CN101727757A - 基于ⅶ支持下的车辆主动避撞系统 - Google Patents

Abstract

一种基于VII支持下的车辆主动避撞系统，包括短程无线通信终端、路边基站和交通信息服务中心，短程无线通信终端安装在车辆内，局部路段车载的短程无线通信终端组成无线通信局域网络，在路边设置路边基，安装在车辆上的各类传感器通过CAN总线上传采集得到的数据信息，短程无线通信终端设有危险警告信息发布器，当有潜在的追尾碰撞等危险情况时激活所述危险警告信息发布器，并且通过短程无线通信广播式发布危险警告信息；其他车辆上的短程无线通信终端接收到危险警告信息后，中央控制器安全状态判断模块分析车辆在当前的运动状态下，为了避免与异常行驶车辆发生追尾碰撞所需的临界跟车距离。本发明能有效减小时间延迟、提高可靠性。

Description

基于Ⅶ支持下的车辆主动避撞系统

技术领域

本发明涉及一种车辆主动避撞系统。

背景技术

近年来，高速公路交通事故居高不下，其中追尾碰撞事故占75％以上。研发高性能的车辆主动避撞系统成为提高车辆在高速行驶过程中的主动安全性能，降低追尾碰撞事故发生率的迫切需要。

车辆主动避撞避撞系统利用现代信息技术、传感器技术检测车辆在行驶过程中是否存在追尾碰撞等潜在危险，并在紧急情况下，自动采取避撞措施，保证车辆行驶安全。车辆行驶过程中对前方异常行驶车辆的快速检测是车辆主动避撞系统实现的基础，车辆与前方异常行驶车辆之间的临界跟车距离的确定是系统实现的关键。当前的车辆主动避撞技术主要通过无线短程通信收发危险警告信息，但在交通流量大、路况复杂的交通环境中接收危险信号存在较大的时间延迟，并且，系统临界跟车距离模型关键参数值的辨识没有考虑道路环境对参数值的影响。

发明内容

为了克服已有车辆主动避撞系统的存在较大时间延迟、可靠性差的不足，本发明提供一种减小时间延迟、提高可靠性的基于VII支持下的车辆主动避撞系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于VII支持下的车辆主动避撞系统，包括短程无线通信终端、路边基站和交通信息服务中心，所述短程无线通信终端安装在车辆内，局部路段车载短程无线通信终端组成无线通信局域网络，在路边设置以无线数据通信、信息存储和转发为主要功能的路边基，短程无线通信终端与路边基建立无线通信网络，各个路边基站与交通信息服务中心建立通信连接，安装在车辆上的各类传感器通过CAN总线上传才记得到的数据信息，所述CAN总线与中央控制器连接，中央控制器与短程无线通信终端建立双向数据链路，所述短程无线通信终端设有危险警告信息发布器，当有潜在的追尾碰撞等危险情况时激活所述危险警告信息发布器，并且通过短程无线通信通信广播式发布危险警告信息；其他车辆上的短程无线通信终端接收到危险警告信息后，中央控制器安全状态判断模块分析车辆在当前运动状态下，为了避免与异常行驶车辆发生追尾碰撞所需的临界跟车距离，其计算公式为：

其中，v₁为跟随车辆初始速度，T_delay为制动迟滞时间，α为跟随车辆制动减速度，制动减速度波动系数为

d为跟随车辆制动结束后与前方异常行驶车辆的车间距； $t_1=\frac{v_1-v_{2\mathrm{final}}}{\mathrm{\α}}$ 为跟随车辆采取制动措施直至瞬时速度与前方异常行驶车辆瞬时速度相等时所需制动时间，v_2final为前方异常行驶车辆制动结束后的行驶速度。

进一步，从路边基站获取路面类型信息，根据不同的道路路面类型建立附着系数函数矩阵F，由采集得到的车轮轮速以及车辆速度得到车轮的滑移率 $S=\frac{v-\mathrm{\ωr}}{v}\×100\%,$ 再根据附着系数函数f(S)求得特定路面条件下车辆制动减速度：

$\left\{\begin{array}{c}a=\stackrel{\→}{F}\·\stackrel{\→}{A}=\left(\begin{array}{cccc}f\left(S_1\right)& f\left(S_2\right)& ...& f\end{array}\left(S_n\right)\right)\·\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1\\ {\mathrm{\α}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\α}}_n\end{array}\right)\·g\\ f\left(S\right)=\mathrm{\μ}=C_1(1-e^{-C_{2}S})-C_{3}S\end{array}\right.---\left(3\right)$

上式中，

是一布尔矩阵，初始值为零，若在第i种路况道路上行驶，则α_i为1；g为理想制动减速度，9.8m/s²。

再进一步，所述异常行驶车辆危险警告信息发布方式采用随即拓扑短程无线通信，危险警告信息发布频度按照设定的衰减率减小，即设定p为跟随车辆正确接收EWM的概率，λ_o为EWM初始发布频度，f(λ，k)为第K次重新发送EWM时的发布频度，则重发EWM平均所需要的时间为

$T_{\mathrm{retransmission}}=\underset{i=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[{(1-p)}^{i-1}\·p\·\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{f(\mathrm{\λ},k)}]---\left(1\right)$

其中， $f(\mathrm{\λ},k)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{1+2\log k}$ 为EWM发布频度调整因子。

本发明的技术构思为：在VII环境中，异常行驶车辆采用随即拓扑短程无线通信访问控制方法向跟随车辆发布危险警告信息，信息发布频度以一定的衰减率减小。在正确识别道路路面类型的基础上，把动态制动减速度引入到避撞系统临界跟车距离模型。

为解决现有技术的难题，根据高速公路交通流特点，本发明设计了车与车随机拓扑短程无线通信访问控制方法，实现低时间延迟传输危险警告信息分组的同时，引入动态制动减速度构建了VII(车路集成架构技术)支持下的新型车辆主动避撞系统。

本发明的有益效果主要表现在：1、减小时间延迟、提高可靠性；2、VII支持下的新型车辆主动避撞系统降低了跟随车辆接收危险警告信息的时间延迟率，并且考虑了不同的道路路面类型、天气状况对车辆运行状态的影响。

附图说明

图1是VII支持下的车辆主动避撞系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种基于VII支持下的车辆主动避撞系统，包括短程无线通信终端、路边基站和交通信息服务中心，所述短程无线通信终端安装在车辆内，局部路段车载短程无线通信终端组成无线通信局域网络，在路边设置以无线数据通信、信息存储和转发为主要功能的路边基，短程无线通信终端与路边基建立无线通信网络，各个路边基站通过无线通信或光缆等有线通信介质与交通信息服务中心建立通信连接，安装在车辆上的各类传感器通过CAN总线上传才记得到的数据信息，所述CAN总线与中央控制器连接，中央控制器与短程无线通信终端建立双向数据链路，所述短程无线通信终端设有危险警告信息发布器，当有潜在的追尾碰撞等危险情况时激活所述危险警告信息发布器，并且通过短程无线通信通信广播式发布危险警告信息；其他车辆上的短程无线通信终端接收到危险警告信息后，中央控制器安全状态判断模块分析车辆在当前运动状态下，为了避免与异常行驶车辆发生追尾碰撞所需的临界跟车距离，其计算公式为：

其中，v₁为跟随车辆初始速度，T_delay为制动迟滞时间，α为跟随车辆制动减速度，制动减速度波动系数为

d为跟随车辆制动结束后与前方异常行驶车辆的车间距； $t_1=\frac{v_1-v_{2\mathrm{final}}}{\mathrm{\α}}$ 为跟随车辆采取制动措施直至瞬时速度与前方异常行驶车辆瞬时速度相等时所需制动时间，v_2final为前方异常行驶车辆制动结束后的行驶速度。

本实施例中，VII支持下的车辆主动避撞系统运用传感器技术、通信技术和计算机技术，结合高速行驶车辆的运动状态特征构建高可靠性的新型车辆主动避撞系统，实现车与车之间(Vehicle-to-Vehicle，简称V2V)、车与道路之间(Vehicle-to-Roadside，简称V2R)的无线通信，由车载传感器感知交通环境并与周围车辆共享交通信息。

在VII环境中，车辆的各类传感器通过CAN总线组成车载局域网，采集的车辆运动状态信息(行驶速度、制动减速度、地理位置信息以及交通事故信息等)通过车载单元(Onboard Unit，简称OBU)上传至路边基(Roadside Unit，简称RSU，指设置于路边的专用设备，具有通信、数据存储和转发等功能)，同时从路边基接收周围车辆的实时运动状态信息以及各类交通服务信息(各地天气信息、区域交通状态信息等)。车辆通过DSRC(Dedicated Short Range Communications)短程无线通信终端共享各自的运动状态信息以及危险警告信息，图1为浙江工业大学ITS联合研究所建立的VII车辆主动避撞系统物理实验平台结构图。

装载DSRC无线通信终端的行驶车辆自组织成Ad-hoc通信网络，变更车道或者遇到紧急情况的车辆为防止与跟随车辆发生追尾碰撞而向周围车辆广播式发布危险警告信息(Emergency Warning Messages，EWM)，接收到EWM后的车辆随即调整行驶状态，在跟车距离有限的情况下保证一定的制动执行时间。

VII环境下，V2V无线通信网络采用拓扑结构灵活的随机拓扑通信方法，然而，随机拓扑通信方法不存在信息反馈机制来判断报文是否被成功接收，异常行驶车辆必须重复发布EWM来提高跟随车辆接收EWM的成功率。但频繁发布分组信息将导致信道堵塞、降低EWM传输的实时性。为解决这个问题，本发明提出了EWM发布频度调整算法，EWM的发布频度以一定的衰减率减小，在不牺牲成功率的基础上满足低延迟率的要求。设定p为跟随车辆正确接收EWM的概率，λ_o为EWM初始发布频度，f(λ，k)为第K次重新发送EWM时的发布频度，则重发EWM平均所需要的时间为

$T_{\mathrm{retransmission}}=\underset{i=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[{(1-p)}^{i-1}\·p\·\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{f(\mathrm{\λ},k)}]---\left(1\right)$

其中， $f(\mathrm{\λ},k)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{1+2\log k}$ 为EWM发布频度调整因子。

车辆接收危险警告信息EWM之后，VII系统安全状态判断模块分析车辆为了避免与异常行驶车辆发生追尾碰撞所需的临界跟车距离。主动避撞系统的可靠性取决于系统能否获取临界跟车距离模型中的各关键参数值以及是否考虑不同道路类型、天气状况对该系统的影响。现有的避撞系统临界跟车距离模型中制动减速度等关键参数为固定值，不考虑道路路面类型、车况以及路况对车辆运动状态的影响。

VII环境下的车辆主动避撞系统临界跟车距离模型引入了动态制动减速度以及制动减速度波动系数，异常行驶车辆各运动状态特征参数通过V2V与V2R无线通信方式传输给跟随车辆。

其中v₁为跟随车辆初始速度，T_delay为制动迟滞时间，α为跟随车辆制动减速度，制动减速度波动系数为

d为跟随车辆制动结束后与前方异常行驶车辆的车间距，取值与驾驶员驾驶行为有关(谨慎型的驾驶员，d可取大些，果敢类型的，可适当取小些)。 $t_1=\frac{v_1-v_{2\mathrm{final}}}{\mathrm{\α}}$ 为跟随车辆采取制动措施直至瞬时速度与前方异常行驶车辆瞬时速度相等时所需制动时间，v_2final为前方异常行驶车辆制动结束后的行驶速度。

车轮胎面、路况和车况都会影响到车辆制动减速度α，其中路况的变化对制动减速度的影响尤为明显。不同的道路环境(路面干燥、有雨、结冰等)、不同的路面类型(沥青路面、水泥路面等)，车辆制动减速度也不同。

地面制动力是作用于车辆并使之产生减速度的力的来源，但地面制动力F_b受车轮与地面之间附着力F_μ的限制，即F_b≤F_μ＝F_z·μ，其中F_z为地面对车轮的垂直反作用力，附着系数越高，车辆制动性能越好。附着系数μ因道路路面类型而不同，并与滑移率S成非线性的函数关系，本发明引用了urckhardt等人提出的μ-S曲线数学表达式

$\mathrm{\μ}=C_1(1-e^{-C_{2}S})-C_{3}S.$

本发明提出了一种获取动态制动减速度的方法，通过V2R通信方式从路边基获取路面类型信息，实现对道路路面类型的识别，根据不同的道路路面类型建立了附着系数函数矩阵F，由采集得到的车轮轮速以及车辆速度得到车轮的滑移率 $S=\frac{v-\mathrm{\ωr}}{v}\×100\%,$ 再根据附着系数函数f(S)求得特定路面条件下车辆制动减速度。

$\left\{\begin{array}{c}a=\stackrel{\→}{F}\·\stackrel{\→}{A}=\left(\begin{array}{cccc}f\left(S_1\right)& f\left(S_2\right)& ...& f\end{array}\left(S_n\right)\right)\·\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1\\ {\mathrm{\α}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\α}}_n\end{array}\right)\·g\\ f\left(S\right)=\mathrm{\μ}=C_1(1-e^{-C_{2}S})-C_{3}S\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，

是一布尔矩阵，初始值为零，若在i路况道路上行驶，则α_i为1；

g为理想制动减速度，9.8m/s²；

仿真结果显示，在同等道路环境中以相同速度行驶，基于V2V访问控制协议的车辆主动避撞系统相对于传统避撞系统而言其临界跟车距离更小，提高了道路空间资源利用率。同时，在复杂交通环境中，VII支持下的车辆主动避撞系统满足快速响应特性、高可靠性的要求。

Claims (3)

1.一种基于VII支持下的车辆主动避撞系统，其特征在于：所述车辆主动避撞系统包括短程无线通信终端、路边基站和交通信息服务中心，所述短程无线通信终端安装在车辆内，局部路段车载的短程无线通信终端组成无线通信局域网络，在路边设置以无线数据通信、信息存储和转发为主要功能的路边基，短程无线通信终端与路边基建立无线通信网络，各个路边基与交通信息服务中心建立通信连接，安装在车辆上的各类传感器通过CAN总线上传采集得到的数据信息，所述CAN总线与中央控制器连接，中央控制器与短程无线通信终端建立双向数据链路，所述短程无线通信终端设有危险警告信息发布器，当有潜在的追尾碰撞等危险情况时激活所述危险警告信息发布器，并且通过短程无线通信广播式发布危险警告信息；其他车辆上的短程无线通信终端接收到危险警告信息后，中央控制器安全状态判断模块分析车辆在当前的运动状态下，为了避免与异常行驶车辆发生追尾碰撞所需的临界跟车距离，其计算公式为：

其中，v₁为跟随车辆初始速度，T_delay为制动迟滞时间，α为跟随车辆制动减速度，制动减速度波动系数为

d为跟随车辆制动结束后与前方异常行驶车辆的车间距； $t_1=\frac{v_1-v_{2\mathrm{final}}}{\mathrm{\α}}$ 为跟随车辆采取制动措施直至瞬时速度与前方异常行驶车辆瞬时速度相等时所需制动时间，v_2final为前方异常行驶车辆制动结束后的行驶速度。

2.如权利要求1所述的基于VII支持下的车辆主动避撞系统，其特征在于：从路边基站获取路面类型信息，根据不同的道路路面类型建立附着系数函数矩阵F，由采集得到的车轮轮速以及车辆速度得到车轮的滑移率 $S=\frac{v-\mathrm{\ωr}}{v}\×100\%,$ 再根据附着系数函数f(S)求得特定路面条件下车辆制动减速度：

$\left\{\begin{array}{c}a=\stackrel{\→}{F}\·\stackrel{\→}{A}=\left(\begin{array}{cccc}f\left(S_1\right)& f\left(S_2\right)& \·\·\·& f\left(S_n\right)\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1\\ {\mathrm{\α}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\α}}_n\end{array}\right)\·g\\ f\left(S\right)=\mathrm{\μ}=C_1(1-e^{-C_{2}S})-C_{3}S\end{array}\right.---\left(3\right)$

上式中，是一布尔矩阵，初始值为零，若在第i种路况道路上行驶，则α_i为1；g为理想制动减速度，9.8m/s²。

3.如权利要求1或2所述的基于VII支持下的车辆主动避撞系统，其特征在于：所述异常行驶车辆危险警告信息发布方式采用随即拓扑短程无线通信，危险警告信息发布频度按照设定的衰减率减小，即设定p为跟随车辆正确接收EWM的概率，λ_o为EWM初始发布频度，f(λ，k)为第K次重新发送EWM时的发布频度，则重发EWM平均所需要的时间为

$T_{\mathrm{retransmission}}=\underset{i=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[{(1-p)}^{i-1}\·p\·\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{f(\mathrm{\λ},k)}]---\left(1\right)$

其中， $f(\mathrm{\λ},k)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{1+2\log k}$ 为EWM发布频度调整因子。