CN104554105B - 一种汽车防碰撞网络预警方法及装置与验证实验平台 - Google Patents

Abstract

一种汽车防碰撞网络预警方法，测量汽车速度、加速度和位置信息并进行存储；利用无线方式接收周围车辆定位信息并将自身定位信息向外发送；将当前车辆与周围车辆的相对位置在当前车辆显示装置上显示；计算当前车辆与周围车辆之间的间距并结合当前车辆与周围车辆的速度及加速度判断是否有碰撞危险；当有碰撞危险时，利用语音方式向当前车辆司机提出告警，本发明同时提供了汽车防追尾预警、超车预警、盲点预警和十字路口预警四种情况下的预警算法，并提供了相应的防碰撞网络预警装置和验证实验平台。

Description

一种汽车防碰撞网络预警方法及装置与验证实验平台

技术领域

本发明属于汽车安全技术领域，特别涉及一种汽车防碰撞网络预警方法及装置与验证实验平台。

背景技术

在传统的汽车安全技术领域，一般是通过摄像图像或雷达测距获取汽车周围环境车辆信息，并通过安全算法判断车辆是否有碰撞危险，并在有危险情况下对司机进行预警。但是摄像图像在道路弯曲或光线不好的情况下摄像作用受限，即使在开阔的环境下也存在摄像死角，如果采用全方位摄像机，摄像成本会很高；雷达测距只能得到某个特定方向的周围环境，另外雷达测距的方式成本同样很高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种汽车防碰撞网络预警方法及装置与验证实验平台，采用通过无线通信技术获得周围汽车的GPS定位信息，并与自身GPS定位信息结合通过防碰撞算法来预测汽车是否有危险，具有低成本、体积小、位置精确和创新性并举的优点，并且还能实时显示，且不受天气和光线的影响。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种汽车防碰撞网络预警方法，包括：

测量汽车速度、加速度和位置信息并进行存储；

利用无线方式接收周围车辆定位信息并将自身定位信息向外发送；

将当前车辆与周围车辆的相对位置在当前车辆显示装置上显示；

计算当前车辆与周围车辆之间的间距并结合当前车辆与周围车辆的速度及加速度判断是否有碰撞危险；

当有碰撞危险时，利用语音方式向当前车辆司机提出告警。

其中所述汽车速度、加速度和位置信息采用北斗2+GPS双模单元测量获取。

所述计算当前车辆与周围车辆之间的间距并结合当前车辆与周围车辆的速度及加速度判断是否有碰撞危险，包括如下四种算法：

(1)防追尾预警算法

当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，找出正前方距离当前车辆最近的目标车辆，计算目标车辆距离并与安全距离相比，若实际距离小于安全距离，则发出追尾碰撞预警；

(2)超车预警算法

当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，找出当前车辆行驶方向左侧且与当前车辆横向距离为2m的所有车辆，比较它们与当前车辆的纵向距离和安全距离的大小，如果存在纵向距离小于安全距离的车辆，则发出超车碰撞预警，当前车辆在原车道继续等待，直到左侧所有车辆纵向距离均大于安全距离时，当前车辆才能超车；

(3)盲点预警算法

当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，找出行驶方向上距离当前车辆距离最近的目标车辆，当行驶方向不变而目标车辆与当前车辆的横向距离不断增大直至为2m时，立即重新选取行驶方向上距离最近的车辆为目标车辆并判断实际距离与安全距离的大小，若实际距离小于安全距离，则发出碰撞预警；

(4)十字路口安全驾驶算法

当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，行至路口准备左转时，找出行驶方向前方左侧与当前车辆横向距离大于1.5m的车辆为目标车辆，并比较目标车辆与当前车辆的纵向距离和安全距离的大小，若有实际距离小于安全距离的目标车辆，则发出预警，当前车辆在路口等到直至左侧所有车辆通过路口再向左转弯。

本发明同时提供了一种实现所述汽车防碰撞网络预警方法的装置，包括：

用于获取汽车速度、加速度和位置信息的北斗2+GPS双模单元；

用于汽车间互相传输信息的无线通信单元；

用于存储汽车速度、加速度和位置信息的数据存储单元；

用于预警算法分析的中央处理单元；

用于启动装置和显示相对位置的触摸屏单元；

以及，用于发出警告的语音提示单元。

本发明还提供了一种验证所述汽车防碰撞网络预警方法的实验平台，使用两台DAFZS嵌入式实验平台作为两辆汽车，平台上自带LCD显示屏和蜂鸣器以及GPS定位装置1，GPS定位装置1内置有天线，通过串口与中央处理装置2通信相连，无线通信装置3也通过串口与中央处理装置2相连，所述GPS定位装置1由接收天线4和接收芯片5组成，接收芯片5通过串口与中央处理装置2相连，所述中央处理装置2包括ARM处理器8、LCD显示屏6和蜂鸣器7，ARM处理器8通过串口与无线通信装置3连接，所述无线通信装置3由天线9和ZigBee无线通信芯片10组成。

与现有技术摄像图像和雷达测距方式相比，本发明基于无线通信的汽车防碰撞网络预警方法及装置不受时间和天气的影响，即使在夜晚也能收到汽车位置信息，得到的位置信息精确，产生的误差小，整套装置体积小，便于安装车载，且成本较低，花费不过200多元。

附图说明

图1为本发明网络系统图。

图2为本发明汽车防碰撞网络预警装置的原理图。

图3为本发明验证实验平台的模块连接示意图。

图4为防追尾预警算法原理及流程图。

图5为超车预警算法原理及流程图。

图6为盲点预警算法原理及流程图。

图7为十字路口预警算法原理及流程图。

图8为汽车行驶方向及距离投影算法。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明汽车防碰撞网络预警方法的网络系统如图1所示，主要采用北斗2+GPS双模单元测量汽车速度、加速度和位置信息，之后运行相关算法来判断碰撞可能性。

现有北斗2+GPS双模单元，模块的速度精度为0.1/s，加速度追踪精度为0.1m/s²,1pps精度小于15ns，移动速度小于515m/s，移动加速度小于4G，高度小于18,000m，输出频率范围1Hz-10Hz，水平动态定位精度最高达到2.5m，基本满足高速公路车辆实时定位的需要。随着第三代全球定位系统的升级，此模块用于汽车防碰撞网络预警将更加不会有任何技术上的障碍。

本发明汽车防碰撞网络预警方法的一种具体的实现装置如图2所示，包括用于获取汽车速度、加速度和位置信息的北斗2+GPS双模单元、用于汽车间互相传输信息的无线通信单元、用于存储汽车速度、加速度和位置信息的数据存储单元、用于预警算法分析的中央处理单元、用于启动装置和显示相对位置的触摸屏单元以及用于发出警告的语音提示单元，这些单元都可以安装在车内。

本发明通过点击触摸屏单元启动按钮以启动整个装置，利用北斗2+GPS双模单元测量汽车速度、加速度和位置信息，利用存储单元储存汽车测量到的速度、加速度和位置信息，利用无线通信单元接收周围车辆定位信息并将自身定位信息发送出去，触摸屏单元显示两车之间的相对位置，中央处理单元对接收到的数据进行分析，结合预警算法判断是否有碰撞危险，预测有碰撞的危险时，语音提示单元对司机发出语音警告达到防碰撞的目的。

本发明搭建如下实验平台对该方法的可行性进行验证。

如图3所示，使用两台DAFZS嵌入式实验平台作为两辆汽车，平台上自带LCD显示屏和蜂鸣器以及GPS定位装置1，GPS定位装置1内置有天线，通过串口与中央处理装置2通信相连，无线通信装置3也通过串口与中央处理装置2相连，所述GPS定位装置1由接收天线4和接收芯片5组成，接收芯片5通过串口与中央处理装置2相连，所述中央处理装置2包括ARM处理器8、LCD显示屏6和蜂鸣器7，ARM处理器8通过串口与无线通信装置3连接，所述无线通信装置3由天线9和ZigBee无线通信芯片10组成。该实验平台可以完全模拟各种情况，对本发明的汽车防碰撞网络预警方法进行完整验证。

本发明汽车防碰撞的预警方法如下：

首先测量本车并存储速度、加速度和位置信息，然后判断是否获得前车信息，获得前车信息后计算两车之间的安全距离，再将实际距离与安全距离进行比较，实际距离小于安全距离时发生碰撞，反之则不然。其中，一共包含如下四种具体的算法：

(1)防追尾预警算法

如图4所示，当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，找出正前方距离当前车辆最近的目标车辆，计算目标车辆距离并与安全距离相比，若实际距离小于安全距离，则发出追尾碰撞预警；

(2)超车预警算法

如图5所示，当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，找出当前车辆行驶方向左侧且与当前车辆横向距离为2m的所有车辆，比较它们与当前车辆的纵向距离和安全距离的大小，如果存在纵向距离小于安全距离的车辆，则发出超车碰撞预警，当前车辆在原车道继续等待，直到左侧所有车辆纵向距离均大于安全距离时，当前车辆才能超车；

(3)盲点预警算法

如图6所示，当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，找出行驶方向上距离当前车辆距离最近的目标车辆，当行驶方向不变而目标车辆与当前车辆的横向距离不断增大直至为2m时，立即重新选取行驶方向上距离最近的车辆为目标车辆并判断实际距离与安全距离的大小，若实际距离小于安全距离，则发出碰撞预警；

(4)十字路口安全驾驶算法

如图7所示，当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，行至路口准备左转时，找出行驶方向前方左侧与当前车辆横向距离大于1.5m的车辆为目标车辆，并比较目标车辆与当前车辆的纵向距离和安全距离的大小，若有实际距离小于安全距离的目标车辆，则发出预警，当前车辆在路口等到直至左侧所有车辆通过路口再向左转弯。

其中：将经纬度信息转换为大地坐标的算法如下：

$x=X+\mathrm{Nt}{l}^2{\cos }^{2}B[\frac{1}{2}+\frac{1}{24}{l}^4(5-t^2+9{\mathrm{\μ}}^2+4{\mathrm{\μ}}^2){\cos }^{2}B+\frac{1}{720}{l}^4(61-58t^2+t^4+270{\mathrm{\μ}}^2-330{\mathrm{\μ}}^2{t}^2){\cos }^{2}B]$

$y=500000+\mathrm{Nl}\cos B[\frac{1}{6}{l}^2{\cos }^{2}B(1-t^2+{\mathrm{\μ}}^2)+\frac{1}{120}{l}^4{\cos }^{4}B(5-18t^2+t^4+14{\mathrm{\μ}}^2-58t^2{\mathrm{\μ}}^2)]$

其中，x，y为转换后的大地坐标值；X表示赤道到B纬度平行圈的子午线弧长；B为转换前的纬度值；N表示地面待测点的卯酉圈曲率半径；l表示转换前的经度值L与投影区的子午线经度L₀的差值；t＝tanB；m＝e'cosB；e＝0.08181919为第一偏心率；e'＝0.082094438为第二偏心率。

本发明实际距离包括在行驶方向上以及垂直于行驶方向的投影，即纵向距离与横向距离，其中：如图8所示，在T时刻，A车行驶方向用单位向量表示，则

$\stackrel{\→}{u}=(\frac{x_n^A-x_{n-1}^A}{\sqrt{{(x_n^A-x_{n-1}^A)}^2+{(y_n^A-y_{n-1}^A)}^2}},\frac{y_n^A-y_{n-1}^A}{\sqrt{{(x_n^A-x_{n-1}^A)}^2+{(y_n^A-y_{n-1}^A)}^2}})$

垂直于行驶方向可以用单位向量表示，则

$\stackrel{\→}{v}=(-\frac{y_n^A-y_{n-1}^A}{\sqrt{{(x_n^A-x_{n-1}^A)}^2+{(y_n^A-y_{n-1}^A)}^2}},\frac{x_n^A-x_{n-1}^A}{\sqrt{{(x_n^A-x_{n-1}^A)}^2+{(y_n^A-y_{n-1}^A)}^2}})$

即用和建立起了一个新的坐标系，B车与A车之间的距离可以用向量表示，则 $\stackrel{\→}{r}=(x_n^B-x_n^A,y_n^B-y_n^A)$

B车与A车之间的横向距离r_x为向量在上的投影，纵向距离r_y为向量在上的投影，则

$r_x=\stackrel{\→}{u}\·\stackrel{\→}{r}=\frac{x_n^A-x_{n-1}^A}{\sqrt{{(x_n^A-x_{n-1}^A)}^2+{(y_n^A-y_{n-1}^A)}^2}}\×(x_n^B-x_n^A)+\frac{y_n^A-y_{n-1}^A}{\sqrt{{(x_n^A-x_{n-1}^A)}^2+{(y_n^A-y_{n-1}^A)}^2}}\×(y_n^B-y_n^A)$

$r_y=\stackrel{\→}{v}\·\stackrel{\→}{r}=\frac{y_n^A-y_{n-1}^A}{\sqrt{{(x_n^A-x_{n-1}^A)}^2+{(y_n^A-y_{n-1}^A)}^2}}\×(x_n^B-x_n^A)+\frac{x_n^A-x_{n-1}^A}{\sqrt{{(x_n^A-x_{n-1}^A)}^2+{(y_n^A-y_{n-1}^A)}^2}}\×(y_n^B-y_n^A)$

其中，表示当前时刻A车的大地坐标；表示当前时刻B车的大地坐标；表示前一时刻B车的大地坐标。

纵向安全距离的算法如下：

假定B车在后，A车在前，则后车的制动过程分为驾驶员反应阶段、制动协调阶段、减速增长阶段和连续制动阶段，前车一直处于连续制动阶段，安全距离为后车行驶距离加上停止时两车间的距离与前车行驶距离之差，计算公式为：

S_X＝S₁+S₂+S₃+S₄+ΔS-S₅

驾驶员反应阶段，通常驾驶员的反应时间为1.2s，由于反应时间很短，可以将此阶段的运动看成是匀加速或匀减速运动，用北斗2+GPS双模单元测得汽车的速度和加速度分别为V_B(T)和a_B(T)，得到驾驶员反应阶段运行距离为：

S₁＝1.2V_B(T)+0.72a_B(T)

制动协调阶段，大多数汽车的制动协调时间为0.2s，本阶段内后车的运动状态近似为匀速运动，本阶段内的速度为驾驶员反应阶段末后车B的速度，因此可得到：

S₂＝0.2V_B(T)+0.24a_B(T)

减速度增长阶段，减速度增长时间t₃，本阶段中后车B的行驶距离为S₃：

S₃＝0.1V_B(T)+0.12a_B(T)

持续制动阶段，后车的行驶距离为：

$S_4=\frac{{V_{B(T+t_1+t_2+t_3)}}^2}{{2a}_B}$

一般情况下，车型一旦确定，车辆的制动器形式也就确定了，制动力矩也是确定的，因此道路附着系数对持续制动阶段内车辆减速度的影响较大。查阅相关资料得到不同路面路况下的道路附着系数及最大制动减速度，综合分析可得：

$S_4=\frac{{(V_{B\left(T\right)}+0.2a_{B\left(T\right)})}^2}{{2a}_B}$

汽车的行驶距离为：

$S_5=\frac{{A_{A\left(T\right)}}^2}{{2a}_A}$

前后两车停止时应该保持一定的距离ΔS以保证安全，通常情况下，国内外的资料取ΔS在2-5m之间，本文考虑到本系统无线通信单元数据传输延迟的情况，取ΔS为3m。

结合以上分析可得：

$S_X=\frac{{(V_{B\left(T\right)}+1.2a_{B\left(T\right)})}^2}{{2a}_B}-\frac{{V_{A\left(t\right)}}^2}{{2a}_A}+1.5V_{B\left(T\right)}+1.08a_{B\left(T\right)}+3$

其中，V_A(T)、V_B(T)分别表示T时刻A、B两车的速度；a_B(T)表示T时刻B车的加速度；a_B表示B车最大的制动加速度，a_A表示A车最大的制动加速度。

横向安全距离指横向间距与汽车宽度之和，取为2m。

Claims (5)

1.一种汽车防碰撞网络预警方法，包括：

测量汽车速度、加速度和位置信息并进行存储；

利用无线方式接收周围车辆定位信息并将自身定位信息向外发送；

将当前车辆与周围车辆的相对位置在当前车辆显示装置上显示；

计算当前车辆与周围车辆之间的间距并结合当前车辆与周围车辆的速度及加速度判断是否有碰撞危险；

当有碰撞危险时，利用语音方式向当前车辆司机提出告警；

其特征在于，

所述计算当前车辆与周围车辆之间的间距并结合当前车辆与周围车辆的速度及加速度判断是否有碰撞危险，包括如下四种算法：

(1)防追尾预警算法

当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，找出正前方距离当前车辆最近的目标车辆，计算目标车辆距离并与安全距离相比，若实际距离小于安全距离，则发出追尾碰撞预警；

(2)超车预警算法

当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，找出当前车辆行驶方向左侧且与当前车辆横向距离为2m的所有车辆，比较它们与当前车辆的纵向距离和安全距离的大小，如果存在纵向距离小于安全距离的车辆，则发出超车碰撞预警，当前车辆在原车道继续等待，直到左侧所有车辆纵向距离均大于安全距离时，当前车辆才能超车；

(3)盲点预警算法

当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，找出行驶方向上距离当前车辆距离最近的目标车辆，当行驶方向不变而目标车辆与当前车辆的横向距离不断增大直至为2m时，立即重新选取行驶方向上距离最近的车辆为目标车辆并判断实际距离与安全距离的大小，若实际距离小于安全距离，则发出碰撞预警；

(4)十字路口安全驾驶算法

当前车辆定位信息和周围车辆的定位信息为经纬度信息，先将经纬度信息转换为大地坐标，然后根据连续两个时刻的位置差求出当前车辆的行驶方向，行至路口准备左转时，找出行驶方向前方左侧与当前车辆横向距离大于1.5m的车辆为目标车辆，并比较目标车辆与当前车辆的纵向距离和安全距离的大小，若有实际距离小于安全距离的目标车辆，则发出预警，当前车辆在路口等到直至左侧所有车辆通过路口再向左转弯。

2.根据权利要求1所述汽车防碰撞网络预警方法，其特征在于，所述汽车速度、加速度和位置信息采用北斗2+GPS双模单元测量获取。

3.根据权利要求1所述汽车防碰撞网络预警方法，其特征在于，所述将经纬度信息转换为大地坐标的算法如下：

$x=X+{\mathrm{Ntl}}^2{\cos }^{2}B[\frac{1}{2}+\frac{1}{24}{l}^4(5-t^2+9{\mathrm{\μ}}^2+4{\mathrm{\μ}}^2){\cos }^{2}B+\frac{1}{720}{l}^4(61-58t^2+t^4+270{\mathrm{\μ}}^2-330{\mathrm{\μ}}^2{t}^2){\cos }^{2}B]$

$y=500000+\mathrm{Nl}\cos B[\frac{1}{6}{l}^2{\cos }^{2}B(1-t^2+{\mathrm{\μ}}^2)+\frac{1}{120}{l}^4{\cos }^{4}B(5-18t^2+t^4+14{\mathrm{\μ}}^2-58t^2{\mathrm{\μ}}^2)]$

其中，x，y为转换后的大地坐标值；X表示赤道到B纬度平行圈的子午线弧长；B为转换前的纬度值；N表示地面待测点的卯酉圈曲率半径；l表示转换前的经度值L与投影区的子午线经度L₀的差值；t＝tanB；m＝e'cosB；e＝0.08181919为第一偏心率；e'＝0.082094438为第二偏心率。

4.根据权利要求1或3所述汽车防碰撞网络预警方法，其特征在于，所述安全距离包括纵向安全距离和横向安全距离，其中纵向安全距离的计算公式为：S_X＝S₁+S₂+S₃+S₄+VS-S₅，其中S_X为纵向安全距离，S₁为驾驶员反应阶段运行距离，S₂为制动协调阶段运行距离，S₃为减速度增长阶段运行距离，S₄为持续制动阶段运行距离，S₅为汽车的行驶距离，VS为前后两车停止时应该保持的距离，VS在2-5m之间，假定B车在后，A车在前，则S₁＝1.2V_B(T)+0.72a_B(T)，S₂＝0.2V_B(T)+0.24a_B(T)，S₃＝0.1V_B(T)+0.12a_B(T)，其中，V_A(T)、V_B(T)分别表示T时刻A、B两车的速度；a_B(T)表示T时刻B车的加速度；a_B表示B车最大的制动加速度，a_A表示A车最大的制动加速度；

所述横向安全距离指横向间距与汽车宽度之和，取为2m。

5.一种验证权利要求1所述汽车防碰撞网络预警方法的实验平台，其特征在于，使用两台DAFZS嵌入式实验平台作为两辆汽车，平台上自带LCD显示屏和蜂鸣器以及GPS定位装置(1)，GPS定位装置(1)内置有天线，通过串口与中央处理装置(2)通信相连，无线通信装置(3)也通过串口与中央处理装置(2)相连，所述GPS定位装置(1)由接收天线(4)和接收芯片(5)组成，接收芯片(5)通过串口与中央处理装置(2)相连，所述中央处理装置(2)包括ARM处理器(8)、LCD显示屏(6)和蜂鸣器(7)，ARM处理器(8)通过串口与无线通信装置(3)连接，所述无线通信装置(3)由天线(9)和ZigBee无线通信芯片(10)组成。