CN103971540A - 一种防止车辆连环追尾的预警装置及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机动车行驶安全领域，公开了一种防止车辆连环追尾的预警装置及其预警方法。该装置包括微处理器，车载CAN总线，连接车载CAN总线的本车车速传感器，用于探测本车前方多个车辆相对本车的相对速度、相对角度和相对距离的运动状态数据，并将运动状态数据传输给车载CAN总线的毫米波雷达，用于提取车载CAN总线上本车前方多个车辆相对本车的运动状态数据以及本车速度的CAN总线转换器，用于提示最近前车和次近前车发生制动的信号灯；该装置能够提前探测到车辆前方最近前车和次近前车的运动状态，并给驾驶员进行安全提示，从而使驾驶员提前操作车辆，从而避免追尾事故的发生。

Description

一种防止车辆连环追尾的预警装置及预警方法

技术领域

本发明涉及机动车行驶安全领域，特别涉及一种防止车辆连环追尾的预警装置及其预警方法。

背景技术

追尾是一种常见的严重交通事故，它与驾驶员能否及时获取本车前方其他车辆的运动状态密切相关，统计数据表明，追尾导致了大量的交通事故，给人民生命财产带来了巨大损失。驾驶员在正常行车过程中，根据前车运动状态的改变或者车辆前方其他交通参与者的运动状态改变而操作车辆，以保证行驶的安全性。

典型的追尾状况是行车过程中前后两车没有保持安全车距，前车制动后，后车没有足够的制动距离，从而造成追尾；在这种情况下，若后车后面还跟随有其他车辆，并且也没有和其前车之间保持安全车距，从而会造成连环追尾，若后方车辆能够提前探测到自身之前的车辆前方其他车辆的运动状态，则留给驾驶员的反应和操作时间大大增加，从而可以显著的减少甚至避免连环追尾事故。

目前，针对追尾事故的预防装置基本建立在检测本车正前方车辆和本车的距离的基础上，且一般采用本车紧急制动时所需的间距作为阈值，这就使得装置的控制存在一定的急促性，并且对于连环追尾这一潜在的严重交通事故不能进行有效的预防，而采用车联网技术使本车获取周围车辆相对本车的位置和运动状态技术难度大，且目前难以实现，成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防止车辆连环追尾的预警装置及其预警方法，该装置能够提前探测到车辆前方最近前车和次近前车的运动状态，并给驾驶员进行安全提示，从而使驾驶员提前操作车辆，从而避免追尾事故的发生。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以达到。

技术方案一：

一种防止车辆连环追尾的预警装置，其特征在于，包括微处理器，车载CAN总线，连接车载CAN总线的本车车速传感器，用于探测本车前方多个车辆相对本车的相对速度、相对角度和相对距离的运动状态数据，并将运动状态数据传输给车载CAN总线的毫米波雷达，用于提取车载CAN总线上本车前方多个车辆相对本车的运动状态数据以及本车速度的CAN总线转换器，用于提示最近前车和次近前车发生制动的信号灯；

所述微处理器根据CAN总线转换器传输的本车前方多个车辆相对本车的运动状态数据以及本车速度，计算后确定最近前车和次近前车，以及最近前车与次近前车之间的安全距离阈值、本车与最近前车之间的安全距离阈值、本车与次近前车之间的安全距离阈值，并将上述实际相对距离与对应的安全距离阈值分别比较后将危险信号发送给信号灯；

所述毫米波雷达的输出端电连接在所述车载CAN总线上，所述CAN总线转换器的输入端电连接在所述车载CAN总线上，所述CAN总线转换器的输出端与微处理器的I/O输入端电连接，所述微处理器的I/O输出端与信号灯的输入端电连接；

所述毫米波雷达固定安装在车辆前方车牌号安装位置下方正中央，所述微处理器固定安装在车载CAN总线附近，所述信号灯固定在车辆仪表盘上。

本发明的特点和进一步改进在于：

所述毫米波雷达采用ESR毫米波雷达。

所述CAN总线转换器采用RS422-CAN总线转换器。

所述微处理器采用ARM9处理器型号为S3C2410。

所述信号灯为红色LED灯。

技术方案二：

一种防止车辆连环追尾的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)数据采集：通过所述毫米波雷达探测本车前方多个车辆与本车的相对速度、相对角度和相对距离的运动状态数据，并将上述运动状态数据发送至所述车载CAN总线；

(2)数据的提取：通过CAN总线转换器实时提取车载CAN总线上的本车前方多个车辆相对本车的运动状态数据以及本车速度的数据；

(3)目标车辆判断：通过本车前方多个车辆与本车之间的角度最大值α确定是否为目标车辆，所述角度最大值α的计算公式为：式中L为本车与被探测车辆之间的距离，本车前方车辆相对本车的相对角度小于所述角度最大值α，确定本车前方车辆为目标车辆；再根据目标车辆和本车的距离确定最近前车和次近前车；

(4)追尾可能性提示：根据跟车安全临界距离公式

其中，V₀为跟随车的速度，ΔV为两车之间的相对速度，a_max为两车制动减速度的最大值，计算得出本车与最近前车、本车与次近前车、最近前车与次近前车的安全距离，再通过上述安全距离分别计算设定本车与最近前车的安全距离阈值S_安本-最、本车与次近前车的安全距离阈值S_安本-次、最近前车与次近前车的安全距离阈值S_安最-次；通过毫米波雷达探测得到的本车与最近前车的实际距离S_本-最、本车与次近前车的实际距离S_本-次、最近前车与次近前车的实际距离S_最-次，将上述实际距离与对应的安全距离阈值分别比较，当同时有两组及两组以上的实际距离小于安全距离阈值S<S_安时，信号灯点亮报警。

优选地，所述安全距离阈值为安全距离的五倍。

优选地，所述数据的提取过程中对提取到的数据进行拆分，对拆分得到的数据通过判断其仲裁场标识符来区分本车车速数据和本车前方多个车辆相对本车的相对速度、相对角度和距离数据。

本发明的一种新型车辆主动预防追尾装置，主要部件采用ESR毫米波雷达、RS422CAN数据采集卡和ARM9处理器，投资费用少、设计简单、可靠性高，且不需要对车辆进行过多改装，适合规模化推广。本发明的车辆主动预防追尾方法，基于上述车辆主动预防追尾装置，其车辆目标的识别以及目标车辆的运动状态判断由ARM9处理器直接完成，无需操作，且可靠性高，对驾驶员的警告提示结果直观、可靠。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的一种防止车辆连环追尾的预警装置的毫米波雷达探测目标车辆的示意图；

图2为本发明的一种防止车辆连环追尾的预警装置的硬件连接示意图；

图3为本发明的一种防止车辆连环追尾的预警方法的工作流程示意图；

图中：1、本车；2、最近前车；3、次近前车；4、毫米波雷达；5、CAN总线转换器；6、微处理器；7、信号灯；8、本车车速传感器。

具体实施方式

参照图2，为本发明的一种防止车辆连环追尾的预警装置的硬件连接示意图；该装置包括微处理器6，车载CAN总线，连接车载CAN总线的本车车速传感器8，用于探测本车前方多个车辆相对本车1的相对速度、相对角度和相对距离的运动状态数据，并将运动状态数据传输给车载CAN总线的毫米波雷达4，用于提取车载CAN总线上本车前方多个车辆相对本车的运动状态数据以及本车速度的CAN总线转换器5，用于提示最近前车和次近前车发生制动的信号灯7。

微处理器根据CAN总线转换器传输的本车前方多个车辆相对本车的运动状态数据以及本车速度，计算后确定最近前车和次近前车，以及最近前车与次近前车之间的安全距离阈值、本车与最近前车之间的安全距离阈值、本车与次近前车之间的安全距离阈值，并将上述实际相对距离与对应的安全距离阈值分别比较后将危险信号发送给信号灯。

毫米波雷达4的输出端电连接在车载CAN总线上，CAN总线转换器5的输入端电连接在车载CAN总线上，CAN总线转换器5的输出端与微处理器6的I/O输入端电连接，微处理器6的I/O输出端与信号灯7的输入端电连接。

毫米波雷达4采用ESR毫米波雷达，固定安装在车辆前方车牌号安装位置下方正中央，雷达正面水平朝前安装，毫米波雷达4扫描的区域为扇形。

CAN总线转换器5采用RS422-CAN总线转换器，安装在车内车载CAN总线附近空闲处。

微处理器6采用ARM9处理器型号为S3C2410，固定安装在车载CAN总线附近。

信号灯7为红色LED灯，安装在仪表盘左侧驾驶员容易注意到的区域。

由于目标车辆的不可预见性，因此在车辆启动时，本装置即开始工作。

本实施例采用ESR毫米波雷达，有效探测距离175m，探测角度正负45^°，毫米波雷达4直接通过数据输出接口连接至车载CAN总线。CAN总线转换器5通过数据线直接与CAN总线的CANL和CANH线相连。微处理器6的I/O接口和CAN总线转换器5的输出端连接，通过数据线将微处理器6的输出端和红色LED灯相连。

如图1所示的毫米波雷达探测目标车辆的示意图，毫米波雷4探测本车1前方的目标，由于雷达波的传播的路径不同，当雷达波水平发射时，可探测本车1前方离本车1最近的目标，而当雷达波以一定的角度向地面发射时，雷达波可从本车1前方车辆的车底，经路面反射后，探测离本车1非最近位置的目标，并将这些数据以CAN报文的形式发送至CAN总线，CAN总线转换器5实时采集CAN总线上的数据，并对数据进行拆分，判断数据的标识符，识别出是否是雷达的数据和本车车速数据，对本车车速数据直接拆分并且按照编码组合方式将数据组合成十进制，对雷达数据，拆分并按照雷达编码顺序重新组合成十进制数据，从而得到十进制的本车1和目标的相对速度、相对角度和相对距离，然后结合同领域研究成果，即当雷达测得目标速度在某一范围时即可认定此目标为车辆，从而识别出目标车辆，结合相对角度和距离，当相对角度很小且存在不同距离时，即可认定在本车1同车道上存在多辆车，通过检测离本车1非最近车的速度变化，即可推测目标车是否开始制动，若目标车开始制动，则装置向驾驶员发出警报提示。

在装置进行目标采集和数据处理时，需要保持数据的实时性，因此对装置的处理时间提出了要求，本装置采用的ESR毫米波雷达，工作频率为20Hz，即一秒钟采集本车前方目标相对本车1的运动参数二十次。ARM9处理器对数据的处理速率设定为10Hz，即每秒钟装置对采集的数据进行十次的处理。由于雷达的采样频率高于ARM9处理器的处理频率，因此装置能正常工作，不会出现雷达数据滞后的现象。

在使用前需要完成毫米波雷达4、CAN总线转换器5、微处理器6和信号灯7的安装。

首先安装毫米波雷达4，毫米波雷达4安装在车辆前方车牌号下方正中央，采用细纹螺栓紧固，并采用胶枪对接缝处进行密封，雷达探测面水平朝向正前方，雷达数据输出接口直接与车载CAN总线的CANL和CANH线相连。

然后安装CAN总线转换器5，采用细纹螺栓固定安装在CAN总线附近空闲处，通过数据线将CAN总线转换器5的数据输入端与CAN总线的CANL和CANH线连接，用于采集CAN总线上的车速和雷达数据。

CAN总线转换器5安装好后安装ARM9处理器，ARM9处理器封装在金属盒中，通过导线与外界进行信号传输，其安装在车载CAN总线附近空闲处，使用导线与车辆的CAN总线转换器5的输出端和信号灯7相连。

最后安装红色LED信号灯7，红色信号灯7固定在一个底座上，利用双面胶将底座粘贴在驾驶员前方的仪表盘上，其中底座的位置需要在驾驶员容易注意到的地方，但不能偏离驾驶员正常视线太多，否则驾驶员会感觉需要特别注意才能观察到信号灯7的状态，影响到正常驾驶行为。

如图3所示，为本发明的一种防止车辆连环追尾的预警方法的工作流程示意图。为了实现本发明的防止车辆连环追尾的预警方法，结合上述车辆主动预防追尾装置，具体步骤如下：

(1)数据采集：通过安装在本车1前方车牌号下方正中央的毫米波雷达4探测本车1前方的目标，由于雷达波的传播的路径不同，当雷达波水平发射时，可探测本车1前方离本车1最近的目标，而当雷达波以一定的角度向地面发射时，雷达波可从本车1前方车辆的车底，经路面反射后，探测离本车1非最近位置的目标，将检测到的目标与本车1的相对速度、相对角度和相对距离数据以CAN报文的形式发送至车载CAN总线。

(2)本车车速的提取：通过CAN总线转换器5采集本车1车速数据。具体做法是用CAN总线转换器5实时采集CAN总线上的数据，先对采集到的数据进行拆分，对拆分得到的数据判断其仲裁场标识符是不是本车车速对应的标识符，若是则此数据帧中数据场中的数据为本车车速数据；由于总线上的数据以二进制的形式存在，因此需将得到的数据场中的数据按照速度数据的组合方式重新组合成易识别的十进制数据，从而得到本车1速度的实时值。

(3)前方多个车辆相对本车1的运动状态数据的提取：由于雷达每次会扫描车辆前方多个目标，这些目标包括运动也包括静止的，因此需要将是车辆的目标提取出来。通过判断目标是否处于运动状态，并且结合同一领域的研究成果，即目标的移动速度在某一区间时，即可认定此目标是运动的车辆。具体做法是采用CAN总线转换器5采集车载CAN总线上的数据，按照本车车速数据的采集和处理方式，对采集到的数据进行拆分，判断数据帧的仲裁场的标识符，当数据的标识符是雷达数据标识符时，对这些二进制数据进按照雷达数据分布规律，重新组合成十进制数据，即得到前方多个车辆相对本车1的相对速度、相对角度和相对距离的运动状态数据。

(4)目标车辆的判断：由目标车辆的特性可知，目标车辆有两辆，分别为本车1前方与本车1处于同一车道的最近前车2和次近前车3。判断探测目标是否为目标车辆的具体做法是分析采集到的本车前方车辆与本车1的相对角度和相对距离关系。本装置只考虑直线行驶状态时的情况，当装置探测到同时存在两辆及两辆以上的车辆，先根据探测到的本车1与被探测车辆之间的距离，设为L，并设前方车辆处于车道正中间，则对应不同的距离，若被探测车辆与本车1处于同一车道时，被探测车辆与本车1之间的角度最大值为因此，对采集到的车辆目标相对本车1的运动状态参数，根据车辆目标与本车1的距离，判断其与本车1的相对角度绝对值和相应的角度最大值的大小，当探测到的角度绝对值比角度最大值小时，认为此被探测车辆位于本车1所在车道，并且和本车1距离小的离本车1近，距离大的离本车1远，并设定距离本车1最近的为最近前车2，次最近的为次近前车3。

(5)追尾可能性提示：根据跟车安全临界距离公式

其中V₀为跟随车的速度，单位为m/s；ΔV为两车之间的相对速度，单位为m/s；a_max为两车制动减速度的最大值，单位为m/s²，计算得出本车与最近前车、本车与次近前车、最近前车与次近前车的安全距离，再通过上述安全距离分别计算设定本车与最近前车的安全距离阈值S_安本-最、本车与次近前车的安全距离阈值S_安本-次、最近前车与次近前车的安全距离阈值S_安最-次，本实施例中据以判断的安全距离阈值为安全距离的五倍；通过毫米波雷达探测得到的本车与最近前车的实际距离S_本-最、本车与次近前车的实际距离S_本-次、最近前车与次近前车的实际距离S_最-次，将上述实际相对距离与对应的安全距离阈值分别比较，当同时有两组及两组以上的实际距离小于安全距离阈值S<S_安时，信号灯点亮报警，对驾驶员进行相应的提示。

具体做法是：对判断得到的目标车辆，根据雷达数据，可直接得到目标车辆与本车1的距离，其中距离最近的为最近前车2，设此距离为S_本-最，次最近的为次近前车3，设此距离为S_本-次，次近前车3与最近前车2之间的距离为S_最-次。由本车1的车速和目标车辆与本车1的相对速度，便可通过数学关系计算出目标车辆的速度。设本车次近前车3速为V₀，本车1与次近前车3和最近前车2的相对速度分别为ΔV₁与ΔV₂，则次近前车3和最近前车2的速度分别为V₁＝V₀+ΔV₁和V₂＝V₀+ΔV₂，通过连续两次计算本车1、次近前车3和最近前车2的速度，得到本车1、次近前车3和最近前车2在较短时间段内的差值，根据时间值t便可计算出车辆的减速度，设经过时间t后次近前车3的速度变为V₁'，最近前车2的速度变为V₂'，本车1的速度变为V₀'，则次近前车3的减速度为最近前车2的减速度为本车1的减速度为 $a_0=\frac{{V_0}^{\&prime;}-V_0}{t}.$ 利用公式分别计算设定本车与最近前车的安全距离阈值S_安本-最、本车与次近前车的安全距离阈值S_安本-次、最近前车与次近前车的安全距离阈值S_安最-次。当车辆在正常行驶时，实时采集本车1前方的目标相对本车1的运动状态数据，按照上述步骤得到目标车与本车1之间的实时距离S_本-最、S_本-次和S_最-次，将上述实际相对距离与对应的安全距离阈值分别比较，当同时有两组及两组以上的实际距离小于安全距离阈值S<S_安时，LED灯发出警报，从而使驾驶员提前操作车辆，从而避免追尾事故的发生。

本发明的新型车辆主动预防追尾装置，投资费用少、设计简单、可靠性高，且不需要对车辆进行过多改装，适合规模化推广；其车辆目标的识别以及目标车辆的运动状态判断由ARM9处理器直接完成，无需操作，且可靠性高，对驾驶员的警告提示结果直观、可靠。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (8)

1.一种防止车辆连环追尾的预警装置，其特征在于，包括微处理器，车载CAN总线，连接车载CAN总线的本车车速传感器，用于探测本车前方多个车辆相对本车的相对速度、相对角度和相对距离的运动状态数据，并将运动状态数据传输给车载CAN总线的毫米波雷达，用于提取车载CAN总线上本车前方多个车辆相对本车的运动状态数据以及本车速度的CAN总线转换器，用于提示最近前车和次近前车发生制动的信号灯；

所述微处理器根据CAN总线转换器传输的本车前方多个车辆相对本车的运动状态数据以及本车速度，计算后确定最近前车和次近前车，以及最近前车与次近前车之间的安全距离阈值、本车与最近前车之间的安全距离阈值、本车与次近前车之间的安全距离阈值，并将上述实际相对距离与对应的安全距离阈值分别比较后将危险信号发送给信号灯；

所述毫米波雷达的输出端电连接在所述车载CAN总线上，所述CAN总线转换器的输入端电连接在所述车载CAN总线上，所述CAN总线转换器的输出端与微处理器的I/O输入端电连接，所述微处理器的I/O输出端与信号灯的输入端电连接；

所述毫米波雷达固定安装在车辆前方车牌号安装位置下方正中央，所述微处理器固定安装在车载CAN总线附近，所述信号灯固定在车辆仪表盘上。

2.根据权利要求1所述的一种防止车辆连环追尾的预警装置，所述毫米波雷达采用ESR毫米波雷达。

3.根据权利要求1所述的一种防止车辆连环追尾的预警装置，所述CAN总线转换器采用RS422-CAN总线转换器。

4.根据权利要求1所述的一种防止车辆连环追尾的预警装置，所述微处理器采用ARM9处理器型号为S3C2410。

5.根据权利要求1所述的一种防止车辆连环追尾的预警装置，所述信号灯为红色LED灯。

6.一种防止车辆连环追尾的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)数据采集：通过所述毫米波雷达探测本车前方多个车辆与本车的相对速度、相对角度和相对距离的运动状态数据，并将上述运动状态数据发送至所述车载CAN总线；

(2)数据的提取：通过CAN总线转换器实时提取车载CAN总线上的本车前方多个车辆相对本车的运动状态数据以及本车速度的数据；

(3)目标车辆判断：通过本车前方多个车辆与本车之间的角度最大值α确定是否为目标车辆，所述角度最大值α的计算公式为：式中L为本车与被探测车辆之间的距离，本车前方车辆相对本车的相对角度小于所述角度最大值α，确定本车前方车辆为目标车辆；再根据目标车辆和本车的距离确定最近前车和次近前车；

(4)追尾可能性提示：根据跟车安全临界距离公式

其中，V₀为跟随车的速度，ΔV为两车之间的相对速度，a_max为两车制动减速度的最大值，计算得出本车与最近前车、本车与次近前车、最近前车与次近前车的安全距离，再通过上述安全距离分别计算设定本车与最近前车的安全距离阈值S_安本-最、本车与次近前车的安全距离阈值S_安本-次、最近前车与次近前车的安全距离阈值S_安最-次；通过毫米波雷达探测得到的本车与最近前车的实际距离S_本-最、本车与次近前车的实际距离S_本-次、最近前车与次近前车的实际距离S_最-次，将上述实际距离与对应的安全距离阈值分别比较，当同时有两组及两组以上的实际距离小于安全距离阈值S<S_安时，信号灯点亮报警。

7.根据权利要求6所述的一种防止车辆连环追尾的预警方法，所述安全距离阈值为安全距离的五倍。

8.根据权利要求6所述的一种防止车辆连环追尾的预警方法，所述数据的提取过程中对提取到的数据进行拆分，对拆分得到的数据通过判断其仲裁场标识符来区分本车车速数据和本车前方多个车辆相对本车的相对速度、相对角度和距离数据。