自动驾驶防撞避免装置及其方法

技术领域

本申请涉及自动驾驶防撞避免装置及其方法，特别涉及以“摄像头+毫米波雷达”作为主传感器的自动驾驶车辆对静态障碍物检测的防撞装置和方法。

背景技术

目前搭载自动驾驶功能的车辆所搭载的主流传感器有摄像头、毫米波雷达和激光雷达。激光雷达由于成本较高，稳定性不高等特点未被批量应用。现有自动驾驶方案主要采用“摄像头+毫米波雷达”作为主传感器。然而，采用“摄像头+毫米波雷达”作为主传感器对于识别静态障碍物一直是一个难点。近年来，采用“摄像头+毫米波雷达”作为主传感器的自动驾驶车辆发生几起致命事故，都是在打开L2级（L2是现阶段对自动驾驶级别评价标准的其中一个级别：驾驶员负责监控路面，实现部分自动驾驶）自动驾驶系统的同时，以垂直方向撞上静止车辆导致。这几起事故的原因就是由于“摄像头+毫米波雷达”没有判断出静止障碍物，最终系统没有反应导致的结果。

发明内容

本公开的主要目的在于提供一种基于“摄像头+毫米波雷达+激光发射器”作为主传感器的低成本自动驾驶防撞避免装置及其方法。

本申请公开一种基于“摄像头+毫米波雷达+激光发射器”作为主传感器的低成本自动驾驶防撞避免装置，该自动驾驶防撞避免装置具备：激光发射器，用于发射特定方向激光光束；摄像头，获取含有激光光束产生光斑的图像；图像处理模块，获取摄像头传送数据进行计算处理，分析前方是否存在障碍物；控制单元，获取信号处理单元实时反馈数据，分析是否存在碰撞风险；防撞执行单元，执行控制单元的控制，进行自动驾驶防撞避免操作。

所述摄像头为普通摄像头芯片，包括但不限于CCD图像传感器、COMS图像传感器；激光发射器发射光束可被该摄像头所识别，包括但不限于可见光。

作为本申请的进一步改进，摄像头先判断前方是否存在障碍物，若否，则图像处理模块判断激光光束可照射的安全位置，通过控制单元操作激光发射器，发射特定方向激光光束，照射到安全位置形成光斑。

作为本申请的进一步改进，图像处理单元判断激光光束可照射的不安全位置包括： 1）直接或者间接照射到人脸部分的位置， 2）易燃易爆物质表面，3）具有反射功能且无法判断激光反射后是否安全的物体表面，但不安全位置并不局限于此。

作为本申请的进一步改进，激光发射器与摄像头在地面垂直方向上的安装距离＞10cm。

作为本申请的进一步改进，激光发射器包括但不限于：点云激光发射器，可旋转激光发射器。

作为本申请的进一步改进，激光发生器可以先后或者同时发射多种光色的激光光束。

作为本申请的进一步改进，该装置还包括：运动状态传感器，判断车辆倾斜、加速和转向状态，并传送到控制单元纠正激光发射方向的偏差。

作为本申请的进一步改进，运动状态传感器集成在控制单元主板上。

本申请还公开一种基于“摄像头+毫米波雷达+激光发射器”作为主传感器的低成本自动驾驶防撞避免方法，包括如下步骤：信号处理单元接收来自安装在所述自动驾驶车辆上的摄像头和微波雷达的数据，判断前方是否存在障碍物；若无，则图像处理模块判断激光光束可照射的安全位置，控制单元接收安全位置信号，并控制激光发射器发射激光光束照射安全位置；摄像头接收激光光束形成的光斑图像数据，并传输给图像处理模块，图像处理模块根据激光光斑的位置，再次判断前方是否存在障碍物；上述过程中，只要检测到前方存在障碍物，控制单元判断是否存在安全隐患，并控制防撞执行单元进行自动驾驶防撞避免操作。

本申请提供了一种基于“摄像头+毫米波雷达+激光发射器”作为主传感器的低成本自动驾驶防撞避免装置和方法，弥补了“摄像头+毫米波雷达”作为主传感器无法识别静态障碍物的这一难题，而且结构简单，成本低，有很高的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体

实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的

附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前

提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的自动驾驶防撞避免装置的示意图。

图2为本申请实施例提供的激光测距判断障碍物原理图。

图3为本申请实施例提供的车辆由于遇到高低差导致激光射线方向偏移时进行纠正的状况图。

图4为本申请实施例提供的防撞避免处理流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施

例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术

人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以下，参照附图对作为搭载于车辆的自动驾驶防撞避免装置而具体化后的实施方式进行说明。本实施方式所涉及的防撞避免装置通过发射特定方向激光光束，来探测前方是否存在障碍物。首先，使用图1对本实施方式所涉及的车辆的防撞避免装置的示意结构进行说明。应当理解，本申请的装置和方法可用于任何类型的车辆，包括传统车辆、混合动力车辆(HEV)、增程式电动车(EREV)、纯电动车(BEV)、摩托车、客车、运动型多功能车(SUV)、跨界车、卡车、厢式货车、公共汽车、旅行车(RV) 等。这些仅仅是可能的应用中的一些，因为本文所述装置和方法不限于图1-4所示示例性实施例，并且可通过多种不同方式实现。

在图1中，车辆（50）具备：传感器单元（10），包括：用于图像采集的摄像头（101），用于前方障碍物探测的微波雷达（102），用于车辆倾斜、加速和转向状态识别的运动状态传感器（103），用于激光光束发射的激光发射器（104）；信号处理单元（20），包括：用于接收摄像头图像数据用于图像处理的图像处理模块（201），用于微波雷达数据处理和控制的雷达处理模块（202），用于处理、转换和分析运动状态传感器数据的运动状态处理模块（203），用于控制激光光束发射的激光控制模块（204）；控制单元（30），用于接收和处理信号处理单元传送过来的数据，并控制信号处理单元进一步进行信号探测，最后控制防撞执行单元进行防撞避免动作；防撞执行单元（40），包括：用于执行控制单元信号而减少或关闭油路来控制车速的车速调控器（401），用于执行控制单元信号而接通刹车电路使车辆刹车制动的制动装置（402），用于执行控制单元信号而显示前方障碍物报警的仪表（403），用于执行控制单元信号而提醒后部车辆的刹车灯（404）。

摄像头（101）为普通摄像头芯片，包括但不限于CCD图像传感器、COMS图像传感器；用于采集图像信号，可以识别激光发射器（104）发射光束，能够采集含有激光发射器（104）发射光束形成光斑的图像信号，并传送给图像处理模块（201）进行计算分析。

微波雷达（102）采用频率在300MHz-3000GHz之间，波长在0.1mm到10米之间微波作为信号源。微波是分米波、厘米波、毫米波与亚毫米波、米波的统称，所以微波雷达也包括毫米波雷达。微波的方向性很好，速度等于光速，微波遇到车辆立即被反射回来，再被雷达测速计接收，这样一来一回，不过几十万分之一秒的时间，数码管上就会显示出所测车辆的车速。当人物或物体在微波的感应范围内移动时，便会启动感应器。因此微波雷达广泛应用于自动驾驶中前方障碍物的探测，但是微波雷达无法识别静态障碍物一直是自动驾驶的一大难题。

运动状态传感器（103）包括：3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计、气压传感器、倾角传感器，可以为其中的一种或者多种组合。可以采集相关信号并传送给运动状态处理模块（203）进行计算分析。

激光发射器（104）可以根据控制单元（30）指令发射特定方向的激光光束，包括但不限于：点云激光发射器，可旋转激光发射器。并且可以先后或者同时发射多种光色的激光光束。在确认的安全位置形成光斑，该光斑图像数据用于判断前方是否存在障碍物。

图像处理模块（201）用于接收摄像头（101）传送过来的图像数据，通过算法分析前方是否存在障碍物，若无，继续分析激光光斑的图像数据，根据光斑是否偏移及偏移量，计算分析前方是否存在障碍物以及障碍物的距离，并将结果传送到控制单元。

雷达处理模块（202）接收微波雷达（102）数据，用于分析前方障碍物，并将分析结果传送给控制单元。

运动状态处理模块（203）接收运动状态传感器数据，通过包括卡尔曼滤波、粒子滤波、互补滤波算法的融合，计算出车辆倾斜、加速和转向状态，并将数据传送给控制单元，用于激光光束发射角度纠偏。

激光控制模块（204）接收控制单元控制信号，并控制激光发射器发射特定方向的激光光束。

控制单元（30）搭载有微机、线束的接口等。上述微机具有具备CPU (CentralProcessing Unit：中央处理器)、ROM (Read Only Memory：只读存储器)、RAM (RandomAccess Memory：随机存取存储器)、I/O以及CAN(Controller Area Network：控制器局域网络)通信装置等的公知的结构。控制单元（30）主要用于连接信号处理单元，接收传感信号分析数据并发送数据控制激光发射器，计算分析前方障碍物是否安全，并控制防撞执行单元（40）进行防撞避免动作。

车速调控器（401）用于减少或关闭油路对发动机进行抑制驱动力的控制，来调控车速。

制动装置（402）可以是任何合适的车辆制动系统的一部分，包括与盘式制动器、鼓式制动器、电液制动、电子机械制动、再生制动、线控制动等相关联的系统。

仪表（403）上设置报警指示灯，当前方障碍物出现安全风险时，报警指示灯发出警告，自动防撞规避同时，提示驾驶人员接管采取进一步措施。

刹车灯（404）当判断前方障碍需要规避时，自动启动制动装置（402）同时，点亮刹车灯，提示后方车辆预警规避。

现在转到图2，示出了自动驾驶防撞避免装置中激光测距判断障碍物原理图。如图2（Ⅰ）显示，当车辆（50）配置摄像头（101）第一次反馈图像判断前方不存在障碍物时，图像处理模块（201）继续判断C点是否安全，是否存在行人或者易燃易爆物品，如果不存在，那么激光发射器（104）发射激光光束去照射C点位置。摄像头（101）第二次采集激光光斑成形图像。C点会呈现在C点成像位置，如图2（Ⅲ）（a）所示，则二次确认前方不存在障碍物。

如果图像处理模块（201）处理第一次反馈图像出现误判，实际在车前方有一个没有识别的障碍物（60），那么根据光线直线传播原理，激光光束（激光发射器中心B点与C点的连线）会在障碍物（60）上形成一个E点光斑，在车辆行驶方向上做一个通过E点的垂直截面X，E点在X截面上的成像如图2（Ⅲ）（b）所示。根据光线直线传播原理，原C点在X截面的成像点为AC线（C点与摄像头中心A点连线）与X截面的交点D，如图2（Ⅲ）（b）所示。摄像头（101）的采集图像如图2（Ⅲ）（b），C点和D点重合为同一点，而且E点在C点下方，产生x距离的偏移。因此，如果C点不在C点预定位置，而是产生了x距离的偏移，那么图像处理模块（201）即可根据光斑图像，判断前方存在障碍物，且第一次图像判断存在误判。

如果障碍物（60）处在离车辆（50）更远的位置，如图2（Ⅰ）中障碍物（70）位置，那么激光光束（激光发射器中心B点与C点的连线）会在障碍物（70）的X'截面上形成一个F点光斑。同理，在摄像头（101）上的成形图像中F点和G点为同一点，F（G）点与C（D）点距离为x'，如图2（Ⅲ）（c）所示。由图2（Ⅱ）可知：F（G）点在C（D）点下方，E点在F（G）点下方，所以成像点与预定成像点C点距离越远，那么障碍物离车辆（50）越近。

另一方面，我们可以通过成像点E与预定成像点C的距离来计算得到障碍物与车辆（50）之间的距离。如图2（Ⅱ），首先，通过图像上E点与C点的像素位置差的计算可以得到实际在X截面上两点的差值x。然后，障碍物与车辆（50）之间的距离d1，车辆（50）到C点的距离d，E点投影到地面的投影点H到C点的距离为d2，d1=d-d2；y为激光发射器中心B点到地面的距离，α为激光光束BC与地面的夹角，d=y÷tanα；X截面上E点和D点的距离为x，摄像头中心A点和C点连线和地面的夹角为β，d2=x÷（tanβ- tanα）；将两个公式代入d1=d-d2中最后得到, 障碍物与车辆（50）之间的距离d1=y/tanα-x/( tanβ- tanα)。

由公式d1=y/tanα-x/( tanβ- tanα)可知，d1的计算精度由x和y决定的。而y为激光探头距离地面的安装高度，得出激光安装高度y越大，测试精度越高。而x实际与BA'有关，其中A'为AC连线与通过B点的车辆前进方向垂直截面的交点，而BA'与摄像头和激光发射器在地面垂直方向上的安装距离有关，如果BA' 距离过小，会导致测量精度下降，所有要求：激光发射器与摄像头在地面垂直方向上的安装距离＞10cm。

上述说明案例为了解释清晰需要，只介绍了一束激光射线的案例，实际使用情况中，激光光束可以为多光束，且不同光束的发射时间也可不同，且不同光束发射激光的光色也可不同，根据实际情况会比以上案例更加复杂。

更进一步地，如图3，介绍一种更加复杂的情况，当车辆（50）遇到上下坡或者前后高低不平的情况，那么激光发射器就会相对水平位置有角度η偏差，会直接导致激光原发射角度γ产生变化。此时我们需要借助运动状态传感器（103）来判断车辆的实际倾斜角度，并将倾斜角度换算后反馈给控制单元（30），对激光实时发射角度δ进行纠偏。更进一步，除了车辆倾斜，运动状态传感器（103）还可以判断车子速度、加速度、转向状态，对激光发射光束的方向或者图像处理的位置点进行进一步纠偏。

图4为本申请一个实施例的方法的流程示意图。应该理解的是，虽然图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，图中的至少部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段,这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。本实施例所提供的防撞避免装置处理流程，按每个规定的控制周期反复执行图4的处理。

首先，摄像头和微波雷达采集数据，并将数据传送给信号处理单元（S101）。如果信号处理单元检测出有障碍物（S102：是），数据传送给控制单元。控制单元判断是否存在安全隐患，并控制防撞执行单元进行自动驾驶防撞避免操作（S109）。如果如果信号处理单元未检测出有障碍物（S102：否），则图像处理模块确认激光安全照射点（S103），并把安全照射点坐标传送给控制单元。控制单元根据坐标位置并结合位置状态传感器数据纠正照射方向（S104），并传送正确的照射坐标给激光控制模块。激光控制模块控制激光发射器按照控制单元传送过来的正确坐标发射激光探照（S105）。摄像头二次采集激光光斑图像数据（S106），并传送给图像处理模块。图像处理模块根据图像数据，提取激光光斑探点（S107），并根据光斑位置偏移情况分析前方是否存在障碍物（S108）。如果信号处理单元检测出有障碍物（S108：是），数据传送给控制单元。控制单元判断是否存在安全隐患，并控制防撞执行单元进行自动驾驶防撞避免操作（S109）。如果如果信号处理单元未检测出有障碍物（S108：否），则这一个流程结束，回到开始进入下一个循环的操作。

综上，本申请实施例提供了一种基于“摄像头+毫米波雷达+激光发射器”作为主传感器的低成本自动驾驶防撞避免装置和方法，弥补了“摄像头+毫米波雷达”作为主传感器无法识别静态障碍物的这一难题，而且结构简单，成本低，有很高的应用价值。

本公开依据实施例进行了记述，但是应理解的是本公开并不限定于该实施例及构造。本公开也包含各种变形例及等同范围内的变形。除此以外，各种各样的组合及方式、以及在其中仅包含一个要素、一个以上要素或一个以下要素的其他组合或方式也包含在本公开的范畴及思想范围内。