CN104192144B - 一种汽车主动防撞弯道虚警消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车主动防撞弯道虚警消除方法。本发明把本车理想化为质点，且本车沿弯道中线行驶；定义方位角为两车所构成的直线与本车正前方所构成直线之间的夹角，随着两车瞬间距离D的动态变化，计算出方位角在同一车道内变化的范围。由视频、毫米波雷达或激光雷达传感器测出两车相对距离D和方位角θ，判断方位角是否落在上述范围内，若是，则说明两车在同一车道内；否则，则不在同一车道内，此为虚警可剔除。本发明对解决交通安全、提高运输能力、降低恶性交通事故发生率、减少生命财产损失及提高社会经济效益来说，具有极大的现实意义和广阔的应用前景。

Description

一种汽车主动防撞弯道虚警消除方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及一种用于汽车的自动控制方法，尤其涉及一种用于汽车主动防撞技术的消除弯道虚警的方法。

背景技术

作为现代化先进交通工具，汽车改变了人们的生活方式，推动了社会经济的发展和人类文化的进步，给人们的生活带来极大便利的同时，也带来了严重的交通安全问题。为了减少交通事故和人员伤亡，各国都在积极的研究对策，利用各种方法和措施来减少交通事故的发生。不仅如此，汽车防撞系统与汽车未来的发展方向密切相关，在不远的未来，汽车驾驶一定会变得简单便捷，对人员的驾驶技术水平高低的依赖一定会变得越来越低，直至实现完全自动驾驶。而要实现自动驾驶，汽车必须具备可靠的防撞系统，特别是主动防撞，这是安全行车的前提条件和重要保障，是走向自动驾驶技术这一万里长征的第一步。

近年来由于电子技术的飞跃发展，使得相关技术日新月异，尤其是信息产业的迅速发展，使得防撞报警与自动刹车控制技术成为可能。汽车防撞系统主要分为被动防撞和主动防撞两种方式，前者是告警装置，提醒并主要依赖驾驶员控制并制动车辆；后者除了在险情发生时具备驾驶员提醒功能以外，如若驾驶员没有及时制动，自动控制系统会启动自动刹车装置，直至排除险情。

汽车防撞控制在技术上存在的一个最大问题是虚警问题，此外在弯道和道路斜坡情况下如何正确的识别出前方危险目标也是研究汽车防撞技术必须要考虑的问题。前方碰撞报警的作用是警示驾驶员前方道路交通环境中存在的安全性隐患，提醒驾驶员提前采取措施，避免交通事故的发生。一般情况下，高速公路上本车前方道路上行驶的车辆是构成本车安全性隐患的主要因素。在前方碰撞报警算法中，直道路段由于具有规则的几何形状而易于判别前方不同直道上不同汽车的相对位置关系，找出位于本车道内对本车构成最大危险的障碍物车辆，从而建立前方报警算法。而弯道路段单纯依靠雷达无法实现对不同车道上车辆相对位置关系的判断，难以辨别本车道内对本车构成危险的车辆，往往出现较多的虚警。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种汽车主动防撞弯道虚警消除方法。

本发明的技术方案为：

把本车理想化为质点，且本车沿弯道中线行驶；定义方位角为两车所构成的直线与本车正前方所构成直线之间的夹角，随着两车瞬间距离D的动态变化，计算出方位角在同一车道内变化的范围：

$\mathrm{\θ}\∈(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \frac{4D^2-L^2-4\mathrm{RL}}{8\mathrm{DR}},\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \frac{4D^2-L^2+4\mathrm{RL}}{8\mathrm{DR}})$

其中R为高速公路内道半径，L为内道宽度，θ为方位角；

由视频、毫米波雷达或激光雷达传感器测出两车相对距离D和方位角θ，判断方位角是否落在上述范围内，若是，则说明两车在同一车道内；否则，则不在同一车道内，此为虚警可剔除；

所述的高速公路内道半径R的计算过程为：

将汽车的运动理解为一个在道路平面上的刚体平面运动，汽车的运动形式为汽车自身的平动和汽车绕其质心的转动的合成；假定预测时间为T_p，基于对驾驶员前视策略的假设，对于每一个给定的汽车当前运动参数t时刻横、纵向加速度和横、纵向速度，以当前汽车所在位置为坐标系原点，预测下一时刻t+T_p汽车的位置，同时得到在这个预期位置下的速度v、加速度a和航向角α。

根据无穷小原则，将T_p分成J等份，对于每一微小等份Δt，分别求出汽车纵向和横向在该段时间后的状态；照此累加到最后一步，求出汽车在预测时间T_p后的状态，同时求出汽车位于此点时的坐标和汽车的航向角，作为下一步计算的基础；每一步的计算所参照的坐标系不一样，必须将其转换到同一坐标系下才可能相加；选取坐标系(x₀，y₀)作为整个计算过程的参考系，即以汽车当前时刻的车体坐标系为整个计算过程的参照系，得到本车在预测时间后所处的位置，以此位置与前方障碍物车辆的相对位置进行比较确定本车在预测时间后是否安全；

假设每一微小时刻i的速度为v_x,i、v_y,i，加速度为a_x,i、a_y,i，航向角为α_i；设转换矩阵为：

$A_i=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\α}}_i& -\sin {\mathrm{\α}}_i\\ \sin {\mathrm{\α}}_i& {\cos \mathrm{\α}}_i\end{array}\right]$

从而每一微小时刻的本车坐标位置有公式：

$\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{i-1}\\ y_{i-1}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{x,i-1}\\ v_{y,i-1}\end{array}\right]\·\mathrm{\Δt}+A_{i-1}\·\left(\begin{array}{c}\frac{1}{2}\·\left[\begin{array}{c}{a}_{x,i}\\ a_{y,i}\end{array}\right]\·\mathrm{\Δ}{t}^2\end{array}\right)$

将上述每一微小时刻的坐标位置连接起来，得到本车轨迹的虚拟曲线；采用三次代数多项式拟合汽车预期行驶的轨迹，并由此计算对应的道路两侧的边界曲线，

P₃(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³

根据预测轨迹数据点，应用最小二乘法，确定参数a₀、a₁、a₂、a₃，即可拟合出预测时刻T_p行车轨迹；同理，得到本车在未来一段时间内预期走行的轨迹；计算此轨迹的曲线曲率，据此取值为内道半径R。

本发明对解决交通安全、提高运输能力、降低恶性交通事故发生率、减少生命财产损失及提高社会经济效益来说，具有极大的现实意义和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明弯道虚警本车与前车方位示意图；

图2是本发明虚拟道路拟合示意图；

图3是本发明主动防撞系统中弯道虚警消除的装置框图。

图中，1.本车，2.前车，3.车道弯道，4.本车虚拟运动轨迹，5.虚拟道路边界，6.测距、测角传感器，7.车速传感器，8.转向角传感器，9.虚拟道路拟合算法单元，10.主动防撞控制系统虚警判断单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

本发明采用方位角测定方法结合虚拟道路拟合技术剔除虚警。所定义的方位角是两车所构成的直线与本车正前方所构成直线之间的夹角，如附图1所示，本车1和前车2在弯道3上行驶，根据其车速和车距，若按照直行车道判断规则，则将发出碰撞预警或采取主动防撞措施；但因其处于弯道3上的不同车道上，预期不会产生碰撞，因此属于“虚警”。为了去除这一虚警，就要判断两车是否处于同一车道，若处于同一车道就不是虚警，若处于不同车道就是虚警。判断两车是否处于同一车道的依据就是公式(1)，根据两车方位角是否落在公式(1)所示区域即可判定。

附图1中，R为高速公路内道半径，L为内道宽度，D为两车瞬间距离，θ为方位角。为了简化且不失一般性运算，把车理想化为质点，且本车沿本轨道中线行驶。随D的动态变化，可计算出方位角在同一车道内变化的范围为

$\mathrm{\θ}\∈(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \frac{4D^2-L^2-4\mathrm{RL}}{8\mathrm{DR}},\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \frac{4D^2-L^2+4\mathrm{RL}}{8\mathrm{DR}})---\left(1\right)$

由视频、毫米波雷达或激光雷达传感器测出两车相对距离D和方位角θ，判断方位角是否落在上述范围内，若是，则说明两车在同一车道内；否则，则不在同一车道内，此为虚警可剔除。其中，高速公路内道半径R和内道宽度L由虚拟道路拟合算法给出。

对汽车行驶轨迹及公路的道路边界进行拟合的方法论述如下。从几何学的角度讲，在实际道路环境中道路左右边界可以理解为曲线和直线的合成。针对这种情况，本发明对道路信息的处理是将前方道路的左右边界用首尾相连的小线段来进行曲线拟合，这样，前方道路的边界轮廓实际上就是由许多条线段组成，如附图2所示。道路边界左右轮廓线之间的相对距离描述了道路的宽窄L，而轮廓线的斜率变化(将该线段与道路横轴的夹角定义为道路的方向角)则反映了道路的曲率变化。按照道路曲率的变化来预测汽车路线，因此，汽车在将来一段时间内的预瞄轨迹直接反映了道路曲率的变化。

在道路水平假说的前提下，汽车的运动可以理解为一个在道路平面上的刚体平面运动，汽车的运动形式为汽车自身的平动和汽车绕其质心的转动的合成。假定预测时间为T_p，基于对驾驶员前视策略的假设，对于每一个给定的汽车当前运动参数t时刻横、纵向加速度和横、纵向速度，可以以当前汽车所在位置为坐标系原点，预测下一时刻(t+T_p时刻)汽车的位置，同时得到在这个预期位置下的速度v、加速度a和航向角α等状态参量。

根据无穷小原则，将T_p分成J等份，对于每一微小等份Δt，由于持续时间很短，可以忽略汽车横向和纵向之间的相互影响，因此能够利用简化公式分别求出汽车纵向和横向在这段时间后的状态。按照这种方法累加到最后一步，即可求出汽车在预瞄时间T_p后的状态，同时求出汽车位于此点时的坐标和汽车的航向角，作为下一步计算的基础。每一步的计算所参照的坐标系不一样，不能单纯地将每一步计算结果相加，必须将其转换到同一坐标系下才可能相加。选取坐标系(x₀，y₀)作为整个计算过程的参考系，即以汽车当前时刻的车体坐标系为整个计算过程的参照系，可以得到本车在预瞄时间后所处的位置，以此位置与前方障碍物车辆的相对位置进行比较确定本车在预瞄时间后是否安全。

假设每一微小时刻i的速度为v_x,i、v_y,i，加速度为a_x,i、a_y,i，航向角为α_i。设转换矩阵为：

$A_i=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\α}}_i& -\sin {\mathrm{\α}}_i\\ \sin {\mathrm{\α}}_i& {\cos \mathrm{\α}}_i\end{array}\right]---\left(2\right)$

从而每一微小时刻的本车坐标位置有公式：

$\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{i-1}\\ y_{i-1}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{x,i-1}\\ v_{y,i-1}\end{array}\right]\·\mathrm{\Δt}+A_{i-1}\·\left(\begin{array}{c}\frac{1}{2}\·\left[\begin{array}{c}{a}_{x,i}\\ a_{y,i}\end{array}\right]\·\mathrm{\Δ}{t}^2\end{array}\right)---\left(3\right)$

将上述每一微小时刻的坐标位置连接起来，得到本车轨迹的虚拟曲线。采用三次代数多项式拟合汽车预期行驶的轨迹，并由此计算对应的道路两侧的边界曲线，

P₃(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³ (4)

根据预测轨迹数据点，应用最小二乘法，确定公式(4)中的参数a₀、a₁、a₂、a₃，即可拟合出未来时刻T_p行车轨迹。同理，可以得到本车在未来一段时间内预期走行的轨迹。计算此轨迹的曲线曲率，据此取值为弯道道路半径R，内道宽度L由车道线识别算法给出或由标准车宽度给定，代入公式(1)即可计算出方位角在同一车道内变化范围，由此判断所得方位角是否落在上述范围，从而可将虚警全部剔除。

根据图3所示，两车瞬间距离D和方位角θ由测距、测角传感器6获取，测距、测角传感器6可为视频摄像头、毫米波雷达或激光雷达等。内道宽度L由车道线识别算法给出或由标准车宽度给定；高速公路内道半径R则由虚拟道路拟合算法单元9计算得出。由车速传感器7和转向角传感器8得到本车1的行驶速度v、加速度a和航向角α等状态参量，并由虚拟道路拟合算法单元9计算得出高速公路内道半径R，最后由主动防撞控制系统虚警判断单元10计算判定前车2是否虚警。

Claims (1)

1.一种汽车主动防撞弯道虚警消除方法，其特征在于：

把本车理想化为质点，且本车沿弯道中线行驶；定义方位角为两车所构成的直线与本车正前方所构成直线之间的夹角，随着两车瞬间距离D的动态变化，计算出方位角在同一车道内变化的范围：

$\mathrm{\θ}\∈\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \frac{4D^2-L^2-4RL}{8DR},\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \frac{4D^2-L^2+4RL}{8DR}\right)$

其中R为高速公路内道半径，L为内道宽度，θ为方位角；

由摄像头、毫米波雷达或激光雷达传感器测出两车相对距离D和方位角θ，判断方位角是否落在上述范围内，若是，则说明两车在同一车道内；否则，则不在同一车道内，此为虚警可剔除；

所述的高速公路内道半径R的计算过程为：

将汽车的运动理解为一个在道路平面上的刚体平面运动，汽车的运动形式为汽车自身的平动和汽车绕其质心的转动的合成；假定预测时间为T_p，基于对驾驶员前视策略的假设，对于每一个给定的汽车当前运动参数t时刻横、纵向加速度和横、纵向速度，以当前汽车所在位置为坐标系原点，预测下一时刻t+T_p汽车的位置，同时得到在这个预期位置下的速度v、加速度a和航向角α；

根据无穷小原则，将T_p分成J等份，对于每一微小等份Δt，分别求出汽车纵向和横向在该段时间后的状态；照此累加到最后一步，求出汽车在预测时间T_p后的状态，同时求出汽车位于此点时的坐标和汽车的航向角，作为下一步计算的基础；每一步的计算所参照的坐标系不一样，必须将其转换到同一坐标系下才可能相加；选取坐标系(x₀，y₀)作为整个计算过程的参考系，即以汽车当前时刻的车体坐标系为整个计算过程的参照系，得到本车在预测时间后所处的位置，以此位置与前方障碍物车辆的相对位置进行比较确定本车在预测时间后是否安全；

假设每一微小时刻i的速度为v_x,i、v_y,i，加速度为a_x,i、a_y,i，航向角为α_i；设转换矩阵为：

$A_i=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\α}}_i& -{\mathrm{sin\α}}_i\\ {\mathrm{sin\α}}_i& {\mathrm{cos\α}}_i\end{array}\right]$

从而每一微小时刻的本车坐标位置有公式：

$\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_{i-1}\\ y_{i-1}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{x,i-1}\\ v_{y,i-1}\end{array}\right]\·\mathrm{\Δ}t+A_{i-1}\·\left(\frac{1}{2}\·\left[\begin{array}{c}{a}_{x,i}\\ a_{y,i}\end{array}\right]\·{\mathrm{\Δt}}^2\right)$

将上述每一微小时刻的坐标位置连接起来，得到本车轨迹的虚拟曲线；采用三次代数多项式拟合汽车预期行驶的轨迹，并由此计算对应的道路两侧的边界曲线，

P₃(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³

根据预测轨迹数据点，应用最小二乘法，确定参数a₀、a₁、a₂、a₃，即可拟合出预测时间T_p行车轨迹；同理，得到本车在未来一段时间内预期走行的轨迹；计算此轨迹的曲线曲率，据此取值为内道半径R。