CN106877992B - 一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法、系统及车辆 - Google Patents

一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法、系统及车辆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法、系统及车辆。该方法包括：获取本车的合作感知消息；检查合作感知消息的丢包情况，获取合作感知消息中丢包消息的地址；根据合作感知消息中丢包消息的地址，建立包含丢包重传请求序列的本车丢包重传请求；获取邻居车辆的包含丢包重传请求序列的邻车丢包重传请求；对邻车丢包重传请求的次数从高到低进行排序；选取排序在设定位置之前的邻车丢包重传请求对应的各合作感知消息；向邻居车辆附带发送本车丢包重传请求以及选取的各合作感知消息，使得本车以及邻居车辆分别获得丢包的合作感知消息。本发明在提高动态车辆通信吞吐率的同时，实现了分布式广播模式下车辆对隐性盲区的可靠、实时感知。

Description

一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法、系统及车辆
技术领域
本发明涉及交通安全领域，特别是涉及一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法、系统及车辆。
背景技术
错综复杂的交通环境容易形成道路视觉盲区，对车辆的安全驾驶造成了严重影响。特别是大中型车辆的车体、楼宇、绿化等对视线造成遮挡，后车在变道、超车时难以及时反应，容易造成严重的交通事故。目前，由于大中型车辆的车体、楼宇、绿化等对视线造成的遮挡导致的交通事故，已经成为影响交通安全的突出问题。
现有的盲区感知方法惯于将车辆看作离散、独立的单体节点，通过装备各种智能传感设备，如车载雷达、摄像头等，对道路视觉盲区进行感知和预警。然而，由于将车辆看作离散、独立的单体节点，并且光线、雷达波等信号沿直线传播，遇到遮挡后无法穿透或绕过障碍物，因此，现有的盲区感知方法不能对非视距(Non-Line of Sight，NLOS)范围内由车体、楼宇、植被绿化等遮挡造成的隐性盲区进行全局可靠感知。如图1所示，本车为v1，其邻居车辆为v2、v3、v4，现有的单点观测法本车能够在一定程度上探测到视距(Line of Sight，LOS)范围内自然形成的显性盲区，如后视镜夹角盲区，雾霾导致的低能见度区域等，但是由于邻居车辆v3的遮挡，无法对非视距范围内的隐性盲区Y进行全局可靠感知。
发明内容
基于此，有必要提供一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法、系统及车辆，对非视距范围内由车体、楼宇、植被绿化等遮挡造成的隐性盲区进行全局可靠感知。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法，包括：获取本车的合作感知消息；检查所述合作感知消息的丢包情况，获取所述合作感知消息中丢包消息的地址，其中所述合作感知消息中丢包消息表示本车的隐性盲区；根据所述合作感知消息中丢包消息的地址，建立包含丢包重传请求序列的本车丢包重传请求；获取邻居车辆的包含丢包重传请求序列的邻车丢包重传请求，所述邻居车辆为与本车距离小于监控兴趣范围的半径长度的车辆，所述监控兴趣范围为假设车辆在无盲区的情况下的最大监控范围；对所述邻车丢包重传请求的次数从高到低进行排序；选取排序在设定位置之前的所述邻车丢包重传请求对应的各合作感知消息；向所述邻居车辆附带发送所述本车丢包重传请求以及选取的所述各合作感知消息，使得本车以及邻居车辆分别获得丢包的合作感知消息。
可选的，所述本车的合作感知消息包括当前地理位置消息、实时车速消息和安全警告消息中至少一者；
所述获取本车的合作感知消息，具体包括：利用GPS(Global PositioningSystem)定位装置获取所述当前地理位置消息，利用感知道路环境信息的智能感知节点获取所述实时车速消息和所述安全警告消息。
可选的，所述合作感知消息具有生命周期，所述合作感知消息超过所述生命周期后，将被清除。
可选的，所述向所述邻居车辆附带发送所述本车丢包重传请求以及选取的所述各合作感知消息是以数据附带的形式嵌入到周期性广播数据包中进行的。
可选的，所述向所述邻居车辆附带发送所述本车丢包重传请求以及选取的所述各合作感知消息是利用全双工天线完成的。
一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统，包括：信息获取模块，用于获取本车的合作感知消息；丢包地址获取模块，用于检查本车的所述合作感知消息的丢包情况，获取所述合作感知消息中丢包消息的地址，其中所述合作感知消息中丢包消息表示本车的隐性盲区；本车请求建立模块，用于根据所述合作感知消息的丢包消息的地址，建立包含丢包重传请求序列的本车丢包重传请求；邻车请求获取模块，用于获取邻居车辆的包含丢包重传请求序列的邻车丢包重传请求，所述邻居车辆为与本车距离小于监控兴趣范围的半径长度的车辆，所述监控兴趣范围为假设车辆在无盲区的情况下的最大监控范围；排序模块，用于对邻车丢包重传请求的次数从高到低进行排序；选取模块，用于选取排序在设定位置之前的所述邻车丢包重传请求对应的各合作感知消息；发送模块，用于向所述邻居车辆附带发送所述本车丢包重传请求以及选取的所述各合作感知消息，使得本车以及邻居车辆分别获得丢包的合作感知信息。
可选的，所述本车的合作感知消息包括当前地理位置消息、实时车速消息和安全警告消息中至少一者；
所述信息获取模块，具体包括：定位单元，用于利用GPS定位装置获取所述当前地理位置消息；感知单元，用于利用感知道路环境信息的智能感知节点获取所述实时车速消息和所述安全警告消息。
可选的，所述合作感知消息具有生命周期，所述合作感知消息超过所述生命周期后，将被清除。
可选的，所述向所述邻居车辆附带发送所述本车丢包重传请求以及选取的所述各合作感知消息是以数据附带的形式嵌入到周期性广播数据包中进行的。
一种车辆，所述车辆设置有所述基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法，每个车辆将接收到的合作感知消息保存到各自的接收缓存中，并选取一定数量已经接收到的合作感知消息，以数据附带的形式嵌入到自身的周期性广播数据包中进行附带转发，解决了车体、楼宇、植被等对信号遮挡造成的合作感知消息丢包问题，并且无需引入额外的通信开销就能通过车辆的协同合作转发恢复丢包数据，在提高动态车辆通信吞吐率的同时，实现了分布式广播模式下车辆对隐性盲区的可靠、实时感知。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法的隐形盲区图；
图2为本发明实施例车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法的车联云动态边界分割图；
图3为本发明实施例车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法的流程图；
图4为本发明实施例车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统的结构示意图；
图5为本发明一个具体实施例车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法与其他方法在不同车辆数目下获取的合作感知消息的平均可靠度的对比图；
图6为本发明一个具体实施例车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法与其他方法在6个车辆下CDF分布对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
构建车联云：依据每个车辆的监控兴趣范围对车群进行动态分割，形成内部彼此相互影响、又与外部相对独立的车联云。
图2为本发明实施例车联云动态边界分割图。
参见图2，本车为vi，邻居车辆为与本车vi距离小于监控兴趣范围(Region ofInterest，RoI)的半径长度的车辆，监控兴趣范围RoI为假设车辆在无盲区的情况下的最大监控范围，本车vi和与其存在交叠的邻居RoIx、RoIx′共同构成了一个独立的车联云。在隐性盲区感知的过程中，并非简单的只考虑当前RoI下的局部信息交互，而是兼顾所有存在关联的车辆交互行为，使得分布式隐性盲区感知中局部目标与全局目标保持一致。对车群进行动态分割，形成车联云后，对车辆的隐性盲区进行感知。
图3为本发明实施例车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法的流程图。
参见图3，实施例的车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法，包括：
步骤S1、获取本车的合作感知消息，每个车辆装备全双工天线、GPS定位装置、虚拟雷达仪表盘以及多种智能感知节点，多种智能感知节点包括摄像头、车载雷达、超声波装置等，各个车辆利用自身装备对周围的道路环境信息进行探测，形成本车的合作感知消息，所述合作感知消息包括当前地理位置消息、实时车速消息和安全警告消息中至少一者，所述获取本车的合作感知消息，具体包括：利用GPS定位装置获取当前地理位置消息，利用感知道路环境信息的多种智能感知节点获取实时车速消息和安全警告消息。每个合作感知消息都具有生命周期(Time to Live,TTL)，合作感知消息的协同交互满足ETSI和DSRC标准所规定的时效性要求，即所有合作感知消息必须在TTL有效期100ms内被可靠接收，否则将被从接收缓存中清除。
步骤S2、依据自组织时分多址(Self-Organized Time Division MultipleAccess,STDMA)广播时序在接收缓存中检查本车的所述合作感知消息的丢包情况，获取所述合作感知消息中丢包消息的地址，其中所述合作感知消息中丢包消息表示本车的隐性盲区。
步骤S3、将所述合作感知消息的丢包消息的地址，存放在请求寄存器中，形成丢包重传请求序列，建立包含丢包重传请求序列的本车丢包重传请求。
步骤S4、获取邻居车辆的包含丢包重传请求序列的邻车丢包重传请求。
步骤S5、对邻车丢包重传请求的次数从高到低进行排序。
步骤S6、选取排序在设定位置之前的所述邻车丢包重传请求对应的各合作感知消息。
步骤S7、向所述邻居车辆附带发送本车丢包重传请求以及选取的各合作感知消息，使得本车以及邻居车辆分别获得丢包的合作感知信息；所述向邻居车辆附带发送本车丢包重传请求以及选取的各合作感知消息是以数据附带的形式嵌入到周期性广播数据包中进行的；所述向所述邻居车辆附带发送本车丢包重传请求以及选取的各合作感知消息是利用全双工天线完成的。
本实施例中，车辆通过STDMA对信道进行访问，信道时间被分割成若干间隔相等的时间片并通过GPS定位装置同步，利用STDMA对信道进行访问，是由于STDMA相比载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)具有较好的延迟可控性和更低的通信冲突，且较时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)在时隙调度方面又表现出更高的灵活性和自组织性。
本实施例中，每个车辆将接收到的合作感知消息保存到各自的接收缓存中，并选取一定数量已经接收到的合作感知消息，以数据附带的形式嵌入到自身的周期性广播数据包中进行附带转发，解决了车体、楼宇、植被等对信号遮挡造成的合作感知消息丢包问题，并且无需引入额外的通信开销就能通过车辆的协同合作转发恢复丢包数据，在提高动态车辆通信吞吐率的同时，提高了消息的成功接收率，实现了分布式广播模式下车辆对隐性盲区的可靠、实时感知。
基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法可以描述为如下所述的优化问题，具体为：
考虑信道是对称的，利用无向图G＝(V,E)描述车联云内部的网络拓扑结构。其中，V为车联云中车辆的集合，E为车辆之间的通信链路集合，定义为vj在k时刻发送的合作感知消息，为vi在t时刻对的附带决策，At为所有车辆在t时刻的联合附带策略，为在联合附带策略At下的成功接收率。
假设t时刻车联云中存在L(t)个丢包消息，丢包消息的TTL为δ，优化目标为：
subject to:(1)k≤t≤k+δ；
约束条件(1)表示合作感知消息必须在其TTL的有效期内被可靠重构，以满足盲区感知的实时性要求；约束条件(2)则表示在每次周期性广播中车辆附带转发的合作感知消息总数不得超过规定的阀值。
上述优化过程可以避免出现部分车辆频繁附带而其他车辆拒绝附带所引发的网络负载不均衡问题，在提高动态车辆通信吞吐率的同时，提高消息的成功接收率，实现分布式广播模式下车辆对隐性盲区的可靠、实时感知。
图4为本发明实施例车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统的流程图。
参见图4，实施例的车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统100，包括：
信息获取模块10，用于获取本车的合作感知消息，所述信息获取模块10，具体包括：定位单元，用于利用GPS定位装置获取所述当前地理位置消息；感知单元，用于利用感知道路环境信息的智能感知节点获取所述实时车速消息和所述安全警告消息；所述合作感知消息包括当前地理位置消息、实时车速消息和安全警告消息中至少一者；每个合作感知消息都具有TTL，合作感知消息的协同交互满足ETSI和DSRC标准所规定的时效性要求，即所有合作感知消息必须在TTL有效期100ms内被可靠接收，否则将被从接收缓存中清除。
丢包地址获取模块20，用于依据STDMA广播时序在接收缓存中检查本车的所述合作感知消息的丢包情况，获取所述合作感知消息中丢包消息的地址，其中所述合作感知消息中丢包消息表示车载虚拟雷达的隐性盲区。
本车请求建立模块30，用于将所述合作感知消息的丢包消息的地址，存放在请求寄存器中，形成丢包重传请求序列，建立包含丢包重传请求序列的本车丢包重传请求。
邻车请求获取模块40，用于获取邻居车辆的包含丢包重传请求序列的邻车丢包重传请求，所述邻居车辆为与本车距离小于RoI的半径长度的车辆，所述RoI为假设车辆在无盲区的情况下的最大监控范围。
排序模块50，用于对邻车丢包重传请求的次数从高到低进行排序。
选取模块60，用于选取排序在设定位置之前的所述邻车丢包重传请求对应的各合作感知消息。
发送模块70，用于向所述邻居车辆附带发送本车丢包重传请求以及选取的各合作感知消息，使得本车以及邻居车辆分别获得丢包的合作感知信息；向所述邻居车辆附带发送本车丢包重传请求以及选取的各合作感知消息，使得本车以及邻居车辆分别获得丢包的合作感知信息；所述向邻居车辆附带发送本车丢包重传请求以及选取的各合作感知消息是以数据附带的形式嵌入到周期性广播数据包中进行的；所述向所述邻居车辆附带发送本车丢包重传请求以及选取的各合作感知消息是利用全双工天线完成的。
在实施例中，车辆通过STDMA对信道进行访问，信道时间被分割成若干间隔相等的时间片并通过GPS定位装置同步，利用STDMA对信道进行访问，是由于STDMA相比CSMA具有较好的延迟可控性和更低的通信冲突，且较TDMA在时隙调度方面又表现出更高的灵活性和自组织性。
本发明还公开了一种设置有基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统的车辆，该车辆包括：全双工天线、GPS定位装置、虚拟雷达仪表盘以及多种智能感知节点，所述多种智能感知节点包括摄像头、车载雷达、超声波装置等，所述GPS定位装置用于获取当前地理位置消息，所述多种智能感知节点用于感知道路环境信息，例如，实时车速消息、安全警告消息等，所述全双工天线用于本车与邻居车辆之间进行通信，所述虚拟雷达仪表盘用于显示向本车发送合作感知消息的邻居车辆。
下面以具体实例对基于虚拟雷达的隐性盲区感知方法的性能进行评估，选择Gatech/Vechicular Data实车道路试验数据库对盲区感知过程进行仿真，并与现有的典型盲区感知方法进行对比分析。
Gathech/Vehicular Data数据库记录了不同规模的车群在亚特兰大西北部I-75高速250出口至255出口段真实道路环境下车-车通信和车-路通信过程中的盲区感知数据，数据库中包含多组实验记录，每个实验记录对应车辆在不同车距下短距离广播的链路状态，每个实验记录包含了每个车辆的GPS位置、瞬时速度、合作感知消息的时间戳等信息。
在OMNET++仿真环境中，构建隐性盲区感知网络，任何一对车辆之间通信链路状态都被随机配置为Gathech/Vehicular Data数据库中的一组实验记录。
选择闭环应答和地址位置最优的合作感知消息广播机制进行隐性盲区感知对比实验，并采用如下试验配置：所有实验车辆沿着群在亚特兰大西北部I-75高速250出口至255出口段的路径行驶，每个车辆以STDMA的方式对自身的合作感知消息进行周期性广播，其中时隙槽长度为2ms，信息帧长度为100ms，合作感知消息的TTL为100ms。
图5为本发明一个具体实施例的车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法与其他方法在不同车辆数目下获取的合作感知消息的平均可靠度的对比图。参见图5，相比闭环应答重传方法和地址位置最优重传方法，基于虚拟雷达的盲区感知方法在16个车辆构成的VANET网络中其获取的合作感知消息的可靠度仍高于85％，而基于闭环应答和基于地址位置的方法在车辆数目增加的情况下可靠度急剧下降，大量合作感知消息的丢包消息未能在其TTL之前被重构恢复。
图6为本发明一个具体实施例的在6个车辆构成的VANET网络中，不同算法下相邻合作感知消息接收时间间隔的累积分布函数(Cumulative Distribution Function，CDF)图。参见图6，虚拟雷达算法具有最好的广播可靠性，任意相邻合作感知消息之间的时间间隔均小于25ms，即所有的合作感知消息均能在远小于其TTL(100ms)的时间内被可靠接收，因此也具有较好的广播时效性，优于闭环应答重传和地址位置重传。
本发明一个具体实施例的虚拟雷达盲区感知方法在不同车辆数目下的迭代时效，如下表所示，即使在16辆车辆组成的车群网络中，本发明基于虚拟雷达盲区感知方法仍能在71.8ms内完成迭代收敛，小于标准所规定的100ms。
由于每个车辆每次广播最多只能附带排序在设定位置之前的N个合作感知消息，相比闭环应答和基于地址位置的广播算法，不存在某一个或部分车辆(源节点或最优中继节点)频繁转发消息而导致网络负载过于集中的问题，能够有效均衡网络负载。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法，其特征在于，包括：
获取本车的合作感知消息；所述合作感知消息包括当前地理位置消息、实时车速消息和安全警告消息中至少一者；
检查所述合作感知消息的丢包情况，获取所述合作感知消息中丢包消息的地址，其中所述合作感知消息中丢包消息表示本车的隐性盲区；
根据所述合作感知消息中丢包消息的地址，建立包含丢包重传请求序列的本车丢包重传请求；
获取邻居车辆的包含丢包重传请求序列的邻车丢包重传请求，所述邻居车辆为与本车距离小于监控兴趣范围的半径长度的车辆，所述监控兴趣范围为假设车辆在无盲区的情况下的最大监控范围；
对所述邻车丢包重传请求的次数从高到低进行排序；
选取排序在设定位置之前的所述邻车丢包重传请求对应的各合作感知消息；
向所述邻居车辆附带发送所述本车丢包重传请求以及选取的所述各合作感知消息，使得本车以及邻居车辆分别获得丢包的合作感知消息。
2.根据权利要求1所述的一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法，其特征在于，
所述获取本车的合作感知消息，具体包括：利用GPS定位装置获取所述当前地理位置消息；利用感知道路环境信息的智能感知节点获取所述实时车速消息和所述安全警告消息。
3.根据权利要求1所述的一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法，其特征在于，所述合作感知消息具有生命周期，所述合作感知消息超过所述生命周期后，将被清除。
4.根据权利要求1所述的一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法，其特征在于，所述向所述邻居车辆附带发送所述本车丢包重传请求以及选取的所述各合作感知消息是以数据附带的形式嵌入到周期性广播数据包中进行的。
5.根据权利要求1所述的一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知方法，其特征在于，所述向所述邻居车辆附带发送所述本车丢包重传请求以及选取的所述各合作感知消息是利用全双工天线完成的。
6.一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统，其特征在于，包括：
信息获取模块，用于获取本车的合作感知消息；所述合作感知消息包括当前地理位置消息、实时车速消息和安全警告消息中至少一者；
丢包地址获取模块，用于检查本车的所述合作感知消息的丢包情况，获取所述合作感知消息中丢包消息的地址，其中所述合作感知消息中丢包消息表示本车的隐性盲区；
本车请求建立模块，用于根据所述合作感知消息的丢包消息的地址，建立包含丢包重传请求序列的本车丢包重传请求；
邻车请求获取模块，用于获取邻居车辆的包含丢包重传请求序列的邻车丢包重传请求，所述邻居车辆为与本车距离小于监控兴趣范围的半径长度的车辆，所述监控兴趣范围为假设车辆在无盲区的情况下的最大监控范围；
排序模块，用于对邻车丢包重传请求的次数从高到低进行排序；
选取模块，用于选取排序在设定位置之前的所述邻车丢包重传请求对应的各合作感知消息；
发送模块，用于向所述邻居车辆附带发送所述本车丢包重传请求以及选取的所述各合作感知消息，使得本车以及邻居车辆分别获得丢包的合作感知信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统，其特征在于，
所述信息获取模块，具体包括：定位单元，用于利用GPS定位装置获取所述当前地理位置消息；感知单元，用于利用感知道路环境信息的智能感知节点获取所述实时车速消息和所述安全警告消息。
8.根据权利要求6所述的一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统，其特征在于，所述合作感知消息具有生命周期，所述合作感知消息超过所述生命周期后，将被清除。
9.根据权利要求6所述的一种基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统，其特征在于，所述向所述邻居车辆附带发送所述本车丢包重传请求以及选取的所述各合作感知消息是以数据附带的形式嵌入到周期性广播数据包中进行的。
10.一种车辆，其特征在于，所述车辆设置有根据权利要求6至9中任一项所述的基于车载虚拟雷达的隐性盲区感知系统。
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Assignee: NANJING BEIERBANG ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: NANJING FORESTRY University

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Denomination of invention: A method, system and vehicle for detecting hidden blind area based on vehicle borne virtual radar

Granted publication date: 20190719

License type: Common License

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Granted publication date: 20190719