王寒東，趙志國，朱 昱，李克昌，吳 浩

（淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，淮安 223001）

基于人眼疲勞檢測的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

王寒東，趙志國，朱 昱，李克昌，吳 浩

（淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，淮安 223001）

以模型車為例，將人眼疲勞檢測與車道偏離系統(tǒng)協(xié)同起來，設(shè)計了基于STM32F4作為系統(tǒng)的處理芯片的預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)主控模塊、數(shù)據(jù)采集、處理、通信模塊、人眼疲勞模塊及車道偏離預(yù)警的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠比較快速、準(zhǔn)確地判斷車輛與道路關(guān)系，及時做出預(yù)警響應(yīng)，符合設(shè)計要求。

疲勞駕駛；疲勞檢測；車道偏離；預(yù)警系統(tǒng)

1 基于人眼疲勞檢測的車輛車道偏離預(yù)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(tǒng)框圖，該系統(tǒng)以STM32F4為處理器，通過攝像頭采集駕駛員面部信息，進(jìn)行視網(wǎng)膜瞳孔檢測對駕駛員疲勞狀況進(jìn)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(jī)采集道路信息，反饋給處理器集合當(dāng)前車速進(jìn)行判別車輛是否即將偏離車道，如將偏離車道集合轉(zhuǎn)向燈信號，若轉(zhuǎn)向燈未開則發(fā)出預(yù)警，反之靜默。

圖1 基于人眼疲勞檢測的車道偏離警系統(tǒng)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(biāo)志線，從而得到車輛在道路中的位置信息。一旦發(fā)現(xiàn)車輛正在偏離車道，蜂鳴器發(fā)出警報，LCD顯示器閃爍。

當(dāng)前的研究難點(diǎn)在于，非結(jié)構(gòu)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(tǒng)采用基于梯形感興趣區(qū)域的車道標(biāo)識線識別和跟蹤方法。在進(jìn)行車道標(biāo)識線識別時，主要基于如下假設(shè)：車道標(biāo)識線為直線型，且道路為平面。本文系統(tǒng)的研究對象是針對車輛在高速公路上行駛的車道偏離預(yù)警的開發(fā)，應(yīng)用于光照條件良好的環(huán)境，路面較好的情況。

車道識別和跟蹤是車道偏離預(yù)警研究的重要內(nèi)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(biāo)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(qū)域判斷是否有兩條道路標(biāo)志線，經(jīng)過圖像處理，可以判斷車輛在車道內(nèi)的位置。

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

圖2 圖像平面坐標(biāo)系示意圖

由于圖像采集速度很快，相鄰兩幀圖像中車道標(biāo)識線的位置不會發(fā)生突變。為此，采用建立感興趣區(qū)域的方法進(jìn)行跟蹤，在感興趣區(qū)域內(nèi)利用基于邊界跟蹤的車道標(biāo)識線的識別方法進(jìn)行識別。其感興趣區(qū)域的建立如圖3所示：實(shí)線表示前一幀圖像中識別出的車道標(biāo)識線，虛線在圖像中所夾區(qū)域?yàn)榻⒌母信d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(biāo)識線偏離的距離會有所不同，在建立感興趣區(qū)域時，與前一幀中識別出的車道標(biāo)識線不可能平行，因此不采用平行的感興趣區(qū)域的方法，而是建立一個非平行的感興趣區(qū)域。

圖3 感興趣區(qū)域示意圖

3 預(yù)警系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。OV2460攝像機(jī)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(xiàn)道路標(biāo)志線時，系統(tǒng)進(jìn)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(shí)驗(yàn)人員閉眼或東張西望，發(fā)出語音提醒“請注意專心駕駛”。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 主要元器件選取

（1）系統(tǒng)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(fā)出的高速數(shù)據(jù)流，可支持不同的數(shù)據(jù)格式。

（2）OV2460攝像頭的選取。該攝像頭應(yīng)用領(lǐng)域廣，圖像質(zhì)量清晰穩(wěn)定，選用CMOS原件優(yōu)良，外形多樣化。

3.3 軟件設(shè)計

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

DCMI驅(qū)動OV2640的步驟如圖5，配置完畢后，程序就在周期性地進(jìn)行采集數(shù)據(jù)到DMA原地址，通過整合原地址數(shù)據(jù)信息，轉(zhuǎn)換為灰度數(shù)據(jù)便可以進(jìn)行邊緣化提取進(jìn)而進(jìn)行預(yù)警處理。

圖5 獲取圖像程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

在硬件調(diào)試時，用萬用表測量單片機(jī)的工作電壓及各個管腳的電壓是否達(dá)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(dāng)單片機(jī)控制模塊硬件部分制作好后，調(diào)試顯示程序，在LCD上顯示一個簡單的數(shù)字，若顯示結(jié)果正確，表明液晶顯示電路和單片機(jī)是正確連接的，單片機(jī)能正常工作。軟件調(diào)試包括兩方面：一方面是調(diào)試程序的語法，另一方面是在電路板上調(diào)試功能是否實(shí)現(xiàn)。

4.2 調(diào)試運(yùn)行

車道偏離預(yù)警模擬系統(tǒng)中，實(shí)際車輛寬度和模擬車輛寬度之比為14∶1，實(shí)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(jīng)單片機(jī)輸入。

進(jìn)入“車道偏離界面”，小車行駛狀態(tài)在兩條黑色模擬車道標(biāo)志線內(nèi)，LCD燈不閃爍，蜂鳴器不報警，接通BAWS電源和信號輸入端，駕駛?cè)藛T注意力集中，預(yù)警器不提醒；小車行駛狀態(tài)偏離一條黑色模擬車道標(biāo)志線，LCD燈閃爍，蜂鳴器報警，接通BAWS電源和信號輸入端，駕駛?cè)藛T長時間閉眼，或左顧右盼，預(yù)警器提醒，請專心駕駛。

5 結(jié) 論

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

（2）給出了車道偏離預(yù)測方法；

（3）以模型車為研究對象，完成了預(yù)警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試；

（4）試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠比較快速、準(zhǔn)確地判斷駕駛員的疲勞狀況及車與車道的位置關(guān)系，及時做出預(yù)警響應(yīng)，符合設(shè)計要求。

［1］ 趙志國.重型車輛側(cè)翻預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］.黑龍江交通科技，2012，（1）：93-94.

［2］ 辛春林，王金連.危險化學(xué)品運(yùn)輸事故歷史數(shù)據(jù)研究綜述［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2012，22（7）：89-94.

［3］ 王榮本，余天洪，郭烈等.基于機(jī)器視覺的車道偏離警告系統(tǒng)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(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（201411049020Z，201511049018Z）。