CN101872559A - 一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统及预警方法 - Google Patents

Abstract

一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统及预警方法，系统包括数据采集模块、虚拟驾驶模块、信息感知模块、驾驶行为分析模块和驾驶安全预警模块；所述数据采集模块与虚拟驾驶模块连接；所述虚拟驾驶模块包括虚拟用户汽车和虚拟交通场景；所述虚拟驾驶模块与信息感知模块连接；所述信息感知模块与驾驶行为分析模块连接；所述驾驶行为分析模块结合虚拟用户汽车周边的道路关键信息对用户驾驶员当前的驾驶行为进行分析，判断是否将会出现异常驾驶行为或交通危险；所述驾驶行为分析模块与驾驶安全预警模块连接。本发明有利于增强驾驶员的安全意识和处理交通危险的能力，有利于减免交通事故的发生。

Description

一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统及预警方法

技术领域

本发明属于汽车模拟驾驶、避撞预警以及主动安全领域，具体为一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统。本发明还涉及到该系统的预警方法。

背景技术

主动安全控制技术的目的在于避免交通事故的发生，在出现危险情况之前及时向驾驶员发出预警信号。目前主要有车轮制动器、电子控制防抱死制动系统(ABS)、电子控制制动力分配系统(EBD)、驱动轮防滑转控制系统(ASR)、车辆稳定性控制系统(ESP)、雷达车距控制与报警系统等。

当汽车前方有障碍物并有可能发生碰撞时，碰撞自动检测系统通过多个扫描激光雷达、多个摄像头以及六个方位的被动光束传感器来确认危险状况，当出现危险而驾驶员没有采取相应措施时，系统将自动进行转向与制动。目前美国、日本和欧洲都有不少公司已经成功开发出该类产品。如：美国德科电子公司开发的Firewarn碰撞预警系统是利用雷达来检测汽车周边危险。沃尔沃全力自动刹车系统在紧急情况下，首先会向驾驶员发出声音警示，同时在风挡玻璃的抬头显示上出现闪光信号。奔驰公司最近开发了PRE-SAFE安全预警系统，该系统在提前检测到即将发生的碰撞后，能够帮助驾驶员和乘客，以及车辆本身在撞击发生前进入预备状态。该系统的设计宗旨从意识到碰撞即将发生直至碰撞真正发生的整个较长的时间过程中，在对即将发生的碰撞进行感知和判断的基础上，提前启动保护系统，以求进一步降低驾驶员及乘客受伤的危险。当危险情况出现时，该系统能够自动监测到碰撞的征兆，马上启动包括收紧安全带等在内的主动预防措施，在潜在的撞击出现前，将驾驶员和前方乘客的位置调整至最佳状态，从而使安全气囊更具效力，为乘客和驾驶员的人身安全带来更大的保障。其中三菱、马自达、本田和日产等很多公司均有类似系统。

中国专利公开号为CN 200620110759，公开日期2008年08月02日的“一种汽车行驶超声波防擦挂预警系统”以及公开号为CN 200610054353，公开日期2008年12月03日的“高速公路汽车行驶智能检测预警方法及其预警系统”的实用新型专利对该领域都有涉及。其中“一种汽车行驶超声波防擦挂预警系统”仅用一个微处理器总体控制，超声波脉冲由信号分析和处理装置直接产生；采用收发一体传感器、可以适用于不同温度环境下工作；对汽车两侧障碍物检测，防止擦挂事故发生，设有人机接口，可以声光报警、数字显示距离，工作方式分为汽车低速行驶即包括倒车和城市密集交通中行使和高速行驶。“高速公路汽车行驶智能检测预警方法及其预警系统”实用新型能在汽车行驶中检测汽车前、后方道路障碍物，判断汽车是否处于安全行使，出现危险状况时，立即发出声、光、图像报警，保障驾乘人员的生命和财产的安全。

驾驶模拟器是有软件和硬件共同组成的一个基于虚拟现实的半实物仿真系统，其主要有三个方面的优点：(1)安全性高，可以进行高速、极限行驶以及非常危险的安全性试验；(2)再现性好，由于车辆状态和试验条件很难控制，实车试验再现性较差，使用驾驶模拟器可以方便地进行数据采集、车辆模型的选择和虚拟环境的设定；(3)可方便地设定各种条件、经济性高，与实车试验相比，驾驶模拟器在软件环境中可更便利地设定各种试验条件和试验参数。但目前预警分析比较单一，甚至有的仅仅针对追尾进行分析。

发明内容

本发明提出一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统及其预警方法，为驾驶员提供了一种实时、方便和高效的汽车驾驶安全预警，有利于增强驾驶员的安全意识和处理交通危险的能力，有利于减免交通事故的发生。

本发明包括如下技术特征：一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统，其特征在于：包括数据采集模块、虚拟驾驶模块、信息感知模块、驾驶行为分析模块和驾驶安全预警模块；所述数据采集模块与虚拟驾驶模块连接；所述虚拟驾驶模块包括虚拟用户汽车和虚拟交通场景；所述虚拟驾驶模块与信息感知模块连接；所述信息感知模块与驾驶行为分析模块连接；所述驾驶行为分析模块结合虚拟用户汽车周边的道路信息对用户驾驶员当前的驾驶行为进行分析，判断是否将会出现异常驾驶行为或交通危险；所述驾驶行为分析模块与驾驶安全预警模块连接。

所述数据采集模块包括依次连接的驾驶信号输入器、驾驶信号采集器、信号处理器、多路转换器、采样保持器和模数转换卡；

所述驾驶信号输入器输入真实用户驾驶员操控方向盘、档位、加速踏板、制动踏板和离合器的操作过程信号；

所述驾驶信号采集器利用角位移和位置传感器采集操控信号；

所述信号处理器对采集到的信号进行滤波处理并提取有用信号；

所述多路转换器是为了避免多路信号互相混叠，将各路信号按照预定时序分时地保持电路接通；

所述采样保持器是指在固定时间点上取出被处理的驾驶信号，并把驾驶信号的值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值为止；

所述模数转换卡将处理后的驾驶行为模拟信号转换成数字信号。

所述虚拟驾驶模块包括驾驶模拟器、虚拟交通场景、虚拟用户汽车和虚拟自主汽车；驾驶模拟器受真实用户驾驶员的操控，驱动虚拟交通场景中对应的虚拟用户汽车；虚拟交通场景和虚拟自主汽车为驾驶安全预警创造驾驶环境。

所述信息感知模块包括道路信息感知部分、自身驾驶信息获取部分、交通灯信息感知部分和周边交通信息感知部分。

所述道路信息感知部分采集虚拟用户汽车所处的当前车道、当前道路限速信息；

所述自身驾驶信息获取部分采集虚拟用户汽车的车道、车速和行驶轨迹；

所述交通灯信息感知部分查找虚拟用户汽车前方安全距离范围内是否有交通灯；

所述周边交通信息感知部分对虚拟用户汽车安全区域内虚拟自主汽车的信息进行筛选，提取虚拟自主汽车的速度、加速度、与虚拟用户汽车距离信息。

所述虚拟用户汽车安全区域为虚拟用户汽车周围的隐形包围盒空间；直线型路段中包围盒空间的截面是一个矩形；圆弧路段中包围盒空间是圆环弧状；而当包围盒有部分不处于汽车当前路段时，包围盒将有多个部分拼接而成；

所述汽车安全区域内虚拟自主汽车为与虚拟用户汽车最近的左前方车、正前方车、右前方车、正左方车，正右方车、左后方车、正后方车和右后方车。

所述驾驶行为分析模块根据虚拟用户汽车的行驶轨迹和安全区域内虚拟自主汽车的信息来分析虚拟用户汽车是否有发生异常驾驶行为或交通危险的存在。

所述安全预警模块包括灯光、声音和文字三种方式的预警信息。

本发明还包括一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统的预警方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)数据采集模块采集驾驶模拟中的方向盘、档位、离合器、制动踏板和加速踏板的信号，并将这些信号进行相应的处理后传递到虚拟驾驶模块；

(2)虚拟驾驶模块接收到数据采集模块采集的驾驶信号后，驱动虚拟用户汽车在虚拟交通场景中行驶；

(3)信息感知模块实时检测虚拟交通信息并对信息进行实时筛选，提取对虚拟用户汽车驾驶安全相关联的关键信息；

(4)信息感知模块将虚拟用户汽车驾驶安全相关联的关键信息传递到驾驶行为分析模块，驾驶行为分析模块结合虚拟用户汽车周边的道路关键信息对用户驾驶员当前的驾驶行为进行分析，判断是否将会出现异常驾驶行为或交通危险；

(5)驾驶行为分析模块根据不同的异常行为或交通危险的级别，向驾驶安全预警模块发出相应的预警信号。

本发明公开了一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统及预警方法，发明包括数据采集模块、虚拟驾驶模块、信息感知模块、驾驶行为分析模块和驾驶安全预警模块。真实用户驾驶员操作汽车驾驶模拟器时，数据采集模块将采集到的方向盘、制动踏板、加速踏板、档位等数据送入虚拟驾驶模块，使汽车驾驶模拟器操控的虚拟用户汽车行驶在虚拟交通环境中。信息感知模块实时获取虚拟汽车周边的交通信息和虚拟用户汽车的驾驶轨迹，并将数据送入驾驶行为分析模块进行特征提取和处理。当存在交通危险或异常驾驶行为时，驾驶安全预警模块以灯光、声音和文字三种方式实时发出预警信息。与现有技术相比，本发明为汽车模拟驾驶、汽车驾驶安全控制提供了一种实时、高效的预警方法及系统。

附图说明

图1为预警系统连接关系图

图2为预警系统总体结构；

图3为数据采集模块结构；

图4为汽车虚拟驾驶模块结构；

图5为道路周边关键信息的提取；

图6为虚拟用户汽车碰撞检测区域。

具体实施方式

下面结合说明书附图1-6对本发明进一步说明如下：

本发明提出一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统及预警方法。包括数据采集模块1、虚拟驾驶模块2、信息感知模块3、驾驶行为分析模块4和驾驶安全预警模块5；所述数据采集模块1与虚拟驾驶模块2连接；所述虚拟驾驶模块2包括虚拟用户汽车和虚拟交通场景；所述虚拟驾驶模块2与信息感知模块3连接；所述信息感知模块3与驾驶行为分析模块4连接；所述驾驶行为分析模块4结合虚拟用户汽车周边的道路信息对用户驾驶员当前的驾驶行为进行分析，判断是否将会出现异常驾驶行为或交通危险；所述驾驶行为分析模块4与驾驶安全预警模块5连接。

其中数据采集模块1用于采集驾驶模拟器的方向盘、加速踏板、制动踏板、离合器和档位等模拟信号，并将这些模拟信号转换为数字信号后传输到PC机中进行处理。

虚拟驾驶模块2用于提供汽车模拟驾驶逼真的驾驶环境，该部分主要包括虚拟交通场景(建筑物、道路、树木等静态场景和交通灯、虚拟自主汽车等动态场景)、用户驾驶员以及虚拟用户汽车(用户驾驶员操控的三维虚拟模型)。

信息感知模块3用于虚拟用户汽车对其周边的道路上关键信息的实时获取，其中主要获取的关键信息指虚拟用户汽车自身的行驶轨迹，影响虚拟用户汽车驾驶的道路交通信息，以及车速、车距、加速度、红绿灯等。

驾驶行为分析模块4主要是结合虚拟用户汽车周边的关键信息进行分析，并且结合当前交通状况判断虚拟用户汽车是否存在交通威胁。

驾驶安全预警模块5是在虚拟用户汽车存在交通威胁的情况下才起作用，其主要用于向驾驶员实时发出灯光、声音和文字等三种方式的预警。

数据采集模块1主要由软件和硬件两部分组成。该模块硬件部分主要包括驾驶信号输入、驾驶信号采集、信号处理器、多路转换器、采样保持器、A/D卡等，而软件部分主要是对来自于USB接口中的信号进行处理。见图2。

驾驶信号输入是指真实用户驾驶员操控方向盘、档位、加速踏板、制动踏板、离合器等驾驶过程。

驾驶信号采集是利用角位移传感器等采集方向盘、档位、加速踏板、制动踏板、离合器等设备的真实用户驾驶员操控信号。

信号处理器是对采集到的驾驶信号进行滤波的处理提取有用信号。

多路转换器是为了避免多路信号互相混叠，将各路信号按照预定时序分时地保持电路接通。

采用保持器是指在固定时间点上取出被处理的驾驶信号，并把驾驶信号的值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值为止。

A/D卡将处理后的驾驶行为模拟信号转换成数字信号。

虚拟驾驶模块3主要由软件和硬件两部分组成。该模块主要包括用户驾驶员、驾驶模拟器、虚拟交通场景、虚拟用户汽车、虚拟自主汽车。见图3。

用户驾驶员是指操控驾驶模拟器的真实驾驶员用户；

驾驶模拟器是用户驾驶员的操控设备，是汽车模拟驾驶信号的输入部分；

虚拟交通场景用于为虚拟驾驶提供更加逼真的模拟驾驶环境，设置了建筑物、树木、交通灯等虚拟场景；

虚拟用户汽车是由用户驾驶员通过驾驶模拟器操控的三维虚拟模型，是驾驶模拟器输出信号的表现形式，根据驾驶员输入到模拟器的信号进行相应的位姿变换和驾驶运动控制。

虚拟自主汽车是具有典型驾驶行为的智能汽车，能够根据虚拟交通场景的交通信息，选择跟驰、超车、变道、识别红绿灯和障碍物等智能行为。

信息感知模块4主要分为道路信息感知、自身驾驶信息获取、交通灯信息感知和周边交通信息感知三部分。

道路信息感知是指每隔0.1秒采集一次虚拟用户汽车所处的当前车道、当前道路限速等信息。

自身驾驶信息获取是指每隔0.1秒采集一次虚拟用户汽车的行驶轨迹。

交通灯信息感知是指每隔0.1次查找虚拟用户汽车正前方安全距离范围内是否有交通灯存在，若有，则同时获取红绿灯信息。

周边交通信息感知主要对虚拟用户汽车安全区域内虚拟自主汽车的信息进行筛选，提取对用户驾驶员驾驶操作(虚拟用户汽车的行驶)影响较大的虚拟自主汽车的速度、加速度、与本车距离等信息。对虚拟用户汽车驾驶行为构成影响的主要交通信息来自于虚拟用户汽车所处的车道及其相邻的左右两车道，从而将复杂的交通信息简化成一个九宫模型，即九宫正中间“M”位置为虚拟用户汽车，左前方“0”车、正前方“1”车、右前方“2”车、正左方“3”车，正右方“5”车、左后方“6”车、正后方“7”车、右后方“8”车，如图4。

虚拟用户汽车安全区域检测是将在虚拟用户汽车周围设置一个隐形的包围盒。虚拟用户汽车处于不同路段时的包围盒将不一样，直线型路段中包围盒的截面是一个矩形；圆弧路段中包围盒是圆环弧状；而当包围盒有部分不处于汽车当前路段时，包围盒将有多个部分拼接而成。当隐形的包围盒与道路上其他车辆相碰时，虚拟用户汽车将会被感知到障碍车在九宫中的具体位置，隐形的包围盒如图5所示。在九宫模型“0”、“1”、“2”、“6”、“7”和“8”六个位置中的任意一个位置都有可能有多辆障碍汽车，当这六个位置中的任意一个位置有多辆障碍汽车时，提取与九宫模型中“M”位置(即虚拟用户汽车)最近的那辆汽车作为虚拟用户汽车的感知对象。如图4，左前方位置有“0”和“9”两辆汽车，由于“0”车与“M”更近，于是剔除“9”车，提取“0”车。

驾驶行为分析模块5主要对上述获取的各种信息进行处理。采用模糊处理方法对虚拟用户汽车的行驶轨迹进行时域与频域的特征提取，并用分析结果更新行为特征库。当轨迹出现异常时，用于触发驾驶安全预警模块的蛇形轨迹预警功能。驾驶行为分析模块在九宫感知信息的基础上，对虚拟用户汽车的方向盘、速度等信息进行分析，当出现交通危险时，触发驾驶安全预警模块。

驾驶安全预警模块6主要用于接收驾驶行为分析模块的计算结果，依据安全距离及异常行为的特征，驾驶安全预警采用三级响应机制，启动相应的安全预警功能，并以灯光、声音和文字等三种方式实时向用户驾驶员发出预警信息，提醒驾驶员采取相应的措施，以避免交通事故的发生。

结合上述分析，本发明一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统的预警方法具体为：

(1)数据采集模块1采集驾驶模拟器中的方向盘、档位、离合器、制动踏板和加速踏板的信号，并将这些信号进行相应的处理后传递到虚拟驾驶模块；

(2)虚拟驾驶模块2接收到数据采集模块采集的驾驶信号后，驱动虚拟用户汽车在虚拟交通场景中行驶；

(3)信息感知模块3实时检测虚拟交通信息并对信息进行实时筛选，提取对虚拟用户汽车驾驶安全相关联的关键信息；

(4)信息感知模块3将虚拟用户汽车驾驶安全相关联的关键信息传递到驾驶行为分析模块4，驾驶行为分析模块4结合虚拟用户汽车周边的道路关键信息对用户驾驶员当前的驾驶行为进行分析，判断是否将会出现异常驾驶行为或交通危险；

(5)驾驶行为分析模块4根据不同的异常行为或交通危险的级别，向驾驶安全预警模块5发出相应的预警信号。

Claims (9)

1.一种面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统，其特征在于：包括数据采集模块、虚拟驾驶模块、信息感知模块、驾驶行为分析模块和驾驶安全预警模块；所述数据采集模块与虚拟驾驶模块连接；所述虚拟驾驶模块包括虚拟用户汽车和虚拟交通场景；所述虚拟驾驶模块与信息感知模块连接；所述信息感知模块与驾驶行为分析模块连接；所述驾驶行为分析模块结合虚拟用户汽车周边的道路信息对用户驾驶员当前的驾驶行为进行分析，判断是否将会出现异常驾驶行为或交通危险；所述驾驶行为分析模块与驾驶安全预警模块连接。

2.根据权利要求1所述的面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统，其特征在于：所述数据采集模块包括依次连接的驾驶信号输入器、驾驶信号采集器、信号处理器、多路转换器、采样保持器和模数转换卡；

所述驾驶信号输入器输入真实用户驾驶员操控方向盘、档位、加速踏板、制动踏板和离合器的操作过程信号；

所述驾驶信号采集器利用角位移和位置传感器采集操控信号；

所述信号处理器对采集到的信号进行滤波处理并提取有用信号；

所述多路转换器是为了避免多路信号互相混叠，将各路信号按照预定时序分时地保持电路接通；

所述采样保持器是指在固定时间点上取出被处理的驾驶信号，并把驾驶信号的值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值为止；

所述模数转换卡将处理后的驾驶行为模拟信号转换成数字信号。

3.根据权利要求1所述的面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统，其特征在于：虚拟驾驶模块包括驾驶模拟器、虚拟交通场景、虚拟用户汽车和虚拟自主汽车；驾驶模拟器受真实用户驾驶员的操控，驱动虚拟交通场景中对应的虚拟用户汽车；虚拟交通场景和虚拟自主汽车为驾驶安全预警创造驾驶环境。

4.根据权利要求1所述的面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统，其特征在于：所述信息感知模块包括道路信息感知部分、自身驾驶信息获取部分、交通灯信息感知部分和周边交通信息感知部分。

5.根据权利要求4所述的面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统，其特征在于：所述道路信息感知部分采集虚拟用户汽车所处的当前车道、当前道路限速信息；

所述自身驾驶信息获取部分采集虚拟用户汽车的车道、车速和行驶轨迹；

所述交通灯信息感知部分查找虚拟用户汽车前方安全距离范围内是否有交通灯；

所述周边交通信息感知部分对虚拟用户汽车安全区域内虚拟自主汽车的信息进行筛选，提取虚拟自主汽车的速度、加速度、与虚拟用户汽车距离信息。

6.根据权利要求5所述的面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统，其特征在于：所述虚拟用户汽车安全区域为虚拟用户汽车的隐形包围盒空间；直线型路段中包围盒空间的截面是一个矩形；圆弧路段中包围盒空间是圆环弧状；而当包围盒有部分不处于汽车当前路段时，包围盒将有多个部分拼接而成；

所述汽车安全区域内虚拟自主汽车为与虚拟用户汽车最近的左前方车、正前方车、右前方车、正左方车，正右方车、左后方车、正后方车和右后方车。

7.根据权利要求1所述的面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统，其特征在于：所述驾驶行为分析模块根据虚拟用户汽车的行驶轨迹和安全区域内虚拟自主汽车的信息来分析虚拟用户汽车是否有发生异常驾驶行为或交通危险的存在。

8.根据权利要求1所述的面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统，其特征在于：所述安全预警模块包括灯光、声音和文字三种方式的预警信息。

9.根据权利要求1所述面向汽车驾驶模拟器的虚拟驾驶主动安全预警系统的预警方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)数据采集模块采集驾驶模拟中的方向盘、档位、离合器、制动踏板和加速踏板的信号，并将这些信号进行相应的处理后传递到虚拟驾驶模块；

(2)虚拟驾驶模块接收到数据采集模块采集的驾驶信号后，驱动虚拟用户汽车在虚拟交通场景中行驶；

(3)信息感知模块实时检测虚拟交通信息并对信息进行实时筛选，提取对虚拟用户汽车驾驶安全相关联的关键信息；

(4)信息感知模块将虚拟用户汽车驾驶安全相关联的关键信息传递到驾驶行为分析模块，驾驶行为分析模块结合虚拟用户汽车周边的道路关键信息，对用户驾驶员当前的驾驶行为进行分析，判断是否将会出现异常驾驶行为或交通危险；

(5)驾驶行为分析模块根据不同的异常行为或交通危险的级别，向驾驶安全预警模块发出相应的预警信号。

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