CN111402626B - 一种基于车路协同的安全跟车距离控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于车路协同的安全跟车距离控制系统，包括：与车辆ECU通讯连接的车载GPS模块，多个间隔地设置在路侧的路侧单元，与所述路侧单元通讯连接的边缘工控机，通过速度传感器和车载GPS模块采集车辆速度并进行融合，将融合速度发送给边缘工控机，通过计算得到安全跟车距离并发送给后车的ECU，当不满足安全跟车行驶时，使智能车辆ACC系统介入以降低行驶速度。本发明还公开了其控制方法。本发明能保障智能车辆在跟驰状态下安全行驶，避免了因前车紧急制动而发生的交通事故，且大大降低了智能车辆的硬件成本及计算成本。

Description

一种基于车路协同的安全跟车距离控制系统及控制方法
技术领域
本申请涉及无人驾驶技术领域，尤其涉及一种基于车路协同的智能车辆跟驰状态下的安全跟车距离控制系统及控制方法。
背景技术
随着车联网、5G、车路协同等技术的发展，无人驾驶领域受到越来越多的关注。虽然无人驾驶汽车行业发展迅速，但是，当前无人驾驶的技术路线主要依赖汽车设备自身的传感与决策，车内放置有庞大的计算系统，并且造价昂贵，但依然无法完美满足自动驾驶的各项需求，尤其是对安全上的需求。例如当前车在行驶过程中紧急刹车时，若智能车辆没有与前车保持合理的安全距离，很容易造成交通事故。
车路协同技术发展迅速，安装于车辆上的车载单元(OnBoardUnit，简称OBU)和布设于路侧的路侧单元(RoadSideUnit，简称RSU)，正被逐步用于车速监控、道路突发事故等领域。中国发明专利公开号CN110349423A公布了一种基于车路协同的路侧系统，包括：设置于道路上的摄像装置、边缘计算工控机和边缘计算工作站，该技术方案可以得到道路上更加全面准确的交通路况信息，以便可以及时提供给车辆辅助信息，提高交通安全性以及交通效率，其缺点是仅得到交通路况信息，未对前、后车辆跟车行驶的安全性做出有效控制。
因此，如何保证智能车辆在行驶过程中与前车保持合理有效地安全距离以及降低无人驾驶成本，是无人驾驶技术急需解决的技术问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的一个目的是提供一种基于车路协同的安全跟车距离控制系统。
本发明的另一目的是提供一种利用上述安全跟车距离控制系统控制安全跟车距离的方法。
为此，本发明的技术方案如下：
一种基于车路协同的安全跟车距离控制系统，包括路侧单元(RSU)、边缘工控机和安装在智能车辆上的ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)、车载GPS模块、ACC系统、毫米波雷达装置以及车辆自带的速度传感器，
所述车载GPS模块用于采集智能车辆的速度，设该速度为第一速度；
所述速度传感器用于与所述车载GPS模块同步采集智能车辆的速度，设该速度为第二速度，
所述ECU用于将所述第一速度和第二速度进行融合，作为该智能车辆的融合速度；
所述毫米波雷达装置安装在智能车辆的最前端，用于实时采集与前车的跟车距离，并在智能车辆进入所述路侧单元的监测范围内时触发所述ECU向路侧单元发送所述融合速度；
所述ACC系统，用于控制车辆保持安全跟车距离；
所述路侧单元在道路的两侧间隔设置，在道路的每一侧，至少两个路侧单元与一台边缘工控机通信连接；所述路侧单元用于接收本车道智能车辆ECU发送的融合速度并将该融合速度发送给所述边缘工控机；
所述边缘工控机用于根据接收到的融合速度的时间确定智能车辆的前后顺序，根据前、后两智能车辆的跟驰状态对所述融合速度进行处理，计算前、后两智能车辆的安全跟车距离，并将该安全跟车距离发送给所述路侧单元；
所述路侧单元将接收到的安全跟车距离发送给位于后面的智能车辆的ECU，该ECU将所述毫米波雷达采集到的跟车距离与所述安全跟车距离进行对比，以此决定是否切入ACC系统，若跟车距离≥安全跟车距离，则智能车辆继续行驶；若跟车距离小于所述安全跟车距离，则通过切入所述ACC系统使车辆降速至跟车距离≥安全距离。
其中，所述融合速度由所述第一速度与所述第二速度按不同权重进行融合而得到，其计算公式为：
v＝α·v′+β·v″；
其中，v′为第一速度，km/h；v″为第二速度，km/h；α、β为权重。当所述GPS模块正常使用时，所述权重α取0.5，所述权重β取0.5；当GPS模块无法正常使用(行驶在隧道、高楼区、地下停车场等区域)时，所述权重α取0，所述权重β取1。
由于采集到的速度以km/h计，计算出的融合速度以m/s计，所以边缘工控机在进行安全距离计算前，需要先将采集到的速度进行单位换算，由km/h换算为m/s。
设前车的融合速度为v1，后车的融合速度为v2，
在第一种跟驰状态，即v1<v2时，安全跟车距离计算公式为：
Figure BDA0002381137450000021
在第二种跟驰状态，即v1＝v2时，安全跟车距离计算公式为：
S＝v2t1+(3v2/22.5)/(μ+0.3)
在第三种跟驰状态，即v1>v2时，安全跟车距离计算公式为：
Figure BDA0002381137450000031
其中，
最大制动加速度：amax＝μg
μ——路面附着系数；
g——重力加速度；
v1——前车融合速度(m/s)；
v2——后车融合速度(m/s)；
t1——驾驶员反应时间(s)；
t2——制动力增长时间(s)。
所述路面附着系数、重力加速度、驾驶员反应时间和制动力增长时间为所述边缘工控机中用于计算安全距离的预设数值。
一种通过上述安全跟车距离控制系统控制安全跟车距离的方法，包括以下步骤：
所述车载GPS模块采集智能车辆的速度，设该速度为第一速度；
所述速度传感器与所述车载GPS模块同步采集智能车辆的速度，设该速度为第二速度，
所述ECU将所述第一速度和第二速度进行融合，作为该智能车辆的融合速度；
所述毫米波雷达装置实时采集当前智能车辆与前车的跟车距离，并在当前智能车辆进入所述路侧单元的监测范围内时触发所述ECU向路侧单元发送所述融合速度；
所述路侧单元将接收到的本车道智能车辆ECU发送的融合速度发送给所述边缘工控机；
所述边缘工控机根据接收到的融合速度的时间确定智能车辆的前后顺序，根据前、后两智能车辆的跟驰状态计算前、后两智能车辆的安全跟车距离，并将该安全跟车距离发送给所述路侧单元；
所述路侧单元将接收到的安全跟车距离发送给位于后面的智能车辆的ECU，该ECU将所述毫米波雷达采集到的跟车距离与所述安全跟车距离进行对比，若跟车距离≥安全跟车距离，则智能车辆继续行驶；若跟车距离小于所述安全跟车距离，则通过切入所述ACC系统使车辆降速至跟车距离≥安全距离。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的控制系统由于减少了部分昂贵传感器的使用而降低了智能车辆的成本；
2、本发明利用安全跟车距离设计原理，保证了智能车辆在跟驰状态下处于安全行驶条件中，提高了智能车辆的安全性，进而减少智能车辆的交通事故率。
3、通过联合使用智能车辆的车载GPS模块、ACC系统、毫米波雷达以及速度传感器、路侧单元和边缘工控机，不仅能得到宏观交通流数据，还能获得个体智能车辆的运行信息，增强了对交通信息的掌握。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中基于车路协同的安全跟车距离控制系统的组成框图；
图2和图3是本发明的一个实施例中，路侧单元和边缘工控机的安装位置示意图；
图4是本发明的边缘工控机中安全距离计算过程的流程图；
图5本发明的基于车路协同的安全跟车距离控制系统中各组成之间的通讯方式的一个实施例的示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
车路协同，是指通过无线通讯方式，将交通系统中的所有元素与所有运载工具和路边基础设施连接起来，形成完整的、提供信息动态共享的系统。
本发明的基于车路协同的安全距离控制系统，通过速度传感器和车载GPS模块采集车辆速度并通过智能车辆ECU进行速度融合，将融合速度通过例如5G等通讯技术发送给边缘工控机计算安全距离，并通过路侧单元及时提供给智能车辆更加全面准确的跟车距离信息，从而保证车辆的安全行驶。
由于道路一侧路侧单元的通信区域会覆盖另一侧车道，为防止不同车道智能车辆和路侧单元通信的相互干扰，可以在路侧单元中定义车辆的速度方向，使路侧单元仅处理本侧车道上车辆发送的速度信息，对另一车道上车辆发送的速度信息仅采集，但不进行处理。也可采用其它现有技术，使路侧单元能够排除邻道车辆的干扰。
实施例一
图1为本发明一个实施例提供的基于车路协同的安全距离控制系统的框图。如图1所示，该系统包括：在道路上行驶的智能车辆A1、A2…AN、AN+1，以及设置于道路旁的路侧单元10、边缘工控机20，所述智能车辆均装有车载GPS模块、ACC系统、速度传感器和车辆ECU。所述速度传感器测量的是汽车自身的运行速度。
以双向两车道为例，参见图2和图3，在公路一侧，每隔200米设置一个路侧单元，每两个路侧单元与一台边缘工控机连接，用于监测路段上的交通情况。
其中，所述车载GPS模块用于采集智能车辆的第一速度，假设测得前车的第一速度为61km/h，后车的第一速度为69km/h。所述速度传感器用于采集智能车辆的第二速度，假设测得前车的第二速度为59km/h，后车的第二速度为71km/h，设此时所述车载GPS模块可以正常使用，每一智能车辆的ECU分别将各自的第一速度和第二速度进行融合，得到前车的融合速度为60km/h，后车的融合速度为70km/h，在智能车辆进入所述路侧单元的监测范围内，例如50米时，将得到的融合速度发送给所述路侧单元；路侧单元将接收到的本车道车辆的融合速度发送给边缘工控机。计算融合速度的目的是得到智能车辆较为准确的速度，以便准确计算安全跟车距离。
所述边缘工控机根据接收到融合速度的时间确定车辆的前后顺序，对所述融合速度进行处理，前车融合速度为60km/h，后车融合速度为70km/h，符合第一种跟驰状态，即v1<v2，利用相应的安全跟车距离公式计算安全跟车距离，假设计算得到的安全跟车距离为45m，将此安全跟车距离发送给所述路侧单元；
所述路侧单元用于接收所述安全跟车距离信息并将所述安全跟车距离信息发送给后车的ECU；后车的ECU根据目前跟车距离与所述安全跟车距离进行对比，假设毫米波雷达探测到与前车跟车距离为35m，由于其小于安全跟车距离45m，因此确定介入ACC系统，降低车速至与前车保持安全跟车距离。
图4为边缘工控机中安全跟车距离计算过程的流程图。
其中，边缘工控机根据接收到融合的速度的时间确定车辆的前后顺序并将前车和后车的融合速度大小进行对比，若前车融合速度小于后车融合速度，选用第一种跟驰状态的安全距离计算公式得到智能车辆的安全跟驰距离；若前车融合速度等于后车融合速度，选用第二种跟驰状态的安全距离计算公式得到智能车辆的安全跟驰距离；若前车融合速度大于后车融合速度，选用第三种跟驰状态的安全跟车距离计算公式得到智能车辆的安全跟车距离。
设前车的融合速度为v1，后车的融合速度为v2，三种跟驰状态下安全跟车距离计算公式分别为：
在第一种跟驰状态，即v1<v2时，安全跟车距离计算公式为：
Figure BDA0002381137450000051
在第二种跟驰状态，即v1＝v2时，安全跟车距离计算公式为：
S＝v2t1+(3v2/22.5)/(μ+0.3)
在第三种跟驰状态，即v1>v2时，安全跟车距离计算公式为：
Figure BDA0002381137450000052
其中，
最大制动加速度：amax＝μg
μ——路面附着系数；
g——重力加速度；
v1——前车融合速度(m/s)；
v2——后车融合速度(m/s)；
t1——驾驶员反应时间(s)；
t2——制动力增长时间(s)。
所述路面附着系数、重力加速度、驾驶员反应时间和制动力增长时间为所述边缘工控机中用于计算安全距离的预设数值。
当GPS模块正常使用时，权重α取0.5，权重β取0.5；当GPS模块无法正常使用(行驶在隧道、高楼区、地下停车场等区域)时，权重α取0，权重β取1。
图5为一种基于车路协同的安全跟车距离控制系统各组成之间的通讯方式。其中，所述智能车辆的ECU通过CAN总线的方式与所述车载GPS模块和速度传感器连接；所述智能车辆ECU通过5G通讯技术与所述路侧单元连接；所述路侧单元通过5G通讯技术与所述边缘工控机连接。
实施例二
与实施例一的不同之处在于，每三个路侧单元与一台工控机连接。
路侧单元的监测范围受所采用的通讯技术的覆盖范围影响，以5G通讯技术为例，目前5G通讯技术的覆盖范围由使用程度、附近建筑物的密集程度和高度以及设备的好坏等因素决定。相邻路侧单元之间的间隔与车辆密度、道路场景和信息服务质量等相关，可视具体情况而定。
综上所述，本发明提供了一种基于车路协同的安全跟车距离控制系统，其中车载GPS模块和速度传感器均实时采集智能车辆的第一速度和第二速度；ECU实时将第一速度和第二速度进行融合；毫米波雷达装置实时采集与前车的跟车距离，并在智能车辆进入所述路侧单元的监测范围内时触发所述ECU向路侧单元发送当前的融合速度；路侧单元将接收到的本车道车辆的融合速度发送给边缘工控机，通过计算得到安全跟车距离并发送给位于后面的智能车辆的ECU，该ECU将与前车的实际跟车距离与所述安全跟车距离做对比，以决定是否使ACC系统介入来降低车速，以保证智能车辆在行驶过程中保持安全跟车状态。

Claims (10)

1.一种基于车路协同的安全跟车距离控制系统，其特征在于：包括路侧单元、边缘工控机和智能车辆上的ECU、车载GPS模块、ACC系统、毫米波雷达装置以及车辆自带的速度传感器，
所述车载GPS模块用于采集智能车辆的速度，设该速度为第一速度；
所述速度传感器用于与所述车载GPS模块同步采集智能车辆的速度，设该速度为第二速度，
所述ECU用于将所述第一速度和第二速度进行融合，作为该智能车辆的融合速度；
所述毫米波雷达装置安装在智能车辆的最前端，用于实时采集与前车的跟车距离，并在智能车辆进入所述路侧单元的监测范围内时触发所述ECU向路侧单元发送所述融合速度；
所述路侧单元在道路沿线间隔设置多个，在道路同一侧，至少每两个路侧单元与一台边缘工控机通信连接；所述路侧单元用于接收本车道智能车辆的ECU发送的融合速度并将该融合速度发送给所述边缘工控机；
所述边缘工控机用于根据接收到的融合速度的时间确定智能车辆的前后顺序，根据前、后两智能车辆的跟驰状态计算前、后两智能车辆的安全跟车距离，并将该安全跟车距离发送给所述路侧单元；
所述路侧单元将接收到的安全跟车距离发送给位于后面的智能车辆的ECU，该ECU将所述毫米波雷达采集到的跟车距离与所述安全跟车距离进行对比，若跟车距离≥安全跟车距离，则智能车辆继续行驶；若跟车距离小于所述安全跟车距离，则通过切入所述ACC系统使车辆降速至跟车距离≥安全距离。
2.根据权利要求1所述的安全跟车距离控制系统，其特征在于：所述融合速度由所述第一速度与所述第二速度按不同权重进行融合而得到，其计算公式为：
v＝α·v′+β·v″；
其中，
v′为第一速度，km/h；
v″为第二速度，km/h；
α、β为权重。
3.根据权利要求2所述的安全跟车距离控制系统，其特征在于：
当所述GPS模块正常使用时，所述权重α取0.5，所述权重β取0.5；
当GPS模块无法正常使用时，所述权重α取0，所述权重β取1。
4.根据权利要求3所述的安全跟车距离控制系统，其特征在于：所述边缘工控机在进行安全距离计算前，先将采集到的速度进行单位换算，由km/h换算为m/s。
5.根据权利要求4所述的安全跟车距离控制系统，其特征在于：当v1<v2时，安全跟车距离计算公式为：
Figure FDA0002381137440000021
其中，
最大制动加速度：amax＝μg
μ——路面附着系数；
g——重力加速度；
v1——前车融合速度(m/s)；
v2——后车融合速度(m/s)；
t1——驾驶员反应时间(s)；
t2——制动力增长时间(s)。
6.根据权利要求4所述的安全跟车距离控制系统，其特征在于：当v1＝v2时，安全跟车距离计算公式为：
S＝v2t1+(3v2/22.5)/(μ+0.3)
其中，
μ——路面附着系数；
v1——前车融合速度(m/s)；
v2——后车融合速度(m/s)；
t1——驾驶员反应时间(s)。
7.根据权利要求4所述的安全跟车距离控制系统，其特征在于：当v1>v2时，安全跟车距离计算公式为：
Figure FDA0002381137440000022
其中：
最大制动加速度：amax＝μg
μ——路面附着系数；
g——重力加速度；
v1——前车融合速度(m/s)；
v2——后车融合速度(m/s)；
t1——驾驶员反应时间(s)；
t2——制动力增长时间(s)。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的安全跟车距离控制系统，其特征在于：所述路面附着系数、重力加速度、驾驶员反应时间和制动力增长时间为所述边缘工控机中用于计算安全距离的预设数值。
9.一种通过权利要求1-7中任一项所述的安全跟车距离控制系统控制安全跟车距离的方法，包括以下步骤：
所述车载GPS模块采集智能车辆的速度，设该速度为第一速度；
所述速度传感器与所述车载GPS模块同步采集智能车辆的速度，设该速度为第二速度，
所述ECU将所述第一速度和第二速度进行融合，作为该智能车辆的融合速度；
所述毫米波雷达装置实时采集当前智能车辆与前车的跟车距离，并在当前智能车辆进入所述路侧单元的监测范围内时触发所述ECU向路侧单元发送所述融合速度；
所述路侧单元将接收到的本车道智能车辆的ECU发送的融合速度并将该融合速度发送给所述边缘工控机；
所述边缘工控机根据接收到的融合速度的时间确定智能车辆的前后顺序，根据前、后两智能车辆的跟驰状态计算前、后两智能车辆的安全跟车距离，并将该安全跟车距离发送给所述路侧单元；
所述路侧单元将接收到的安全跟车距离发送给位于后面的智能车辆的ECU，该ECU将所述毫米波雷达采集到的跟车距离与所述安全跟车距离进行对比，若跟车距离≥安全跟车距离，则智能车辆继续行驶；若跟车距离小于所述安全跟车距离，则通过切入所述ACC系统使车辆降速至跟车距离≥安全距离。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：设前车的融合速度为v1，后车的融合速度为v2，
跟驰状态为v1<v2时，安全跟车距离计算公式为：
Figure FDA0002381137440000031
跟驰状态为v1＝v2时，安全跟车距离计算公式为：
S＝v2t1+(3v2/22.5)/(μ+0.3)
跟驰状态为v1>v2时，安全跟车距离计算公式为：
Figure FDA0002381137440000032
其中，
最大制动加速度：amax＝μg
μ——路面附着系数；
g——重力加速度；
v1——前车融合速度(m/s)；
v2——后车融合速度(m/s)；
t1——驾驶员反应时间(s)；
t2——制动力增长时间(s)。
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