CN105427669B - 一种基于dsrc车车通信技术的防撞预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于车车通信的防撞预警算法，根据自车位置、速度信息与其他车辆的位置、速度信息计算两车是否存在碰撞危险。该方法基于DSRC的车辆通信，相互通信的两车各自携带一个车载设备，车载设备发送自车的位置速度信息和接收通信范围内的其他车辆的位置速度信息。本发明依赖于DSRC通信协议中的BSM消息，规范性强，DSRC推广后，该方法也可大量应用，适用于未来DSRC通信的车联网系统。

Description

一种基于DSRC车车通信技术的防撞预警方法

技术领域

本发明属于交通道路车辆间碰撞研究技术领域，具体是一种基于DSRC(专用短程通信技术)车车通信技术的防撞预警算法，根据自车位置、速度信息与其他车辆的位置、速度信息计算两车是否存在碰撞危险。

背景技术

代科技的飞速发展，使得交通网络也复杂起来，在经济高速发展模式下，车辆的增长速度已远远高于道路和其它交通设施的建设速度，特别是私有汽车保有量的增长给道路通行量带来了不小的挑战。私有汽车在带给人们更快的效率和更舒适的驾车环境的同时，也带来了更多的交通事故。如何减少交通事故的发生，已成为当今世界交通安全的重要课题。

车辆在高速行驶过程中，由于交通环境的影响和驾驶员反应能力受限，导致交通事故增多。这些应为人自身缺点而加大交通事故风险的因素又无法通过规范驾驶员行为加以有效克服。智能交通系统(ITS，Intelligent Transportation System)是解决大部分交通问题的根本途径，它随当代科技充分发展进步而产生，是目前公认的减少交通事故、改善行车环境、提高通行效率及减少空气污染等的最佳途径。因此，开发研究能实时获取道路或车辆信息，及时提醒驾驶员或自动采取措施以避免事故发生的汽车防碰撞报警系统，就成了解决道路交通安全问题的重要课题。

基于机器视觉方式的防撞预警技术是通过车载摄像机采集车辆行驶时的外部道路信息，通过计算机处理后，对前方即将发生的危险情况进行报警¹。这种方法检测信息量大、能够遥测，非常适合用于路径的识别与跟踪。但该方法的缺点是数据处理量大，对硬件会有很高的要求，还受限于道路环境、路面环境、气候条件以及光线条件等的影响。

基于测距的车辆防撞技术在直行道路上有很好的精确度，但在弯道或十字路口并不适用。由于测距技术的高方向性，在转弯的道路或十字路口上存在很大的局限性，而弯道和十字路口是交通事故的多发路段，是最需做好防范措施的路段。

基于车车通信的防撞技术多依赖于车辆的GPS信息，只要对方的车辆在DSRC的通信范围内就能够很好地预测其他车辆与自车的相对位置，知己知彼。并且基于测距的防撞技术将车辆间的位置关系映射到一维的坐标系中，而基于车车通信的防撞技术则可以将车辆间的位置关系映射到二维坐标系甚至是三维、四维坐标系中，更加适合用于车辆间的防撞。利用GPS技术进行防撞预警，硬件上不需要对汽车进行额外扩展，对于控制成本、提高产品性价比有 着绝对的优势，并且能够融入智能交通系统(ITS)，完善系统功能。

发明内容

针对以下现有的不足，提出了一种更加适合用于车辆间的防撞、控制成本、融入智能交通系统(ITS)，完善系统功能的基于DSRC车车通信技术的防撞预警方法方法。。本发明的技术方案如下：一种基于DSRC车车通信技术的防撞预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、在车辆行进过程中，获取其他车辆的BSM(基本安全消息)信息及自车最新BSM(基本安全消息)信息；

102、建立自车经纬度坐标系，并根据两车之间的经纬度坐标计算两车距离：

103、将其他车的车辆坐标系映射到自车的坐标系中，并计算自车轨迹及他车轨迹：

104、根据碰撞情形的不同，选择基于车车通信的防撞预测模型，判断是否存在碰撞危险；若是则发出警报，否则返回到步骤101。

进一步的，步骤102中建立自车经纬度坐标系具体包括：以自车位置为原点，自车线速度方向为y轴正方向，右手垂直方向为x轴正方向的二维直角坐标系称为自车坐标系，记为x′oy′坐标系，

进一步的，还包括将车辆自车坐标系与车辆经纬度坐标系进行转换的步骤，具体为：车辆经纬度坐标系以自车位置为原点，以向北的经线方向为y轴正方向，向东的纬线方向为x轴正方向，记为xoy坐标系，车辆行驶方向与y轴正轴的顺时针夹角为θ₁，车辆经纬度坐标顺时针旋转θ₁角度即得到车辆的自车坐标系，车辆自车坐标系与车辆经纬度坐标系的转换关系为：

或

其中，xoy坐标系为车辆经纬度坐标系，x′oy′坐标系为自车坐标系。

进一步的，步骤102根据两车之间的经纬度坐标计算两车距离的步骤具体为：

设第一点A的经纬度为(LonA,LatA)，第二点B的经纬度为(LonB,LatB)，根据三角关系推导，可以得到计算两地弧长距离的如下公式：

这里，R表示地球的平均半径。

进一步的，步骤103将其他车的车辆坐标系映射到自车的坐标系中具体包括：以xoy坐标系为自车经纬度坐标系，记x″o″y″坐标系为其他车辆的“自车坐标系”。正北方向与其他车辆的顺时针夹角为θ₂，两车的直线距离为L，假设x″o″y″坐标系的坐标原点o″在xoy坐标系中的坐标为(x_o″,y_o″)，则x″o″y″坐标系与xoy坐标系的变换关系式为：

或

进一步的，步骤104中基于车车通信的防撞有三种模型：最小安全车距模型、交叉路口防撞模型和侧向最小安全距离模型。

进一步的，所述BSM信息主要包括车辆的经纬度、海拔、速度、加速度及行驶方向等信息。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明采用DSRC的通信距离在1000米以下，因此通信距离的限制直接过滤掉了无需对其进行防撞预警计算的车辆，降低了计算量，提高了防撞算法的效率。除了道路两旁的建筑物和山体的遮挡影响通信距离外，该方法不受道路形状的限制，较基于测距的防撞算法具有更强的通用性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是较其他方法受到更少的限制，添加轨迹预测功能，是防撞算法适应性更广，实用性更强。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例防撞预警计算流程；

图2是本发明提供优选实施例汽车的制动过程；

图3是本发明提供优选实施例运动车辆间距示意图；

图4是本发明提供优选实施例超车示意图；

图5是本发明提供优选实施例交叉路口模型；

图6是本发明提供优选实施例弯道绝对视距；

图7是本发明提供优选实施例一个交点情况下的车辆轨迹；

图8是本发明提供优选实施例两个交点情况下的车辆轨迹；

图9是本发明提供优选实施例无数个交点情况下的车辆轨迹。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明依赖于DSRC协议²中定义的BSM消息(基础安全消息)，以及对消息的处理和使用。在整个碰撞预警的计算过程中，BSM消息是车辆信息的载体，当车辆接收到其他的车辆的BSM消息后，应当对消息进行解析，并结合自车的相应信息计算，确定是否有碰撞的危险存在。

防撞预警计算的整个流程如图1所示。

按照以上所述，本发明的功能实现包括以下七个方面：

1)建立自车经纬度坐标系：车辆经纬度坐标系以自车位置为原点，以向北的经线方向为y轴，向东的纬线方向为x轴。车辆行驶方向与y轴正轴的顺时针夹角为θ₁，车辆经纬度坐标系可由车辆的自车坐标系³逆时针旋转θ₁角度得到。

2)计算两车距离：以0度经线、纬线为基准，可根据地球表面任意两点的经纬度就可以计算出这两点间的地表距离。在知晓两车经纬度的条件下，可计算出两车的直线距离；在结合道路形状的状况下，可估算出两车的曲线距离。

3)其他车辆坐标系在自车经纬度坐标系中的映射：当自车获取到其他车辆的车身位置等信息后，可根据其经纬度信息、速度、转向等信息建立其相应的经纬度坐标系，并映射到自车坐标系中。

4)计算自车轨迹及他车轨迹：根据车辆的速度、角加速度、经纬度等信息可在其自车经纬度坐标系中建立轨迹方程；另外，知晓其他车辆的相关信息及其与自车相对位置的情况下，也可在自车经纬度坐标系中建立他车的轨迹方程。

5)判断防撞模型：依据碰撞情形的不同，基于车车通信的防撞有三种模型：最小安全车距模型、交叉路口防撞模型和侧向最小安全距离模型；两车之间所应使用的防撞模型可由两车的运行状态及两车的轨迹方程推断。

6)碰撞点求解：若两车之间存在碰撞危险，则根据两车轨迹可求解车两车的碰撞点及碰撞点与两车的距离，因此判断两车碰撞的危险程度，并给予驾驶员相应提示、警告信息。

7)车辆进行防撞预警计算时，所处理的数据已有一些延迟，不但来自其他车辆的数据有延迟，自车的数据也有延迟。在车辆防撞系统中，应将这些延迟降到最小，以提高防撞系统的有效性。

车辆在运行过程中能够获取到在其通信范围内的其他车辆发出的BSM消息，同样，它也能读取自车的BSM消息，并以此作为车辆防撞预警的判断依据，展开车辆碰撞风险的预警计算。车辆获取到两车的BSM消息后，应以自车位置为原点，依据其经纬度建立坐标系，作为计算车辆轨迹的基础，并在此基础上根据BSM信息中的经纬度、速度、行驶方向等预测自车轨迹与其他车的轨迹，因此，可在自车的经纬度坐标系中得到两条轨迹，表征两车未来一小段时间内的运动信息。判断两车是否存在碰撞危险前，还应当根据两车的相对位置判断两车属于最小安全车距模型、交叉路口防撞模型和侧向最小安全距离模型中哪一种安全模型，并根据各种安全模型的不同预测碰撞危险方法预测两车是否存在碰撞危险以及危险程度，对存在碰撞危险的情形给予自车驾驶员相应警告。防撞预警计算的整个流程如图1所示。

具体说明如下：

1)建立自车经纬度坐标系方法

基于车辆网的车辆防撞预警以车辆间相互传输的BSM消息为基础，从该消息中掘取有用信息用于车辆轨迹预测及碰撞危险程度的计算。预测车辆轨迹前，应建立规范化一的坐标系，保障防撞预警计算的有效性。

以自车位置为原点，自车线速度方向为y轴正方向，右手垂直方向为x轴正方向的二维直角坐标系称为自车坐标系，记为x′oy′坐标系，单位为米(m)。

车辆经纬度坐标系以自车位置为原点，以向北的经线方向为y轴正方向，向东的纬线方向为x轴正方向，记为xoy坐标系，单位为米(m)。车辆行驶方向与y轴正轴的顺时针夹角为θ₁。车辆经纬度坐标顺时针旋转θ₁角度即得到车辆的自车坐标系。车辆自车坐标系与车辆经纬度坐标系的转换关系为：

或

其中，xoy坐标系为车辆经纬度坐标系，x′oy′坐标系为自车坐标系。

2)计算两车距离

在预测两车碰撞危险程度的过程中，两车间的相对距离对碰撞危险的判断起着重要作用，如在处于跟驰模式下的两车，它们间的直线距离可直接用于判断两车的碰撞危险程度。同时，以两车相对行驶速度为参考，相对距离较远的车辆运动对自车所带来的危险可能性很小时，可以忽略，反之亦然。

地球在其运动的影响下，形成一个近乎标准的椭球体，长半径为6378.140千米，短半径为6356.755千米，平均半径6371.004千米。假设地球是一个规则的球体，那么它的半径即为地球的平均半径，记为R。如果以0度经线、纬线为基准，那么根据地球表面任意两点的经纬度就可以计算出这两点间的地表距离(这里忽略地球表面地形对计算带来的误差，仅仅是理论上的估算值)。设第一点A的经纬度为(LonA,LatA)，第二点B的经纬度为(LonB,LatB)，按照0度经线的基准，东经取经度的正值(Longitude)，西经取经度负值(-Longitude)，北纬取纬度正值(Latitude)，南纬取纬度负值(-Latitude)，根据三角公式推导，可以得到计算两地弧长距离的如下公式：

这里，R和D单位相同，如果是采用千米作为半径的单位，那么求得的D也以千米为单位。

3)其他车辆坐标系在自车经纬度坐标系中的映射

如上所述，获取某车的经纬度及运动方向即可建立与之对应的“自车坐标系”及其经纬度坐标系，行驶中的车辆能够获取到其他车辆发送的地理位置信息，也能建立其他车辆相应坐标系。在碰撞求解的过程中，多个坐标系的存在给计算带来诸多不便，因此，将其他车辆的坐标系及运动曲线映射到自车的坐标系中以降低计算的复杂度及合理性。

以xoy坐标系为车辆经纬度坐标系，记x″o″y″坐标系为其他车辆的“自车坐标系”。其他车辆与正北方向的顺时针夹角为θ₂，为其他车辆的行驶方向角，两车的直线距离为L，假设x″o″y″坐标系的坐标原点o″在xoy坐标系中的坐标为(x_o″,y_o″)，则x″o″y″坐标系与xoy坐标系的变换关系式为：

或

设两车连线与x正轴的夹角为θ₃，A表示自车的位置，B表示其他车辆的位置，下标w表示纬度，下标j表示经度，C点表示北极点，则

其中，cos c＝cos(90°-B_w)cos(90°-A_w)+sin(90°-B_w)sin(90°-A_w)cos(B_j-A_j)，且

则可求得：

c＝arccos[cos(90°-B_w)cos(90°-A_w)+sin(90°-B_w)sin(90°-A_w)cos(B_j-A_j)](2.6)

求解出的c单位为度数，转化为弧度C为：

L＝R_地C

4)预测自车轨迹及他车轨迹

车辆运行过程中，可获取车辆的经纬度、海拔、行驶方向、车速及角速度等重要信息，由此可以预测出车辆在其坐标系中的行驶轨迹，车辆轨迹是预测两车是否存在碰撞危险的必备推断。设车速为v，角速度ω在向右转为正，向左转为负，则其转弯半径为R＞0时汽车右转，R＜0时汽车左转，R＝0时汽车直行。

自车直行时(即ω＝0时)在车辆经纬度坐标系中的运动轨迹为：

xcosθ₁-ysinθ₁＝0(y≥-xtanθ₁) (2.8)

车辆转弯时的轨迹为：

或表示为：

其中，θ₁为车辆行驶方向与y轴正轴的顺时针夹角。

设其他车辆的线速度为v₂，角速度为ω₂，则其在x″o″y″坐标系中的轨迹描述为：

①直行：x″＝0(y″≥0)

②转弯：或

o″在xoy坐标系中的位置可表示为(Lcosθ₃,Lsinθ₃)，L为两车间的距离，即

其中，θ₃为两车连线与x正轴的夹角，其他车辆直行轨迹转换到自车经纬度坐标系xoy中的轨迹为：

(x-Lcosθ₃)cosθ₂-(y-Lsinθ₃)sinθ₂＝0 (2.12)

转弯时的轨迹可描述为：

其中，θ₂为其他车辆与正北方向的顺时针夹角。

同时，车辆获取的车辆相关信息中还包含了车辆的行驶方向，预测出的车辆轨迹是有向曲线，由此可判断在一定范围内行驶的两车是相向行驶还是同向行驶。

5)判断防撞模型方法

车辆之间的运动关系与道路环境、行驶方向及驾驶员的心理素质等构成错综复杂的关系，使车辆之间可能发生的碰撞存在无数多种可能。按照碰撞时车辆行驶方向间的关系，且忽略道路倾斜度对车辆的影响，就可以将车辆间的碰撞行为分为一维碰撞和二维碰撞。一维碰撞如正面碰撞、追尾碰撞等，二维碰撞如侧面碰撞、侧面刮擦等。

依据碰撞情形的不同，基于车车通信的防撞有三种模型：最小安全车距模型、交叉路口防撞模型和侧向最小安全距离模型。

最小安全车距模型适用两辆车行驶方向在行驶过某一点的行驶方向基本相同。交叉口防 撞模式下的两辆车载碰撞点的行驶方向成一定夹角，或两辆车所行驶的轨迹包含不同的路段，又包含相同的路段。超车模式下的两车中，后车一开始会移向左侧车道，随即会有一个加速的过程，如果均为直线行驶，则两车行车轨迹相互平行，如果存在转弯路径，则他们的行车轨迹应为同心圆的一部分。

(1)最小安全车距模型

计算车辆的制动距离前，先分析紧急制动的过程：驾驶员意识到需要刹车时，将右脚移动到制动踏板并用力踩下，直到汽车的速度减成零为止⁴。汽车的制动过程如图1所示，其中F_p，分别指制动踏板力和汽车的减速度，全过程可看成由以下几个阶段组成：驾驶员反应阶段、消除制动间隙阶段、制动力增长阶段、持续制动阶段、放松制动器阶段。

驾驶员反应阶段是当危险出现后，驾驶员意识到危险并做出相应反应的阶段。驾驶员意识到危险所需时间记为t₁′，将右脚落在制动踏板上的所需时间记为t₁″，t₁＝t₁′+t₁″就称为驾驶员反应时间，一般为0.3～1.0s，该时间长短因人而异，因时而异。消除制动间隙阶段是车辆制动器在设计时预留了一段制动间隙，所需时间记为t₂。制动力增长阶段驾驶员踩踏制动踏板时，制动加速度逐渐增大的过程，所需时间记为t₃。消除制动间隙时间t₂和制动力增长时间t₃都为制动器起作用所需时间，一般为0.2～0.9s。持续制动阶段是汽车减速度增大到某一稳定值后的匀减速阶段，这个过程所经历的时间记为t₄。放松制动器阶段为车辆停止或危险解除后驾驶员松开制动踏板后的制动力消除阶段，所需时间记为要持续一段时间t₅，一般需要0.2～1.0s。

制动距离是指从出现危险状况至车辆速度减为u₂时，汽车所驶过的距离为：

由于t₃时间很短，在精度要求不高的情况下，上式中最后一项的数值可以忽略不计，若上式中u₀的单位为km/h，转换成m/s后，可得

建立基于制动分析的安全车距模型，可帮助驾驶员维持安全的间距。当自车处于跟驰状态下，制动前后车辆的运动示意图如图2所示。制动前，自车以速度为u₁匀速运动，前车的运动速度为u₂，本车头部与前车尾部之间的安全车距为d，经过一段时间t秒后，本车的运动速度为u₁′，所驶过的距离为d₁,前车的运动速度为u₂′，所驶过的距离为d₂,此时两车的车间距离为d₀，d₀表示两车脱离危险后所要保留的最小安全车距，一般取2～5m。上述四个距离之间满足如下关系：

d＝d₁-d₂+d₀ (2.16)

当前方突然出现静止障碍物或前方运动目标突然减速时也不会对本车的安全构成威胁，这一临界车距称为安全临界车距d_s。计算d_s时认为前方目标车辆速度低于本车速度并且突然紧急制动，制动减速度为a₂，本车在看到前车制动后以制动减速度a₁紧急制动。按照上述条件，可得图2中各参数的初始值或计算数值如下。

图2中的d表示安全临界车距d_s，d₀表示两车制动后停止时保留的最小安全车距。忽略制动系统的差异，则两车的制动力增长时间相同，即t₃＝t₃′。

当两车的速度都减速到u₃时，由于前车减速度小于后车减速度，他们之间的距离会越来越大。因此，若两车均减速到u₃，他们间的距离大于最小安全车距时，认为两车脱离碰撞危险。本车减速至u₃时行驶过的距离为d₁：

前车减速至u₃时行驶过的距离为d₂：

则

最小安全车距模型多应用于跟驰模式下，按照本车的行驶轨迹，分为直行情况和转弯情况。

直行情况下，两车的行车轨迹基本重合，在以自车线速度方向为y轴的二维坐标系中，处于跟驰模式下的两车满足以下条件：

①两车轨迹完全重合或两车在某点行驶方向的夹角小于10°；

②前车、后车距离大于最小安全车距。

因此，若|θ₁-θ₂|≤Δθ(如10°)，且前车、后车距离大于最小安全车距，则认为两车处于跟驰模式。

转弯情况下，两车的轨迹也大致重合，因此，两车的转弯半径在理论值下应相等，在实际计算中，认为|R₁-R₂|≤ΔR m(如3m)时，它们处于同一转弯道路上。

若它们同为顺时针转弯或逆时针转弯，认为它们处于跟驰状态；若一车顺时针转弯，另一车逆时针转弯，则它们相向行驶。

(2)超车

车辆超车时，不仅要与前方车辆保持一定的前后距离和侧向距离。若车辆超车时占用对向行驶车辆的车道，还应当要防止与对向行驶车辆间发生碰撞。

一方面，在前方车辆的防撞中，开始时，超车车辆应与前方车辆保持最小跟驰安全距离，可按照跟驰模式下的防撞来执行。当车辆已驶入左方车道，加速并超越前车时，需要保持并行车辆行驶的间距，并行行驶的车辆需要保持一定的侧向距离，汽车的侧向最小安全间距⁵为：

其中，v为自车速度，单位为km/h。两车的侧向距离可利用测距的传感器来检测并用于估算车辆间的碰撞危险程度。超车车辆已超越前车，并重新驶入右方车道时，也应按照跟驰模式下的防撞来执行。

另一方面，车辆在超车过程中，若需占用对向行驶车辆的行车道，对向行驶车辆应在自车的安全超车距离以外，否则不能超车，当驾驶员试图超车时，警告驾驶员前方有驶来车辆。

设C₁为超车车辆，C₂为被超车辆。超车前，被超车辆C₁与预备超车车辆保持满足最小安全车距的跟驰状态。C₂超车过程可简化为以下三个过程，如图3所示。

第一阶段，超车车辆跟车C₂保持原来的前进速度，并从右侧车道驶入左侧车道，这一阶段的防撞预警仍按照跟驰状态下的最小安全车距模型计算。

第二阶段，车辆C₁加速超越C₂车，这一阶段内按照侧向最小安全间距进行防撞预警。此段时间内，以C₁车所在位置为原点，建立二维直角坐标系，因此，C₁车的运动轨迹可描述为：

其中，v表示C₁车的线速度，ω表示C车的角速度。

当C₁车直行时，C₂车的位置为O″，坐标为(x_o",y_o")，则C₁车与C₂车行驶轨迹的距离为d(即两车行驶轨迹的距离、侧向距离)。因为(x_o",y_o")＝(Lcosθ₃,Lsinθ₃)，则

d＝x_o"＝Lcosθ₃ (2.22)

其中，L为C₁车与C₂车间的直线距离。

当C₁车转弯时，C₁车与C₂车轨迹的最小距离为d。设C₁车轨迹的圆心为O₁，为C₁车行驶轨迹的转弯半径，则

当d小于式(2.7)中的侧向最小安全距离时，应当发出警报。

第三阶段，C₁车并入C₂车的车道，这一阶段内的防撞预警模型按照跟驰状态下的最小安全车距模型计算。

图3中，D₀表示超车前，车辆C₁与车辆C₂之间需要保持的最小安全距离，此时超车车辆速度为u₀，被超车辆速度为u₂。D₁表示整个超车过程中，被超车辆C₂以速度为u₂匀速行驶过的距离。D₂表示超车车辆超越被超车辆后，他们之间应当保持的最小安全间距，此时，被超车辆速度仍为u₂，超车车辆的速度为加速后的速度u₁。S₁是超车车辆换道并加速至最大超车速度时行驶的距离，此间，超车车辆的平均加速度为a，加速后的最大速度为u₁，经历的时间为t₁，实际防撞预警中，可取值为道路的设计最大速度。S₂为超车车辆以最大速度u₁匀速运动至超越被超车辆并与之保持最小安全距离，且与对向行驶车辆保持最小会车距离时所行驶过的距离(此时，并没有完成超车全过程)，经历的时间为t₂。S₃是超车车辆占用反向行驶车辆期间，与对向行驶车辆之间所需保持的最小会车距离。会车距离是指在同一车道相向行驶的车辆从发现对方车辆，并采取紧急制动措施，当两车静止下来时，不会发生碰撞的安全距离。S₄表示整个超车过程中，被超车辆C₃以速度为u₃匀速行驶过的距离。

通常，道路在设计过程中，设计可超车路段是一个重要的考量方面。可超车路段根据道路的限制车速来设计道路的超车视距，以保障超车车辆在超车过程中的超车安全。然而，由 于一些山地道路的复杂性，并不能保证可超车路段建设；并且，也可能由于前方大型车辆或山体的遮挡，驾驶员的视距大大缩短，超车安全仍然不予保证，这些道路状况也并没有减少驾驶员们的超车需求。

根据车辆的制动过程及公式5.6，假设两车都静止后脱离碰撞危险，则可求解得：

其中，t₁′为驾驶员反应时间，t₂′为消除制动间隙阶段，t₃′为制动力增长时间，a₁和a₂分别为C₁车和C₂车紧急刹车时的最大减速度。

C₂车在整个超车过程中行驶的距离为：

D₁＝u₂(t₁+t₂) (2.25)

C₁车超车后与C₂车需要保持的最小安全距离为：

超车车辆C₁与对象行驶车辆C₃的会车距离为：

C₃车在整个超车过程中行驶的距离为：

S₄＝u₃(t₁+t₂) (2.28)

因此，超车车辆C₁与对向行驶车辆间的安全距离为：

当有对向行驶车辆在超车距离范围内时，判断为不可超车，否则，可以超车。

以自车为参照，可分为自车超车模式和自车被超车模式。超车前，两车的轨迹横向距离较小，当后车超车时，两车的行驶轨迹横向距离突然加大。当前车与自车的横向距离从约为0加大到2-5m时，认为自车存在超车行为，应切换到超车防撞模式。

在自车超车模式下，车辆一开始处于跟驰状态，随后向左移动，再加速前行。此种模式下的车辆需满足以下条件：

①超车前，该车处于跟驰状态，此时该车前方应有一辆距离小于2倍最小安全车距的车 辆。

②车辆有一个向左的加速度。

③车辆有一个向前的加速度。

同时满足以上3个条件的车辆，认为该车处于自车超车模式。

在自车被超车模式下，收到另外一辆车的信息，判断出另一辆车先处于跟驰状态，然后有一个向左的加速度，再然后又有一个向前的加速度。判断过程与自车跟车模式相似。

(3)十字口防撞

若车辆既非跟驰模式，也非超车模式，则计算两车的轨迹交点。若有交点存在，则认为两车处于交叉口防撞模式。

车辆之间在交叉路口的安全影响因素主要有道路宽度、车道数量、车辆尺寸和车辆转向等。在交叉路口的防撞预警中，默认驶向十字路口的车辆需要对其进行防撞预警计算，而驶离交叉路口的车辆则已脱离交叉口危险地带，他们与其他车辆之间的碰撞危险按其他防撞模型计算。

交叉路口模型如图4中所示，以自车所在道路开始，逆时针排列，十字路口的所连接的几条道路宽度分别为r₁、r₂、r₃、r₄。自车定位点与右侧道路间的距离为w₀，车头与交叉路口的距离为I₀，并以自车所在道路的左上角拐点为圆心，道路宽度方向为x轴，道路长度方向为y轴建立坐标系。

由于车辆的型号各异，GPS的安装也不同，所采集到的数据代表的位置也不同。通常，可将车辆的位置数据理解为车辆内某一个点的位置，这个点距离车辆左侧和右侧的距离分别为w₁和w₂，与车头和车尾的距离分别为I₁和I₂。因此根据车辆的转向可以预测车辆在交叉口附近的运动曲线。车辆在十字路口行驶时，车辆的驶出路段和驶入路段的度可能改变，但车辆转弯后在道路中的相对位置变化不大，因此，车辆在十字路口附近的轨迹可简化为先直行，然后按椭圆轨迹转弯，再直行。此外，交叉路口的复杂性和事故高发率使得车辆的轨迹不能再表示成一条线，而是一块区域。

其中，若A车左转，以车辆的数据采集点为中心，可将车辆的轨迹表示为：

车辆左侧边界的轨迹可表示为：

车辆右侧边界的轨迹可表示为：

A车的即将行驶的轨迹为车辆左侧边界轨迹与右侧边界轨迹中间的区域。若A车右转，以车辆的数据采集点为中心，可将车辆的轨迹表示为：

车辆左侧边界的轨迹可表示为：

车辆右侧边界的轨迹可表示为：

若车辆A直行，它的数据采集点轨迹可表示为：

x＝r₁-w₀,y≥-(l₀+l₁+l₂) (2.36)

车辆左侧边界的轨迹可表示为：

x＝r₁-w₀-w₁,y≥-(l₀+l₁+l₂) (2.37)

车辆右侧边界的轨迹可表示为：

x＝r₁-w₀+w₂,y≥-(l₀+l₁+l₂) (2.38)

同样，其他车辆建立自己运动轨迹方程，并映射到A车的坐标系中。若两车的四条边界轨迹线有交点，则表示两车可能会发生碰撞，交点与轨迹线围成的区域为碰撞危险区域。A 车到达和离开危险区域的时间段为[t₁,t₂]，另一车辆到达和离开危险区域的时间段为[t₃,t₄]，若两个时间段之间的差值小于临界值Δt，则两车存在碰撞危险，应予以驾驶员警示，Δt的可取3～5秒；否则认为两车没有碰撞危险。

(4)车辆弯道运动分析

由于自然环境的变化莫测，道路环境也相应地变得复杂，有水平直行道路、斜坡直行道路、水平弯道和竖直弯道或各种道路状况的复合道路。其中竖直弯道包括凹形道路和凸形道路。由于生活中单纯的竖直弯道较少，防撞计算最后也是映射到二维平面上来实现的，所以我们忽略竖直弯道，重点考察水平弯道对行车安全的影响。

车辆在水平弯道行驶时，产生一个与车辆前行方向垂直的角速度ω，角速度ω向右为正，向左为负。直观看来，角速度ω大于0表示车辆右转，小于0表示车辆左转。根据角速度与线速度和半径的关系可知车辆的转弯半径为：

其中，v为车辆行驶的线速度，R为车辆的转弯半径，视为与道路的转弯半径相等。

若车辆行驶的道路为单车道道路，则车辆应当还要防止与对向行驶的车辆发生碰撞。车辆测得的角速度是以车辆中心轴线为准的，因此，对于单车道的道路而言，车辆中心轴线与右侧路边的距离约为2m。弯道上，尽管路边有树木等物体的遮挡，也有一定的可视距离，这里我们称作绝对可视距离D。绝对可视距离与道路的弯道半径有关，它的求解示意图如图5所示。其中道路的宽度为d，车辆的转弯半径为R，实线表示的部分为绝对可视距离。

若d≤4m，根据圆的几何知识，绝对可视距离可表示为：

若d＞4m，绝对可视距离可表示为：

假设弯道上行驶的车辆的速度为u₁，与之相反方向上驶来一辆速度为u₂的车辆，他们刹车时候的最大减速度分别为a₁和a₂，并且假设他们都具有相同的驾驶员反应时间t₁′、消除制动间隙时间t₂′和制动力增长时间t₃′，则两车的会车距离为：

因此，当有对向行驶车辆出现在会车距离之内且在绝对可视距离之外时，应当提醒驾驶员注意前方驶来车辆。

6)碰撞点求解

在建立起的自车经纬度坐标系中，可预测出自车和其他车辆的运动轨迹，自车轨迹与其他任何一辆车的轨迹可组成一组进行轨迹的比较，判断轨迹是否有交点。若两车轨迹有交点，则表明两车存在碰撞的可能，应引起特别注意，而若两车轨迹没有交点却不能表明两车没有碰撞危险，因为预测的轨迹将车辆简化成一个点，在轨迹求解的过程中忽略了车辆的宽度、长度等，没有轨迹交点的两辆车也可能存在碰撞、刮擦的危险。在xoy坐标系中联立两车轨迹函数求解两条轨迹的交点，这些交点就是车辆可能发生碰撞的点，因此，可求得交点的个数为0个，1个，2个和无数多个。针对不同数目的轨迹交点，有如下分析：

(1)0个解

理论情况下，当两车轨迹无交点时，表明两车在保持当前车速的情况下不会发生碰撞或两车行驶在不同的道路上。

(1)1个解

两条车辆有一个交点，则两条轨迹可能为两条直线，或一条直线与一个圆相切，或两个圆相切。设自车坐标为(x_A,y_A)，另一车坐标为(x_B,y_B)，轨迹交点D的坐标为(x_D,y_D)。

当两车轨迹为两条直线时，表明两车行驶在两条直线相交的道路上，并在交叉口相遇，交点所在的位置即为十字路口位置。

如图6中(a)所示，A点为自车的位置，坐标为(0,0)，B点为另一车的位置，坐标为(x_B,y_B)＝(Lcosθ₃,Lsinθ₃)，根据A、B、D三点的坐标，可求得A、D间的距离：

B、D间的距离为：

由此，根据当前车速可估算出两车到达D点的时间分别为t_A，t_B：

则它们到达十字路口的时间差为：

Δt＝|t_A-t_B| (2.47)

当时间差在阈值范围[0,t_ε]时间内表示两车极有可能相撞，应予以警报，否则视为安全。(也可根据时间差大小进行更细致的划分，确定警报等级)

①当自车直线行驶时，另一车曲线行驶，行驶轨迹如图6中(b)所示。

作虚线过D点与圆曲线的圆心，若A、B两点在虚线同一侧，则它们最可能的路径为B转弯后在D点并入A的直行道。此种情况下，按十字路口预警模型进行预警计算。其中A、D间的距离为：

设另一车的曲线圆心为O_B，O_BD与O_BB₁的夹角为θ₄，单位为弧度，则的长度为：

其中，由余弦定理可知:

所以，

或由求得，

当A，B两点在虚线的两侧时，D点可能为分叉路口，也可能仅有一条道路，且D点为路段的转弯起始点，此时，按照最小安全车距模型或最小时距模型进行防撞预警计算。A，B间的距离为：

②当自车曲线行驶时，另一车直线行驶，行驶轨迹如图6中(c)所示。

当作虚线过D点与圆曲线的圆心，若A、B两点在虚线同一侧，则它们最可能的路径为B转弯后在D点并入A的直行道。此种情况下，按十字路口预警模型进行预警计算。设另一车的曲线圆心为O_A，O_AD与O_BA的夹角为θ₅，单位为弧度，其中A、D弧线的距离为：

B、D间的距离为：

其中，或

当A，B两点在虚线的两侧时，D点可能为分叉路口，也可能仅有一条道路，且D点为路段的转弯起始点，此时，按照最小安全车距模型或最小时距模型进行防撞预警计算。A，B间的距离为：

当两车轨迹为圆时，他们相切于一点，可能外切，也可能内切。设两圆相切于D点。

两圆外切时，最可能的状况为A，B在同一道路上，但在A处向某一侧转弯，行驶至D点时又向另一侧转弯，车辆的行驶轨迹如图6中(d)示意。

则A、B两点间的弧线距离为

其中，或

两圆内切时，最可能的状况为A、B行驶在同一道路上，转弯都是倾向同一侧的，但转弯半径发生变化，预警模型和距离计算同两圆外切。车辆的行驶轨迹如图6中(e)和(f)示意。

(3)2个解

当两车轨迹存在两个交点时，可能的状况为直线与圆相交或圆与圆相交，共有3种可能的状况。两车的行驶轨迹如图7中(a)、(b)(c)所示意。

当两车轨迹有两个交点，多是由车辆行驶时偏离主航线造成的，当两个点距离较近时(如：两交点的距离小于道路宽度)，应将两个点拟合到一个点上，再按两车轨迹只有一个交点的状况进行防撞预警。设交点D₁和D₂的坐标分别为和由此估算出两车的碰撞点为D₁D₂的中点D，则D的坐标为

若两个交点的距离较远，则将交点视为十字路口碰撞点。

(4)无数多个解

当两车轨迹有无数多个交点时，表示两车的行驶在同一直行道路或同一转弯道路上，应 按照最小安全车距模型或最小时距模型进行防撞预警计算。两车的行驶轨迹如图8中(a)和(b)示意：当两车行驶在同一直行道路上时，两车间的距离即为两点间的直线距离，由两车间的经纬度计算得出，即L_AB＝L。

当两车行驶在同一转弯道路上时，A点和B点间的圆弧对应的角度为θ₆，则两车间相距的距离为即

其中，或

7)延迟补偿

车辆进行防撞预警计算时，所处理的数据已有一些延迟，不但来自其他车辆的数据有延迟，自车的数据也有延迟。自车数据的延迟主要有GPS信号接收延迟、数据更新延迟、数据处理延迟，其他车辆信息的延迟主要有GPS信号接收延迟、数据更新延迟、数据发送接收延迟、数据处理延迟。

卫星发射的测距码信号经过Δt时间在接收机时钟的t_i时刻被接收机收到(称为接收码)，接收机通过时间延迟器将复制码向后平移若干码元，使复制码信号与接收码信号达到最大相关(即复制码与接收码完全对齐)，并记录平移的码元数。平移的码元数与码元宽度的乘积，就是卫星发射的码信号到达接收机天线的传播时间Δt，又称时间延迟，是GPS信号接收延迟的来源，但在GPS位置的计算公式中，时间延迟已得到补偿，在车辆的延迟补偿中可忽略不计。数据更新延迟包括位置和速度等信息的更新延迟，数据更新延迟为防撞预警计算时的时间与位置、速度信息所代表时刻之间的时间差值。数据更新延迟时间的与数据更新的频率相关，延迟时间的长短在一个更新周期内是随机的，以t_r表示。

DSRC的数据以电磁波的形式传输，传播速度可按光速计算，且通信距离不大于1000m，因此数据发送接收延迟也可忽略不计。数据处理延迟的时间与算法的复杂度和处理器的计算速度有关，以t_h表示。因此，某辆车数据的总延迟t_d大概为t_d＝t_r+t_h。实际计算中，应补偿的距离为t_d×v，其中v为这辆车的速度。

以上这些实施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 (4)

1.一种基于DSRC车车通信技术的防撞预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、在车辆行进过程中，获取其他车辆的BSM基本安全信息及自车最新BSM基本安全信息；

102、建立自车经纬度坐标系，并根据两车之间的经纬度坐标计算两车距离：步骤102中建立自车经纬度坐标系具体包括：以自车位置为原点，自车线速度方向为y轴，右手垂直方向为x轴的二维直角坐标系称为自车坐标系，记为x′oy′坐标系；还包括将车辆自车坐标系与车辆经纬度坐标系进行转换的步骤，具体为：车辆经纬度坐标系以自车位置为原点，以向北的经线方向为y轴正方向，向东的纬线方向为x轴正方向，记为xoy坐标系，车辆自车行驶方向与y轴正轴的顺时针夹角为θ₁，车辆经纬度坐标顺时针旋转θ₁角度即得到车辆的自车坐标系，车辆自车坐标系与车辆经纬度坐标系的转换关系为：

或

其中，xoy坐标系为车辆经纬度坐标系，x′oy′坐标系为自车坐标系；

103、将其他车的车辆坐标系映射到自车的坐标系中，并计算自车轨迹及他车轨迹：

104、根据碰撞情形的不同，选择基于车车通信的防撞预测模型，基于车车通信的防撞有三种模型：最小安全车距模型、交叉路口防撞模型和侧向最小安全距离模型；两车之间所应使用的防撞模型可由两车的运行状态及两车的轨迹方程推断；最小安全车距模型适用两辆车行驶方向在行驶过某一点的行驶方向基本相同；交叉路口防撞模式下的两辆车载碰撞点的行驶方向成一定夹角，或两辆车所行驶的轨迹包含不同的路段，又包含相同的路段；超车模式下的两车中，后车一开始会移向左侧车道，随即会有一个加速的过程，如果均为直线行驶，则两车行车轨迹相互平行，如果存在转弯路径，则他们的行车轨迹应为同心圆的一部分；判断是否存在碰撞危险；若是则发出警报，否则返回到步骤101，两车之间所应使用的防撞模型可由两车的运行状态及两车的轨迹方程推断；最小安全车距模型中，制动前，自车以速度为u₁匀速运动，前车的运动速度为u₂，本车头部与前车尾部之间的安全车距为d，经过一段时间t秒后，本车的运动速度为u₁′，所驶过的距离为d₁,前车的运动速度为u₂′，所驶过的距离为d₂,此时两车的车间距离为d₀，d₀表示两车脱离危险后所要保留的最小安全车距，最小安全车距模型应用于跟驰模式下，按照本车的行驶轨迹，分为直行情况和转弯情况；直行情况下，两车的行车轨迹基本重合，在以自车线速度方向为y轴的二维坐标系中，处于跟驰模式下的两车满足以下条件：

①两车轨迹完全重合或两车在某点行驶方向的夹角小于10°；

②前车、后车距离大于最小安全车距；

因此，若|θ₁-θ₂|≤Δθ，θ₂表示后车的车辆行驶方向与y轴正轴的顺时针夹角，Δθ表示最小夹角，且前车、后车距离大于最小安全车距，则认为两车处于跟驰模式；

转弯情况下，两车的轨迹也大致重合，因此，两车的转弯半径在理论值下应相等，在实际计算中，认为|R₁-R₂|≤ΔR m时，R₁、R₂分别表示前车、后车的转弯半径，ΔR表示最小转弯半径差，它们处于同一转弯道路上；

若它们同为顺时针转弯或逆时针转弯，认为它们处于跟驰状态；若一车顺时针转弯，另一车逆时针转弯，则它们相向行驶；

碰撞点求解：若两车之间存在碰撞危险，则根据两车轨迹可求解车两车的碰撞点及碰撞点与两车的距离，因此判断两车碰撞的危险程度，并给予驾驶员相应提示、警告信息。

2.根据权利要求1所述的基于DSRC车车通信技术的防撞预警方法，其特征在于，步骤102根据两车之间的经纬度坐标计算两车距离的步骤具体为：

设第一点A的经纬度为(LonA,LatA)，第二点B的经纬度为(LonB,LatB)，根据三角关系推导，可以得到计算两地弧长距离的如下两公式：

这里，R表示地球的平均半径。

3.根据权利要求2所述的基于DSRC车车通信技术的防撞预警方法，其特征在于，步骤103将其他车的车辆坐标系映射到自车的坐标系中具体包括：以xoy坐标系为车辆经纬度坐标系，记x″o″y″坐标系为其他车辆的“自车坐标系”，其他车辆与正北方向的顺时针夹角为θ₃，两车的直线距离为L，假设x″o″y″坐标系的坐标原点o″在xoy坐标系中的坐标为(x_o″,y_o″)，则x″o″y″坐标系与xoy坐标系的变换关系式为：或

4.根据权利要求1所述的基于DSRC车车通信技术的防撞预警方法，其特征在于，所述BSM信息包括车辆的经纬度、海拔、速度、加速度及行驶方向信息。