TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 299
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CẢNH BÁO LỆCH LÀN ĐƯỜNG
TRÊN XE MERCEDES-BENZ S500
RESEARCH ON THE LANE DEPARTURE WARNING SYSTEM
ON THE MERCEDES-BENZ S500
Nguyễn Đức Thắng1, Nguyễn Trung Kiên1, Nguyễn Minh Tuấn1,
Nguyễn Đức Tiến1, Bùi Văn Hải2,*
1Lớp KTOT 01 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: haihang08@gmail.com
TÓM TẮT
Ngày nay cùng với sự phát triển về mặt khoa học các nhà nghiên cứu và thiết kế đã đạt đượt những thành tự trong việc
phát triển hệ thống cảnh báo lệch làn đường. Nghiên cứu này đề xuất Hệ thống cảnh báo lệch làn đường (LDWS) gửi cảnh
báo cho người lái xe sử dụng hệ thống nhận dạng vạch kẻ đường gồm hai camera được lắp đặt ở bên trái và bên phải của
xe. LWDS nhằm mục đích giải quyết các vấn đề khác nhau có thể phát sinh khi lái xe trên đường, chủ yếu bao gồm các
điều kiện bất ngờ. Hệ thống này tạo cảnh báo bằng cách sử dụng camera để ghi lại hình ảnh liên tục bằng cách xác định
hướng di chuyển của phương tiện thông qua vạch kẻ đường bên trái và bên phải và dự đoán hướng di chuyển của phương
tiện. Hai camera được lắp trên gương chiếu hậu bên phải và bên trái của xe để thúc đẩy hệ thống hỗ trợ người lái nâng cao
(ADAS). Camera quan sát gương bên trái phát hiện chuyển động ở làn đường bên phải, trong khi camera quan sát gương
bên phải phát hiện chuyển động ở làn đường còn lại. Hai camera này phát hiện chuyển động của xe bằng thuật toán và gửi
tín hiệu cảnh báo đến người lái một cách độc lập. Nội dung của bài báo này sẽ đề cập đến vấn đề nghiên cứu hệ thống cảnh
báo lệch làn đường trên xe Mercedes-Benz s500.
Từ khóa: Lệch làn đường, hệ thống cảnh báo, camera quan sát, Mercedes-Benz s500.
ABSTRACT
Today, with the development of science, researchers and designers have achieved achievements in developing lane
departure warning systems. This study proposes a Lane Departure Warning System (LDWS) that sends warnings to drivers
using a road marking recognition system consisting of two cameras installed on the left and right sides of the vehicle.
LWDS aims to solve various problems that can arise while driving on the road, mainly including unexpected conditions.
This system generates warnings by using cameras to continuously record images by determining the direction of vehicle
movement through left and right lane markings and predicting the direction of vehicle movement. Two cameras are
installed on the vehicle's right and left rearview mirrors to leverage the Advanced Driver Assistance System (ADAS). The
left mirror camera detects movement in the right lane, while the rear view camera Close to the right mirror detects
movement in the remaining lane. These two cameras detect vehicle movement using algorithms and send warning signals
to the driver independently. The content of this article will address the issue of researching the lane departure warning
system on the Mercedes-Benz S500.
Keywords: Lane departure, warning system, Mirror-view cameras, Mercedes-Benz s500.
1. GIỚI THIỆU
Hệ thống cảnh báo chệch làn đường LDWS (Lane
Departure Warning System) được coi là một trong những
công nghệ hỗ trợ lái tốt nhất hiện nay của Mercedes-Benz.
Hệ thống sử dụng các camera để phát hiện kẻ vạch chia làn
đường. Nếu phát hiện xe chạy lấn làn, đầu tiên hệ thống sẽ
kích hoạt cơ chế rung vô lăng, phát tín hiệu cảnh báo bằng
hình ảnh và âm thanh, sau đó rà nhẹ phanh vào bên bánh xe
đối diện với hướng xe đang lấn làn để tự động đưa xe chạy
đúng hướng. Hệ thống được phát triển bởi công ty Iteris của
Mỹ để sử dụng cho xe tải Mercedes Actros và được giới
thiệu lần đầu tiên vào năm 2000.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: Máy ảnh sẽ
theo dõi ranh giới làn đường bên trái và bên phải (cả màu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 300trắng và màu vàng). Hệ thống LDWS sử dụng nguyên tắc
biến đổi Hough và phát hiện cạnh Canny để nhận dạng các
vạch kẻ đường dựa trên hình ảnh thực do máy ảnh cung cấp.
Nếu phát hiện phương tiện đi quá sát mép vạch kẻ đường,
hệ thống LDWS sẽ đưa tín hiệu người lái bằng hình ảnh trên
màn hình bảng đồng hồ, rung vô lăng và phát ra tiếng bíp.
Một số xe thậm chí còn có rung ở ghế lái. Người lái có thể
chủ động nhấn nút tín hiệu chệch làn đường để tắt hoặc kích
hoạt lại hệ thống.
Hình 1.Sơ đồ cảnh báo lệch làn đường
2. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU
2.1. Cấu tạo của hệ thống cảnh báo lệch làn đường
Hệ thống cảnh báo lệch làn đường bao gồm:
- Hệ thống camera lắp phía sau kính chắn gió, nằm phía
sau gương chiếu hậu trung tâm.
- Radar cảm biến vị trí tương quan của xe
- Bộ xử lý cảnh báo lệch làn đường.
- Hệ thống cảnh báo người lái
- Công tắc bật/tắt hệ thống
2.2. Cơ sở lý thuyết
- Phương trình động lực học của xe
Hình 2. Mô hình động học chuyển động ngang của xe
Ở mô hình trên hai bánh trước bên phải và trái của xe
được biểu thị bằng một bánh xe tại điểm A. Tương tự với 2
bánh sau của xe được biểu thị tại điểm B. Góc lái của bánh
trước và bánh sau của xe được biểu thị bằng δf và δr. Trọng
tâm của xe được đặt tại điểm C. Khoảng cách từ các điểm
A và B đến trọng tâm của xe là lf và lr. Chiều dài cơ sở của
xe là L= lf + lr.. Giả sử xe có chuyển động phẳng. Cần có ba
tọa độ để mô tả chuyển động của xe: X, Y và . (X,Y) là
tọa độ quán tính của vị trí của trọng tâm C của xe đồng thời
mô tả hướng của xe. Vận tốc tại trọng tâm của xe ký hiệu là
V và tạo một góc β với trục dọc xe. Góc β gọi là góc trượt
của xe.
Giả định chính được sử dụng trong việc phát triển mô
hình động học là các vectơ vận tốc tại các điểm A và B lần
lượt hướng theo hướng định hướng của bánh trước và bánh
sau. Nói cách khác, vectơ vận tốc ở bánh trước tạo một góc
với trục dọc của xe. Tương tự, vectơ vận tốc ở bánh sau tạo
một góc với trục dọc của xe. Điều này tương đương với việc
giả định rằng "góc trượt" ở cả hai bánh bằng không. Đây là
giả định hợp lý đối với chuyển động ở tốc độ thấp của xe
(ví dụ, đối với tốc độ nhỏ hơn 5 m/s). Ở tốc độ thấp, lực
ngang do lốp tạo ra nhỏ. Để lái xe trên bất kỳ đường tròn
bán kính R nào, tổng lực ngang từ cả hai bánh xe là:
thay đổi bậc hai theo tốc độ V và nhỏ ở tốc độ thấp.
Góc ψ gọi là góc hướng của xe. Góc chuyển động của
xe là = ψ + β.
Áp dụng quy tắc sin cho tam giác OCA ta có :
sin−
=sin
2−
(1)
Áp dụng quy tắc sin cho tam giác OCA ta có :
sin(−)
=sin
2+
(2)
Từ (1) ta có:
sincos()− sin()cos
=cos
(3)
Từ (2) ta có:
cos()sin()− cos()sin()
=cos()
(4)
Nhân cả 2 vế phương trình (3) với
 ta được:
tan()cos()−sin()=
(5)
Nhân cả hai vế phương trình (4) với
() ta được:
sin()−tan()cos()=
(6)
Cộng hai phương trình (5) và (6) ta được:
tan()−tan()cos()= +
(7)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 301Giả sử bán kính đường đi của xe thay đổi chậm do vận
tốc chậm thì tốc độ thay đổi hướng của xe phải bằng vận
tốc góc của xe nên ta có:
=
(8)
Từ công thức (8) ta có phương trình:
=cos()
+tan()−tan() (9)
Ta có các phương trình chuyển động tổng thể của xe như
sau: =cos(+) (10)
=sin(+) (11)
=cos()
+tan()−tan()(12)
Trong mô hình này có ba đầu vào: , và V. Vận tốc
là một biến bên ngoài và có thể được coi là hàm thay đổi
theo thời gian.
Góc trượt có thể thu được bằng việc nhân phương
trình (5) với và trừ cho phương trình (6) nhân với :
=tantan+tan
+ (13)
Do ở mô hình 1 cả bánh trái và bánh phải phía trước đều
được thể hiện bằng một bánh duy nhất, nên góc lái bên trái
và bên phải là như nhau. Nhưng trong thực tế do bán kính
đường đi của mỗi bánh xe là khác nhau đặc biệt là khi vào
cua, nên góc lái sẽ khác nhau. Do đó xét mô hình động lực
học của xe với cả bánh trái và bánh phải của xe:
Hình 3. Mô hình động lực học quay vòng của xe
Gọi là chiều rộng vệt bánh xe, à  lần lượt là góc
lái bên trong và bên ngoài. Gọi chiều dài cơ sở =+
nhỏ hơn so với bán kính R. Nếu góc trượt nhỏ thì phường
trình (12) có thể xấp xỉ bằng:
≈1
=
ℎ =
(14)
Vì bán kính quay vòng của bánh xe trong và ngoài là
khác nhau nên ta có:
=
+
2(15)
=
−
2(16)
Góc lái trung bình của bánh trước xấp xỉ bằng:
=+
2≅
(17)
Độ lệch giữa góc lái trong và ngoài là :
−=
=
(18)
Từ đấy ta có thể thấy độ lệch góc lái của 2 bánh trước tỷ
lệ với bình phương góc lái trung bình, và khi rẽ trái hay rẽ
phải thì bánh trong luôn quay với góc lái lớn hơn.
Ta có bảng thống kê các phương trình động lực học của
xe như sau bảng 1.
Bảng 1. Tổng hợp các phương trình động học của xe
Ký hiệu
Ý nghĩa Phương trình
X Toạ độ trục
X
=
cos
+
)
Y Toạ độ trục
Y
=
sin
(
+
)
Góc
nghiêng
hay góc
định hướng
của xe đối
với trục X
=
cos
)
+
tan
(
)
−tan()
Góc trượt
của xe
=
tan
tan
+
tan
+
2.3. Phương pháp xác định làn đường
- Thông tin đầu vào
Thông tin đầu vào sẽ là video thu được từ camera gắn
trên gương chiếu hậu của ô tô quay ở các đoạn đường khác
nhau trong các điều kiện khác nhau.
Nguyên lý phân tích ảnh từ video đầu vào của hệ thống
cảnh báo lệch làn đường:
- Khi hệ thống cảnh báo lệch làn được kích hoạt, camera
được gắn trên kính hậu liên tục thu hình ảnh quãng đường
di chuyển.
- Bộ xử lý sẽ chia nhỏ các hình ảnh video thành 2 khung
theo chiều ngang.
- Qua quá trình phân tích, bộ phận xử lý phát hiện phần
làn đường được xác định so với vị trí tương ứng của xe.
- Hệ thống đánh dấu lại những làn đường được phát
hiện → đưa ra hình ảnh về phần đường bên trái và phải.
- Dựa vào các phân tích của bộ xử lý để quyết định đưa
ra cảnh báo:
Nếu xe lệch làn → đưa ra cảnh báo thông qua hệ thống
cảnh báo. Nếu xe chưa lệch làn → hệ thống tiếp tục vòng
lặp để phân tích hình ảnh.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 302- Thuật toán CHEVP
Thuật toán này được sử dụng để phát hiện các cạnh của
làn đường và hệ thống đánh dấu làn đường. Kỹ thuật khởi
tạo tự động, có thể trích xuất vị trí của bất kỳ loại hình làn
đường nào cực kỳ quan trọng và cần thiết. Thuật toán
CHEVP (Canny / Hough Estimation of Vanishing Points)
đã được phát triển để đáp ứng các yêu cầu này. Con đường
được giả định có hai ranh giới song song trên mặt đất và
trong dải hình ảnh ngang ngắn, con đường gần như thẳng
[4].
Ban đầu, hình ảnh được chia thành hai khung hình phụ
theo chiều ngang và chọn phần dưới của khung hình ảnh
sau đó được chuyển đổi thành hình ảnh cường độ để đáp
ứng yêu cầu hệ thống.
- Thuật toán phát hiện cạnh Canny
Bằng cách sử dụng bộ lọc FIR-2D và sau đó áp dụng giá
trị ngưỡng tự động từ đó ta dò tìm cạnh Canny cho hình ảnh
đã chọn. Sau đó hệ thống nhận được hình ảnh phát hiện
cạnh. Nhiệm vụ của phát hiện cạnh là giảm đáng kể lượng
dữ liệu trong ảnh, thay vì hầu hết các thang màu thực, hệ
thống chỉ sử dụng 2 màu trắng và xám, trong khi vẫn bảo
toàn các đặc tính cấu trúc được sử dụng để xử lý ảnh tiếp
theo.
Thuật toán Canny hoạt động theo 5 bước sau:
Bước 1: Làm mịn ảnh: hình ảnh được làm mờ để loại bỏ
nhiễu.
Bước 2: Tìm gradient: cần đánh dấu các cạnh của hình
ảnh có độ lớn.
Bước 3: Triệt tiêu cực đại: Các cạnh được đánh dấu chỉ
là các cực đại cục bộ.
Bước 4: Tạo ngưỡng kép: : Các cạnh tiềm năng được
xác định bằng cách tạo ngưỡng.
Bước 5: Theo dõi cạnh bằng độ trễ: Các cạnh cuối
cùng được xác định bằng cách triệt tiêu tất cả các cạnh
không được kết nối với một cạnh (mạnh) rất chắc chắn.
- Phép biến đổi Hough Transform
Hình 4. Biến đổi Hough để phát hiện đường thẳng
Thuật toán phát hiện làn đường sử dụng phép biến đổi
Hough Transform để phân tích hình ảnh thu được từ
camera. Kỹ thuật này thường được sử dụng để xác định các
hình dạng tùy ý như đường thẳng, hình tròn, hình elip,...
Biến đổi Hough được thực hiện trên một hình ảnh sau khi
việc phát hiện các cạnh canny đã diễn ra để thu được pixel
hình ảnh là những pixel mong muốn. Nói chung, phương
trình đường thẳng cho bởi y = mx + c có thể được biểu diễn
dưới dạng điểm (c, m) trong không gian tham số hoặc hệ
tọa độ Descartes. Đối với phép biến đổi Hough, chúng ta
chuyển đổi phương trình thành tọa độ cực.
- Hệ thống phát hiện làn đường và cảnh báo lệch làn
đường
Hệ thống phát hiện làn đường phát hiện các điểm đánh
dấu làn đường bằng cách khớp các điểm đánh dấu làn đường
hiện tại với các điểm đánh dấu từ khung video trước đó.
Cảnh báo lệch làn hiển thị các dấu hiệu làn đường được phát
hiện và tạo ra cảnh báo tùy thuộc vào các dấu hiệu làn
đường đã phân loại và vị trí xe. Hệ thống tạo ra thông báo
cảnh báo lệch làn bên trái, xe di chuyển qua vạch kẻ làn
đường bên trái và thông báo lệch làn bên phải khi xe di
chuyển qua vạch kẻ làn đường bên phải.
3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀM
SIMULINK
Hình 5. Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống cảnh báo lệch làn đường
Tiến hành mô phỏng hệ thống cảnh báo lệch làn đường
với đâu vào là video do camera thu được.
Mỗi hình bao gồm bốn phần thể hiện tín hiệu phát hiện,
theo dõi, giới hạn an toàn và kết quả của hệ thống cảnh báo
chệch làn đường sử dụng tính năng theo dõi đường dựa trên
sắc độ. Trong tín hiệu giới hạn an toàn khi vạch vàng nằm
trên ngưỡng tím thì thể hiện xe đang đi đúng làn đường và
ngược lại.
- Trong hình 6, video đầu vào đường có vạch kẻ đường.
Ta thu được đồ thị biên độ an toàn của xe và các cảnh báo
khi xe di chuyển lệch làn ở hình 7
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 303
Hình 6. Video đầu vào với làn đường có vạch kẻ đường
Hình 7. Kết quả của quá trình mô phỏng
- Trong hình 8 video đầu vào không có vạch kẻ đường.
Từ đó ta thu được đồ thị biên độ an toàn của xe và các cảnh
báo khi xe di chuyển lệch làn.
Hình 8. Làn đường không có vạch kẻ đường
Hình 9. Kết quả của quá trình mô phỏng
4. KẾT LUẬN
Qua kết quả mô phỏng cho ta có thể thấy, ở trường hợp
xe đi trên đường có vạch kẻ chia làn, khi xe di chuyển đúng
làn đường ta có thể thấy hệ thống xác định vạch kẻ đường
và màu sắc của vạch kẻ trên làn đường xe di chuyển. Đồng
thời 2 vạch màu vàng và xanh trong đồ thị biên độ an toàn
khi xe đi đúng làn đường là song song. Khi xe du chuyển
lệch làn lập tức có cảnh báo lệch làn đường được đưa ra và
đồ thị biên độ an toàn cũng có sự thay đổi, đường màu vàng
có xu hướng đi xuống khi xe đi lệch làn và đi lên khi xe di
chuyển vào đúng làn đường.
Ở trường hợp xe di chuyển ở đường không có vạch chia
làn đường, khi xe đi trên đúng phần đường, hệ thống không
đưa ra các cảnh báo và đồ thị biên độ an toàn của xe cũng
có xu hướng đi ngang tuy nhiên có nhiều sự thay đổi về
khoảng cách của xe và làn đường (đường màu vàng đi
ngang nhưng lên xuống liên tục, khi xe đánh lái rẽ phải hệ
thống xác định xe đi lệch làn đường và đưa ra cảnh báo lệch
làn đồng thời đồ thị biên độ an toàn cũng có sự thay đổi,
đường màu vàng đi xuống nhanh trong thời gian ngắn do có
sự đánh lái, sau đó đi lên khi xe đi vào đường không có vạch
kẻ chia làn, lúc này hệ thống xác định hai đường biên ở hai
bên đường làn làn đường xe đi