本发明属于辅助驾驶，具体为一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统。
背景技术：
1、随着城市化发展以及车辆的普及，近年来城市的车辆数量急剧增加，导致道路拥堵的情况逐渐严重，同时也使交通事故更加频繁的出现。
2、目前，市面上存在很多车距测量的系统，比如超声波测距，红外线测距，激光测距和雷达测距等，这些系统可以帮助车辆进行安全驾驶，避免碰撞和刮擦，但是它们也有一定局限性，比如测量范围有限，受环境干扰大，精度不高等。
3、对于目前存在的预警系统包括车道偏移预警，碰撞预警等，也同样能够帮助车辆及时发现危险，提醒驾驶员采取措施，但是它们的局限性同样存在，例如不能预测前方车辆的行为，不能适应复杂的交通环境等。
4、对于目前存在的测速系统包括雷达测速系统，激光测速系统，视频测速系统等，但同样存在受环境干扰大，测量范围有限，测速成功率低以及设备昂贵的局限。
5、针对上述的情况来看，市场上缺乏实用性强的安全驾驶预警系统。
技术实现思路
1、针对以上问题，本发明提供了一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，结合了北斗卫星导航系统的优越性，车辆测距可利用单目摄像头进行安全距离检测，实现低成本、高精度、易部署的轻量级车距预警功能，具有实用性强的特点。
2、一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，包括北斗卫星导航接收器、单目摄像头和移动端应用；所述北斗卫星导航接收器向移动端应用传输当前车辆位置、速度和驾驶数据；所述单目摄像头向移动端应用传输前方车辆的图像数据；所述移动端应用计算车距并对驾驶员提供预警提醒。
3、进一步的，安装在车辆前方的摄像头采集前方车辆的图像数据，将前方车辆的位置，大小，形状等信息通过蓝牙传输的方式传输给移动端应用。
4、进一步的，安装在车辆内部的北斗卫星导航接收器，与北斗卫星导航系统相连，通过北斗卫星信号，获取本车的经纬度，高度，速度，航向等信息，并将数据传输给移动端应用。
5、进一步的，移动端应用的软件模块设计主要有三个部分：第一部分为数据汇总模块，负责接收来自北斗卫星导航接收器和单目摄像头的数据，包括本车和前方车辆的经纬度，高度，速度，航向，图像，视频等信息；然后将来自北斗卫星与摄像头的数据进行整合，包括校验，过滤，压缩，加密等操作，保证数据的完整性，准确性，安全性和高效性；接下来，通过蓝牙或无线网络，将处理后的数据转换为统一格式后发送到数据处理模块，供其进一步的数据分析和预警。
6、进一步的，移动端应用的软件模块设计的第二部分为数据处理模块，该模块负责对数据汇总模块的数据进行分析计算，在接收到来自数据汇总模块整理后的车辆数据后，通过opencv(一种开源的计算机视觉库)获取前方车辆的轮廓，利用单目视觉测距方法计算出本车与本车前方车辆之间的距离，然后根据位置变化和时间差计算出相对速度，并实时将车距、相对速度和车辆绝对速度等信息传输给信息预警模块。
7、所述单目视觉测距方法需要摄像头和算法的配合，通过前置摄像头对前方车辆进行实时监测，采集前方车辆的图像数据，通过图像处理算法，识别出道路上的车辆、行人等；并根据图像上物体的大小和位置信息进行计算，推测出物体到摄像头的距离。
8、但是单目摄像头对物体的位置和距离感知会产生偏差，这就类似于人类眼睛，分别闭上左眼和右眼，一个物体在我们眼中的位置和距离是有偏差的，而绝对距离越近，偏差效应越明显。为了提高准确性，通过对大量不同距离的图像进行训练，根据图像上物体的特征来估计距离，利用图像中车辆位置进行测距。
9、于是本发明对测距误差进行了分析，发现测距误差主要受到接地点的像素误差影响，如果接地点存在n个像素误差，那么测距误差z误差是第n个距离与实际距离的误差zn-z，公式为：其中，n是像素误差；如果n为1，那么误差为：nz2/fh。由此可见，测距误差随着距离而二次方地增长，而误差比例则随着距离线性增长。因此，本发明在设计摄像头时，应尽量选择高分辨率、高清晰度、低噪声的摄像头，以减小像素误差，提高测距精度。
10、以下是利用单目视觉测距方法进行测距和相对速度计算的具体实施过程：
11、车辆测距的实施过程为：首先获取目标图像轮廓：定义一个find_marker函数，接收一个参数image，用来找到要计算距离的物体。
12、参考附图2，本车a，前方车b和c，摄像头p焦距为f，高度为h，与障碍物b、c的距离分别为z1、z2，道路上与本车a距离为z的点，投影到图像上高度为y，b车和c车在图像的投影分别是y1、y2，根据相似三角形原理，可以得到如下公式:根据图像上物体的大小和位置信息计算物体到摄像头的距离，利用图像中车辆位置进行测距。
13、相对速度的计算方法是：利用前后两张图像的车辆宽度w和w′，以及单目摄像头采集的前方车辆的图像数据，根据物体的尺寸变化来推测物体的相对速度v，公式为：v＝△z/△t，其中，△t是两张图像的时间差；并根据以下公式计算本车与本车前方车辆的相对速度：
14、首先，车辆在前后两张图像中的距离分别为z和z′，那么根据透视投影的原理，有：
15、
16、和
17、
18、其中，f是相机的焦距。由于相机的拍摄时间间隔为δt，那么有：
19、z'＝z-vδt
20、将上述三个式子联立，消去w和z，得到
21、
22、其中，△t是两张图像的时间差，w是车辆的实际宽度，前后两张图像的车辆宽度分别为w和w′。该方法可以避免测距结果充满噪声，导致相对速度精度不高的问题。
23、通过上述测量车距以及车辆相对速度的原理和方法，获得车距、相对速度等数据，并将其结果传输给信息预警模块。
24、进一步的，移动端应用的软件模块第三部分为信息预警模块，该模块设置有安全阈值，安全阈值是根据本车当前速度、本车制动加速度和本车驾驶员的反应速度进行动态调整，根据以下公式：
25、
26、计算车辆车距安全阈值；其中，ds是车距安全阈值，单位是米，k是安全系数，一般将其数值设为1.2，v是本车车速，单位是米/秒，t是驾驶员反应时间，单位是秒，a是本车最大制动加速度，通过车辆的制动系统获取数据，单位是米/秒。
27、进一步的，信息预警模块在计算车辆车距安全阈值过程中，本车最大制动加速度a通过车辆的制动系统传感器获取数据，并通过蓝牙无线传输的方式传输给移动端应用；驾驶员的反应时间t有以下两种方式获取：自测和自选，自测是指通过移动端应用的反应测试获得驾驶员当前的反应时间，其中一个反应测试可以通过在移动端应用上方显示某种颜色，旁边有“开始测试”字样，当点击“开始测试”后会在应用下方随即出现颜色，当出现的颜色和应用上方颜色一致时，在应用下方颜色部分点击示意测试停止，计算从出现正确颜色到点击正确颜色之间的时间，即为驾驶员的反应时间；自选是指移动端应用提供反应时间选项，由驾驶员自行选择反应时间。
28、进一步的，所述信息预警模块从数据处理模块获取本车与前方车辆的车距、相对速度和本车的绝对速度信息后，会将本车和前方车辆的车距和本车的绝对速度与车距安全阈值进行对比，当本车与前方车辆的实际车距小于车距安全阈值时，则表示存在碰撞风险，需要进行预警，接下来会根据以下公式：
29、
30、计算本车与前方车辆的碰撞时间；其中，dr代表本车与前方车辆的真实车距，vr代表本车与前方车辆的相对速度，ttc代表本车与前方车辆的碰撞时间。
31、进一步的，信息预警模块根据ttc的大小确定风险等级，ttc越小，表示碰撞的可能性越大，风险等级越高；ttc越大，表示碰撞的可能性越小，风险等级越低。
32、进一步的，信息预警模块根据不同的风险等级，输出相应等级的预警信号。
33、进一步的，碰撞风险等级可以分为以下四种：
34、(1)低风险：当ttc大于5秒时，表示两车之间有足够的时间和距离来避免碰撞，此时预警信号为绿色，无声音提示；
35、(2)中风险：当ttc在3秒到5秒之间时，表示两车之间的距离和速度开始接近，此时预警信号为黄色，有间隔声音提示和弹出页面提醒；
36、(3)高风险：当ttc在1秒到3秒之间时，表示两车之间有很大的碰撞可能，此时预警信号为红色，有连续的声音提示和弹出页面提醒；
37、(4)极高风险：当ttc小于1秒时，表示两车之间已经无法避免碰撞，此时预警信号为紫色，有紧急的声音提示和弹出页面提醒；
38、进一步的，信息预警模块具有语音播报或者预警提示的功能，若判断车辆存在碰撞风险，这可以根据碰撞风险等级，输出相应的语音或者提示信息，引导驾驶员采取适当的应急措施，如减速、刹车、变道、停靠等。
39、每种碰撞风险等级设计了相应的语音和页面提示信息，如下：
40、(1)低风险：语音和页面提示信息为“正在安全行驶，请保持车距！”；
41、(2)中风险：语音和页面提示信息为“注意前方，请适当减速！”；
42、(3)高风险：语音和页面提示信息为“车距过近，请立刻采取措施，减速慢行！”；
43、(4)极高风险：语音和页面提示信息为“紧急情况，请尽量避让！”；
44、进一步的，移动端应用具有保存和分析驾驶数据的功能，驾驶数据包括：车辆的位置、速度、车距、预警次数和碰撞风险等级，方便驾驶员查看和回顾历史数据。
45、进一步的，移动端应用还可以根据保存的驾驶数据生成驾驶报告，该驾驶报告反馈了驾驶员的驾驶习惯和水平，并为驾驶员提供改善驾驶安全的建议。
46、进一步的，移动端应用还具有数据可视化的功能，在行驶过程中存在碰撞风险的情况下，能够将预警信息以图形化的方式显示在移动端应用的界面上，提高驾驶员的信息获取和认知效率，提醒内容与上述语音和提示信息一致。
47、本发明的有益效果为：1、基于北斗的车距预警系统，具有精度高、高速度以及成本相对较低，实用性强的特点；2、基于摄像头的数据处理模块，能够捕捉并同时处理多辆车的信息，效率更大化，安全保障更为全面；3、使用移动端应用进行车距预警，用户体验感增强且传达信息更为便利；4、将北斗与摄像头结合进行数据整合与处理，使用移动端应用进行车距预警，实现了低成本、高精度、易部署的车距预警功能，同时具有实用性强的特点；5、移动端应用可以保存驾驶数据并生成驾驶报告，方面驾驶员查看历史驾驶信息以及帮助驾驶员提供改善驾驶安全的建议。
1.一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，其特征在于：包括北斗卫星导航接收器、单目摄像头和移动端应用；所述北斗卫星导航接收器向移动端应用传输当前车辆位置、速度和驾驶数据；所述单目摄像头向移动端应用传输前方车辆的图像数据；所述移动端应用计算车距并对驾驶员提供预警提醒。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，其特征在于：所述北斗卫星导航接收器与北斗卫星导航系统相连，获取本车的经纬度、高度、速度、航向信息，并实时将数据传输给移动端应用；所述单目摄像头采集前方车辆的图像数据并通过蓝牙无线传输的方式传输给移动端应用。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，其特征在于：所述移动端应用的软件模块设计由数据汇总模块、数据处理模块和信息预警模块组成；所述数据汇总模块负责接收来自北斗卫星导航接收器和单目摄像头的数据，并将数据转换为统一格式后发送给数据处理模块；所述数据处理模块负责对数据汇总模块的数据进行分析计算，并将处理结果发送给信息预警模块；所述信息预警模块负责对数据处理模块的数据进行判断和评估，判断碰撞风险并对驾驶员提供预警提醒。
4.根据权利要求3所述的一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，其特征在于：所述数据处理模块采用opencv库(一种开源的计算机视觉库)进行图像处理，获取前方车辆轮廓，并利用单目视觉测距方法计算本车与本车前方车辆的车距，并将本车与前方车辆的车距、本车与前方车辆相对速度的信息传输给信息预警模块；所述单目视觉测距方法包括：定义函数并接收参数，用来确定要计算距离的物体，根据相似三角形原理得到公式：其中，z是物体到摄像头的距离，f是摄像头的焦距，h是摄像头的高度，y是物体在图像上的高度，根据图像上物体的大小和位置信息计算物体到摄像头的距离；所述数据处理模块还利用单目摄像头采集前方车辆的图像数据，获取前后两张图像中的车辆宽度，并通过以下公式：
5.根据权利要求3所述的一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，其特征在于：所述信息预警模块设置有安全阈值，所述安全阈值是根据本车当前速度、本车制动加速度和本车驾驶员的反应速度进行动态调整，根据以下公式：
6.根据权利要求5所述的一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，其特征在于：所述信息预警模块在计算车辆车距安全阈值过程中，本车最大制动加速度a通过车辆的制动系统传感器获取数据，并通过蓝牙无线传输的方式传输给移动端应用；驾驶员的反应时间t可以通过以下两种方式获取：自测和自选，自测是指通过移动端应用的反应测试获得驾驶员当前的反应时间；自选是指移动端应用提供反应时间选项，由驾驶员自行选择。
7.根据权利要求3所述的一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，其特征在于：所述信息预警模块从数据处理模块获取本车与前方车辆的车距、相对速度和本车的绝对速度信息后，会将本车和前方车辆的车距和本车的绝对速度与车距安全阈值进行对比，当本车与前方车辆的实际车距小于车距安全阈值时，则表示存在碰撞风险，需要进行预警，接下来会根据以下公式：
8.根据权利要求3所述的一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，其特征在于：所述信息预警模块还具有语音播报或者预警提示的功能，能够根据碰撞风险等级，输出相应的语音或者提示信息，引导驾驶员采取适当的应急措施，如减速、刹车、变道、停靠等。
9.根据权利要求3所述的一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，其特征在于：所述移动端应用可以保存和分析驾驶数据，包括车辆的位置、速度、车距、预警次数和碰撞风险等级，方便驾驶员查看和回顾；所述移动端应用还可以生成驾驶报告，反馈驾驶员的驾驶习惯和水平，提供改善驾驶安全的建议。
10.根据权利要求3所述的一种基于北斗与单目摄像头的车距预警系统，其特征在于：所述移动端应用还具有数据可视化的功能，能够将预警信息以图形化的方式显示在移动端应用的界面上，提高驾驶员的信息获取和认知效率。
