基于Prescan的智能汽車車道偏離預警系統研究

張云龍　劉全周　唐風敏　宋潔

摘 要：本論文主要介紹了車道偏離預警系統的定義和功能，并介紹了車道偏離預警系統進行報警的區域;然后運用Prescan軟件搭建車道偏離預警場景，并與Simulink進行聯合仿真，驗證車道偏離預警算法，該算法滿足報警需求。最后，論文對車道偏離預警系統地研究進行了總結。

關鍵詞：Prescan;車道偏離;預警系統

1 引言

近年來，隨著汽車保有量的持續增長，道路交通壓力亦變大，因此，如何保證汽車行車安全就顯得尤為重要。車道偏離預警系統（lane departure warning system ，LDWS）的研究與應用為保證駕駛員和行人安全帶來了福音，當車輛無意識偏離車道時，該系統能夠及時提醒人類駕駛員的注意，在一定程度上減少或避免了交通事故的發生。

2 車道偏離預警系統概述

車道偏離預警系統（LDWS）是基于視頻系統的駕駛員輔助功能，在車輛無意識偏離車道時來提醒駕駛員。無意識的車道偏離包含兩部分：已經發生的車道偏離和即將發生的車道偏離。車道偏離預警系統的開發應用，大大減少了側向碰撞以及其它相關事故的發生。

在車道邊線可見的情況下，車道偏離預警系統（LDWS）使用攝像頭對車道邊線進行檢測，并測量自身車輛與車道兩側邊緣線的相對距離與方位。當攝像頭檢測到自車與車道線距離接近或已偏離行駛車道時，該系統就會發出報警。

在整車系統中，報警系統可通過視覺、聲音或觸覺形式體現。LDWS對不同類型（實線、虛線和點狀線）和顏色（白色、黃色、橙色和藍色）的道路標記線均有效，且LDWS對沒有車道標記線的路沿也有效。

3 車道線的識別與報警

智能汽車車道偏離預警系統的關鍵性能包括兩部分：車道線識別性能和車道偏離報警性能。車道線識別性能根據控制器輸出的視頻信號和車道線信息進行評估;車道偏離預警需要綜合考慮車輛的速度、狀態以及車輛相對車道線的位置進行評估。如圖1所示為報警區域示意圖：

如圖1所示，設定系統最早報警線車道線內側，即c線和d線，最晚報警線為b線和e線。當汽車到達a線或f線時，撤出報警。FL為左前輪外緣、FR為右前輪外邊緣。

（1）FL、FR在c-d區域時，系統檢測到車道線、無壓線狀態，車道偏離預警系統不報警。

（2）車輛左偏離：

FL進入a-c報警區域，系統未檢測到BCM發出的左轉向燈信號（即使系統檢測到BCM發出的右轉向燈信號時），系統以100ms周期向CAN總線持續發出車道左偏離報警信號。

當FL不斷向左行駛，壓到或越過a線時，并且FR處于c-d區域時，此時該系統取消報警;

若FL繼續向左偏離至FR駛過b線，系統認為駕駛員正在進行車輛換道操作過程，此時不報警;若FL處于a-c區域，FR沒有壓過b線，車輛返回至c-d區域整個過程中，不報警。

（3）車輛右偏離：

同理，FR進入d-f報警區域，系統未檢測到BCM發出的右轉向燈信號（即使檢測到BCM發出的左轉向燈信號時），系統以100ms周期向CAN總線持續發出圖像及聲音的右偏離報警信號。

若FR繼續向右偏離駛出f線、FL處于c-d區域時，此時取消報警。

若FR不斷向右偏離至FL到達e線時，該系統認為駕駛員正在完成車輛換道操作，此過程中不進行報警;若FR壓過d-f區域，FL未超越e線，車輛返回至c-d區域過程中，不報警。

如下圖2所示，為車道偏離預警系統的工作流程圖。從圖中可以看出，該系統在工作時可以被分為五個部分：（1）道路圖像采集;（2）圖像預處理;（3）車道參數提取;（4）偏離決策;（5）報警輸出。

4 車道偏離預警系統的虛擬仿真及測試

由荷蘭TNO公司開發的Prescan是一款當前全球范圍內處于領先地位的車輛主動安全仿真軟件。Prescan能夠快速且準確的建立車輛行駛的各種場景，如天氣狀況、光線、車輛行駛的不同速度等，并能與MATLAB/Simulink等應用軟件進行聯合仿真。Prescan的主要特點：方便的交通測試場景建模;全面的主動安全傳感器模型庫;開放的控制算法/硬件在環接口;自帶車輛動力學建模和外部接口。

4.1 基于Prescan的仿真場景搭建

首先需要在Prescan的GUI界面搭建車道偏離預警測試場景，并給測試車輛添加車輛動力學模型和視覺傳感器。在Prescan的3D可視化界面中可以觀察場景的三維效果圖以及車輛行駛效果。搭建場景和3D效果圖如圖3所示：

4.2 仿真算法驗證

通過仿真實驗可以觀察控制效果，并且可以根據控制效果進行算法改進。將傳感器模型、車輛動力學模型在Prescan的Simulink界面中連成一個整體。傳感器接收車輛行駛信息，并將信息輸入給控制模型，控制模型對信號進行相應處理輸出控制信號，控制車輛動態模型的節氣門、制動等，車輛動態模型輸出相應的動作，如車速或行駛方向的改變等。如圖4所示：

根據上圖1報警區域，兩條車道線之間的區域為非報警區域。在非報警區域內，車道偏離預警系統未被激活，不發出警報;但當車輛的左前輪或右前輪接近或者壓到車道線時，并且轉向燈未打開，此時車道偏離預警系統被激活并發出警報，提示駕駛員有車道偏離的危險。在聯合仿真的界面中，報警界面如圖5所示：

5 結語

本文針對基于攝像頭實現的車道偏離預警系統，分別介紹了車道偏離預警系統的兩大功能：車道線檢測和偏離報警。使用Prescan軟件搭建測試環境，模擬天氣狀況、車道線類型，并在Simulink界面驗證車道偏離預警算法，這套系統可以滿足報警需求。

參考文獻：

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