一种基于激光雷达测距的车辆防碰撞预警系统

摘要

本发明公开了一种基于激光雷达测距的车辆防碰撞预警系统，包括激光雷达发射器和光学镜头，所述激光雷达发射器和光学镜头的数量为2n个，n的取值为自然数，每一个激光雷达发射器和一个光学镜头配对设置成一个信号收发组，所述信号收发组沿着车辆的中轴线对称设置，所述光学镜头与激光雷达发射器的垂直方向形成一个锐角；中轴线一侧的激光雷达发射器发出激光信号，碰到前方物体后发生散射，被中轴线另一侧对应位置的光学镜头接收。本发明基于激光测距精准距离的智能化防碰撞主动预警，可以使用户获得良好的体验效果；采用双镜头设计，并对镜头在光学设计上做特殊处理，能保证高精度光学成像和探测以及适应复杂车内环境的镜头结构设计。

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于激光雷达测距的车辆防碰撞预警系统，涉及激光测距和行车辅助系统技术领域。

背景技术

随着车辆在家庭的普及，汽车保有量快速增长，同时随着行车条件日趋复杂化、车辆交通事故也在上升。截止2013年，中国汽车保有量已经达到1.37亿辆，每年的汽车产销量在2000万辆左右，每年发生有人员伤亡的有统计的交通事故约20万起，伤亡人数超过10万人，事故原因中高达95.30%的因素都是人的因素，包括不按照交通法规行驶、疲劳、超速等，而在这些碰撞事故中，通常都缺少一种快速、有效的辅助手段、给予驾驶员必要的碰撞前预警信息，导致驾驶员判断失误、引发了交通事故。

车辆防碰撞主动预警，综合了特定模式的测距方法、智能化的判断、以及和车辆信息中心联网的功能，实时根据车辆行驶状态（静止或行驶、行驶时的不同速度）、以及和前方车辆（物体）间的距离信息，设定不同的碰撞发生可能性以及危险等级，在不同的级别提供不同的告警，从而协助用户在恶劣天气或复杂道路状况行驶时对前车距离和危险程度进行判断，提前规避可能发生的碰撞事故，避免或减轻人们的生命财产遭受的安全威胁。

主动预警最核心的功能是车辆间距离探测，激光测距通常采用三角法在微小距离内进行高精度距离测量；采用脉冲法或飞行法进行长距离测距；在中远距离测距模式下，脉冲法和飞行法可以比较准确的测量距离，但检测频率低、不能适应车辆高速行驶时对车辆测距实时、准确、快速的要求。

专利CN 200810197439（公开号CN101407199 A）解决的方法是采用GPS位置定位以及和周边车辆通讯的方式实现车辆间信息相互告知、预防碰撞的方法；专利CN 200710077381（公开号CN101135558 B）则是利用视觉分析实现车辆间距离检测和预警。

国内外现在常见的车用距离探测比较常见的有视频分析，雷达探测，红外检测，而这几种方式都有各自的缺点：视频分析速度较慢且方案昂贵，雷达探测依赖原车雷达，红外检测精度较低，且横向探测宽度很窄。

激光雷达是以激光器为辐射源、光电探测器为接收器件、光学望远镜为天线的一种雷达。激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，它具有分辨率高、抗干扰能力强等优点，可以用来进行测距、测角、角追踪、目标速度的测量以及目标活动的指示，还可以跟踪超低空飞行目标，并且隐蔽性能好，因此激光雷达在军事和民用领域都得到了广泛的应用。

激光雷达的应用十分广泛，从地面到太空，从陆地到水下，涉及多个学科领域。在军事上，激光雷达可用于战场侦察、火力控制、目标跟踪、精确制导、障碍回避、地形观测、水下探测、空间监视等；在民用领域，激光雷达可实施气象测量、大气研究、遥感遥测、交通管制、污染监测等。因此，激光雷达已成为高科技领域的技术之一。

传统的激光雷达所运用的算法技术，在某些领域还存在的不可避免的弊端。将激光雷达嵌入车载系统中时，就有着距离的限制，测量视觉角度的限制和测量速度的限制，用户只能用于短距离、正前方的距离测量。这些限制使得该项技术设施不能完美的应用于车载装置。现有技术中激光雷达测距大多数使用单点的激光发射与接收装置，误报率高，检测范围小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于激光雷达测距的车辆防碰撞预警系统，利用激光雷达测距并进行主动预警，设置双镜头进行定位测距，解决探测横向宽度不足的问题，并且进一步优化了距离计算的测算方法，改进了光学镜头的整体设计。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于激光雷达测距的车辆防碰撞预警系统，包括激光雷达发射器和光学镜头，所述激光雷达发射器和光学镜头的数量为2n个，其中，n的取值为自然数，每一个激光雷达发射器和一个光学镜头配对设置成一个信号收发组，所述信号收发组沿着车辆的中轴线对称设置，所述光学镜头与激光雷达发射器的垂直方向形成一个锐角；

中轴线一侧的激光雷达发射器发出激光信号，碰到前方物体后发生散射，被中轴线另一侧对应位置的光学镜头接收。

作为本发明的进一步优选方案，所述系统还包括车载OBD系统、主控制器和预警装置，其中，

所述车载OBD系统的输出端与主控制器的输入端相连接，主控制器的输出端分别与激光雷达发射器、预警装置相连接，光学镜头的输出端与主控制器的输入端相连接；

所述车载OBD系统根据OBD通讯协议，从车辆信息中心获取车辆的速度信息，激光雷达发射器发射激光信号，照射到前车上反射回的激光信号被光学镜头捕捉并将其发送至主控制器，主控制器通过测距算法对相关测量数据进行处理，经过计算，产生相应的控制信号至预警装置。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光雷达发射器和光学镜头的数量均为2个，形成的2个信号收发组分别设置于车辆前端的两侧。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光雷达发射器和光学镜头的数量均为2个，形成的2个信号收发组与所述车载OBD系统、主控制器和预警装置一体化设计制作，2个信号收发组彼此之间的间隔距离为300mm，可以有效降低对前方车辆进行筛选、判断的误报率。也保留根据车辆情况，调整间隔距离大小，以适配大型车辆、以及更远预警距离的需要。

作为本发明的进一步优选方案，一体化设计制作后的信号收发组、载OBD系统、主控制器和预警装置形成的整体装置，沿车辆中轴线安置于车辆内部，不需要对车辆进行任何的内部或外部的改装、拆装、改变。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光雷达发射器的扫描频率不低于50赫兹。

作为本发明的进一步优选方案，所述测距算法具体步骤包括：

（1）利用激光雷达发射器和光学镜头采集激光测距数据，对所述数据进行采集灰度值的处理；

（2）对采集到的数据灰度值进行数据平滑处理，消除噪音干扰；

（3）采用二值化算法，先截取到光斑在光感器上的覆盖面，由覆盖面上的数据再次进行处理，获得质心点；

（4）根据质心点。结合三角测距算法，计算得出车辆与前方车辆的距离。

作为本发明的进一步优选方案，在进行中远距离测量时，采用多项式插值算法提高光感器的精度，将光感器的精确数值从像素级提高到亚像素级。

作为本发明的进一步优选方案，所述系统其功能实现的具体过程为：

步骤一：车辆启动时，系统进行初始化和OBD系统自检，自检正常时直接进入步骤三；

步骤二：当OBD系统连接出现异常时，系统自动进入重新连接模式，多次连接不成功时，系统进行警告处理、不显示预警信息，但继续显示前方距离信息；

步骤三：系统进入激光雷达扫描工作状态，发射激光雷达扫描前方车辆信息；

步骤四：感应器接受激光信号，计算出车辆距离信息；

步骤五：如果车辆距离大于可检测距离、系统检测不到车辆距离信息时，不进行距离显示和预警工作；

步骤六：前车距离进入可检测距离范围内时，设备获取和判断车辆当前速度信息；

步骤七：距离和速度参数经过处理，系统判断是否达到需要预警的级别、以及所述预警级别的范围等级；如果预警级别不足、则返回步骤六继续监测；

步骤八：根据进入的预警级别，发送不同等级的声、光、图像告警；

步骤九：判断预警状态是否已经解除，如果没有解除，重复步骤七，直至警告解除。

作为本发明的进一步优选方案，所述系统的有效检测距离为系统安装位置前方1m至100m。

作为本发明的进一步优选方案，所述系统的最佳检测距离为60m。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明基于激光测距精准距离的智能化防碰撞主动预警，可以使用户获得良好的体验效果，针对行车的复杂情况，为用户提供准确、及时、良好的防碰撞主动预警服务，减少生命财产受到的安全威胁，获得良好的市场价值。采用双镜头设计，并对镜头在光学设计上做特殊处理，能保证高精度光学成像和探测以及适应复杂车内环境的镜头结构设计。

本发明中优化的算法实现效果除了完成短距离测量，也通过处理CCD像素级解决了中远距离测量的问题。在可控的测量范围误差内，实现高速行驶状态下车辆间中远距离的测量，并根据当前的行驶速度，触发安全警报。算法主要用于车载系统，对于距离的精度要求不会像军事要求过于高。在有限的精度误差范围内，使得芯片内的操作系统快速的执行所有的算法并得出结果，使得算法执行时间在一个允许的时间范围内，并实现了在不断行驶的车辆上进行快速距离的测量，并实时返回准确的距离数据。

附图说明

图1是本发明中，系统的实现步骤逻辑示意图。

图2是双镜头测距原理示意图。

图3是本发明中，测距核心算法的流程示意图。

图4是本发明实现双线扫描和双镜头接收的示意图俯视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明将三角法应用于中远距离测距，并解决了三角法在中远距离测距中的探测距离和精度问题，实现了准确的距离信息显示和相应预警。

利用激光雷达进行主动预警，需要实时获取车辆速度信息，本专利采用OBD通讯协议，和车辆信息中心连接，通过标准协议获取车辆速度信息。

主动预警核心的功能在于碰撞等级的智能分类、以及对应的智能处理，在通常的防碰撞方案中，如果不能获取准确的距离信息、则防碰撞只能采用模糊分类方法，如两个车辆在某个可能的距离范围内时发出预警信息；本专利通过激光雷达可以获取非常精确的距离信息，从而将智能化防碰撞主动预警量化到车辆间每一米的距离变化、都对应有不同的告警和处理方法，达到智能化处理的目的。

由光源发出的一束激光照射在被测物体表面上，通过漫反射最后在镜头上成像，当物体的位置发生改变时，其在镜头上成的像也发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系，可以算出真实的位移。这就是激光测距的基本测距方法，但是这个方法存在一个探测横向宽度的问题。

为了解决这一问题，本发明采用两个镜头同时探测前方左右两侧来车的办法，双镜头测距原理示意图如图2所示，使用两个与中轴线成一定斜角的镜头可以同时探测车辆前方最远100m，最小距离2m范围内是否有车驶入为驾驶员提供预警。在本发明的一个具体实现方式中，系统由两组接收端和发送端组成，主要包含为两个激光雷达发射器和两个光学镜头。其基本原理为光学镜头与激光器的垂直方向形成一个锐角，当激光器发出激光信号后，碰到前方待测物体表面，信号发生散射，并在接收端接收到散射的激光信号，从而构成隐形的三角形状。双路激光测量同样是基于三角法原理，将镜头和激光器组成后分别放置设备的两侧，从而达到两边同时能够发送激光信号和接收激光信号。

基于激光雷达进行快速测距的软件核心算法中包括的技术问题有：（1）准确地计算出距离，并保证距离误差在可控的范围内；（2）冲破中远距离限制，并准确获取中远距离的数值。

外界可考虑的影响因素有硬件设备存在的精度误差（如设备间的距离分布误差、不同镜头之间的精度误差等）、设备固定平面的不稳定性（这里主要指的是行驶中的车辆）、外界的噪声干扰（如热噪声、声音噪声、光噪声等）。除了尽量避免一些开发生产的误差并提高精度，有些干扰因素则需要软件算法的配合，才能准确的获取到需要的数据。

硬件设备光感器（CCD）在同一段距离所采集到的灰度值都不尽相同，故而想要任何条件下不经过软件算法处理来得到准确距离是不可能实现的事情。核心算法需要实现的功能是在一系列相似的数据中通过比较和处理后来得到一个精确的距离数值，并在允许的误差范围内。

中远距离测量也是一个不可避免的技术问题。传统的雷达测距只是对短距离作用，超过一定的范围将不再工作。但是在真正的使用上，车载上除了能进行短距离测量之外，还需要在高速行驶时进行中远距离测量，这样才能很好的把握好行驶速度，避免追尾事件的发生。

本发明中，测距核心算法的流程示意图如图3所示，激光雷达测距算法采用的是三角算法，依据三角算法的理论，提前设定好设备的各项参数类型，并根据采取到的数据值进行分析处理，计算出当前的实际测量距离。在此过程中，采集到的数据值处理包含数据获取、数据平滑、数据质心点的获取等。

数据平滑的目的为消除噪音干扰。受外界噪音的干扰，采集到的数据可能会出现毫无预期的畸变，故而需事先用数据平滑算法将数据平滑，消除畸变，使得后面的数据质心点的获取更加方便准确。

数据质心点的获取，采用二值化算法，先截取到光斑在CCD上的覆盖面，对覆盖面上的数据再次进行处理，获得质心点。

在进行中远距离测量时，则需要更高的数据精度支持。此时采用改进的多项式插值算法来提高CCD的精度，将CCD的分辨率从像素级提高到亚像素级，从而在测量中远距离时能准确的获取到相应的数据。

镜头的光学结构设计支持特定的视场角设计、焦距设计、成像精度设计等特有需要，针对本发明进行了特殊适配性的设计和优化。

本发明中，还对镜头的光学结构做出了改进。本发明中镜头的具体要求包括：支持车前1米到车前60米范围内的清晰成像；支持倾斜一定角度下对前方物体位移的成像精确捕获；支持车内因抖动、震动、高低温等引起的玻璃镜片形体的变化，支持高质量成像。本发明中，光学镜头支持和感光器的一体化加工集成。

本发明中，系统的实现步骤逻辑示意图如图1所示， 具体步骤包括：

步骤一：车辆启动时，设备加电自动运行，进行初始化准备。包括检测设备本身状态是否正常，以及和车载OBD系统的通讯是否正常；正常时直接进入步骤三；

步骤二：如果和OBD连接出现异常，系统自动进入重新连接模式，多次连接不成功时，系统进行警告处理、不能显示预警信息，但同时设备可以继续显示前方距离信息。

步骤三：OBD连接正常后，设备进入激光雷达扫描工作状态，发射激光雷达扫描前方车辆信息；

步骤四：感应器接受激光信号，计算出车辆距离信息；

步骤五：如果车辆距离大于可检测距离、系统检测不到车辆距离信息时，不进行距离显示和预警工作；

步骤六：前车距离进入可检测距离范围内时，设备获取和判断车辆当前速度信息；

步骤七：距离和速度参数经过处理，系统判断是否达到需要预警的级别、以及处于哪个预警级别范围内；如果预警级别不足、则返回步骤六继续监测；

步骤八：根据进入的预警级别，发送不同等级的声、光、图像告警；

步骤九：判断预警状态是否已经解除，如果没有解除，重复步骤7；直至警告解除。

在本发明的一个具体实施例中，实现双线扫描和双镜头接收的示意图俯视图如图4所示，激光雷达扫描前车情况，实现双线扫描和光学镜头双路接收，激光雷达照射到前车上并在后车接收返回的数据，进行快速计算后发出预警信息或者安全信息。

汽车主动防碰撞，主要依赖车辆内部安装的激光雷达对前方车辆、或者前方的物体状况进行扫描，根据扫描出来的距离信息、以及车辆当前行驶的速度信息等，进行综合判断，在不同的速度情况下、不同的车辆距离信息意味着不同的安全系数，一旦安全系数低于某个理论的数值时，意味着车辆发生碰撞的几率大大提高，也就是很可能马上会发生碰撞。本发明中通过设置预警仪等装置发出声光报警，提醒驾驶员马上采取必要的措施，规避前方车辆或障碍物，达到避免碰撞（追尾）、或者减轻碰撞发生的严重性，从而达到保护驾驶者和前方车辆、物品、行人等安全的目的。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例的形式公开披露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。