CN106056972A - 一种基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，通过车载设备实时获取自车与它车的经纬度、车速及航向角信息，根据经纬度转化的平面直角坐标系获取车辆的坐标信息，依据车辆坐标及航向角可进行车辆直线碰撞和侧面碰撞的判断，从而分别进行算法处理。根据车辆的行驶速度确定不同的车辆安全防撞时间，若车辆发生碰撞的时间小于或等于安全防撞时间，则车辆存在碰撞的危险，及时提醒驾驶人；若车辆发生碰撞的时间大于安全防撞时间，则对更新的车辆状态信息再进行上述处理。本发明不受车载设备限制；可有效提高预警的精确率，减少了不必要的预警，更加适合行驶车辆防撞预警。

Description

一种基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法

技术领域

本发明属于交通道路上车辆防撞预警领域，涉及一种基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法。

背景技术

随着经济的快速发展，我国的城市化进程在不断加快，由于城市数量的增加和规模的扩大，城市机动车的数量也随之剧增。汽车数量的增加，造成城市交通拥堵，交通事故频发，交通环境恶化等一系列问题。交通事故的增多，威胁人的生命安全及财产损失。如何减少交通死亡人数和造成的经济损失成了重要的课题，通过对车辆防撞预警研究，可有效减少交通事故，保障行车安全。

智能交通系统通过集成通信、控制及信息处理等先进技术，可实时获取道路和车辆信息，计算处理后可及时提醒驾驶员。智能车载系统通过车载设备获取它车与自车的状态信息，进行防碰撞预警处理。现有技术的安全防撞时间通常是预设的，数值固定不变。现实中车辆运行状态及道路环境是不同的，若始终用同一个安全防撞时间阈值来衡量是否安全，预警结果有可能不准确。比如两车低速行驶，即使距离较近也不会存在碰撞危险，这样就不需要预警；两车高速行驶，安全防撞时间阈值设定不合适可能造成预警不及时，从而车辆发生碰撞危险。专利CN201510443905.0提出的汽车防撞方法，通过计算车辆间发生碰撞需要的时间，与依据相对车速及预先设定的制动系数计算来的最短制动时间差值比较进行预警。此方法只能用于直线的行驶车辆，无法用于侧面碰撞的车辆；同时没有考虑到驾驶人的反应时间以及车辆制动协调的时间。

发明内容

发明目的：为了有效进行车辆防碰撞预警，提高行车的安全性，本发明提出一种基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，不同的行驶车速对应不同的安全防撞时间，可以更准确的预警。安全防撞时间的确定基于驾驶员反应时间及制动性能，更好适用于车辆间的防撞预警，可以很好融入智能交通系统。

技术方案：一种基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，包括以下步骤：

A、行驶的车辆通过各自的车载设备实时获取自车和它车的经纬度、车速和航向角信息；

B、依据获取的经纬度建立高斯平面坐标系，获取高斯平面坐标系下的车辆的坐标信息；

C、根据车辆坐标信息及航向角对可能发生的碰撞进行分类并判断是否存在直线碰撞可能，然后对分类的直线碰撞和非直线碰撞分别进行算法处理；

D、依据车辆的行驶速度设定对应的安全防撞时间，然后将车辆发生碰撞需要的时间与安全防撞时间进行比较，存在碰撞危险则进行预警显示，不存在则重复上述步骤。

所述步骤A中相互通信的车载设备间通过定位模块获取高精度的自车经纬度和地面航向角信息，通过速度传感器获取自车速度；车载设备通过DSRC模块的通信协议实时获取它车的经纬度、车速及航向角信息。

所述步骤B中通过高斯-吕克投影转化为高斯平面坐标；高斯平面坐标系以中央子午线投影的北方向为X轴正轴，以赤道投影的东方向为Y轴正轴；车辆行驶车速方向与X轴正轴的顺时针夹角为α，α为该车的航向角；将车辆的经纬度坐标(B,L)转化为高斯平面坐标(x,y)。

所述步骤C中高斯平面坐标系下获取自车与它车的坐标信息及航向角，通过建立数学模型对可能发生的碰撞进行分类：直线碰撞和非直线侧面碰撞。

所述直线碰撞包括正面碰撞和追尾碰撞，所述非直线碰撞包括侧面碰撞。

所述步骤C中发生直线碰撞的条件是行驶车辆间的横向距离小于车辆的宽度，接着依据车辆的相对速度计算车辆发生碰撞需要的时间，判断是否存在碰撞危险；非直线碰撞在车辆保持当前车速及行驶方向不变的情况下，预测车辆未来运行状态，确定碰撞点及两车碰撞时间，以计算车辆距离碰撞点的时间差进行判断是否存在碰撞危险。

所述步骤D中依据车辆的行驶速度确定不同的车辆安全防撞时间，包括驾驶员反应时间和制动系统响应时间，制动系统响应时间包括制动系统的反应时间、制动器作用时间及持续制动时间。安全防撞时间是驾驶员采取一定措施恰好避免危险所需的最短时间，一般包括驾驶员反应时间及控制车辆(转向、制动)所需时间。安全防撞时间与驾驶人反应时间、制动性能和道路附着系数有关，这些参数必须反映实际驾驶员的驾驶特点。通过确定这些参数可以确定车辆安全防撞时间。

所述步骤D中通过车辆发生碰撞需要的时间与车辆安全防撞时间进行比较判断车辆是否存在碰撞危险，存在则在应用设备上进行预警提醒；若不存在危险，则对更新的车辆状态信息再进行前述步骤处理。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明采用的车载设备通过DSRC可实时接收和发送在500米内的车辆状态信息，包括驾驶员的视野盲区车辆信息。车辆状态信息可在应用设备上进行计算处理，安全防撞模型开发不受车载设备的限制。本发明通过不同的行驶车速确定相应的安全防撞时间，通过与车辆发生碰撞需要的时间进行比较，有效的提高预警的精确率，减少了不必要的预警，更加适合行驶车辆防撞预警。

附图说明

图1为本发明车辆防撞预警处理流程图；

图2为本发明车载通信系统组成简图；

图3为本发明车辆碰撞分类模型图；

图4为本发明车辆正面碰撞算法模型图；

图5为本发明车辆追尾碰撞算法模型图；

图6为本发明车辆侧面碰撞算法模型图；

图7为本发明行驶车速对应的安全防撞时间折线图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的实施案例进行详细的描述；

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

a、车辆状态信息获取

车辆通过车载设备实时获取自车和它车的经纬度、车速和航向角信息。图2的车载通信系统包括应用层、车内局域网和车载设备。应用层包括防撞算法模型和预警信息显示；局域网具备上网能力；车载设备具备高精度定位模块、DSRC通信模块(DSRC即DedicatedShort Range Communications(专用短程通信技术))及网络接口。高精度定位模块用于获取自身车辆的高精度位置信息，DSRC通信模块通过DSRC实现与附近车辆的实时通信，网络接口通过车内局域网实现与应用层的连接。应用设备通过局域网获取车载设备IP，然后使用socket通过TCP协议与定位模块端口和DSRC通信端口建立连接，实时获取数据。

相互通信的车载设备间通过定位模块获取自车经纬度和地面航向角信息，通过速度传感器获取自车速度；车载设备通过DSRC模块(专用短程无线通信)的通信协议实时获取它车的经纬度、车速及航向角信息。获取信息的报文格式为：车辆id、时间、标识符、经度信息、纬度信息、车速、航向角。同时，车载设备还可以向其他设备发送文本消息，文本报文格式为：车辆id、时间、标识符、文本信息。应用设备可每0.5s接收1组数据，应用设备对获取的报文进行解析获取需要的信息。

b、建立高斯平面坐标系

定位模块通常接收的是WGS-84坐标(经纬度形式)，进行车辆之间相对距离计算及建立车辆模型，经纬度表示的定位不便于运算处理，所以需要平面坐标系。一般WGS-84坐标通过高斯-吕克投影转化为高斯平面坐标。高斯平面坐标系以中央子午线的投影为x轴，北方向为正；赤道的投影为y轴，东方向为正。我国位于北半球，投影后x轴坐标都为正，y轴坐标有正有负。为避免出现负的横坐标，规定横坐标加上500km。通过坐标转化公式，可将车辆的经纬度坐标(B,L)转化为高斯平面坐标(x,y)。

WGS-84坐标转化高斯平面坐标关系为：

$\left\{\begin{array}{c}x=X_0+{\mathrm{Ntl}}^2{\cos }^{2}B\[\frac{1}{2}+\frac{1}{24}{l}^4(5-t^2+9{\mathrm{\μ}}^2+4{\mathrm{\μ}}^4){\cos }^{2}B+\frac{1}{720}{l}^4(61-58t^2+t^4){\cos }^{4}B\]\\ y=Nl\cos B\[1+\frac{1}{6}{l}^2(1-t^2+{\mathrm{\μ}}^2){\cos }^{2}B+\frac{1}{120}{l}^4(5-18t^2+t^4+14{\mathrm{\μ}}^2-58{\mathrm{\μ}}^2{t}^2){\cos }^{4}B\]+500000\end{array}\right.$

其中，X₀＝a(1-e²)(A₀B+A₂sin2B+A₄sin4B+A₆sin6B+A₈sin8B)，为赤道至纬度为B的平行圈的子午线弧长。x和y单位为m。

参数A₀、A₂、A₄、A₆、A₈的公式为:

$\left\{\begin{array}{c}{A}_0=1+\frac{3}{4}{e}^2+\frac{45}{64}{e}^4+\frac{350}{512}{e}^6+\frac{11025}{16384}{e}^8\\ A_2=-\frac{1}{2}(\frac{3}{4}{e}^2+\frac{60}{64}{e}^4+\frac{525}{512}{e}^6+\frac{17640}{16384}{e}^8)\\ A_4=\frac{1}{4}(\frac{15}{64}{e}^4+\frac{210}{512}{e}^6+\frac{8820}{16384}{e}^8)\\ A_6=-\frac{1}{6}(\frac{35}{64}{e}^6+\frac{2520}{16384}{e}^8)\\ A_8=\frac{1}{8}\left(\frac{315}{16384}{e}^8\right)\end{array}\right.$

其中，m＝0.0033528；t＝tanB；μ＝e′cosB；e＝0.08181919；e′＝0.082094438。

l为投影点经度L与该点所处经度带轴子午线经度L₀的差，l＝L-L₀，L₀＝6n-3，n＝round[(L+3)/6]。

这样可得(x₁,y₁)为自车的高斯平面坐标系下的坐标；(x₂,y₂)为它车的高斯平面坐标系下的坐标。通过将高精度定位天线放置车辆中心位置，这样得到车辆的中心坐标，可设定车辆的安全区域。

c、车辆碰撞分类模型

一般车辆碰撞分为直线碰撞和侧面碰撞。直线碰撞又分正面碰撞和追尾碰撞。高斯平面坐标系下可以获取自车与它车的坐标信息及航向角，通过建立数学模型对可能发生的碰撞进行分类。设两车各自中心坐标的连线与自车行驶方向的夹角为θ₁，与它车行驶方向夹角为θ₂。图3为车辆碰撞分类模型，虚线箭头指向为北，航行角α₁、α₂为真北方向与汽车行驶方向顺时针夹角，其范围为[0,360°)。定义β₁、β₂为相对角，为真北方向与两车中心连线的顺时针夹角，范围[0,360°)。(x₁,y₁)、(x₂,y₂)为自车与它车的高斯平面坐标，θ₁、θ₂为相对航向角。θ_i＝α_i-β_i(i＝1、2)，这里规定：当θ_i≥180°时，θ_i＝θ_i-360°；当θ_i<-180°时，θ_i＝θ_i+360°。θ_i的范围为[-180°,180°)。设θ_i为正表示车辆行驶方向在两车中心连线右侧，反之为负则表示车辆行驶方向在两车中心连线的左侧。

1)、当|θ₁-θ₂|＝0°时，车辆平行相向行驶，可能存在正面碰撞。

2)、当|θ₁-θ₂|＝180°时，车辆平行同向行驶，可能存在追尾碰撞。

3)、当θ₁和θ₂为异号且0°<|θ₁-θ₂|<180°时，车辆同侧相向行驶，可能存在侧面碰撞。

4)、对于其他情况，车辆无碰撞的危险。

实际车辆行驶过程中，车辆行驶很难做到完全平行状态，设置δ为6°。那么正面碰撞为|θ₁-θ₂|≤δ；追尾碰撞为|θ₁-θ₂|∈[180°-δ，180°+δ]；侧面碰撞为δ＜|θ₁-θ₂|＜180°-δ且θ₁和θ₂异号。

θ_i＝α_i-β_i，航向角α_i可由设备直接读取，这样只要求β_i就可以。β_i的求解通过高斯平面坐标系下的车辆坐标求得这里若i＝1，则j＝2；若i＝2,则j＝1。β_i取值关系如下：

	tanβi≥0	tanβi<0
			xj-xi＞0，yj-yi≥0	βi∈[0，90°)
xj-xi≤0，yj-yi＞0		βi∈[90°，180°)
			xj-xi＜0，yj-yi≤0	βi∈[180°，270°)
xj-xi≥0，yj-yi＜0		βi∈[270°，306°)

d、车辆碰撞算法模型

对于直线碰撞，发生碰撞的条件是车辆的横向距离小于车身的宽度k，接着依据车辆的相对速度计算发生碰撞需要的时间，判断是否存在碰撞危险。首先判断两车横向安全区域距离是否存在重合，不存在不进行处理，存在则进行两车距离碰撞时间的判断。对于两车中心连线的距离d通过高斯平面坐标系下的车辆坐标计算得出:单位为m。

数据处理条件：k≥|d*sinθ₁|。一般车辆的长度为3.6～4.6m，宽度1.5～1.8m。故这里k取2m。自车速度为v₁，它车速度为v₂，单位为km/h。

对于图4的正面碰撞算法模型：t＝3.6*(d*|cosθ₁|-5)/(v₁+v₂)。当|θ₁|<90°且|θ₂|<90°时，进行碰撞时间的计算；若|θ₁|≥90°且|θ₂|≥90°时，不进行处理。

对于图5的追尾碰撞算法模型，当自车是主动追尾时，若v₁>v₂且|θ₁|<|θ₂|，发生碰撞时间t＝3.6*(d*|cosθ₁|-5)/|v₁-v₂|；若v₁≤v₂且|θ₁|<|θ₂|，不进行处理。当自车是被动追尾时，若v₁<v₂且|θ₁|>|θ₂|，发生碰撞时间t＝3.6*(d*|cosθ₂|-5)/|v₂-v₁|，存在危险自车加速行驶，同时提醒后车减速行驶；若v₁≥v₂且|θ₁|>|θ₂|，不进行处理。

当检测到k≥|d*sinθ₁|的时候，将车辆发生直线碰撞需要的时间与安全防撞时间进行比较，判断是否需要进行预警提醒驾驶员。

对于侧面碰撞，在车辆保持当前车速及行驶方向不变情况下，根据当前运动状态预测车辆未来运行状态，确定碰撞点及两车碰撞时间，这样计算车辆距离碰撞点的时间差进行判断是否存在碰撞危险。

对于图6来说，当|θ₁|+|θ₂|<90°时，自车碰撞距离s₁＝d*cos|θ₁|-d*sin|θ₁|/tan(|θ₁|+|θ₂|)，它车碰撞距离s₂＝d*sin|θ₁|/sin(|θ₁|+|θ₂|)；当|θ₁|+|θ₂|＝90°时，自车碰撞距离s₁＝d*cos|θ₁|，它车碰撞距离s₂＝d*cos|θ₂|；当|θ₁|+|θ₂|>90°时，自车碰撞距离s₁＝d*cos|θ₁|+d*sin|θ₁|/tan(180°-|θ₁|-|θ₂|)，它车碰撞距离s₂＝d*sin|θ₁|/sin(180°-|θ₁|-|θ₂|)。这样自车到达碰撞点需要的时间t₁＝3.6*(s₁-2.5)/v₁，它车到达碰撞点所需的时间t₂＝3.6*(s₂-2.5)/v₂。

数据处理条件：碰撞时间差tt≥|t₁-t₂|，阈值tt取2s。当满足条件tt≥|t₁-t₂|的时候，则将自车与它车到达碰撞点需要的时间与安全防撞时间进行比较，判断是否需要进行预警提醒驾驶员。

e、安全防撞时间预警：

安全防撞时间是驾驶员采取一定措施恰好避免危险所需的最短时间，一般包括驾驶员反应时间及控制车辆(转向、制动)所需时间，其值应大于驾驶员反应时间及控制车辆时间之和。依据车辆的行驶速度确定不同的车辆安全防撞时间，安全防撞时间与驾驶人反应、车辆速度、制动性能和道路附着系数有关，这些参数必须反映实际驾驶员的驾驶特点。制动系统响应时间包括制动系统的反应时间、制动器作用时间及持续制动时间。通过确定这些参数可以确定车辆安全防撞时间。

驾驶人反应时间是接到预警信号到做出反应的时间t₁，一般为0.4s-1.0s。反应好的驾驶员一般反映时间0.4-0.6s，收到危机惊吓时反应时间才会大于1s，基于实际安全考虑，本发明驾驶员反应时间t₁为1.5s，这里包含驾驶员接收应用设备预警提醒所需的时间。

制动系统响应时间包括制动系统的反应时间、制动器协调作用时间及持续制动时间。制动系统反应时间内一般液压制动器反应时间t₂为0.2，汽车无减速运动；制动器作用时间内一般液压制动作用时间t₃为0.15s-0.3s，本发明t₃取0.2s，汽车制动减速度线性增长；持续制动时间t₄内减速度相对稳定，持续制动时间计算如下：

$t_4=\frac{u}{3.6*g*\mathrm{\&mu;}}-\frac{t_3}{2}$

其中，u为车速，单位km/h，为需要制动的车辆速度；g为重力加速度，数值为9.8m/s²；μ为路面附着系数，干燥路面取0.75，雨天路面取0.5，积雪路面取0.3，结冰路面取0.1。持续制动时间随车速变化而变化，g*μ为制动最大减速度，不同路面附着系数制动效果不同。

图7依据行驶车速的不同，确定不同的安全防撞时间预警，通过检测车辆速度的变化，及时改变车辆安全防撞时间ttc。发生碰撞危险，车辆制动到停止需要的安全防撞时间ttc＝t₁+t₂+t₃+t₄。

通过车辆发生碰撞需要的时间与车辆安全防撞时间进行比较判断车辆是否存在碰撞，存在则在应用设备上进行预警语言提醒。对于直面碰撞、追尾碰撞及侧面碰撞，在满足发生碰撞危险条件的情况下，通过安全防撞时间ttc与计算获得的车辆发生碰撞需要的时间t进行比较，如果ttc<t，则不进行预警，接着对更新的车辆状态信息进行处理；如果ttc≥t，进行预警提醒。同时它车速度过快，是造成碰撞危险的主因，应用设备可以发送文本消息，提醒它车减速行驶。

本发明通过车载设备实时获取自车与它车的经纬度、车速及航向角信息，根据经纬度转化的平面直角坐标系获取车辆的坐标信息，依据车辆坐标及航向角可进行车辆直线碰撞和侧面碰撞的判断，从而分别进行算法处理。之后根据车辆的行驶速度确定不同的车辆安全防撞时间。若车辆发生碰撞的时间小于或等于安全防撞时间，则车辆存在碰撞的危险，需及时提醒驾驶人；若车辆发生碰撞的时间大于安全防撞时间，则对更新的车辆状态信息再进行上述步骤处理。本发明的有益效果是通过车载设备实时获取的车辆状态信息可在应用设备上进行处理，不受车载设备限制；本发明提出的方法可以有效的提高预警的精确率，减少了不必要的预警，更加适合行驶车辆防撞预警。

Claims (8)

1.一种基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、行驶的车辆通过各自的车载设备实时获取自车和它车的经纬度、车速和航向角信息；

B、依据获取的经纬度建立高斯平面坐标系，获取高斯平面坐标系下的车辆的坐标信息；

C、根据车辆坐标信息及航向角对可能发生的碰撞进行分类并判断是否存在直线碰撞可能，然后对分类的直线碰撞和非直线碰撞分别进行算法处理；

D、依据车辆的行驶速度设定对应的安全防撞时间，然后将车辆发生碰撞需要的时间与安全防撞时间进行比较，存在碰撞危险则进行预警显示，不存在则重复上述步骤。

2.如权利要求1所述的基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，其特征在于，所述步骤A中相互通信的车载设备间通过定位模块获取高精度的自车经纬度和地面航向角信息，通过速度传感器获取自车速度；车载设备通过DSRC模块的通信协议实时获取它车的经纬度、车速及航向角信息。

3.如权利要求1所述的基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，其特征在于，所述步骤B中通过高斯-吕克投影转化为高斯平面坐标；高斯平面坐标系以中央子午线投影的北方向为X轴正轴，以赤道投影的东方向为Y轴正轴；车辆行驶车速方向与X轴正轴的顺时针夹角为α，α为该车的航向角；将车辆的经纬度坐标(B,L)转化为高斯平面坐标(x,y)。

4.如权利要求1所述的基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，其特征在于，所述步骤C中高斯平面坐标系下获取自车与它车的坐标信息及航向角，通过建立数学模型对可能发生的碰撞进行分类：直线碰撞和非直线侧面碰撞。

5.如权利要求4所述的基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，其特征在于，所述直线碰撞包括正面碰撞和追尾碰撞，所述非直线碰撞包括侧面碰撞。

6.如权利要求1所述的基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，其特征在于，所述步骤C中发生直线碰撞的条件是行驶车辆间的横向距离小于车辆的宽度，接着依据车辆的相对速度计算车辆发生碰撞需要的时间，判断是否存在碰撞危险；非直线碰撞在车辆保持当前车速及行驶方向不变的情况下，预测车辆未来运行状态，确定碰撞点及两车碰撞时间，以计算车辆距离碰撞点的时间差进行判断是否存在碰撞危险。

7.如权利要求1所述的基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，其特征在于，所述步骤D中依据车辆的行驶速度确定不同的车辆安全防撞时间，包括驾驶员反应时间和制动系统响应时间，制动系统响应时间包括制动系统的反应时间、制动器作用时间及持续制动时间。

8.如权利要求1所述的基于车辆行驶速度和位置信息融合的安全防撞预警方法，其特征在于，所述步骤D中通过车辆发生碰撞需要的时间与车辆安全防撞时间进行比较判断车辆是否存在碰撞危险，存在则在应用设备上进行预警提醒；若不存在危险，则对更新的车辆状态信息再进行前述步骤处理。