СИСТЕМА АНАЛИЗА ДОРОЖНОЙ ОБСТАНОВКИ И ВЫРАБОТКИ СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМ СРЕДСТВОМ

Полезная модель относится к области компьютерного зрения, в частности, к системе анализа дорожной обстановки и выработки сигналов управления транспортным средством.
Современный мир компьютерных систем широко использует технологии машинного, или компьютерного, зрения. В частности, популярность приобретают решения, предназначенные для автомобилей, снижающие вероятность аварий и упрощающие процесс управления транспортным средством.
Основной операцией в работе этих систем является распознавание дорожной разметки, поскольку существует тенденция к учащению случаев выезда водителей за разметку, что приводит к возникновению дорожно-транспортных происшествий.
Система помощи движению по полосе (другие наименования: помощник движения по полосе, ассистент удержания полосы движения) помогает водителю придерживаться выбранной полосы движения и тем самым предотвращать аварийные ситуации.
Система эффективна при движении по автомагистралям и обустроенным федеральным дорогам, то есть там, где имеется качественная дорожная разметка. Различают два вида систем помощи движению по полосе: пассивные и активные.
Пассивная система предупреждает водителя об отклонении от выбранной полосы движения, а активная система, наряду с предупреждением, производит корректирующее вмешательство в работу рулевого управления.
В процессе функционирования активной системы помощи движению по полосе реализуются следующие основные функции:
- распознавание траектории (полосы) движения;
- визуальное информирование о работе системы;
- корректировка работы рулевого управления;
- предупреждение водителя.
Известны технические решения, которые могли бы быть использованы для построения системы анализа дорожной обстановки и выработки сигналов управления транспортным средством (1, 2, 3).
Первое из известных технических решений содержит одну или нескольких видеокамер, размещенных на транспортном средстве с возможностью обзора мест расположения знаков на дороге, блок автоматического распознавания дорожных знаков, связанный с системой обнаружения дорожных знаков и сигналов светофора, блоки управления и памяти, а также видеопроектор, и/или дисплей, и/или аудиоустройство, предназначенное для отображения информации о дорожном знаке или сигнале светофора с момента обнаружения до момента выхода дорожного знака или сигнала светофора из зоны действия устройства [1].
При движении транспортного средства видеокамера или видеокамеры сканируют верхнюю и боковую части дороги, где обычно размещаются дорожные знаки и светофоры. Изображение, получаемое с помощью видеокамеры, обрабатывается в блоке автоматического распознавания дорожных знаков и сигналов светофора.
При попадании в поле зрения видеокамер дорожных знаков или светофора блок автоматического распознавания дорожных знаков и сигналов светофора выдает соответствующий кодовый сигнал о нем в блок информирования водителя, который выдает соответствующее сообщение о дорожном знаке или сигнале светофора на видеоустройство и/или па аудиоустройство.
Недостаток этого технического решения заключается в низком быстродействии системы, обусловленной тем, что реакция водителя транспортного средства на поступившие сообщения о состоянии дорожной обстановки требует дополнительного времени для принятия решения.
Известна и другая система, содержащая размещенные на транспортном средстве блок автоматического распознавания дорожных знаков и сигналов светофора, связанный с системой обнаружения дорожных знаков и сигналов светофора, блоки управления и памяти, а также видеопроектор, и/или дисплей, и/или аудиоустройство, предназначенное для отображения информации о дорожном знаке или сигнале светофора с момента обнаружения до момента выхода дорожного знака или сигнала светофора из зоны действия [2].
Согласно изобретению система обнаружения дорожных знаков и сигналов светофора для автоматической передачи в салон транспортного средства выполнена в виде радио или сенсорного передатчика, предназначенного для установки на светофорах и дорожных знаках и транслирования направленных на движущийся перед дорожным знаком или светофором транспортный поток ограниченных по зоне действия кодовых сигналов и установленного на транспортном средстве приемного устройства, связанного с подключенным к блоку управления блоком автоматического распознавания дорожных знаков и сигналов светофоров и предназначенного для приема сигналов от передатчика.
Его недостаток заключается в невысоком быстродействии системы, обусловленном тем, что выполнение процедуры анализа ситуации в зоне наблюдения дорожных знаков реализуется через поиск признаков дорожных знаков и их последующего распознавания, что неизбежно приводит к неоправданным затратам времени и невозможности принятия решений в реальном масштабе времени.
Известно и другая система анализа дорожной обстановки и выработки предупредительных сигналов водителю, содержащая индикаторный блок, блок распознавания автомобилей, блок распознавания разметки, блок видеорегистрации, в котором выход блока видеорегистрации связан с входом блока распознавания автомобилей и входом блока распознавания разметки, выходы блоков распознавания автомобилей и распознавания разметки связаны с входом индикаторного блока, блоком распознавания косвенных признаков, который подключен к выходу блока видеорегистрации и ко входу индикаторного блока [3].
Последнее из перечисленных выше технических решений наиболее близко к описываемому.
Его недостаток также заключается в низком быстродействии системы, поскольку данные о дорожной обстановке только отображаются на индикаторном блоке, но никак не могут быть непосредственно использованы в системе управления транспортным средством для изменения его положения при движении по заданной полосе.
Цель полезной модели - повышение быстродействия системы путем выработки сигналов управления приводом рулевого механизма транспортного средства в момент фиксации изменения положения передних колес транспортного средства относительно линий дорожной разметки.
Поставленная цель достигается тем, что в известную систему, содержащую первую видеокамеру, информационный и синхронизирующий выходы которой соединены с информационным и синхронизирующим входами первого модуля детектирования изображения дорожной разметки соответственно, а информационный выход первого модуля детектирования изображения дорожной разметки является первым информационным выходом системы, предназначенным для выдачи данных о дорожной обстановке на экран дисплея, вторую видеокамеру, информационный и синхронизирующий выходы которой соединены с информационным и синхронизирующим входами второго модуля детектирования изображения дорожной разметки соответственно, а информационный выход второго модуля детектирования изображения дорожной разметки является вторым информационным выходом системы, предназначенным для выдачи данных о дорожной обстановке на экран дисплея, отличающаяся тем, что система содержит первый и второй регистры, информационные входы которых являются первым и вторым информационными входами системы, предназначенными для приема данных об угловом положении левого переднего и правого переднего колес транспортного средства соответственно, первый модуль селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, сигнальный вход которого соединен с сигнальным выходом первого модуля детектирования изображения дорожной разметки, первый управляющий вход первого модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля является первым управляющим входом системы, предназначенным для приема данных о положении рукоятки поворота при ее установке в левое положение, второй управляющий вход первого модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля является вторым управляющим входом системы, предназначенным для приема данных о положении рукоятки поворота при ее установке в правое положение, при этом синхронизирующий выход первого модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля подключен к синхронизирующему входу первого регистра, второй модуль селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, сигнальный вход которого соединен с сигнальным выходом второго модуля детектирования изображения дорожной разметки, первый управляющий вход второго модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля подключен к второму управляющему входу системы, второй управляющий вход второго модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля соединен с первым управляющим входом системы, при этом синхронизирующий выход второго модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля подключен к синхронизирующему входу второго регистра, модуль выдачи сигналов управления на приводы рулевого механизма автомобиля, первый и второй управляющие выходы которого являются первым и вторым управляющими выходами системы, третий регистр, выход которого соединен с информационным входом модуля выдачи сигналов управления на приводы рулевого механизма автомобиля, один управляющий вход которого подключен к управляющему выходу первого модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, а другой управляющий вход модуля выдачи сигналов управления на приводы рулевого механизма автомобиля соединен с управляющим выходом второго модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, и модуль определения величины сигнала воздействия на рулевой механизм автомобиля, первый и второй информационные входы которого подключены к выходам первого и второго регистров соответственно, первый синхронизирующий вход модуля определения величины сигнала воздействия на рулевой механизм автомобиля соединен с синхронизирующим выходом первого модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, второй синхронизирующий вход модуля определения величины сигнала воздействия на рулевой механизм автомобиля подключен к синхронизирующему выходу второго модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, первый управляющий вход модуля определения величины сигнала воздействия на рулевой механизм автомобиля соединен с управляющим выходом первого модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, а второй управляющий вход модуля определения величины сигнала воздействия на рулевой механизм автомобиля подключен к управляющему выходу второго модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, при этом информационный и синхронизирующие выходы модуля определения величины сигнала воздействия на рулевой механизм автомобиля соединены с информационным и синхронизирующим входами третьего регистра соответственно.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема системы, на фиг. 2 - структурная схема первого модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, на фиг. 3 - структурная схема второго модуля селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, на фиг. 4 - структурная схема модуля определения величины сигнала воздействия на рулевой механизм автомобиля, на фиг. 5 - структурная схема модуля выдачи сигналов управления на приводы рулевого механизма автомобиля.
Система (фиг. 1) содержит первую 1 и вторую 2 видеокамеры, первый 3 и второй 4 модули детектирования изображения дорожной разметки, первый 5 и второй 6 модули селекции сигналов изменения направления движения автомобиля, модуль 7 определения амплитуды сигнала воздействия на рулевой механизм автомобиля, первый 8, второй 9 и третий 10 регистры, и модуль 11 выдачи сигналов управления на приводы рулевого механизма автомобиля.
Видеокамеры 1 и 2 установлены на автомобиле образом, что в поле зрения видеокамеры 1 попадает линия разметки полосы движения с левой стороны движения, а в поле зрения видеокамеры 2 попадает линия разметки полосы с правой стороны движения.
На чертеже показаны первый 15 и второй 16 информационные входы системы, на которые поступают данные об угловом положении левого переднего и правого переднего колес транспортного средства, первый 17 и второй 18 управляющие входы системы, на которые поступают сигналы с датчиков положения рукоятки переключателя поворота, а также первый 19 и второй 20 информационные выходы системы, и первый 21 и второй 22 управляющие выходы системы.
Модуль 5 (фиг. 2) селекции сигналов изменения направления движения автомобиля содержит триггеры 30, 31, элементы 32, 33 И, элемент 34 ИЛИ задержки. На чертеже так же показаны тактирующий 35, первый 36 и второй 37 сигнальные и установочный 38 входы системы, а также синхронизирующий 39 и управляющий 40 выходы.
Модуль 6 (фиг. 3) селекции сигналов изменения направления движения автомобиля содержит триггеры 50, 51, элементы 52, 53 И, элемент 54 ИЛИ задержки. На чертеже также показаны тактирующий 55, первый 56 и второй 57 сигнальные и установочный 58 входы системы, а также синхронизирующий 59 и управляющий 60 выходы.
Модуль 7 (фиг. 4) определения амплитуды сигнала воздействия па рулевой механизм автомобиля содержит постоянное запоминающее устройство 61, дешифратор 62, элементы 62-65 И, первая 66 и вторая 67 группы элементов И, группа 68 элементов ИЛИ, элемент 69 ИЛИ, первый 70 и второй 71 элементы задержки. На чертеже также показаны первый 72 и второй 73 синхронизирующие, первый 74 и второй 75 информационные, первый 76 и второй 77 входы, а также информационный 78 и синхронизирующий 79 выходы.
Модуль 11 (фиг. 5) выдачи сигналов управления на приводы рулевого механизма автомобиля содержит цифроаналоговые 80-81 преобразователи и группы 82-83 элементов И. На чертеже также показаны информационный 84, первый 85 и второй 86 управляющие входы, а также первый 21 и второй 22 управляющие выходы.
Система работает следующим образом.
Данные с информационного выхода 23 видеокамеры 1 поступают на информационный вход 41 модуля 3, где происходит распознавание разметки и принятие решения о том, пересекается разметка или нет. С этой целью в модуле 3 реализуется следующая последовательность операций [4]:
- получение данных с видеокамеры;
- разбивка видеопотока на кадры;
- удаление эффекта перспективы с применением метода обратного отображения перспективы;
- усиление границ с помощью фильтра Гаусса;
- векторизация данных преобразованием Хафа;
- нанесение линий на исходное изображение;
- вывод результата на экран.
С выхода 43 модуля 3 обработанная информация в виде линий разметки, нанесенных на исходное изображение, выдается на выход 19 и далее на экран дисплея.
В том случае, если автомобиль начинает пересекать разметку, то на выходе 44 модуля 3 появляется сигнальный импульс, который через вход 35 модуля 5 поступает на один вход элементов 32 и 33 И, которые управляются триггером 30.
В том случае, если автомобиль начинает пересекать разметку, а указатель поворота не включен, то триггер 30 будет находиться в исходном состоянии, при котором высоким потенциалом с инверсного выхода триггера 30 элемент 33 И будет открыт, а элемент 32 И низким потенциалом с прямого выхода триггера 30 будет закрыт.
Сигнальный импульс с входа 35 модуля 5, во-первых, проходит через открытый элемент 33 И на выход 40 модуля 5, а, во-вторых, поступает на прямой вход триггера 31 и устанавливает его в единичное состояние, при котором триггер 31 с прямого выхода выдает на выход 39 высокий потенциал, поступающий через вход 76 модуля 7 на одни входы элементов 66 И группы, и открывающий их по одному входу. Кроме того, высокий потенциал с выхода 39 модуля 5 через вход 85 модуля 11 также поступает на одни входы элементов 82 И, открывая их по одному входу.
Параллельно с этим, сигнальный импульс пересечения линий разметки с выхода 40 модуля 5, во-первых поступает на синхронизирующий вход 89 регистра 8, в результате чего с входа 15 в регистр 8 заносится код угла поворота соответствующего переднего колеса с датчика углового положения (на чертеже не показан).
Данный код с выхода 90 регистра 8 через вход 74 модуля 7 проходит открытые элементы 66 И группы, затем элементы 68 ИЛИ группы поступает на вход дешифратора 62, который расшифровывает поступивший код и на одном из своих выходов формирует высокий потенциал, открывающий по одному входу один из элементов 63-65 И, например, элемент 65 И.
Параллельно с этим, синхронизирующий импульс с входа 72 модуля 7 проходит элемент 69 И, задерживается элементом 70 задержки на время срабатывания регистра 8 и дешифратора 62, и с выхода элемента 70 задержки поступает на другой элемента 65 И, откуда поступает на вход фиксированной ячейки памяти блока 61, в которой содержится код амплитуды сигнала, необходимого для управления приводом при возвращении автомобиля на заданную полосу движения. Этот код считывается через выход 78 модуля 7 на информационный вход 87 регистра 10.
Параллельно с этим, синхронизирующий импульс с выхода элемента 70 модуля 7 задерживается элементом 71 на время считывания кода из блока 61 памяти, и с выхода 79 модуля 7 поступает на синхронизирующий вход регистра 10, занося в него считанный код.
С выхода регистра 10 считанный код амплитуды сигнала подается на вход 84 модуля 11, и далее через элементы 82 И группы поступает на вход цифроаналогового преобразователя 80, с выхода которого поступает на выход 21 системы и далее на вход системы управления приводом рулевого механизма, который возвращает передние колеса автомобиля в исходное состояние.
В том случае, если автомобиль начинает пересекать разметку, и при этом указатель поворота будет включен, то в этом случае с входа 17 от датчика указателя поворота на вход 36 модуля 5 поступает сигнал, который устанавливает триггер 30 в единичное состояние, при котором высоким потенциалом с прямого выхода триггера 30 элемент 32 И будет открыт, а элемент 33 И низким потенциалом с инверсного выхода триггера 30 будет закрыт.
В этом случае сигнальный импульс с входа 35 модуля 5 проходит через открытый элемент 32 И, затем элемент 34 И, и поступает на установочный вход триггера 30 и устанавливает его в исходное состояние.
Кроме того, импульс с входа 17 системы поступает на вход 57 модуля 6, и далее проходит через элемент 54 ИЛИ на установочный вход триггера 50, также устанавливая его в исходное состояние.
Аналогичным образом система работает при обработке данных, поступающих с выхода 25 второй видеокамеры.
Таким образом, введение новых модулей и новых конструктивных связей позволило существенно повысить быстродействие системы путем выработки сигналов управления приводом рулевого механизма транспортного средства в момент фиксации изменения положения передних колес транспортного средства относительно линий дорожной разметки.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания заявки:
1. Патент РФ №2268499, 2003 г.
2. Патент РФ №2369905, 2008 г.
3. Патент РФ №119497, 2012 г.(прототип).
4. Конушин А., Киншаков В., Крылов А. Алгоритмы детектирования разметки и дефектов дорожного покрытия. - М: Изд-во МГУ, 2009