（南京理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，南京 210094）

0 引言

隨著汽車安全技術(shù)的不斷進(jìn)步、國家相關(guān)法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的提高和消費(fèi)者對汽車安全功能的重視，我國道路交通的傷亡人數(shù)雖有下降，但萬車死亡率較發(fā)達(dá)國家仍居高不下。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，約有75%的交通事故是由駕駛員的操作失誤引起的[1]，其中駕駛員注意力分散和對交通狀況的誤判是誘發(fā)錯(cuò)誤操作的主要原因[2,3]。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)是一種根據(jù)交通狀況進(jìn)行自適應(yīng)的車速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其也被稱為主動(dòng)車速控制、自動(dòng)車距控制或車距調(diào)節(jié)系統(tǒng)[4～6]。其作為汽車高級輔助駕駛系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System，ADAS）的重要組成部分，能夠利用外界環(huán)境傳感器幫助駕駛員提高駕駛員舒適性和安全性。它主要對車輛進(jìn)行縱向距離控制旨在發(fā)現(xiàn)前方多個(gè)車輛目標(biāo)，通過確定主目標(biāo)（Closet in Path Vehicle，CIPV），測量與主目標(biāo)的距離與相對速度，在保證一定安全距離的前提下，進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)與加速。當(dāng)前方?jīng)]有主目標(biāo)時(shí)，車輛會按照預(yù)設(shè)定的速度進(jìn)行巡航[7～10]。

1 目標(biāo)車輛距離與速度探測

1.1 基于前視攝像頭的ACC距離探測

EyeQ3是基于視覺來計(jì)算與前車的距離，它主要通過道路和輪胎與道路的接觸點(diǎn)的幾何關(guān)系以及誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▉泶_定最終輸出距離[11]。圖3給出了示意圖，包括攝像頭P和成像平面I，相機(jī)焦距為f。A表示本車輛，B表示為目標(biāo)車輛，兩者之間距離為Z，車輛與道路之間的接觸點(diǎn)投影到I上的點(diǎn)為y，設(shè)相機(jī)中心在成像平面上的坐標(biāo)為0，則接觸點(diǎn)成像高度為y。

圖1 攝像頭測距示意圖

由直角三角形的相似性導(dǎo)出：

汽車在行駛過程中工況復(fù)雜，導(dǎo)致攝像機(jī)的光軸與路面并不平行。由車輛俯仰角、攝像頭的安裝角度以及路面不平度帶來的誤差已有解決途徑[12]，剩余誤差的主要來源是確定車輛和道路之間的接觸點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，在實(shí)踐中，誤差可在1個(gè)像素內(nèi)被發(fā)現(xiàn)[12]。接觸點(diǎn)在n個(gè)圖像中的誤差范圍由(1)得：

通常n≈1，fH＞＞nZ，所以可以得到：

從式中我們可以看到距離誤差與距離的平方成正比，但距離的百分比誤差與距離則成線性關(guān)系。

示例：一個(gè)640×480像素圖像與水平視角47°的鏡頭，像素f=740。相機(jī)高度H=1.3m。因此假設(shè)1個(gè)像素誤差導(dǎo)致的距離誤差為5%，則實(shí)際距離為：

1.2 基于前視攝像頭的ACC速度探測

基于EyeQ3的視覺測量速度采用離散差分法：

通過優(yōu)化，來提高速度測量的精度。假設(shè)目標(biāo)車輛在距離Z和Z'時(shí)在圖像中的高度為w和w'，則代入式(4)得：

基于目前的圖像校準(zhǔn)技術(shù)，圖像塊中有幾百個(gè)像素，圖像校準(zhǔn)可以使得校準(zhǔn)誤差為0.1個(gè)像素[12]。定義比例誤差（Sacc）為較準(zhǔn)誤差（Serr）除以車輛圖像寬度：

假設(shè)Z是準(zhǔn)確的，則相對速度誤差為：

又由于距離誤差會產(chǎn)生相對速速誤差，所以距離產(chǎn)生的誤差：

則：

示例：假設(shè)與目標(biāo)車輛距離：Z=30m，f=740像素，w=1.5，h=1.3m和v=0m/s。我們用△t=0.1s。

將數(shù)據(jù)帶入(10)得：

2 智能前視攝像頭硬件設(shè)計(jì)

智能前視攝像頭主要由鏡頭、光學(xué)傳感器、Mobileye圖像處理器EyeQ3以及MCU、保護(hù)電路以及CAN收發(fā)器組成。基于EyeQ3開發(fā)的前視攝像頭要求安裝720P/60Fps的高清攝像頭及1/3英寸的CMOS數(shù)字光學(xué)傳感器。由于行車環(huán)境復(fù)雜，不同工況下都需要對外界環(huán)境進(jìn)行良好的監(jiān)控，所以要求攝像頭具有卓越的低光性能和行車溫度適應(yīng)能力，同時(shí)也能確保攝像頭具有較好的視角。攝像頭系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 前視攝像頭系統(tǒng)框架

MCU的選型要求體積盡可能小，并且對溫度的適應(yīng)能力應(yīng)至少在-40°到80°之間，同時(shí)需要支持128M以上的CPU和1M以上的閃存，RH850系列的MCU具有功耗低運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，并且能夠較好的滿足以上條件。TJA1049是一款高速CAN收發(fā)器，是CAN控制器和物理總線之間的接口，為CAN控制器提供差動(dòng)發(fā)送和接收功能，該收發(fā)器專為汽車行業(yè)的高速CAN應(yīng)用設(shè)計(jì)，傳輸速率高達(dá)1Mbit/s[13,14]。保護(hù)電路則采用普通的直流變直流電路并加裝保護(hù)和加熱裝置。

智能前視攝像頭工作過程由高清攝像頭捕捉外界環(huán)境，通過數(shù)字光學(xué)傳感器將圖像傳給EyeQ3，同時(shí)MCU通過車載CAN將獲取的原車的自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)送給EyeQ3，EyeQ3以高速、高效的運(yùn)算速度同時(shí)計(jì)算出ACC縱向控制的距離、相對速度等一系列信息。EyeQ3結(jié)合原車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將計(jì)算所得信息通過SPI發(fā)送給MCU，MCU根據(jù)接收信息，與車載CAN網(wǎng)絡(luò)通訊，通過CAN報(bào)文發(fā)送控制指令，從而實(shí)現(xiàn)車輛的縱向控制，樣件如圖3所示。

3 實(shí)車測試結(jié)果分析

為了檢測基于前視攝像頭的ACC系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在實(shí)車上對不同場景進(jìn)行前視攝像頭目標(biāo)車輛探測驗(yàn)證。場景如圖所示，圖中紅色矩形即為攝像頭識別的主目標(biāo)，為本車ACC系統(tǒng)需要跟隨的目標(biāo)，綠色矩形即為識別的車輛目標(biāo)，較遠(yuǎn)的綠色數(shù)字為兩車距離，較近的數(shù)字為兩車的相對速度，前車速度大于本車時(shí)為正。

圖4場景為直道高速道路，本車初始速度為60km/h行駛，前方車輛以80km/h行駛，設(shè)置巡航速度為90km/h。攝像頭探測到前方存在三個(gè)車輛目標(biāo)，當(dāng)ACC系統(tǒng)進(jìn)入跟隨模式時(shí)，將本車道前方最近車輛識別為主目標(biāo), 主目標(biāo)與本車相距32m，相對速度為-0.2m/s。

圖4 直道高速目標(biāo)探測

圖5場景為在半徑約為200m的彎道上，本車以60km/h的速度位于彎道外側(cè)，攝像頭檢測到前方存在三個(gè)目標(biāo)車輛，在彎道行駛過程中并沒有將正前方車輛識別為主目標(biāo)，而是將本車道最近車輛作為主目標(biāo)，平穩(wěn)的跟隨前車行駛，主目標(biāo)距離本車30m，相對速度為0.2m/s。

圖6場景為前方相鄰車道有車輛插入本車道，本車以80km/h的巡航速度跟隨前方目標(biāo)行駛，基于前視攝像頭的ACC系統(tǒng)檢測到前方共有三個(gè)車輛目標(biāo)，并迅速切換主目標(biāo)，將插入車輛識別為主目標(biāo)，主目標(biāo)距離本12m，相對速度0.4m/s。

圖7場景為前方主目標(biāo)突然駛向相鄰車道，本車以80km/h的巡航速度跟隨前車，突然主目標(biāo)駛向相鄰車道，前視攝像頭系統(tǒng)迅速切換主目標(biāo)，將本車道前方最近車輛識別為主目標(biāo)，主目標(biāo)距離本車43m且與本車速度相同。

圖5 彎道目標(biāo)探測

圖6 前方車輛插入

圖7 主目標(biāo)駛出

4 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)車測試表明，基于智能前視攝像頭的ACC系統(tǒng)，能夠有效利用圖像探測功能，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)車輛的探測。由于ACC系統(tǒng)屬于舒適性系統(tǒng)，其對距離和速度的控制精度要求不高，利用圖像檢測的ACC系統(tǒng)能夠?qū)⒕嚯x與速度誤差合理控制在合理的范圍內(nèi)，保障ACC跟車模式的舒適性。在前方有多個(gè)目標(biāo)情況下，能有效選擇主目標(biāo)，減少誤識別的概率，提高了系統(tǒng)的可靠性。

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