一种搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统及方法技术方案

本发明专利技术一种搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统，属于车辆行驶监测技术领域；包括车辆运动信息采集子系统、图像识别处理子系统、安全预警子系统；车辆运动信息采集子系统用于采集车辆运动状态信息，并将以某一时间间隔采集的多组照片进行上传，供图像识别处理系统进行识别判断。图像识别处理子系统用于将车辆运动信息采集子系统采集的相关数据进行计算和判别，并与已建立的相关图像处理模型和判别模型进行比对，从而判断车辆的速度大小和行驶方向。安全预警子系统用于对图像识别处理子系统的判别结果进行归类，根据相关判别模型判断车辆是否超速，并发布超速信息警示。本发明专利技术可实现高速公路行车的速度安全警示，逆行警示。示。示。

【技术实现步骤摘要】
一种搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统及方法


[0001]本专利技术属于车辆行驶监测
，尤其涉及一种搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统。

技术介绍

[0002]现今高速公路常用的测速方法主要为固定摄像头拍照定点测速、区间测速和流动测速等。以上方法均存在一定的缺陷和不足：如固定摄像头拍照测速无法移动，部分驾驶员只需要在靠近摄像头的位置适当减速，而在其他区域超速行驶的行为便不会被记录；区间测速只能测得某段区间平均车速，不能及时检测出某一时间的瞬时车速；利用可移动测速仪从不同的方向对超速车辆进行拍摄的流动测速也存在较大不便。

技术实现思路

[0003]本专利技术目的在于提供一种搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统，以解决在高速公路无法灵活便捷地测知车辆是否超速，对于超速行为无法实时报警并通知高速管理人员，无法在测速时有效节省人力成本的技术问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术的一种搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统的具体技术方案如下：
[0005]车辆运行信息采集子系统主要用于通过无人机飞行角度标定，使单片机拍摄出能较准确直观反映行驶车辆位置的照片。
[0006]无人机姿态一般包括3个角度即：偏航角(Yaw)、俯仰角(Pitch)、翻滚角(Roll)。偏航角一般指无人机相对北极的顺时针角度，也即整个坐标系沿z轴旋转的角度，我们一般要将这个角度转换为直角坐标系中的角度以便后续的计算，转换公式为：
[0007]Y a w ～ ＝
ꢀ‑ꢀ
( Y a w + φ ) + π / 2
ilde{Yaw}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0008]＝
‑
(Yaw+
ilde{\phi})+\pi/2
[0009]Yaw ＝
‑
(Yaw+ φ)+π/2，(其中φ
ilde{\phi} φ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0010]为计算修正后的相机水平旋转角(计算修正时设置Yaw角度为0)，无人机坐标系转换为大地坐标系时，没有使用位移量，需要加上经纬度的偏移。在相机的安装过程中，可能存在只需要相机z轴与地平面的夹角(相机的俯仰角pitch)的场景，该场景中假使其他的角度偏差都为零(即roll yaw都为零)。
[0011]利用无人机拍摄的众多角度中，靶标水平放置的情形，适合俯仰角度较大的场景，如果俯仰角度较小，则需要将靶标垂直地面放置。使用时根据所需照片的情况适当调整无人机飞行角度，使最终拍摄出的图像达到预期目标。
[0012]鉴于车辆速度测算需要知道同一行驶车辆在一段时间内通过的路程，本系统通过拍摄同一行驶车辆在不同时刻的位置达到速度测算的要求，以固定时间段内两图片位置坐标点的变化量测算其行驶路程，通过路程、时间、速度三者之间的关系即可测算出车辆在该段时间内的行驶速度。固定时间段的控制通过在单片机中利用定时器来实现，主要操作为
设置一个定时器中断处理函数，当定时器中断发生时，调用该函数；在中断处理函数中实现拍照的函数调用；在主函数中触发定时器的开始；在定时器中断处理函数调用拍照函数之后，触发定时器结束，使拍照间隔定时功能得以实现。考虑到高速公路上汽车行驶的速度要求，该时间段以10～20s为宜，避免产生时间过短距离较小测算难度增大以及时间过长拍摄难度增大等问题。
[0013]一种搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统，包括车辆运行信息采集子系统、图像识别处理子系统和安全预警子系统，车辆运行信息采集子系统用于采集高速特定路段某一时间段内车辆位置及其变化的相关信息，并利用单片机进行信息采集、存储，再通过5G网络传输给图像识别处理子系统；图像识别处理子系统用于将车辆运动信息采集子系统采集的相关数据进行计算和判别，并与已建立的相关图像处理模型和判别模型进行比对，从而判断车辆的速度大小和行驶方向；安全预警子系统用于对图像识别处理子系统的判别结果进行归类，根据相关判别模型判断车辆状态信息，对危险或违法行车状态进行警示，图像识别处理子系统包含数据处理模块；
[0014]数据处理模块首先读取图像将彩色图像RGB转换为灰度图像，消除色调和饱和度信息，保留亮度；然后使用roberts算子进行边缘检测，明确并扩大特征图像的边界对处理后图像进行腐蚀操作，将目标图像收缩，进一步细化图像；再对图像进行平滑处理，防止某些亮度变化过大的区域，或出现的一些亮点对于图像识别结果产生干扰最后对图像聚类，划分图像数据集，获得图像的像素信息，方便对于图像的各部分进行分析比较；为保证速度测算的准确性，减小其实际误差，本系统图片识别优先采用降噪处理。在实际操作过程中，环境光照及温度、风力等级等因素都会对实验结果造成影响，本系统针对环境因素及温度状况采用灰度处理和平滑处理等方法减小误差。其中，经过拍摄后的图像可能是彩色图像，亦或是灰度图像，系统的实时性要求识别具有较高的效率，目前的做法都是对灰度图像进行处理。因此要有灰度化的预处理过程，将彩色图像转化成为灰度图像。彩色图像经过灰度化处理后，由于使用的是统一的调色板，节省了大量存储空间和处理时间。
[0015]平滑处理的方法主要有空间域平滑处理和频率域平滑处理两种方式。在空域法中，图像平滑常用的方法是采用均值滤波方法或中值滤波方法。在本系统中，图像处理以准确化速度测算为目的，对平滑处理质量的要求的级别则相对较低，所以采用空间域处理方法；然后利用matlab对图像进行二值化处理从而得到车身轮廓，进而利用matlab识别矩阵识别车辆轮廓中心点位置黑色像素点的坐标，假设无人机拍摄路面绝对水平，在无人机飞行高度和摄像头视场偏移角度确定的情况下，得出像素点个数与实际长度的关系式，并由此来计算其实际距离；通过不同照片实际距离的差异及时间间隔的长短来算出车辆的行驶速度，并进行比较；最后对车辆的具体速度进行计算和判断，并进行安全预警；
[0016]由公式(3)计算汽车前后通过的行驶路程
[0017]s1＝(x1‑
x2)
×
0.16
ꢀꢀꢀ
(3)
[0018]由公式(4)计算车辆行驶速度
[0019]v1＝s1÷
t1ꢀꢀꢀ
(4)
[0020]其中，s1:汽车行驶路程，单位：m
[0021]x1，x2:汽车前后通过的横坐标位置，单位：m
[0022]t1:无人机拍摄时间间隔，单位：s
[0023]v1：汽车通行速度，单位：m/s
[0024]数据处理模块包含判别程序，这主要是考虑到雨雪等天气对图像处理产生的影响，在使用roberts算子进行边缘检测时，考虑到天气产生的干扰，需选择不同的参数，从而消除干扰像素点，达到最佳的图像状态。当天气情况良好时，roberts算子阈值默认取0.18；当天气情况恶劣时，图像处理子系统识别出像素点过于离散，将会不断提高参数以达到更好的效果；
[0025]图像识别处理子系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统，包括车辆运行信息采集子系统、图像识别处理子系统和安全预警子系统，车辆运行信息采集子系统用于采集高速特定路段某一时间段内车辆位置及其变化的相关信息，并利用单片机进行信息采集、存储，再通过5G网络传输给图像识别处理子系统；图像识别处理子系统用于将车辆运动信息采集子系统采集的相关数据进行计算和判别，并与已建立的相关图像处理模型和判别模型进行比对，从而判断车辆的速度大小和行驶方向；安全预警子系统用于对图像识别处理子系统的判别结果进行归类，根据相关判别模型判断车辆状态信息，对危险或违法行车状态进行警示，图像识别处理子系统包含数据处理模块，其特征在于，数据处理模块首先读取图像，将彩色图像RGB转换为灰度图像，消除色调和饱和度信息，保留亮度；然后使用roberts算子进行边缘检测，明确并扩大特征图像的边界对处理后图像进行腐蚀操作，将目标图像收缩，进一步细化图像；再对图像进行平滑处理，最后对图像聚类，划分图像数据集，获得图像的像素信息图像识别处理子系统利用matlab对图像进行二值化处理从而得到车身轮廓，利用matlab识别矩阵识别车辆轮廓中心点位置黑色像素点的坐标，并由此来计算其实际行驶路程，通过不同照片实际距离的差异及时间间隔的长短来算出车辆的行驶速度，并进行比较；由公式(3)计算汽车前后通过的行驶路程s1＝(x1‑
x2)
×
0.16
ꢀꢀꢀꢀ
(3)由公式(4)计算车辆行驶速度v1＝s1÷
t1ꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，s1：汽车行驶路程，单位：mx1，x2：汽车前后通过的横坐标位置，单位：mt1：无人机拍摄时间间隔，单位：sv1：汽车通行速度，单位：m/s数据处理模块包含判别程序，在使用roberts算子进行边缘检测时，当天气情况良好时，roberts算子阈值默认取0.18；当天气情况恶劣时，图像处理子系统识别出像素点过于离散，将会不断提高参数以达到更好的效果；图像识别处理子系统包含图像识别模块与图像判断模块，图像判断模块根据图像识别模块处理后的图像的坐标变化范围确定各个车道，并识别、记录各车道上车辆轮廓像素点坐标，对各坐标进行集成，得出车辆具体坐标，根据前后图片坐标位置的不同，计算出车辆的行驶距离与方向，并根据时间间隔计算出车辆行驶速度。2.根据权利要求1所述的搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统，其特征在于，安全预警子系统包括无线数据接受装置和报警设备，无线数据接受装置用于接收图像识别处理子系统的车辆状态判断结果；报警设备在车辆出现超速、慢速、停止和逆行状态时进行预警。3.根据权利要求1所述的搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统，其特征在于，安全预警子系统根据车辆位置坐标，判断车辆所处车道类别；通过车速大小判断车辆是否超速；当速度<0时，系统输出“车辆逆行”；当车辆位置坐标处于安全通道时，系统输出“车辆非法占用车道”。
4.根据权利要求1所述的搭载在无人机上的高速公路行车安全预警系统，其特征在于，车辆运动信息采集子系统包括摄像头模块，摄像头模块包括双目摄像头、模数转换器和单片机，双目摄像头搭载在无人机上，且双目摄像头角度与地...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志发，吕阳，梁奡楠，蔡序，马浩然，宋洋，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：