CN103253261A - 一种基于车车协同的跟驰辅助控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车车协同的跟驰辅助控制系统，该系统主要由车车无线局域网通信和跟驰辅助控制两个核心系统组成。车车无线局域网通信，主要通过各辆车所架设的无线局域网，将自己车辆的运动状态信息向周围打包发送出去，以便周围车辆可以接收到车辆的运动状态信息。跟驰辅助控制由两部分控制模块组成，第一部分为后车寻找需要跟随的车辆，另一部分为跟驰控制，通过这两个控制模块的协同控制，系统可以完成寻找所要跟驰的目标对象和辅助跟驰行为所需采取的加速与减速行为，以此来达到安全跟驰的目的，避免追尾碰撞事故的发生。

Description

一种基于车车协同的跟驰辅助控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于车车协同的跟驰辅助控制系统。该系统主要是基于车车通信，通过获取自身车辆的运动状态参数以及周围车辆的运动状态参数，判断出需要采取跟驰行为的目标对象。如果需要采取跟驰行为，系统会进入跟驰模式，并控制车辆使其可以在一定的安全跟驰距离和安全跟驰裕度下跟随前车。

背景技术

根据公安部交通管理局的统计，我国2010年，全国共接报道路交通事故3906164起，同比上升35.9%。其中，涉及人员伤亡的道路交通事故219521起，造成65225人死亡、254075人受伤，直接财产损失9.3亿。在对交通事故发生原因的分析中，发现车辆追尾碰撞事故占所有交通事故的比例最大，达到了30%～40%，并且在最近几年有明显上升的趋势，因此避免车辆追尾碰撞事故的发生可以明显降低我国交通事故的发生率，减少没必要的人员伤亡和财产损失。

基于车车协同的跟驰辅助控制系统，主要适用于车车跟随行为的辅助控制，可以有效的防止车辆追尾碰撞事故的发生，当车辆跟随他车行驶时，系统辅助自身车辆和跟随目标车辆采取加速或减速行为，使得前车和后车保持一定的安全驾驶距离，可以有效防止车辆追尾碰撞事故的发生。

对现有专利进行检索，申请号为“201010181656”的专利公开了一种激光扫描式车辆主动避撞系统，申请号为“201020590392”的专利公开了一种汽车防撞装置，它们主要通过在后车上安装激光测距传感器，并通过采用激光测距传感器来判断两车之间的距离以及车辆的其它运动状态信息，进而判断出车辆是否存在发生碰撞的潜在危险。这种方法在实际应用中具有一定的道路状况适应条件，缺少车辆与车辆之间的运动状态信息交互处理过程，只有后车的单独处理操作过程，因此在弯路、上下坡、多车道等其它道路状况复杂的条件下，信息的采集会出现一定的误差，进而导致避撞的不确定性，同时因为没有车车信息的交互过程，所以该方法无法更好的适应多车跟随或者多车存在的车辆环境。而使用车车通信的方式，可以使得后车接收周围车辆信息的范围由正前方扩大，使其可以适应更加复杂的车辆周围环境，并且采用车车通信的方法，能够跟准确迅速的获取多辆车的运动状态参数信息，在多辆车跟驰的情况下，可以更加快速的寻找出需要跟随的车辆。

通过对有关车辆跟驰模型的论文进行检索和研究，发现有如下几个典型的跟车模型，包括GM模型、线性跟随模型、AP模型、安全距离模型、模糊推理跟驰模型、基于危险感知量化的车辆跟驰模型等等。GM模型主要由驾驶动力学模型推导而来，并引入反应（t+T）=灵敏度×刺激的（t）的想法，其核心公式为：

$a_{n+1}(t+T)={\mathrm{cv}}_{n+1}^m(t+T)\frac{\mathrm{\Δv}\left(t\right)}{{\mathrm{\Δx}}^l\left(t\right)}---\left(1\right)$

式中：a_n+1(t+T)为t+T时刻第n+1辆车的加速度，Δv(t)为t时刻第n辆车与第n+1辆车之间的速度差，Δx(t)为t时刻第n辆车与第n+1辆车之间的距离，c，l，m为常数。

GM模型作为跟驰模型的早期成就，成为以后很多研究跟驰模型的基础，但由于其参数的标定受到不同交通环境下的影响，因此并没有广泛的应用于实际的跟驰控制中。线性跟驰模型作为GM模型的进一步优化，其参数的标定对周围交通环境的影响有了一定的改善，在实践中有着大量的应用，但其通用性仍然受到质疑。线性跟驰模型的核心公式为：

a_n(t)＝C₁Δv(t-T)+C₂[Δx(t-T)-D_n(t)]          （2）

D_n(t)＝α+βv_n(t-T)+γa_n(t-T)

式中：D_n(t)为期望跟随距离；C₁，C₂，α，β，γ为参数。

AP模型也叫生理-心理模型，是一种跟随决策模型。该模型加入了阈值的概念，通过驾驶员对前方车辆的生理和心理感知作用，定义一个两车相对速度的感知阈值，一旦达到该阈值，驾驶员就会减速直到自己感觉不到两车的速度差。该模型加入了驾驶员的生理心理感受，比较适应于实际的驾驶行为中，但其阈值的调查和测量比较困难。安全距离模型也叫CA模型，其基本公式为：

$\mathrm{\Δx}\left(t\right)={\mathrm{\αv}}_n^2\left(t\right)+{\mathrm{\β}}_1{v}_{n+1}^2(t+T)+{\mathrm{\βv}}_{n+1}(t+T)+b_o---\left(3\right)$

式中：α，β，β₁，b₀为常数。安全距离模型在计算机仿真中有着广泛的应用，因为在其研究过程中，标定模型可以用驾驶行为的一般感性假设来标定，但是该模型只是在仿真软件上有被很好的应用，在实际复杂的交通环境下进行验证下，很难与最大交通量相吻合，并且没有考虑驾驶员的心理状况。模糊推理跟驰模型为近些年的研究成果，主要通过模糊推理的方法来研究驾驶员的跟驰行为，它的优势就在于能用模糊集合来描述传统数学方法所无法描述的自然语言规则并预测后车反应，但该模型的确定具有一定的难度，精度和实际应用价值还需慢慢验证。

基于危险感知量化的车辆跟驰模型是一种参考驾驶员的驾驶心理行为的模型，主要依靠驾驶员在驾驶过程中对于自身的风险承受能力来判断是否处于危险的状态，该模型增加了驾驶员的危险感知对跟驰行为的影响，通过定义在前后车当前速度下的安全裕度，判断后车是否处于危险状态或者安全状态，然后通过计算出后车的加速度来控制后车的加速和减速行为，进而使后车在安全高效的跟驰距离下进行跟驰行为。

对于以上的跟驰模型的研究，更多的只是在仿真软件上的测试和分析，在实际的道路交通环境下还需要进一步的验证和改进。例如在实际的交通环境下，一般情况下并不存在周围车辆数目只有两辆车的情况，因此在算法中增加寻找跟随的目标车辆是必要的。

本发明是一种基于车车协同的跟驰辅助协同系统，采用的跟驰算法为改进过的基于危险感知量化的跟驰模型，通过对基于危险感知量化的跟驰算法的具体分析，发现该模型主要通过控制后车加减速来维持安全跟车距离，如果两车距离处于极度危险范围中时，计算出的减速度会达到后车的最大减速度，则后车需要采取又快又急的刹车行为来达到减速目的，一般情况下，过快过急的刹车行为会对驾驶员的驾驶舒适性和安全性产生一定的影响，因此可以对该模型进行改进后应用到基于车车通行的跟驰系统中，我们可以在算法中增加前车的加速度控制，当两车间距处于危险的跟车裕度时，可以通过控制前车加速，后车减速的方法来调整两车之间的距离，减小后车所需的减速度大小，降低后车驾驶员对于刹车的心理承受压力，提高驾驶员驾驶过程的安全性和舒适性。

与现有技术相比，本发明的优点在于采用基于车车通信的跟驰辅助控制系统，通过两车之间的信息交换过程，避免了之前研究辅助避撞技术中缺少车车之间协同作用的过程，同时依靠车车之间无线通信的方法获取自身车辆的运动状态参数和周围车辆的运动状态参数，可以更加快速有效的搜寻出需要跟随的车辆对象，可以适应于在多辆车范围下的跟驰行为，同时其采用改进过的基于危险感知量化的车辆跟随模型，可以不仅保证跟随过程的安全性，而且使得自身车辆车距保持操作与安全辅助干预更加符合驾驶人的驾驶心理特性和危险感知特征。通过本发明，之前一直只存在于实验台或者仿真软件上的跟驰模型被实际应用到了车车协同的避撞应用之中，并加入车车无线通信技术，可以使跟驰辅助避撞系统更加快速、准确和有效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，用于使处于跟驰状态的车辆在一定的安全跟驰距离和安全跟驰裕度下安全的跟随前车进行驾驶行为，以便防止由于车辆之间的跟车距离的不合理而导致车辆追尾碰撞事故的发生，最终效果是实现既不会因为跟车距离太远而导致道路资源的浪费，也不会因为跟车距离太近而使驾驶过程存在发生追尾碰撞事故的可能性偏高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该控制系统为基于车车协同的跟驰辅助控制系统，主要由车车无线局域网通信和跟驰辅助控制两个核心系统组成。

所述车车通信主要通过各辆车所架设的无线局域网来进行，通过每辆车将自己的车辆信息和运动状态参数信息进行打包处理，通过无线数据的方式向周围发射出去，以便周围车辆可以通过接收车辆信息和运动状态参数信息，经过跟驰辅助的控制算法系统来处理，得到自身车辆和周围车辆所要采取加减速动作所要达到的加减速度，然后将处理后的结果信息打包向周围发送，进而交通环境中的车辆就会根据所接受的结果信息来调节车辆刹车制动器的制动力大小和油门开度来调整跟车距离，以便保证跟驰过程的舒适性和安全性。该处基于车车通信的信息交会过程可以通过802.11、3G或者DSRC等无线通信技术来实现。车车通信主要获取车辆的高斯坐标信息和高斯坐标系下的速度信息来实现跟驰辅助系统的实现，这里车辆需要安装GPS定位模块系统，高斯坐标信息通过所获取的GPS位置信息进行转换得到，形式为高斯平面直角坐标系下的X,Y两方向高斯坐标，速度信息通过GPS模块采集直接输出，形式为高斯平面直角坐标系下的X,Y两方向的速度信息。

所述跟驰辅助控制系统主要由两部分控制系统组成：寻找所需跟驰的目标对象车辆和跟驰辅助控制算法系统。

所述跟驰辅助控制系统的第一部分为后车寻找所要跟随的车辆，即寻找所需跟吃的目标对象。这里通过采集自身车辆的运动状态参数以及周围车辆的运动状态参数，经过前后位置判断，同向性判断，同车道判断和最短距离判断四个模块，进行对周围车辆的筛选。前后位置判断主要将周围车辆中处于自身车辆后方的车辆筛除出去，同向性判断主要将周围车辆中与自身车辆行驶方向不一致的车辆筛除出去，同车道模块主要将周围车辆中与自身车辆不在同一车道的车辆筛除出去，最短距离判断主要将周围车辆中与自身车辆所处位置之间距离最短的车辆筛选出来，通过这四个主要模块对周围车辆的筛选，便可将需要跟随的车辆筛选出来。所述前后位置模块判断主要获取自身车辆的高斯坐标位置参数、驾驶速度参数以及周围车辆的高斯坐标位置参数，采用通过将周围车辆与自身车辆的高斯坐标参数之差和自身车辆的速度相乘，判断其正负性的方法，将周围车辆中位于自身车辆后方的车辆依次筛除出去。所述同向性判断模块主要获取自身车辆的速度参数和周围车辆的速度参数，采用通过将自身车辆的速度与周围车辆的速度依次相乘，判断其正负性的方法，将周围车辆中与自身车辆行驶方向不一致的车辆筛除出去。所述同车道判断模块主要通过获取自身车辆的速度信息、高斯坐标信息以及周围车辆的高斯坐标参数，进而通过采用两个参数的比较判断过程来判断是否为同一车道，两个参数分别为自身车辆的速度方向与高斯坐标Y轴的夹角a和周围车辆的高斯坐标位置和自身车辆的高斯坐标所画出的矢量与高斯坐标Y轴的夹角b，如果a和b相等，那么该周围车辆变和自身车辆在同一个车道，通过此方法可以将周围车辆中和自身车辆不在同一车道的车辆筛除出去。所述最短距离模块主要获取自身车辆的高斯位置参数以及周围车辆的高斯位置参数，寻找周围车辆与自身车辆距离最短的车辆。通过所述的四个模块对周围车辆的处理，便可确定需要跟随的对象。

所述跟驰辅助控制系统的另一部分为跟驰控制，采用的跟驰控制模块为改进过的基于危险感知量化的车辆跟随模型。这里通过采集自身车辆的运动状态参数以及周围车辆的运动状态参数，计算出自身车辆在当前两车速度下进行跟驰的安全裕度，同时根据所设定的安全裕度上限和安全裕度下限，分为三种情况来计算出在当前时刻下自身车辆所需要采取的加速、减速或者维持当前速度的驾驶行为，以用来实现安全的跟驰行为。所述的三种情况分别为安全裕度大于安全裕度上限、小于安全裕度下限和处于安全裕度上限和安全裕度下限之间。主要实现方法如下，当当前速度下的安全裕度大于安全裕度上限时，后车通过计算所需要的加速度，反馈结果信息，控制后车加速，提高道路利用率；当安全裕度处于安全裕度上限和安全裕度下限之间时，自身车辆不采取加减速动作；当安全裕度小于安全裕度下限时，系统计算出后车的减速度和前车所需要的加速度，通过结果信息的反馈控制前车加速、后车减速，进而使自身车辆在一定的安全裕度下进行安全的跟驰行为。该模块主要返回自身车辆所需要的加减速度以及前车的加速度。

所述基于车车协同的跟驰辅助控制系统中，当系统返回自身车辆和周围车辆的加速度和减速度后，根据所返回的数值，控制车辆的油门开度来实现车辆的加速行为，控制车辆的刹车制动器的制动力来实现车辆的减速行为。加速与制动模块可以用伺服电机或者电子真空助力器来实现，以车辆的实际加减速为反馈，做到实时控制。

附图说明

图1为本专利实施的一个场景，为双向四车道路段。

图2为本专利所述的寻找跟驰对象控制系统的算法流程图。

图3为本专利所述的跟驰控制系统的算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明是基于车车协同的跟驰辅助控制系统。该系统主要是基于车车通信，通过架设在车辆上的无线通信装置，将自身车辆的运动状态参数向周围发送出去，进而该跟驰辅助控制系统通过获取自身车辆的运动状态参数以及周围车辆的运动状态参数，判断出需要采取跟驰行为的目标对象。如果需要采取跟驰行为，系统会进入跟驰模式，并控制车辆使其可以在一定的安全跟驰距离和安全跟驰裕度下跟随前车，防止追尾碰撞事故的发生。

如图1所示的双向四车道路段，是所述基于车车协同的跟驰辅助控制系统的典型应用场景。首先自身车辆需要寻找跟驰的对象，需经过如图2所示的控制算法进行对周围车辆进行筛选，周围车辆依靠车车无线通信模块将各自的车辆运动状态信息传送给自身车辆，自身车辆首先经过前后位置判断模块，可以将5号车和6号车筛除出去，进而经过同向性判断模块，可以将3号车筛选出去，再而经过车道判断模块，可以将4号车筛除出去，最后经过最短距离判断模块，便可以筛选出来需要跟随的车辆为2号车。

当自身车辆进入跟驰行为后，需根据如图3所示的跟驰控制系统的算法流程图，实时地控制自身车辆与车辆1之间的跟车距离，保证跟驰的安全舒适性。当自身车辆跟随车辆1进行跟驰行为时，首先通过车车无线通信，自身车辆接收到车辆1的运动状态参数信息，通过自身车辆的运动状态参数信息与所接收到的车辆1的运动状态参数信息，计算在自身车辆和车辆1当前速度下的安全裕度，进而判断出其与所预定的安全裕度上限和安全裕度下限的大小关系，如果此时安全裕度大于安全裕度上限，则计算出自身车辆所需采取加速行为的加速度大小，如果此时安全裕度鉴于定义的安全裕度上限和安全裕度下限之间，则自身车辆不采取加速和减速行为，如果此时的安全裕度小于安全裕度下限时，判断是否需要车辆1采取加速行为来辅助自身车辆调整跟车距离，需要时计算出车辆1所要采取加速行为的加速度和自身车辆采取减速行为的减速度，若不需要，则计算自身车辆采取减速行为的减速度大小。依据跟驰算法所返回的加速度和减速度大小，控制车辆的油门开度和刹车的制动力大小来实现车辆1和自身车辆的加减速，然后自身车辆就可以实时地在一定的安全裕度范围内安全的跟随车辆1进行跟驰行为。

Claims (9)

1.基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，其特征在于：所述基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，主要由车车无线局域网通信和跟驰辅助控制两个核心系统组成，所述跟驰辅助控制主要由两部分构成，一部分为寻找跟驰对象系统，另一部分为跟驰控制系统。

2.如权利要求1所述的一种基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，其特征在于：所述车车无线局域网通信，主要通过各辆车所架设的无线局域网，将自己车辆的运动状态信息向周围打包发送出去，以便周围车辆可以接收到车辆的信息，该处的信息交会可以通过802.11、3G或者DSRC等无线通信技术来实现，同时该车车通信的车辆需要安装GPS定位模块系统，以用来获取跟驰辅助控制系统运行所需的车辆运动状态参数信息，其主要获取车辆的高斯坐标信息和高斯坐标系下的速度信息，高斯坐标信息通过所获取的GPS位置信息进行转换得到，形式为高斯平面直角坐标系下的X,Y两方向高斯坐标，速度信息通过GPS模块采集直接输出，形式为高斯平面直角坐标系下的X,Y两方向的速度信息。

3.如权利要求1所述的一种基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，其特征在于：所述寻找跟驰对象系统，主要通过采集自身车辆的运动状态参数以及周围车辆的运动状态参数，经过前后位置判断，同向性判断，最短距离判断，同车道判断四个模块，进行对周围车辆的筛选，找出自身车辆所要跟随车辆的车辆ID，所述前后位置判断模块主要将周围车辆中处于自身车辆后方的车辆筛除出去，所述同向性判断模块主要将周围车辆中与自身车辆行驶方向不一致的车辆筛除出去，所述同车道判断模块主要将周围车辆中与自身车辆不在同一车道的车辆筛除出去，所述最短距离判断模块主要将周围车辆中与自身车辆所处位置之间距离最短的车辆筛选出来。

4.如权利要求1所述的一种基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，其特征在于：所述前后位置模块判断主要获取自身车辆的高斯坐标位置参数、驾驶速度参数以及周围车辆的高斯坐标位置参数，进而通过将周围车辆与自身车辆的高斯坐标参数之差和自身车辆的速度相乘，判断其正负性，将周围车辆中位于自身车辆后方的车辆依次筛除出去。

5.如权利要求1所述的一种基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，其特征在于：所述同向性判断模块主要获取自身车辆的速度参数和周围车辆的速度参数，进而通过将自身车辆的速度与周围车辆的速度依次相乘，判断其正负性，将周围车辆中与自身车辆行驶方向不一致的车辆筛除出去。

6.如权利要求1所述的一种基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，其特征在于：所述最短距离模块主要获取自身车辆的高斯位置参数以及周围车辆的高斯位置参数，通过筛选出两车距离最短的车辆，确定需要跟随的对象。

7.如权利要求1所述的一种基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，其特征在于：所述同车道判断模块主要通过获取自身车辆的速度信息、高斯坐标信息以及周围车辆的高斯坐标参数，进而通过两个参数的比较判断过程来判断是否为同一车道，两个参数分别为自身车辆的速度方向与高斯坐标Y轴的夹角a和周围车辆的高斯坐标位置和自身车辆的高斯坐标所画出的矢量与高斯坐标Y轴的夹角b，如果a和b相等，那么该周围车辆变和自身车辆在同一个车道，通过此方法将周围车辆中和自身车辆不在同一车道的车辆筛除出去。

8.如权利要求1所述的一种基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，其特征在于：所述跟驰控制系统，主要通过采集自身车辆的运动状态参数以及周围车辆的运动状态参数，计算出当前两车速度下的安全裕度，同时根据选定的安全裕度上限和安全裕度下限，分为三种情况来控制自身车辆进行加减速来实现安全的跟驰行为，具体实现过程为：当安全裕度大于安全裕度上限时，后车通过计算所需要的加速度，进而控制后车加速，提高道路利用率；当安全裕度基于安全裕度上限和安全裕度下限之间时，自身车辆不采取加减速动作；当安全裕度小于安全裕度下限时，系统计算出后车的减速度和前车所需要的加速度，从而控制前车加速、后车减速，进而使自身车辆在一定的安全裕度下进行安全的跟驰行为。

9.如权利要求1所述的一种基于车车协同下的跟驰辅助控制系统，其特征在于：自身车辆和周围车辆通过系统所返回的加减速度来实现加减速，车辆的加速动作通过控制车辆的油门开度来实现，车辆的减速动作通过控制刹车制动器的制动力来实现。

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