CN104867356A - 一种基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统，车载设备由数据采集与通信、威胁评估两个模块组成，而路侧设备由DSRC通信与车辆跟踪两个模块组成。车载设备数据采集与通信模块采集本车辆的状态及位置信息并通过DSRC进行广播，同时通过DSRC接收路侧设备发布的周围目标车辆的状态及位置信息，并通过Telematics服务获得环境信息；威胁评估模块对威胁评估结果进行修正，得到更准确的周围目标车辆对本车辆的威胁指数，作为后续告警/控制的依据。路侧设备DSRC通信模块接收来自各车辆的状态及位置信息，并将跟踪模块处理后的信息进行广播；车辆跟踪模块将DSRC通信模块接收到的各车辆的状态及位置信息进行跟踪滤波以提高精度与可靠性。

Description

一种基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统

技术领域

本发明涉及通信和自动化控制技术，主要是基于DSRC(Dedicated ShortRange Communications，专用短程无线通信)和Telematics(车载信息服务)的车辆威胁评估系统。

背景技术

汽车保有量与日俱增，再加上道路形式及其周边环境的复杂性，导致车辆交通事故频发。当前被动式安全技术已经成熟运用在不同汽车制造厂商中，在交通事故发生时起到了一定的避撞和缓解作用，然而由于传统的被动式所存在的局限性，要进一步减少碰撞带来的危害是比较困难的。主动避撞系统通过对周围环境的感知，提前对可能要发生的事故进行预测与评估，并采取相应措施以避开危险，可以减少交通事故，提高交通安全性。作为主动避撞系统的主要内容，如何准确预测车辆受到的外部车辆的碰撞威胁，通过告警/辅助控制来有效地避免碰撞的发生具有重要意义与实用价值。

当前主动避撞系统主要采用雷达、视觉等传感器对外部环境进行感知，但是雷达和视觉传感器存在受到遮挡时无法工作的情况，导致感知范围小，具有较大的局限性。此外，现有威胁评估方法对车身状态和环境状态信息考虑不够全面，威胁评估结果不充分。

中国专利申请：车路协同环境下车辆和行人碰撞规避方法与系统(申请号：201410472266.6)公开了一种基于车路协同的车辆和行人碰撞规避方法与系统，该方法先设定车辆风险区并根据车辆和风险区域内行人的距离来分级识别风险等级，没有考虑道路状况等因素的影响。中国专利申请：一种基于车路协同的高效道路交通防碰撞系统(申请号：201310430201.0)公开了一种基于车车通信的十字路口碰撞预警方法，但只是简单考虑两车距离交汇点的时间，考虑的影响因素单一。中国专利申请：交叉路口碰撞警示系统的概率目标选择和威胁评估方法以及应用(申请号：201310757120.1)公开了交叉路口碰撞警示系统的概率目标选择和威胁评估方法以及应用，但是该系统通过雷达感知环境，容易受到障碍物遮挡等因素的影响。中国专利申请：安全距离与碰撞时间权衡风险的单摄像头汽车防撞方法(201410359140.8)公开了一种安全距离与碰撞时间权衡风险的单摄像头汽车防撞方法，但该方法采用摄像头感知环境，摄像头同样容易受到障碍物遮挡等因素的影响。

本发明针对当前车辆威胁评估系统中传感器易受遮挡导致感知范围受限以及威胁评估方法不全面等问题，提出一种基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统和实现方法，通过车载DSRC通信设备和路侧DSRC通信设备之间的通信扩展车辆探测范围，以获得更完整的周围目标车辆位置和车身状态信息，利用Telematics查询获得车辆周围环境状态信息。本发明考虑环境状态信息和车身状态信息对威胁评估的影响，以车辆的碰撞时间为威胁指数计算的标准，并通过环境状态信息和车身状态信息对威胁指数进行修正，得到的结果更符合实际。

发明内容

针对现有车辆威胁评估技术中传感器易受遮挡导致感知范围受限以及威胁评估方法不全面等局限性，本发明提出了一种基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统方案。该方案的车辆威胁评估系统利用DSRC和Telematics扩展车载传感器如雷达/摄像头等的检测范围，获取更完整的关于周围目标车辆与环境的信息，实现更准确地评估周围目标车辆的威胁，来克服现有技术的上述缺陷。

本发明解决上述技术问题的方案是：一种基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统，其包括车载设备与路侧设备两部分，其中车载设备由数据采集与通信模块、威胁评估两个模块组成，而路侧设备由DSRC通信与车辆跟踪两个模块组成；

所述数据采集与通信模块包括DSRC接口、Telematics接口以及车载网络接口，车辆通过车载网络接口采集本车辆的状态及位置信息并通过DSRC接口进行广播，同时通过DSRC接口接收路侧设备发布的周围目标车辆的状态及位置信息，并通过Telematics接口从Telematics服务系统获得环境信息；威胁评估模块根据接收到的的周围目标车辆的状态及位置信息逐个计算周围目标车辆对本车辆的威胁指数；

所述路侧设备的DSRC通信模块接收来自各车辆的状态及位置信息，并将跟踪模块处理后的信息进行广播；车辆跟踪模块将DSRC通信模块接收到的各车辆的状态及位置信息通过Kalman滤波进行跟踪。

进一步的，所述车载设备数据采集与通信模块向Telematics服务系统发送本车辆位置信息，利用该位置信息查询并获取当前位置的环境状况信息，包括天气状况、道路状况和交通状况。

进一步的，所述车载设备数据采集与通信模块通过GPS获得本车辆的位置和时间信息包括经度、纬度、速度、航向角和当前时间，通过车载网络获得车辆的状态信息包括加速度、制动、转向、胎压、水温、机油压力信息。

进一步的，所述车载设备威胁评估模块根据数据采集与通信模块接收到的来自于路侧设备的周围目标车辆的状态及位置信息计算与本车辆的碰撞时间作为威胁指数，并根据环境信息以及车辆自身状态信息对威胁评估结果进行修正，得到更准确的周围目标车辆对本车辆的威胁指数。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出一种基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统和方法。DSRC是一种高效的无线通信技术，它可以实现在特定小区域内对高速运动下的移动目标的识别和双向通信。Telematics特点在于将车辆接入移动互联网而获得多种信息服务。本发明提出的方法通过车载设备和路侧设备之间的DSRC通信获得周围目标车辆位置和状态信息，能够解决雷达、摄像头等传感器易受遮挡影响等问题，扩展了车辆感知范围；通过Telematics服务查询车辆当前所在位置的环境状况信息如天气、道路和交通状况等，用以修正基于车辆的碰撞时间的威胁评估标准，使威胁评估结果更全面与准确；路侧DSRC设备将各车辆的状态及位置信息通过Kalman滤波器进行跟踪，提高各车辆状态及位置的精度与可靠性。通过上述三个方面，本发明可以有效提高对本车辆受到的周围外部车辆的碰撞威胁评估的准确性，进而通过告警/辅助控制来避免碰撞发生，对车辆主动安全具有重要意义与实用价值。

附图说明

图1.本发明基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统总体架构

图2.本发明车辆威胁评估系统流程

图3.本发明车辆威胁评估系统车辆跟踪流程

图4.本发明车辆威胁评估系统威胁评估流程

具体实施方式

本发明提出一种基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统和方法，通过该方法扩展了车辆感知范围，获得更丰富的关于周围目标车辆以及环境的信息，来获得更全面与准确的周围目标车辆的威胁评估结果。

以下结合附图和具体实例对本发明的具体实施方式进行描述。

如图1所示为本发明提出的基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统的总体架构。该系统分为车载设备和路侧设备两部分，车载设备包括数据采集与通信模块和和威胁评估模块，而路侧设备包括DSRC通信模块和车辆跟踪模块。

其中所述车载设备的数据采集与通信模块包括车载网络接口、DSRC接口和Telematics接口三个部分。其中，车载网络接口用于通过车载CAN网络和GPS传感器获取本车辆车身状态和位置信息，包括本车辆经度、纬度、速度、航向角和当前时间，以及加速度、制动、转向、胎压、水温、机油压力等。DSRC接口包括DSRC数据发送和DSRC数据接收两部分，DSRC数据发送接口用于对车载DSRC通信设备将本车辆的状态和位置信息进行广播；DSRC数据接收接口用于对车载DSRC通信设备接收来自路侧设备发布的周围目标车辆的状态及位置信息。Telematics接口通过向Telematics服务系统发送本车辆位置信息，利用该位置信息查询并获取当前的周围环境信息，包括天气状况、道路状况和交通状况。

其中所述车载设备的威胁评估模块根据数据采集与通信模块接收到的来自于路侧设备的周围目标车辆的状态及位置信息，逐个计算周围目标车辆与本车辆的碰撞时间，初步计算出目标车辆威胁指数，并根据环境信息以及周围目标车辆自身状态信息对威胁评估结果进行修正，得到更准确的周围目标车辆对本车辆的威胁指数。

其中所述路侧设备DSRC通信模块接收来自各车辆的状态及位置信息，并将跟踪模块处理后的各车辆状态及位置信息进行广播；

其中所述路侧设备车辆跟踪模块将DSRC通信模块接收到的各车辆的状态及位置信息通过Kalman滤波器进行跟踪，提高各车辆状态及位置的精度与可靠性。

如图2所示为本发明提出的基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统的工作流程图，包括以下步骤：

(1)车载设备本车辆位置与状态采集：车载设备数据采集与通信模块通过GPS传感器采集本车辆的位置信息，包括本车辆经度、纬度、速度、航向角和当前时间；通过车载网络接口从车身CAN网络采集本车辆的车身状态信息，包括加速度、制动、转向、胎压、水温、机油压力等。

(2)车载设备本车辆位置与状态广播：车载设备数据采集与通信模块通过DSRC接口将本车辆的位置和状态信息进行广播。

(3)车载设备环境信息查询：车载设备数据采集与通信模块通过Telematics接口向Telematics服务系统发送本车辆位置信息，利用该位置信息查询并获取当前的环境状况信息，包括天气状况、道路状况和交通状况。

(4)路侧设备周围车辆状态及位置信息接收：路侧设备DSRC通信模块接收来自各车辆的状态及位置信息。

(5)路侧设备车辆跟踪：路侧设备车辆跟踪模块将DSRC通信模块接收到的各车辆的状态及位置信息通过Kalman滤波进行跟踪，以提高各车辆状态及位置的精度与可靠性。

(6)路侧设备周围车辆状态及位置信息广播：路侧设备DSRC通信模块将经过滤波的周围车辆位置和状态信息，以及该路侧设备的GPS位置信息广播给其他车辆。

(7)车载设备周围目标车辆状态及位置信息接收：车载设备数据采集与通信模块通过DSRC接口接收路侧设备广播的周围目标车辆的位置和状态信息以及该路侧设备的GPS位置信息。

(8)车载设备周围目标车辆威胁估计：车载设备根据数据采集与通信模块获得的本车辆和周围目标车辆的状态和位置信息逐个计算周围目标车辆与本车辆的碰撞时间，初步计算出目标车辆威胁指数，并根据环境信息以及周围目标车辆自身状态信息对威胁评估结果进行修正，获得周围目标车辆对本车辆的威胁。

如图3所示为本发明提出的基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统的车辆跟踪流程。路侧设备车辆跟踪模块将DSRC通信模块接收到的各车辆的状态及位置信息分别通过Kalman滤波进行跟踪，以提高各车辆状态及位置的精度与可靠性，包括坐标转换和Kalman滤波两个步骤。

(1)坐标变换

DSRC通信模块接收到的各车辆的位置信息用其在地理坐标系中的经度、纬度表示，需将其转换到路侧设备固联坐标系，路侧设备固联坐标系以路侧设备坐标为原点，其法线方向为Z轴正向，以正北方向为Y轴正方向，以正东方向为X轴正方向。

(2)Kalman滤波

各车辆运动的状态方程与观测方程为

Xⁱ(k,k)＝Φ(k-1)Xⁱ(k-1,k-1)+Γ(k-1)w(k-1)          (1)

Zⁱ(k)＝H(k)Xⁱ(k,k)+v(k)              (2)

其中：Xⁱ(k,k)为车辆i在k时刻的状态向量，Φ(k-1)为状态转移矩阵，即车辆运动模型，对道路车辆一般采用匀速模型，即：

$\mathrm{\Φ}=\left[\begin{array}{cc}1& T\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

Γ(k-1)为噪声输入矩阵；Zⁱ(k)为车辆i在k时刻的路侧设备固联坐标系中的位置构成的观测向量，H(k)是k时刻的观测矩阵；过程噪声{w(k)}与观测噪声{v(k)}是零均值的Gaussian白噪声序列，分别表示车辆运动模型误差与车辆位置的观测误差，方差阵为Q、R，且Q为对称非负定矩阵，R为对称正定矩阵。

设k-1时刻车辆i的状态估计为其相应的估计误差协方差矩阵为Pⁱ(k-1,k-1)，Kalman滤波过程主要包含如下五个步骤，分别包括状态一步预测、一步预测误差协方差计算、滤波增益计算、状态估计和滤波误差协方差计算：

${\hat{X}}^i(k,k-1)=\mathrm{\Φ}\left(k\right){\hat{X}}^i(k-1,k-1)---\left(4\right)$

Pⁱ(k,k-1)＝Φ(k)Pⁱ(k-1,k-1)Φ^T(k)+ΓQ(k)Γ^T         (5)

Κⁱ(k)＝Pⁱ(k,k-1)H^T(k)[H(k)Pⁱ(k,k-1)H^T(k)+R(k)]^-1        (6)

${\hat{X}}^i(k,k)={\hat{X}}^i(k,k-1)+K^i\left(k\right)[Z^i\left(k\right)-H\left(k\right){\hat{X}}^i(k,k-1)]---\left(7\right)$

Pⁱ(k,k)＝[I-Κⁱ(k)H(k)]Pⁱ(k,k-1)          (8)

其中即为车辆i在k时刻状态的最优估计。

如图4所示为本发明提出的基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统的威胁评估流程。车载设备威胁评估模块根据数据采集与通信模块获得的本车辆和周围目标车辆的状态和位置信息，逐个计算周围目标车辆与本车辆的碰撞时间，初步计算出目标车辆威胁指数，并根据环境信息以及周围目标车辆自身状态信息对威胁评估结果进行修正，获得周围目标车辆对本车辆的威胁。威胁评估的步骤如下所示：

(1)坐标变换

建立车载设备坐标系，车载设备坐标系以本车辆的车载设备为坐标原点，其法线方向为Z轴正向，以车辆运动方向为Y轴正方向，X轴与Y、Z轴构成右手系。根据本车辆GPS位置以及路侧设备的GPS位置信息，计算出车载设备坐标系与路侧设备固联坐标系的变换关系。

将数据采集与通信模块获得的周围目标车辆的状态和位置信息逐个从路侧设备固联坐标系转换到车载设备坐标系。

(2)初步计算威胁指数

对周围目标车辆i，确定与本车辆的行驶轨迹的直线模型，并根据轨迹直线模型计算两车的碰撞点，即两直线的交点。

若碰撞点不存在，则不存在威胁，威胁指数为0。否则，计算本车辆到达碰撞点的时间t，根据到达碰撞点的时间t确定目标车辆i的威胁指数，计算方法如下：

$t_i=\frac{k}{t}---\left(9\right)$

其中k为系数。

(3)威胁指数修正

通过式(9)得到的威胁指数只考虑了到达碰撞点的时间t，并未考虑不同的环境状况的影响，如不同道路、不同气象条件、不同交通情况以及不同车辆状态等的影响。

为了更准确地评估周围车辆的威胁，通过环境状况和车辆状态信息对式(9)得到的车辆i的威胁指数进行修正。环境状况主要包括道路状况、能见度和车辆密度，车辆状态信息主要包括车辆i的类型、加速度、制动、转向、胎压、水温、机油压力。分别为上述每一个影响因素定义相应的权值函数，如表1所示。

表1影响因素的权值函数

影响因素	影响因素变量名	权值函数
			道路状况	rc	krc(rc)
能见度	vb	kvb(vb)
			车辆密集度	vd	kvd(vd)

目标车辆i类型	vt	kvt(vt)
			加速踏板	ac	kac(ac)
制动	br	kbr(br)
			转向	sh	ksh(sh)
胎压	tp	ktp(tp)
			水温	wt	kwt(wt)
机油压力	op	kop(op)

此时车辆i的威胁指数为

t'_i＝t_i*k_rc(rc)*k_vb(vb)*k_vd(vd)*k_vt(vt)*k_vt(vt)*k_ac(ac)*k_br(br)*k_sh(sh)*k_sh(sh)*k_tp(tp)*k_wt(wt)*k_op(op)            (10)

考虑环境和车辆状态因素后，按照式(10)计算得到的周围车辆的威胁指数更准确、合理，能为碰撞告警/辅助控制提供更有效的支持。

以上实例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统，其特征在于，包括车载设备与路侧设备两部分，其中车载设备由数据采集与通信模块、威胁评估两个模块组成，而路侧设备由DSRC通信与车辆跟踪两个模块组成；

所述数据采集与通信模块包括DSRC接口、Telematics接口以及车载网络接口，车辆通过车载网络接口采集本车辆的状态及位置信息并通过DSRC接口进行广播，同时通过DSRC接口接收路侧设备发布的周围目标车辆的状态及位置信息，并通过Telematics接口从Telematics服务系统获得环境信息；威胁评估模块根据接收到的的周围目标车辆的状态及位置信息逐个计算周围目标车辆对本车辆的威胁指数；

所述路侧设备的DSRC通信模块接收来自各车辆的状态及位置信息，并将跟踪模块处理后的信息进行广播；车辆跟踪模块将DSRC通信模块接收到的各车辆的状态及位置信息通过Kalman滤波进行跟踪。

2.根据权利要求1所述的基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统，其特征在于，所述车载设备数据采集与通信模块向Telematics服务系统发送本车辆位置信息，利用该位置信息查询并获取当前位置的环境状况信息，包括天气状况、道路状况和交通状况。

3.根据权利要求1所述的基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统，其特征在于，所述车载设备数据采集与通信模块通过GPS获得本车辆的位置和时间信息包括经度、纬度、速度、航向角和当前时间，通过车载网络获得车辆的状态信息包括加速度、制动、转向、胎压、水温、机油压力信息。

4.根据权利要求1所述的基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统，其特征在于，所述车载设备威胁评估模块根据数据采集与通信模块接收到的来自于路侧设备的周围目标车辆的状态及位置信息计算与本车辆的碰撞时间作为威胁指数，并根据环境信息以及车辆自身状态信息对威胁评估结果进行修正，得到更准确的周围目标车辆对本车辆的威胁指数。

5.根据权利要求1所述的基于DSRC和Telematics的车辆威胁评估系统，其特征在于，所述DSRC接口包括DSRC数据发送接口和DSRC数据接收接口两部分，DSRC数据发送接口用于对车载DSRC通信设备将本车辆的状态和位置信息进行广播；DSRC数据接收接口用于对车载DSRC通信设备接收来自路侧设备发布的周围目标车辆的状态及位置信息。