中已有車速、轉角及橫擺角加速度等信號，由于GD32F103VET6芯片自帶CAN控制器，可通過CAN總線將車輛信號接入圖像處理單元，不需另行加裝額外的傳感器。

預警信息通過警示單元傳達給駕駛者，警示單元在汽車組合儀表盤中，暫時還未實現座椅振動功能。警示單元包括警示音發生器、LCD顯示器，警示音發生器包括左、右蜂鳴器，LCD顯示器布置在車輛組合儀表盤中間醒目位置，預警時顯示警示圖標。

4 軟件

CMOS攝像頭被配置成逐行輸出，傳輸速率為30幀。將圖像分為兩個區域，如圖 2所示。區域Ⅰ為感興趣區域，在該區域中將進行車道線識別。反之，對區域Ⅱ中的圖像不做處理[7]。

對每幀圖像，當數字攝像頭傳輸的數據位于區域Ⅰ時，逐行提取車道線特征點并作歸類處理。為減少內存消耗，系統僅保存最新的數行圖像數據和車道線特征參數。在區域Ⅱ，不做圖像處理，而是利用識別到的車道線特征擬合出車道線，并根據擬合結果更新下一幀圖像中的感興趣區域的范圍。最后執行偏離預警決策，判斷是否對駕駛員進行提示。

圖2 圖像處理區域

按下使能開關，單片機上電后開始檢測車速，如車速大于某設定的速度(一般是60km/h)，則單片機啟動圖像捕獲單元，攝像頭按每秒30幀的速率將車輛前方視野的圖像傳送至圖像處理單元，提取圖像中的車道線，計算出在極短的時間內車道線位移的變化，再結合橫擺角加速度和方向角等信息，檢測出車輛是否有偏離車道的趨勢，如達到設定的參數，即發出電信號至警示單元，警示單元控制警示音發生器及LCD顯示器，如有左偏的趨勢，則激活左蜂鳴器并顯示左偏圖標，如有右偏離的趨勢，則激活右蜂鳴器并顯示右偏圖標，無論有哪一種偏離趨勢，駕駛員座椅振動器都會被激活，通過電機帶動偏心輪轉動引起座椅振動。

5 結語

本文研制了一種基于國產芯片的車道偏離預警裝置，采用GD32F103VET6、OV7725、BL8516等國產芯片，具有較好的靈活性、擴展性，生產成本更低。根據車道線信號和車輛行駛狀態，發出預警信號，預防車輛偏離車道，和大多數車道偏離報警裝置相比本裝置能夠提前預警，滿足安全駕駛需求，可降低交通事故發生率。

本文設計的裝置經過試驗驗證能夠滿足大多數路況的要求，但是當車道線標識過于模糊或破損，精確性會大幅降低，漏報警或誤報警的情況都有可能發生，而且受天氣狀況影響較大，然而惡劣天氣狀態下駕駛員一般比較專注，應關閉此系統避免影響正常駕駛。