CN112918419B - 一种车载式防高空坠物的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车相关技术领域，具体地指一种车载式防高空坠物的方法和装置。探测车辆上方的高空运动物体；判断高空运动物体是否属于高空坠物；若高空运动物体为高空坠物，则判断该高空运动物体相对于车辆的位置信息，分析高空运动物体是否会砸到车辆；若高空运动物体可能会砸到车辆，则控制车辆对高空运动物体进行规避或是阻拦。本发明通过实时监控车辆上方的高空运动物体，对高空运动物体作出判断，确认是否为高空坠物、是否会砸到车辆，针对不同的情况采用不同的控制策略，避免高空坠物砸到车辆，提高了行车安全，且控制方法简单，具有极大的推广价值。

Description

一种车载式防高空坠物的方法和装置

技术领域

本发明涉及汽车相关技术领域，具体地指一种车载式防高空坠物的方法和装置。

背景技术

高空坠物在如今社会时有发生，严重危害他人安全。车辆行驶过程中也会遇到高空坠物或落岩，一旦发生，轻则砸凹车辆，重则砸伤或砸死车内人员。现有的发明将防止高空坠物的装置固定安装在居民楼顶部或底部，只能防止居民楼的物体坠落，若拦截失败仍会危害他人，对不在拦截区域内的高空坠物，无法做到对人的保护。汽车行驶过程中，不仅可能发生居民楼的高空坠物，也有可能发生路边墙面的墙皮剥落、公路两边岩石掉落等，为保护行驶过程中车内人员和汽车的安全，有必要在车上安装车载式防高空坠物装置，最大可能保护车内人员和汽车。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种车载式防高空坠物的方法和装置。

本发明的技术方案为：一种车载式防高空坠物的方法，其特征在于：探测车辆上方的高空运动物体；判断高空运动物体是否属于高空坠物；若高空运动物体为高空坠物，则判断该高空运动物体相对于车辆的位置信息，分析高空运动物体是否会砸到车辆；若高空运动物体可能会砸到车辆，则控制车辆对高空运动物体进行规避或是阻拦。

进一步的所述的控制车辆对高空运动物体进行规避的方法包括：控制车辆的速度或/和方向规避高空运动物体。

进一步的所述的控制车辆对高空运动物体进行阻拦的方法包括：控制车辆顶部的弹出装置弹出拦截结构阻挡高空运动物体掉落在车上。

进一步的若高空运动物体可能会砸到车辆，优先采用规避的方式避免高空运动物体掉落到车辆上，在规避无法避开高空运动物体时采用阻拦的方式拦截高空运动物体。

进一步的所述的判断高空运动物体是否属于高空坠物的方法包括：获取高空运动物体下降时的竖向加速度，将获取的竖向加速度与设定限值进行比对，若超过设定限值则认为该高空运动物体为高空坠物，否则则认为该高空运动物体不是高空坠物。

进一步的所述的分析高空运动物体是否会砸到车辆的方法包括：根据高空运动物体的运动轨迹，获取高空运动物体坠落至地面的坠落时间和坠落位置；模拟车辆运行轨迹，分析在坠落时间时坠落位置是否处于车辆的车身范围内；若处于，则证明该高空运动物体会砸到车辆，否则不会砸到车辆。

进一步的所述的控制车辆的速度规避高空运动物体的方法包括：若判断高空运动物体可能会砸到车辆，则根据车辆当前车速、高空坠落物坠落时间和坠落位置计算车辆从当前位置减速至坠落位置的加速度，将获得的加速度与最大加速度进行对比；若小于最大加速度，则对车辆进行减速以此来规避高空运动物体。

进一步的所述的控制车辆的方向规避高空运动物体的方法包括：若计算得到的加速度大于最大加速度，则判断不能通过减速规避高空运动物体；收集车辆附近的车道信息，判断是否具有变道条件；若具有变道条件，控制车辆变道规避高空运动物体。

进一步的所述的控制车辆对高空运动物体进行阻拦的方法包括：若不具有变道条件，则不改变车辆车速和方向，控制车辆弹出顶部的弹出装置弹出拦截结构阻拦高空运动物体砸到车辆。

一种具有车载式防高空坠物方法的装置，其特征在于：包括，感知模块，用于获取高空运动物体相对于车辆的位置信息；

决策模块，用于接收感知模块传送的位置信息判断高空运动物体是否属于高空坠物、若属于高空坠物是否会砸到汽车；

控制模块，用于接收决策模块的判断结果并根据判断结果作出相应的控制措施。

本发明通过实时监控车辆上方的高空运动物体，对高空运动物体作出判断，确认是否为高空坠物、是否会砸到车辆，针对不同的情况采用不同的控制策略，避免高空坠物砸到车辆，提高了行车安全，且控制方法简单，具有极大的推广价值。

附图说明

图1：本实施例的装置结构示意图；

图2：本实施例的控制方法流程示意图；

图3：本实施例的车辆与高空运动物体位置示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例的车载式防高空坠物的装置包括三个模块，如图1所示，分别为感知模块、决策模块和控制模块。其中，感知模块用于获取高空运动物体相对于车辆的位置信息，本实施例的感知模块包括相控阵毫米波雷达传感器，实时探测高空运动物体相对于车辆的位置信息。

相控阵毫米波雷达安装在车顶，发射具有指向性的窄波束，获得高空运动物体即高空运动物体相对于移动车辆的位置信息，包括：高空运动物体相对车辆的距离s、方位角φ、仰角θ，如图3所示，高空运动物体相对于车辆的距离s＝c*t/2，其中c为光在空气中的传播速度，t为发射波与反射波的时间差。从而得到以车辆为坐标原点的直角坐标系中高空运动物体的坐标(x，y，z)，其中：x＝s*sinθ*cosφ；y＝s*sinθ*sinφ；z＝s*cosθ。

决策模块接收感知模块传送的信息，决策模块每隔T时间间隔记录一次高空运动物体的坐标，分析预测高空运动物体相对车辆的运动轨迹，由于空气阻力和车速变化，运动轨迹不一定与实际轨迹一致，因此采用滚动测量的方法，实时更新运动轨迹，使预测与实际轨迹更接近。

决策模块预测高空运动物体相对于车辆的运动轨迹的方法如下：

1、当加速度一定时，物体的位移s与时间t成二次多项式关系s＝v₀t+0.5at²，其中v₀为初速度，a为加速度。将其简化为s＝At²+Bt+C；

2、决策模块从第一次监测到高空运动物体开始，每隔T秒记录一次高空运动物体的坐标，并记录坐标的位置(x_i，y_i，z_i)，i为记录的次数；

3、根据x₁、x₂、x₃及时间间隔T求解方程式：

可得到A₁、B₁、C₁的值，从而得到x方向的位移x与时间t的关系式：x＝A₁t²+B₁t+C₁；

4、在下一个T秒，通过毫米波雷达得到高空运动物体在x方向的实际坐标X，基于预测的轨迹得到预测坐标x，计算x方向的实际与预测坐标置的偏差：△x＝|X-x|；

5、给出偏差允许范围，判断偏差△x是否在给定的范围内；

6、若△x在给定的范围内，则继续使用该预测轨迹；若△x不在给定的范围内，则重新计算x方向的轨迹：使用最新三组x方向的实际位移值，根据步骤3计算新的位移与时间的关系；

7.、重复步骤4、步骤5和步骤6，直到实际测量的z值为0(即高空运动物体坠落到地面)；

8、同理，y方向和z方向的坠落轨迹计算方法与修正方法同x方向一样，得到不断修正的高空运动物体相对于车辆的预测轨迹：

由于车辆在行驶，高空运动物体的运动轨迹并非绝对运动轨迹即相对于地面的运动轨迹，而是相对于移动的车辆的运动轨迹，车速发生变化时，预测轨迹随之变化。因此，需实时采集高空运动物体相对于车辆的位置信息，滚动预测轨迹是否与实际轨迹一致，并及时修正，提升精确度。

决策模块根据高空运动物体的运动轨迹判断该高空运动物体是否属于高空坠物。本实施例时通过竖直加速度的大小和方向来判断是否为高空坠物。提取z方向的轨迹方程，竖直加速度与A₃的值有关。首先判断A₃是否大于0，若大于等于0，则不属于高空坠物。若小于0，比较A₃的绝对值与给定的值的大小，若A₃的绝对值小于该值，则加速度较小，不属于高空坠物，否则，属于高空坠物。实际上就是通过高空运动物体沿竖向的加速度进行判断，假设高空运动物体沿竖向的加速度大于设定限值，则证明高空运动物体下降速度很快，属于高空坠物；若高竖向加速度小于或等于设定限值，证明高空运动物体下降速度很慢，可能属于飘落的纸张、树叶或是小鸟等。

决策模块若确定高空运动物体属于高空坠物，再继续判断该高空运动物体是否会砸到车辆。决策模块判断高空运动物体下落至地面的时间和下落至地面的位置。

决策模块预估高空运动物体坠落时间t_p。根据高空运动物体的运行轨迹，取z方向位移与时间的关系，令z＝0，求得大于0的时间：

决策模块预测高空运动物体相对于车辆的坠落位置(x_p，y_p)。当高空运动物体坠落到地面时，z_p＝0。将坠落时间t_p带入到x和y方向的公式中，即可得到x_p＝A₁t_p ²+B₁t_p+C1，y_p＝A₂t_p ²+B₂t_p+C₂。因此高空运动物体相对于车辆的坠落位置为(A₁t_p ²+B₁t_p+C1，A₂t_p ²+B₂t_p+C₂)。由于车辆车速变化、风力等影响，高空运动物体位置不一定正好符合轨迹路线，因此轨迹不断修正，坠落时间和相对坠落位置也不是固定值。

高空运动物体T_i时刻的预测坠落位置与车辆的相对位置(x_i，y_i)，即在高空运动物体坠落到地面之前，实时得知高空运动物体相对于车辆的坠落位置。在T_i时刻(T_i<t_p)，车辆的当前车速为v_i，高空运动物体坠落到地面时即t_p时刻的相对位置为(x_p，y_p)，从T_i时刻到t_p时刻车辆行驶距离s_i＝v_i(t_p-T_i)。x方向为车辆的行驶方向，因此T_i时刻高空运动物体坠落点与车辆的相对位置只在x方向变化：x_i＝x_p+s_i，y_i＝y_p。T_i时刻坠落点与车辆的相对位置为(x_p+v_i(t_p-T_i)，y_p)。

决策模块判断高空运动物体是否会砸到汽车。根据高空运动物体相对车辆的坠落位置(x_p，y_p)，判断此位置是否在车身范围内，对于长为l、宽为b的车辆，若x_p∈(-l/2-Δ，l/2+Δ)且y_p∈(-b/2-Δ，b/2+Δ)，其中Δ为一标定的常量，若满足上式则会砸到车辆，否则不会砸到车辆。若判断不会砸到汽车，决策模块不发送任何指令，车辆正常行驶；若可能砸到汽车，决策模块收集车辆所在车道信息、附近车道信息、当前车速v_i、最大减速度a_max。先考虑车辆减速避险，车辆在T_i时刻开始减速，比较在(x_p+v_i(t_p-T_i)-l)距离内减速到0的减速度a_i与车辆的最大减速度a_max，由v_i ²＝2a_i[x_p+v_i(t_p-T_i)-l]，得到减速度a_i。若a_i≤a_max，车辆可以减速度a_i来减速避险；若a_i>a_max，车辆无法躲避风险，即使避免车顶被砸，因无法减速到0，也会正面撞到高空运动物体。若无法减速避险，则考虑变道，收集车辆附近车道信息，判断是否具有变道条件，若有，车辆变道；若无法变道，则继续沿当前车道行驶，此时决策模块发送拦截指令给控制装置，控制车辆顶部的弹出装置弹出拦截结构阻拦高空运动物体砸到车辆。具体的判断流程如图2所示。

本实施例的弹出装置可以在控制模块的控制下，在车顶弹出气垫，通过气垫阻隔高空坠物，避免直接砸到车辆上。

将高空运动物体相对车辆的实时位置信息通过CAN总线传递给车载导航，利用车辆自带的GNSS和IMU系统，定位车辆的所在位置和行驶方向，根据相对位置，得到高空运动物体坠落的绝对位置。无论决策装置判断是否会砸到车辆，导航显示屏上都以红圈表示坠落点，并发出提示音，如：“前方有坠落物，请谨慎驾驶”，通过声音和视觉两方面提醒驾驶员，及时减速或绕过坠落点。同时，车辆通过LTE-V技术实时将预测坠落点的位置信息和剩余坠落时间t_p—T_i发送给周围车辆，直到高空运动物体落地，提醒周围车辆及时躲避高空坠物。此外，车辆将首次探测到高空运动物体的位置、时间、车辆位置以及高空运动物体坠落位置和坠落时间，上传给云平台，云端将信息发送给附近交管部门，及时提供救援服务及坠落物清理，并为后续追责提供依据。

通过决策装置预测高空运动物体坠落位置和坠落时间，并将位置传递给导航显示屏，可在高空运动物体坠落之前提醒驾驶员，注意躲避，若无法躲避，则弹出拦截装置拦截高空运动物体。对自动驾驶车辆，可根据决策结果提供减速、变道、弹出拦截装置等方式避免高空运动物体对车和车内人员的伤害。高空运动物体坠落位置和坠落时间通过车联网技术传递给附近车辆，实现车辆之间的信息交互，使其他车辆提前得知危险，及时躲避。高空运动物体相关信息传递给云平台，在事故发生后帮助追溯责任相关人。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种车载式防高空坠物的方法，其特征在于：探测车辆上方的高空运动物体；判断高空运动物体是否属于高空坠物；若高空运动物体为高空坠物，则判断该高空运动物体相对于车辆的位置信息，分析高空运动物体是否会砸到车辆；若高空运动物体可能会砸到车辆，则控制车辆对高空运动物体进行规避或是阻拦；

若高空运动物体可能会砸到车辆，优先采用规避的方式避免高空运动物体掉落到车辆上，在规避无法避开高空运动物体时采用阻拦的方式拦截高空运动物体；

所述的控制车辆对高空运动物体进行规避的方法包括：控制车辆的速度或/和方向规避高空运动物体；

所述的控制车辆对高空运动物体进行阻拦的方法包括：控制车辆顶部的弹出装置弹出拦截结构阻挡高空运动物体掉落在车上；

先考虑车辆减速避险，若无法减速避险，则考虑变道，收集车辆附近车道信息，判断是否具有变道条件，若有，车辆变道；若无法变道，则继续沿当前车道行驶，此时决策模块发送拦截指令给控制装置，控制车辆顶部的弹出装置弹出拦截结构阻拦高空运动物体砸到车辆。

2.如权利要求1所述的一种车载式防高空坠物的方法，其特征在于：所述的判断高空运动物体是否属于高空坠物的方法包括：获取高空运动物体下降时的竖向加速度，将获取的竖向加速度与设定限值进行比对，若超过设定限值则认为该高空运动物体为高空坠物，否则则认为该高空运动物体不是高空坠物。

3.如权利要求1所述的一种车载式防高空坠物的方法，其特征在于：所述的分析高空运动物体是否会砸到车辆的方法包括：采用滚动测量的方法，实时更新运动轨迹，使预测与实际轨迹更接近，根据高空运动物体的运动轨迹，获取高空运动物体坠落至地面的坠落时间和坠落位置；模拟车辆运行轨迹，分析在坠落时间时坠落位置是否处于车辆的车身范围内；若处于，则证明该高空运动物体会砸到车辆，否则不会砸到车辆。

4.如权利要求3所述的一种车载式防高空坠物的方法，其特征在于：所述的控制车辆的速度规避高空运动物体的方法包括：若判断高空运动物体可能会砸到车辆，则根据车辆当前车速、高空坠落物坠落时间和坠落位置计算车辆从当前位置减速至坠落位置的加速度，将获得的加速度与最大加速度进行对比；若小于最大加速度，则对车辆进行减速以此来规避高空运动物体。

5.如权利要求4所述的一种车载式防高空坠物的方法，其特征在于：所述的控制车辆的方向规避高空运动物体的方法包括：若计算得到的加速度大于最大加速度，则判断不能通过减速规避高空运动物体；收集车辆附近的车道信息，判断是否具有变道条件；若具有变道条件，控制车辆变道规避高空运动物体。

6.如权利要求5所述的一种车载式防高空坠物的方法，其特征在于：所述的控制车辆对高空运动物体进行阻拦的方法包括：若不具有变道条件，则不改变车辆车速和方向，控制车辆顶部的弹出装置弹出拦截结构阻拦高空运动物体砸到车辆。

7.一种具有如权利要求1所述的车载式防高空坠物的 方法的装置，其特征在于：包括，感知模块，用于获取高空运动物体相对于车辆的位置信息；

决策模块，用于接收感知模块传送的位置信息判断高空运动物体是否属于高空坠物、若属于高空坠物是否会砸到汽车；

控制模块，用于接收决策模块的判断结果并根据判断结果作出相应的控制措施。

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