CN102737519B

CN102737519B - 具有快速通行提示功能的车路协同预警系统及其预警方法

Info

Publication number: CN102737519B
Application number: CN201210139864.2A
Authority: CN
Inventors: 王江锋; 闫学东; 关伟; 邵春福; 魏丽英
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: CN102737519A

Abstract

本发明涉及具有快速通行提示功能的车路协同预警系统及其预警方法，该系统通过交叉口控制器和车载控制器的无线传输模块间信号强度测量，获得车辆与交叉口之间的距离，结合两个控制器GPS模块测量得到的车辆与交叉口之间的距离，通过信息融合方法获得最终车辆与交叉口停车线之间的距离。借助GPS模块判断车辆的行驶方向，利用无线传输模块的通信功能，交叉口控制器将车辆行驶方向的信号灯信息及其GPS信息传输给车载控制器。该系统具有快速通行提示的功能，能正确指导车辆快速通过交叉口，保证了行车安全。

Description

具有快速通行提示功能的车路协同预警系统及其预警方法

技术领域

本发明涉及具有快速通行提示功能的车路协同预警系统及其预警方法。

背景技术

在智能交通主动安全领域，安全、高效和低碳技术是目前车路协同技术发展的三大主题，其中安全技术直接关系到人身生命、财产损失，已成为未来车路协同技术发展的主导方向之一。

交叉口是城市道路中交通事故多发区，据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/3。交叉口闯红灯是造成事故发生的重要原因，包括车辆抢行高速通过的故意闯红灯违章行为和无法预测绿灯或黄灯结束时间而引起的无意闯红灯违章行为。目前，交叉口闯红灯监测技术已投入使用，对故意闯红灯违章行为其中很好的威慑作用，很大程度上可有效缓解故意闯红灯行为，但无法有效解决无意闯红灯现象。对于两种闯红灯行为，都存在引发交叉口严重事故的潜在危险。此外，对于驶入交叉口“两难区”车辆的驾驶员来说也很容易造成进退两难的境地，容易发生交叉口违章闯红灯行为，甚至造成严重的交通事故，形成局域路网的交通拥堵，影响了交叉口乃至相邻道路的通行。

目前，有些城市交叉口已经使用了显示剩余时间的信号灯或具备闪烁提示功能的信号灯，可为驾驶员判断是否能够通过交叉口提供一些决策依据。存在的问题是需要每位驾驶员都具备良好的时间、距离感知能力，这对于普通的驾驶员来说很难做到，缺乏一种有效辅助决策的手段。在缺乏有效引导通行手段情况下，有些可顺利通过交叉口的车辆由于驾驶员犹豫等原因造成无法通过的现象，会严重影响交叉口的通行效率，对于城市路网高峰期交通流来说更是如此。

发明内容

为解决以上现有技术的不足，本发明提供一种具有快速通行提示功能的车路协同预警系统及其预警方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

具有快速通行提示功能的车路协同预警系统，该系统包括：

第一和第二交叉口控制器，用于采集车辆行驶方向的信号灯信息及车辆的GPS信息并将上述信息传输给车载控制器；

车载控制器，用于接收所述交叉口控制器的信息并对信息进行处理；

车载显示器，对车载控制器的信息进行显示。

进一步，所述第一和第二交叉口控制器分别包括：

第一GPS模块，用于采集交叉口红绿灯的时间信息及控制器的位置信息；

第一无线通信模块，用于将所述GPS模块采集的数据信息传输给车载控制器。

进一步，所述车载控制器包括：

第二GPS模块，用于采集车辆行驶方向及车辆的位置信息；

第二无线通信模块，用于接收第一无线通信模块传输的数据；

单片机，根据所述车辆行驶方向及车辆的位置信息，对所述第一无线通信模块传输的数据进行处理；

预警决策模块，对所述单片机处理后的数据进行判断并给出提示信息。

进一步，所述交叉口红绿灯的时间信息为红灯剩余时间T_r、绿灯剩余时间T_g、黄灯剩余时间T_y。

进一步，所述交叉口控制器安装在信号灯立杆横梁上。

进一步，所述车载控制器和车载显示器安装在车辆上。

具有快速通行提示功能的车路协同预警方法，该方法包括如下步骤：

1)第一和第二交叉口控制器中的第一GPS模块分别获取交叉口红灯剩余时间T_r、绿灯剩余时间T_g、黄灯剩余时间T_y，以及第一和第二交叉口控制器的位置信息(x₁，y₁)、(x₂，y₂)，并将上述时间信息和位置信息通过第一无线通信模块传输给车载控制器；

2)第二无线通信模块接收所述第一无线通信模块传输的数据，且第二GPS模块判断车辆行驶方向，通过接入车辆CAN总线获取车辆的位置信息(x_v，y_v)，单片机针对此行驶方向与所述车辆的位置信息计算该车辆与第一和第二交叉口控制器之间的距离d₁、d₂；

d_{1} = \sqrt{{(x_{1} + x_{v})}^{2} + {(y_{1} - y_{v})}^{2}},

d_{2} = \sqrt{{(x_{2} + x_{v})}^{2} + {(y_{2} - y_{v})}^{2}}

3)所述第二无线通信模块获取第一和第二交叉口控制器的信号强度R₁和R₂，单片机并根据信号强度R₁和R₂计算车辆与第一和第二交叉口控制器之间的距离d₃、d₄；

d_{3} = α \times EXP (\frac{R_{1} - ζ}{n}) + β,

d_{4} = α \times EXP (\frac{R_{2} - ζ}{n}) + β,

其中α、β为待标定系数，针对实际交叉口进行实验标定；n为路径衰减因子，取值范围[2，5]；β为环境影响因子，服从均值为0，方差为2的正态分布；

4)根据GPS信息、信号强度和车辆与第一和第二交叉口控制器之间的距离，单片机计算车辆与所在行驶方向交叉口停车线之间的距离D，

D = \{\begin{matrix} 0.75 D_{1} + 0.25 D_{2} & if D_{1} = \min {D_{1}, D_{2}} \\ 0.25 D_{1} + 0.75 D_{2} & if D_{2} = \min {D_{1}, D_{2}} \end{matrix}

其中D₁＝(d₁+d₃)/2，D₂＝(d₂+d₄)/2

5)预警决策模块判断当前信号灯状况，并根据信号灯状况提示车辆是否通行或等待。

进一步，所述步骤5)预警决策模块判断当前信号灯状况，并根据信号灯状况提示车辆是否通行或等待，具体包括如下步骤：

501)当前信号灯为红灯时，预警决策模块判断红灯剩余时间T_r是否满足T_r＜2，当满足条件时，车载显示器提示车辆“准备启动”；

502)当前信号灯为绿灯时，预警决策模块判断绿灯剩余时间T_g和黄灯剩余时间T_y，并计算车辆预通过十字路口的安全通过速度S_s和快速通过速度S_q；

S_{s} = \frac{D}{T_{g}}

S_{q} = \frac{D}{T_{g} + T_{y}}

503)预警决策模块判断车辆行驶速度S_v＞S_s是否成立，S_v是当前车辆的行驶速度；

如果成立，预警决策模块提示车辆“正常通过”；

否则判断S_v＞S_q是否成立，如果成立，预警决策模块提示车辆“快速通过”；

否则，预警决策模块提示车辆“最低通过安全速度S_s”。

本发明的优点在于：

(1)将无线通信技术应用于交叉口通行，所选通信模块性能好、价格低；

(2)考虑了车路之间信息的协同，有利于提供安全、高效的通行；

(3)是一种辅助决策系统，避免强制干涉驾驶员的驾驶操作；

(4)速度引导形象易懂，视觉感知性强，预警效果好。

附图说明

图1：本发明的系统工作原理图；

图2：本发明的预警模型参数关系图；

图3：本发明的车载控制器结构框图；

图4：本发明的预警模型方法的逻辑流程图；

图5：本发明车载控制器中无线传输模块电路原理图；

图6：本发明车载控制器中电源电压电路原理图；

图7：本发明车载控制器中GPS模块电路原理图；

图8：本发明车载控制器中接口电路原理图。

具体实施方式

本发明为一种具备快速通过提示功能的车路协同预警系统，该系统通过交叉口控制器和车载控制器的无线传输模块间信号强度测量，获得车辆与交叉口之间的距离，结合两个控制器GPS模块测量得到的车辆与交叉口之间的距离，通过信息融合方法获得最终车辆与交叉口停车线之间的距离。借助GPS模块判断车辆的行驶方向，利用无线传输模块的通信功能，交叉口控制器将车辆行驶方向的信号灯信息及其GPS信息传输给车载控制器。具体为无线发射器连续发射交叉口信号灯信息，当车辆驶入交叉口作用范围内，车载无线接收模块激活后接收所在行驶方向的信号灯信息T_r、T_g、T_y和信号强度R₁、R₂，车辆行驶方向通过GPS模块获得，信号灯信息T_r、T_g、T_y、信号强度R₁、R₂和车辆速度S_v实时输入到预警决策模块中，决策模块将参考决策速度Sd通过车载显示器以速度引导带方式提供给驾驶员，并配合文字信息辅助驾驶员决策是否能够通过交叉口。

下面结合附图详细说明具有快速通行提示功能的车路协同的预警系统及其预警方法。

如图1、图2所示，一种具有快速通行提示功能的车路协同预警系统包括：交叉口控制器1和交叉口控制器2、车载显示器3和车载控制器4，所述交叉口控制器1/2和车载显示器3、车载控制器4通过无线通信传输信号，所述交叉口控制器1/2包括相互连接的无线通信模块和GPS模块，所述车载控制器4包括相互连接的单片机、无线传输模块、GPS模块和预警决策模块。所述交叉口控制器1/2安装在信号灯立杆横梁上。所述车载显示器3和车载控制器4安装在车辆上。

所述交叉口控制器1/2以对角线位置安装在交叉口，距离车道路缘0.20～0.50米处，高度2～3米左右，也可以安装到信号灯立杆横梁上。

该交叉口控制器中的无线通信模块采用WiFi或蓝牙等具备短程无线发射功能的模块，能够提供信号强度指标参数LQI或RSSI。

如图4所示为具有快速通行提示功能的车路协同预警方法流程图，预警方法具体如下。

交叉口控制器1/2通过无线通信模块实现与车载控制器4无线连接，为车载控制器4提供信号灯信息，包括红灯剩余时间T_r、绿灯剩余时间T_g、黄灯剩余时间T_y，以及交叉口控制器1或2位置信息(x₁，y₁)、(x₂，y₂)。

车载控制器4借助集成GPS模块判断车辆行驶方向，针对此行驶方向利用得到的GPS信息计算车辆5(x_v，y_v)与交叉口控制器1和2之间的距离d₁、d₂。

d_{1} = \sqrt{{(x_{1} + x_{v})}^{2} + {(y_{1} - y_{v})}^{2}}

d_{2} = \sqrt{{(x_{2} + x_{v})}^{2} + {(y_{2} - y_{v})}^{2}}

利用车载控制器4测量获得与交叉口控制器1和2之间的信号强度R₁和R₂，计算车辆5与交叉口控制器1和2之间的距离d₃、d₄。

d_{3} = α \times EXP (\frac{R_{1} - ζ}{n}) + β

d_{4} = α \times EXP (\frac{R_{2} - ζ}{n}) + β,

其中α、β为待标定系数，针对实际交叉口进行实验标定；n为路径衰减因子，取值范围[2，5]；β为环境影响因子，服从均值为0，方差为2的正态分布。

根据GPS信息和信号强度获得的车辆5与交叉口控制器1和2之间的距离，利用信息融合原理获得车辆5与所在行驶方向交叉口停车线6之间的距离D。

D = \{\begin{matrix} 0.75 D_{1} + 0.25 D_{2} & if D_{1} = \min {D_{1}, D_{2}} \\ 0.25 D_{1} + 0.75 D_{2} & if D_{2} = \min {D_{1}, D_{2}} \end{matrix}

其中D₁＝(d₁+d₃)/2，D₂＝(d₂+d₄)/2

本发明中，车辆速度S_v通过车辆5CAN总线直接获取。

本发明中，车载控制器4根据接收信号灯信息判断交叉口处于红灯时，实时判断红灯剩余时间T_r＜2是否成立，满足条件时，车载显示器3为驾驶员提供文字信息“准备启动”。

车载控制器4判断交叉口为绿灯时，根据剩余绿灯时间T_g和黄灯剩余时间T_y，计算安全通过速度S_s和快速通过速度S_q。

S_{s} = \frac{D}{T_{g}}

S_{q} = \frac{D}{T_{g} + T_{y}}

预警模型比较车辆行驶速度S_v＞S_s是否成立，满足条件，车载显示器3显示“正常通过”；否则判断S_v＞S_q是否成立，满足条件，车载显示器3显示“快速通过”；否则，车载显示器3显示“最低通过安全速度S_s”。

如图3所示，所述车载控制器4的电路联接为：

单片机选取AT80C51芯片，接口电路选取MAX232芯片，光驱动电路为三极管9012、继电器。稳压选取7805芯片，电压转换选取LM1117-3.3芯片。GPS模块选取GPS-MOTOROLA M12+。工作电压5V和3.3V。

无线传输选取BCM8000WIFI模块，工作电压3.3V。

参见图5所示，24端与电容C9和电阻R5连接，另一端与电容C10连接；25端、58端与LED D3、D2连接；26端接地；27端通过按键按钮SW-PB1接地；33端、34端、35端、38端分别于图4D接口电路的9端、11端、12端、10端连接；36端接3.3V电压；41端接地；61端通过C11与3.3V电压连接。

参见图6所示，通过VIN外接5号电池，通过稳压7805芯片输出5V电压，通过电压转换LM1117-3.3芯片输出3.3V电压。

参见图7所示，CON6为GPS模块的接入端，2端接地；3脚连接3.3V电压输入(3.0-3.6V)，至少需要100mA的电流；4脚为GPS串口数据输出，TTL电平，与MAX23212端连接；5脚为GPS串口数据输入，TTL电平，与MAX23211端连接。

参见图8所示，1端、3端通过电容C1连接；2端、16端通过电容C3接5V电压；4端、5端通过电容C2连接；6端、15端通过电容C4接地；7端、8端、13端、14端与串口7端、8端、3端、2端连接。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.具有快速通行提示功能的车路协同预警方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)第一和第二交叉口控制器中的第一GPS模块分别获取交叉口红灯剩余时间T_r、绿灯剩余时间T_g、黄灯剩余时间T_y，以及第一和第二交叉口控制器的位置信息(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，并将上述时间信息和位置信息通过第一无线通信模块传输给车载控制器；

2)第二无线通信模块接收所述第一无线通信模块传输的数据，且第二GPS模块判断车辆行驶方向，通过接入车辆CAN总线获取车辆的位置信息(x_v,y_v)，单片机针对此行驶方向与所述车辆的位置信息计算该车辆与第一和第二交叉口控制器之间的距离d₁、d₂；

d_{1} = \sqrt{{(x_{1} - x_{v})}^{2} +^{{(y_{1} - y_{v})}^{2}}}, d_{2} = \sqrt{{(x_{2} - x_{v})}^{2} + {(y_{2} - y_{v})}^{2}}

d_{3} = α \times EXP (\frac{R_{1} - ζ}{n}) + β, d_{4} = α \times EXP (\frac{R_{2} - ζ}{n}) + β,

其中α、β为待标定系数，针对实际交叉口进行实验标定；n为路径衰减因子，取值范围[2,5]；β为环境影响因子，服从均值为0，方差为2的正态分布；

D = \{\begin{matrix} {0.75 D}_{1} + {0.25 D}_{2} & if & D_{1} = \min {D_{1}, D_{2}} \\ {0.25 D}_{1} + {0.75 D}_{2} & if & D_{2} = \min {D_{1}, D_{2}} \end{matrix}

其中D₁＝(d₁+d₃)/2，D₂＝(d₂+d₄)/2

2.根据权利要求1所述的具有快速通行提示功能的车路协同预警方法，其特征在于，所述步骤5)预警决策模块判断当前信号灯状况，并根据信号灯状况提示车辆是否通行或等待，具体包括如下步骤：

501)当前信号灯为红灯时，预警决策模块判断红灯剩余时间T_r是否满足T_r<2，当满足条件时，车载显示器提示车辆“准备启动”；

S_{s} = \frac{D}{T_{g}}, S_{q} = \frac{D}{T_{g} + T_{y}}

503)预警决策模块判断车辆行驶速度S_v>S_s是否成立，S_v是当前车辆的行驶速度；

如果成立，预警决策模块提示车辆“正常通过”；

否则判断S_v>S_q是否成立，如果成立，预警决策模块提示车辆“快速通过”；

否则，预警决策模块提示车辆“最低通过安全速度S_s”。