CN108891350A - 一种基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统及方法。该系统包括自车系统和后车系统，自车系统由传感器模块、信息采集单元、驾驶习惯分析单元、安全车距实时计算单元、预警提醒单元和车联网通讯单元组成，传感器模块包括激光雷达传感器、刹车开关；后车系统由预警提醒单元、信息处理单元、信息显示单元和车联网通讯单元组成，信息显示单元直接连接在处理器串行端口1，车联网通讯模块直接连接在处理器串行端口2。该方法包括：实时记录自车车速、发动机转速、刹车开关状态、油门踏板行程有关信息；计算出后车实时行驶速度v后；实时计算自车与后车的理论安全车距；自车向后车进行预警提醒。本发明可以降低追尾事故发生的概率。

Description

一种基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统及方法
技术领域
本发明涉及汽车碰撞预警控制方法领域，尤其涉及一种基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统及方法。
背景技术
汽车追尾事故是一种发生率和比例非常高的交通事故。汽车在行驶过程中，自车(前车)不可避免的因遇见障碍物或其他突发状况而进行制动，因此后车与自车之间必须保持一定的制动安全距离，否则很容易发生追尾交通事故，给双方车主带来损失。
目前，汽车上现有的警示方式是自车驾驶员踩下制动踏板且自车尾部的刹车灯亮起后，才对后车起到警示作用。后车驾驶员根据自车刹车灯亮否来判定自车是否采取了制动措施，但不能知晓自车驾驶员的制动强度，并且若自车驾驶员未踩下制动踏板而仅仅依靠发动机制动来进行减速，刹车灯不会被点亮，后车驾驶员则很难及时发现自车在进行制动。
此外，后车驾驶员在自车制动时仅依靠肉眼和经验判断应与自车保持的安全距离，容易造成时间上存在滞后，并且判断距离也有较大误差，从而易导致事故发生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为完善现有仅依靠刹车灯提醒和后车驾驶员经验判断安全车距方法的不足，提供一种基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统及方法，根据自车(前车)驾驶员制动习惯判断自车采取了发动机制动、缓刹制动、紧急制动中的何种刹车方式，使后车驾驶员能够及时获取自车驾驶员采取的制动方式，在自车制动过程中，根据实时获取的自车及后车行驶数据信息计算两者之间的安全距离，使后车保持必要的安全距离，及时向后车进行预警，为后车驾驶员提供足够信息和反应时间做出决策，避免追尾事故的发生。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统，包括自车系统和后车系统，其中：自车系统由以信号数据线依次连接的传感器模块、信息采集单元、驾驶习惯分析单元、安全车距实时计算单元、预警提醒单元和车联网通讯单元组成，传感器模块包括激光雷达传感器、刹车开关；后车系统由以信号连接的信息处理单元、信息显示单元和车联网通讯单元组成，信息显示单元直接连接在处理器串行端口1，车联网通讯模块直接连接在处理器串行端口2。
自车系统中，传感器模块采用型号HI100、精度为2mm、反应时间＜0.1s的激光雷达传感器1个，安装在车辆尾部，用于测量后车与前车距离。
自车系统中，预警提醒单元由型号SH-T-2X8的双色LED显示屏构成。
自车系统中，车联网通讯单元采用型号NRF24L01、传输距离＞500m、预设组网模式的射频无线通讯模块。
后车系统中，信息显示单元主要由型号DMT48270、串口通讯的彩色LCD显示屏构成。
后车系统中，车联网通讯单元采用型号NRF24L01、传输距离＞500m、预设组网模式的射频无线通讯模块。
后车系统中，信息处理单元采用自带片内存储功能和3个串行接口的STM32系列处理器STM32F103ZET6。
本发明提供的基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警方法，包括以下步骤：
(1)实时记录自车车速、发动机转速、刹车开关状态、油门踏板行程有关信息；
所述有关信息一是作为历史数据存储在驾驶习惯分析单元，驾驶习惯分析单元将存储的大量历史数据按照一定方法分为发动机制动、缓刹制动、紧急制动三种类型，其中：发动机制动，油门踏板行程为空时间大于3s，且发动机转速值大于怠速值；缓刹制动，制动开关开启，制动减速度的绝对值小于设定参考值；紧急制动，制动开关开启，制动减速度大于设定参考值
所述有关信息二是作为实时数据，与驾驶习惯分析单元中的曲线进行拟合，判断自车当前是否进行制动以及是何种制动方式；
(2)采用雷达传感器实时检测后车与自车的距离，同时根据步骤(1)中实时记录的自车车速v前，再根据Δt时间段实时检测的所述后车与自车的距离St和计算出后车实时行驶速度v后，计算方法为：
其中：Δt为某一微小的时间段，单位为s；
(3)依据步骤(1)所判断的自车制动行为，实时计算自车与后车的理论安全车距，该步骤包括计算自车制动距离S前、计算后车制动距离S后、计算自车与后车的制动安全距离S；
自车制动距离S前的计算方法为：
其中：vi为自车ti时刻的行驶速度，单位为m/s；ai为自车制动过程ti时刻相应区间平均制动减速度，单位为m/s2；
自车制动过程ti时刻相应区间平均制动减速度的确定方法为：
其中：δt是自车每一减速区间的时间，减速区间的时间长度取值为0.5s，单位为m/s；
后车制动距离S后的计算方法为：
其中：τ′1为驾驶员意识到要采取制动所用时间，单位为s；τ″1为驾驶员移动脚从油门到制动踏板上所用时间，单位为s；τ′2克服蹄片与制动鼓间隙所用时间，单位为s；τ″2为制动器制动力增长过程所需时间，单位为s；u0为后车司机看到自车发出的制动提醒时刻的车速，即自车车速为v0的时刻，单位为m/s；amax为后车最大制动减速度，单位为m/s2；
制动距离S的计算方法为：
S＝S后-S前+d0
其中：d0是为保证安全而设置的某一常数，单位为m；
(4)自车向后车进行预警提醒，预警分为两个时刻：
首先是当自车预测障碍物出现的时刻，自车向后车进行预警提醒，提醒内容为制动方式；其后是实时车距小于理论制动安全距离的时刻，自车向后车进行预警提醒，提醒内容为自车制动方式、理论制动安全距离、以及实时车距是否小于理论制动安全距离；
自车向后车进行提醒的形式和方法为：电子屏文字显示、车联网通讯和刹车灯指示，电子屏文字显示内容包括自车制动方式和理论制动安全距离，车联网通讯内容包括自车车速、自车制动过程相应区间平均制动减速度、驾驶员制动习惯和理论制动安全距离。
上述方法中，后车最大制动减速度amax的确定方法为：对于商用车，amax＝理论值×工况系数，理论值为6m/s2，高速工况系数为0.6，市区工况系数为0.8；对于乘用车，amax＝理论值×工况系数，理论值为4m/s2，高速工况系数为0.7，市区工况系数为0.9；采用选择开关人工切换相应的工况。
上述方法中，预测障碍物出现时刻的判断方法为：油门踏板行程为空时间大于3s、发动机转速值大于怠速值、挡位未处于空挡位置。
本发明与现有技术相比具有以下主要优点：
1.能够根据存储的大量自车驾驶员制动过程中的相关数据，实时判断自车的制动习惯(即常用制动方式)，使后车驾驶员更好了解自车制动习惯。
2.自动采集自车及后车相关信息并实时计算理论制动安全距离，及时向后车进行预警，为后车驾驶员提供足够时间以做出应对措施。经试验对比，本发明的预警时刻比传统的驾驶员判定预警时刻提前至少0.8s，本发明计算的理论制动安全距离比传统的驾驶员判定安全车距精准16％以上。
3.通过电子屏文字显示和/或车联网通讯传递刹车灯指示方式，向后车驾驶员提供更多信息，减少或避免汽车追尾事故的发生。
4.当自车属于经常性紧急制动时，避免后车驾驶员高度紧张或因制动反映不及时而发生追尾事故。经试验对比，本发明的预警内容可有效减低后车驾驶员的心理紧张程度。
5.当自车属于经常性缓刹制动时，避免后车长时间保持跟车驾驶而导致交通通行效率较低。经试验对比，通过城市十字路口红绿灯时，根据本发明进行跟车行驶可提高通行效率至少9％。
附图说明
图1是基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统的结构示意图。
图2是基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统的工作流程图。
图3是基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统的自(前)车系统电路图。
图4是基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统的后车系统电路图。
具体实施方式
本发明涉及一种基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统及方法，尤其涉及自车(前车)刹车紧急程度以及自车与后车制动安全距离的预警。目的在于向后车提醒自车刹车方式以及理论制动安全距离，防止后车追尾自车。实现预警的步骤是：实时记录自车车速、发动机转速、刹车开关状态、油门踏板行程，根据驾驶员制动习惯判断自车驾驶员采用的制动方式；采用激光雷达传感器实时检测后车与自车的距离，实时计算出后车车速；并实时计算自车与后车的理论制动安全距离；当预测障碍物出现时，及时向后车进行预警提醒。本发明能够基于自车驾驶员制动习惯实时显示自车的制动状态并及时提醒后车与前车保持一定的制动安全距离，给后车驾驶员提供足够的信息和反应时间来做出应对措施，降低追尾事故发生的概率。
下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统，如图1所述，由自车(前车)系统和后车系统两部分组成。
所述前车系统如图1所示，包括以信号数据线依次连接的传感器模块、信息采集单元、驾驶习惯分析单元、安全车距实时计算单元、预警提醒单元和车联网通讯单元。其中：传感器模块选用型号HI100、精度为2mm、反应时间＜0.1s的激光雷达传感器1个，安装在车辆尾部，用于测量后车与前车距离。预警提醒单元主要由型号SH-T-2X8的双色LED显示屏构成。车联网通讯单元选用型号NRF24L01、传输距离＞500m、预设组网模式的射频无线通讯模块。信息采集单元、驾驶习惯分析单元、安全车距实时计算单元均由处理器及相关电路实现，选用自带片内存储器功能、1个CAN接口和3个串行接口的STM32系列处理器STM32F103ZET6。
上述前车系统的具体电路如图3所示，HI100激光雷达传感器连接在P10接口，P10接口连接在STM32F103ZET6处理器的串行口1，HI100通过串行方式与STM32F103ZET6进行通讯，同时P10接口上的VCC和GND为HI100提供电源。SH-T-2X8显示屏连接在P5接口，P5接口通过RS232串行信号转换芯片MAX232MJE连接在STM32F103ZET6处理器的串行口2，SH-T-2X8通过串行方式与STM32F103ZET6进行通讯，同时P5接口上的VSS和GND为SH-T-2X8提供电源。NRF24L01射频无线通讯模块连接在P7接口，P7接口连接在STM32F103ZET6处理器的串行口3，NRF24L01模块通过串行方式与STM32F103ZET6进行通讯，同时P7接口上的VCC和GND为NRF24L01模块提供电源。汽车OBD接口连接在P8接口，P8接口通过CAN总线驱动芯片TJA1050连接在STM32F103ZET6的CAN端口。P11接口用于采集刹车开关的开关型信号，直接连接在车辆制动踏板处的制动开关上。P2接口为电源接口，为整个电路提供3.3V(VCC3.3)、5V(VCC)和12V(VSS)电源。
所述后车系统如图1所示，包括由以信号连接的信息处理单元、信息显示单元和车联网通讯单元。其中：信息显示单元主要由型号DMT48270、串口通讯的彩色LCD显示屏构成。车联网通讯单元选用型号NRF24L01、传输距离＞500m、预设组网模式的射频无线通讯模块。信息处理单元选用自带片内存储功能和3个串行接口的STM32系列处理器STM32F103ZET6。信息显示单元直接连接在处理器串行端口1，车联网通讯模块直接连接在处理器串行端口2。
上述后车系统的具体电路如图4所示，DMT48270显示屏连接在P6接口，P6接口连接在STM32F103ZET6处理器的串行口1，DMT48270通过串行方式与STM32F103ZET6进行通讯，同时P6接口上的VSS和GND为DMT48270提供电源。NRF24L01射频无线通讯模块连接在P接口，P接口连接在STM32F103ZET6处理器的串行口3，NRF24L01模块通过串行方式与STM32F103ZET6进行通讯，同时P接口上的VCC和GND为NRF24L01模块提供电源。P4接口为备用接口，用于采集开关型信号。P1接口为电源接口，为整个电路提供3.3V(VCC3.3)、5V(VCC)和12V(VSS)电源。
本发明提供的基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统，其工作过程如下：
本发明安装在汽车中后，随汽车启动而自动运行，无需前车驾驶员和后车驾驶员进行任何操作控制。后车驾驶员仅需根据前车预警提醒单元显示屏所显示信息及后车信息显示单元显示屏所显示信息，驾驶汽车并控制合适车速。本发明的前车系统供电后，首先进行初始化和自检测，初始化后，预警提醒单元显示屏不显示任何信息，如发现故障，则进入故障报警状态；若检测正常，信息采集单元开始接收传感器数据，并发送至驾驶习惯分析单元，同时由安全车距实时计算单元计算安全车距；分析和计算数据再发送至预警提醒单元进行预警分析，如实测车距大于安全车距则循环再次接收传感器数据，若实测车距小于安全车距则在预警提醒单元显示屏显示相关信息，同时通过车联网通讯单元向后车发送相关信息。本发明的后车系统供电后，首先进行初始化和自检测，初始化后，信息显示单元显示屏不显示任何信息，如发现故障，则进入故障报警状态；若检测正常，则处于等待状态，当车联网通讯单元接收到前车信息后，发送至信息处理单元进行处理，之后将处理后的相关信息发送到信息显示单元进行显示。
本发明提供的基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警方法，包括：安全车距计算方法，即由前车负责计算，并考虑了前车驾驶员制动习惯；前车驾驶员制动习惯分类方法及数据获取方法；前车制动减速度计算方法，即按时间段分别进行计算；后车制动减速度的取值方法；预测前车前方障碍物出现时刻的判断方法。
具体如下：
步骤(1)：实时记录自车状态数据并判断自车制动习惯类型；
在(自车)车辆行驶过程中，信息采集单元通过汽车OBD接口及刹车开关、雷达传感器实时采集并存储自车车速、发动机转速、刹车开关状态、油门踏板行程等信息。
驾驶习惯分析单元对信息采集单元存储的历史数据进行分析，按照发动机制动(油门踏板行程为空时间大于3s，且发动机转速值大于怠速值)、缓刹制动(制动开关开启，制动减速度的绝对值小于设定参考值1.5m/s2)、紧急制动(制动开关开启，制动减速度大于设定参考值1.5m/s2)进行分类。
同时，驾驶习惯分析单元根据上述分类方法判断自车驾驶员制动习惯属于发动机制动、缓刹制动、紧急制动中的哪一种类型。
步骤(2)：实时计算后车车速；
在(自车)车辆行驶过程中，信息采集单元通过雷达传感器实时检测后车与自车的距离。安全车距实时计算单元根据步骤(1)中实时记录的自车车速v前，再根据Δt时间段实时检测的所述后车与自车的距离St和计算出后车实时行驶速度v后，计算公式为：
Δt为某一微小的时间段，单位为s。
步骤(3)：实时计算自车与后车的理论制动安全距离；
安全车距实时计算单元依据步骤(1)所判断的自车制动行为，实时计算自车与后车的理论制动安全距离，包括计算自车制动距离S前、计算后车制动距离S后、计算自车与后车的制动安全距离S。
1)自车制动距离S前的计算方法为：
vi为自车ti时刻的行驶速度，单位为m/s；ai为自车制动过程ti时刻相应区间平均制动减速度，单位为m/s2，确定方法为：
其中：δt是自车每一减速区间的时间，减速区间的时间长度取值为0.5s，单位为m/s。
2)后车制动距离S后的计算方法为：
τ′1为驾驶员意识到要采取制动所用时间，单位为s；τ′1为驾驶员移动脚从油门到制动踏板上所用时间，单位为s；τ′2克服蹄片与制动鼓间隙所用时间，单位为s；τ″2为制动器制动力增长过程所需时间，单位为s；u0为后车司机看到自车发出的制动提醒时刻的车速，即自车车速为v0的时刻，单位为m/s。
amax为后车最大制动减速度，单位为m/s2，确定方法为：对于商用车，amax＝理论值×工况系数，理论值为6m/s2，高速工况系数为0.6，市区工况系数为0.8；对于乘用车，amax＝理论值×工况系数，理论值为4m/s2，高速工况系数为0.7，市区工况系数为0.9。采用选择开关人工切换相应的工况。
3)制动距离S的计算方法为：
S＝S后-S前+d0
d0是为保证安全而设置的某一常数，单位为m，一般取值为2m。
步骤(4)：自车向后车进行预警提醒；
预警提醒单元分两个时刻向后车进行预警提醒。
首先是当信息采集单元检测发现油门踏板行程为空时间大于3s、发动机转速值大于怠速值、挡位未处于空挡位置，即预测自车前方出现障碍物的时刻，通过预警提醒单元的电子屏以文字显示方式向后车进行预警提醒，提醒内容为安全车距实时计算单元计算出的制动方式和理论制动安全距离。
其后是安全车距实时计算单元计算并判断实时车距小于理论制动安全距离的时刻，通过车联网讯单元向后车进行预警提醒，提醒内容为自车车速、自车制动过程相应区间平均制动减速度、驾驶员制动习惯和理论制动安全距离、以及实时车距是否小于理论制动安全距离。
按照以上预警步骤，本发明通过不同类型驾驶员进行的多次实验数据统计结果如下：实验一：前车初始车速40km/h、后车初始车速40km/h、初始车距40m工况下，前车制动习惯主要为缓刹时，系统提醒安全车距为2m，即只要根据系统提醒及时刹车就可以避免碰撞危险。实验二：前车初始车速40km/h、后车初始车速60km/h、初始车距40m工况下，前车制动习惯主要为急刹时，系统提醒安全车距为20m。

Claims (10)

1.一种基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警系统，其特征在于包括自车系统和后车系统，其中：自车系统由以信号数据线依次连接的传感器模块、信息采集单元、驾驶习惯分析单元、安全车距实时计算单元、预警提醒单元和车联网通讯单元组成，传感器模块包括激光雷达传感器、刹车开关；后车系统由以信号连接的预警提醒单元、信息处理单元、信息显示单元和车联网通讯单元组成，信息显示单元直接连接在处理器串行端口1，车联网通讯模块直接连接在处理器串行端口2。
2.根据权利要求1所述的防追尾预警系统，其特征在于自车系统中，传感器模块采用型号HI100、精度为2mm、反应时间＜0.1s的激光雷达传感器1个，安装在车辆尾部，用于测量后车与前车距离。
3.根据权利要求1所述的防追尾预警系统，其特征在于自车系统中，预警提醒单元由型号SH-T-2X8的双色LED显示屏构成。
4.根据权利要求1所述的防追尾预警系统，其特征在于自车系统中，车联网通讯单元采用型号NRF24L01、传输距离＞500m、预设组网模式的射频无线通讯模块。
5.根据权利要求1所述的防追尾预警系统，其特征在于后车系统中，预警提醒单元主要由型号DMT48270、串口通讯的彩色LCD显示屏构成。
6.根据权利要求1所述的防追尾预警系统，其特征在于后车系统中，车联网通讯单元采用型号NRF24L01、传输距离＞500m、预设组网模式的射频无线通讯模块。
7.根据权利要求1所述的防追尾预警系统，其特征在于后车系统中，信息处理单元采用自带片内存储功能和3个串行接口的STM32系列处理器STM32F103ZET6。
8.一种基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)实时记录自车车速、发动机转速、刹车开关状态、油门踏板行程有关信息；
所述有关信息一是作为历史数据存储在驾驶习惯分析单元，驾驶习惯分析单元将存储的大量历史数据按照一定方法分为发动机制动、缓刹制动、紧急制动三种类型，其中：发动机制动，油门踏板行程为空时间大于3s，且发动机转速值大于怠速值；缓刹制动，制动开关开启，制动减速度的绝对值小于设定参考值；紧急制动，制动开关开启，制动减速度大于设定参考值；
所述有关信息二是作为实时数据，与驾驶习惯分析单元中的曲线进行拟合，判断自车当前是否进行制动以及是何种制动方式；
(2)采用雷达传感器实时检测后车与自车的距离，同时根据步骤(1)中实时记录的自车车速v前，再根据Δt时间段实时检测的所述后车与自车的距离St和计算出后车实时行驶速度v后，计算方法为：
其中：Δt为某一微小的时间段，单位为s；
(3)依据步骤(1)所判断的自车制动行为，实时计算自车与后车的理论安全车距，该步骤包括计算自车制动距离S前、计算后车制动距离S后、计算自车与后车的制动安全距离S；
自车制动距离S前的计算方法为：
其中：vi为自车ti时刻的行驶速度，单位为m/s；ai为自车制动过程ti时刻相应区间平均制动减速度，单位为m/s2；
自车制动过程ti时刻相应区间平均制动减速度的确定方法为：
其中：δt是自车每一减速区间的时间，减速区间的时间长度取值为0.5s，单位为m/s；
后车制动距离S后的计算方法为：
其中：τ′1为驾驶员意识到要采取制动所用时间，单位为s；τ″1为驾驶员移动脚从油门到制动踏板上所用时间，单位为s；τ′2克服蹄片与制动鼓间隙所用时间，单位为s；τ″2为制动器制动力增长过程所需时间，单位为s；u0为后车司机看到自车发出的制动提醒时刻的车速，即自车车速为v0的时刻，单位为m/s；amax为后车最大制动减速度，单位为m/s2；
制动距离S的计算方法为：
S＝S后-S前+d0
其中：d0是为保证安全而设置的某一常数，单位为m；
(4)自车向后车进行预警提醒，预警分为两个时刻：
首先是当自车预测障碍物出现的时刻，自车向后车进行预警提醒，提醒内容为制动方式；其后是实时车距小于理论制动安全距离的时刻，自车向后车进行预警提醒，提醒内容为自车制动方式、理论制动安全距离、以及实时车距是否小于理论制动安全距离；
自车向后车进行提醒的形式和方法为：电子屏文字显示、车联网通讯和刹车灯指示，电子屏文字显示内容包括自车制动方式和理论制动安全距离，车联网通讯内容包括自车车速、自车制动过程相应区间平均制动减速度、驾驶员制动习惯和理论制动安全距离。
9.根据权利要求8所述的基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警方法，其特征在于后车最大制动减速度amax的确定方法为：对于商用车，amax＝理论值×工况系数，理论值为6m/s2，高速工况系数为0.6，市区工况系数为0.8；对于乘用车，amax＝理论值×工况系数，理论值为4m/s2，高速工况系数为0.7，市区工况系数为0.9；采用选择开关人工切换相应的工况。
10.根据权利要求8所述的基于前车驾驶员制动习惯的防追尾预警方法，其特征在于预测障碍物出现时刻的判断方法为：油门踏板行程为空时间大于3s、发动机转速值大于怠速值、挡位未处于空挡位置。
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