CN113232649B

CN113232649B - 一种基于v2x的路口通行防碰撞装置及防碰撞方法

Info

Publication number: CN113232649B
Application number: CN202110455098.XA
Authority: CN
Inventors: 金宁; 王勇萍
Original assignee: SAIC Maxus Vehicle Co Ltd
Current assignee: SAIC Maxus Vehicle Co Ltd
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2041-04-26
Also published as: CN113232649A

Abstract

本发明涉及一种基于V2X的路口通行防碰撞装置及防碰撞方法，根据路侧单元通过无线电传输输出的路口红绿灯信息，路口障碍物信息及高精度地图输出的本车前方路径点信息和路口道路信息实时综合判断本车在路口的应有的行驶状态，并计算本车与最危险目标的碰撞时间和让行刹停位置，从而控制本车加减速，安全通过路口。本发明能够根据路径点和路口道路信息计算的本车与障碍物的碰撞点，碰撞时间和让行刹停位置能对于需要让行的障碍物更早减速，提前在安全位置刹停，避免占用优先方的车道，在完全让行危险车辆后再加速通过路口，更大程度的降低碰撞概率，同时也能判断出完全不会发生碰撞的目标，更有效的通过路口。

Description

一种基于V2X的路口通行防碰撞装置及防碰撞方法

技术领域

本发明涉及一种车辆防碰撞装置及防碰撞方法，具体的说是一种基于V2X的路口通行防碰撞装置及防碰撞方法，属于车辆主动安全技术领域。

背景技术

路口的交通参与者较多，行人，非机动车，机动车以及交通信号灯使路口场景变得极为复杂，如何使车辆在遵守交通规则的情况下安全高效地通过路口，防止与其他交通参与者碰撞一直是无人驾驶通过路口的一大难题。现有的路口通行防碰撞方法主要分为两步：第一步，根据摄像头识别的交通信号灯的信号来判断车辆应该在停止线处刹停或是行驶通过路口。第二步，若本车无法通行，则控制本车在停止线前刹停，等待交通信号灯的切换；若本车可通行，则根据毫米波雷达、激光雷达、摄像头、惯性导航技术等输出的本车与路口目标障碍物的信息而计算得到的碰撞时间，来改变本车目前的运动状态（即控制本车的加减速）。此方法基本实现了本车在路口的防碰撞，通过路口功能。然而，目前的方法存在几个缺点：

1．目前普遍基于车载摄像头去识别红绿灯，将红绿灯信号（包括颜色，形状等）输出给本车作决策。由于摄像头识别并不稳定，在视野有遮挡的情况（例如本车前方有大卡车），以及在夜晚或雨雪天气，周边环境光线昏暗导致摄像头的视距变短，因此对识别红绿灯会造成影响。本车接收的红绿灯信号时有时无会造成本车的加减速切换频繁，运动状态不稳定，并有闯红灯的风险，造成对路口其他目标障碍物反应不及时，提高碰撞的概率。另外，摄像头无法识别红绿灯的倒计时，因此本车无法判断红绿灯的切换时机，特别是在停止线附近红绿灯的切换会导致本车的突然急刹，反应时间过短，刹停位置越过停止线，阻碍行人正常通行。

2．路口较为特殊，有减速或停车让行的交通行驶法则：左转车辆让行直行车辆，右转车辆让行直行和左转车辆（见图1,2），对于此类场景，本车需要更早的提前减速，并停在不进入优先方来车车道的位置等待通行；而对于不相关的车辆（例如本车左转，目标障碍物右转，见图3），应该正常通行。目前在路口计算本车与目标障碍物（特别是横向穿越障碍物）的碰撞时间的算法主要是先基于高精度地图规划的前方局部路径，计算每一个目标障碍物航迹与本车前方局部路径点的交点（即碰撞点），再计算本车与目标到达碰撞点的时间差，从而判断碰撞风险，筛选出最紧急的碰撞点，将碰撞点与本车的距离减去设定的安全距离作为本车应该刹停的位置，控制本车减速防止碰撞。该方法当需让行的目标障碍物速度不稳定时，会导致碰撞时间条件时满足时不满足，本车时加速时减速，无法完全让行危险目标，而刹停位置的计算仅仅是减去一个安全距离，没有考虑车道宽度等信息，会导致本车可能停在阻碍其他来车正常通行的位置；而对于不相关的目标车辆也可能会计算出碰撞交点P（见图4），从而会有不必要的减速刹车。另外，若本车的视野受到遮挡，即使依靠车载的毫米波雷达、激光雷达、摄像头也无法识别出危险车辆，极易产生碰撞。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于V2X的路口通行防碰撞装置及防碰撞方法，能够使车辆在路口防止碰撞，安全有效通过路口。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于V2X的路口通行防碰撞装置，包括车载OBU系统，车载高精度地图处理单元，路侧单元，计算处理单元及底盘控制单元。通过以上设备可实现对路口障碍物，红绿灯，道路信息的传输，处理，判断，计算并实现控制本车安全通过路口，防止碰撞；

路侧单元安装于路口附近，将红绿灯信息及障碍物信息处理后发送出来，车载OBU接收并处理信息后传输给计算处理单元，同时，高精度地图将路径信息通过接口传输给计算处理单元，计算处理单元将所有接收到的信息，包括红绿灯信息、障碍物信息、路径信息、定位信息及本车信息进行计算处理和决策规划，最终通过CAN总线将输出信号给到底盘控制单元，控制本车行驶；

所述车载OBU系统包括无线电通信子系统，惯性导航定位系统，车载设备处理单元以及天线，

所述无线电通信子系统用于接收和发送空中信号，惯性导航定位系统通常包含全球导航卫星系统接收器，用以提供车辆的位置、方向、速度和时间等信息，并增强定位信息，车载设备处理单元用于运行程序以生成需要发送的空中信号以及处理接收的空中信号，天线实现了射频信号的接受和发送；所述车载OBU系统安装在C柱后排座椅下方，天线部署在车顶鲨鱼鳍内，高精度地图实时输出前方的路径信息，计算处理单元相当于控制器，安装于后排座椅下方

一种基于V2X的路口通行防碰撞方法，包括如下步骤，

步骤1，根据当前路口的信号灯信息判断本车的通行状态；红灯时，控制本车在路口停止线前刹停，绿灯时，判断绿灯倒计时时间是否足够本车通过路口，若不足，则提前减速在停止线前刹停；

步骤2，若经过红绿灯判断本车为可通行状态，则需判断与路口其他障碍物是否有碰撞风险；在绿灯可通行时，先通过计算比较路口障碍物的航向角和路口其余三个方向的角度来确定障碍物的行驶方向，判断其行驶方向是否与本车会发生碰撞，如无碰撞风险，可行驶通过路口，避免对无风险本车产生不必要的减速刹车；若有碰撞风险，则需再进行其余碰撞条件的判断；

步骤3，控制本车通过本路口。

进一步的，所述步骤1中，当本车行驶靠近路口区域段，信号灯信息通过无线通信方式传输至安装于本车C柱后排座椅下方上的车载OBU系统；高精度地图输出前方2km以内的路径点信息，并通过I/O接口输入至计算处理单元，通过计算机处理单元进行坐标转换，得到在本车坐标系下前方50m的路径点信息；根据本车在路口的行驶方向判断对应的信号灯相位状态。

进一步的，所述高精度地图输出的路径点信息包括经纬坐标、航向角构成的基本信息，以及在路口区域段还会输出前方路径点中停止线标志位以及在路口本车的行驶方向，行驶方向包括左转、直行及右转。

进一步的，所述航向角为路径点所在位置的切线方向与正北方向的夹角。

进一步的，所述本车坐标系下前方50m的路径点信息至少包括横、纵坐标，本车坐标系下的航向角、距离起始点的距离，是否处于路口标志位，停止线标志位及本车在路口的行驶方向。

进一步的，若信号灯为红色或黄色，本车禁止通行，需在停止线前刹停，通过计算机处理单元计算本车与停止线的距离，并根据本车的当前速度计算减速度；

若为绿灯，则通过计算机处理单元计算本车整个车身过停止线所用的时间TVeh，并与倒计时时间TLight比较，若两者之差在设定的阈值范围内，即TVeh-TLight<Tthreshold时，其中，Tthreshold取值在[2,3]的区间内，说明本车有充足时间通过路口，可通行；反之，则需要计算减速度，提前减速在停止线前刹停，避免绿灯切换时造成本车反应时间过短，来不及在停止线处刹停。

进一步的，所述步骤2中，若经过红绿灯判断本车为可通行状态，则需判断与路口其他障碍物是否有碰撞风险；

若障碍物的行驶方向与本车具有碰撞风险，则根据障碍物的航向角与坐标形成的直线，计算出此直线与本车前方路径点的交点，通过本车及障碍物到此交点的距离以及当前速度分别计算出到此交点的时间，判断两者时间之差、障碍物的横向速度以及障碍物到碰撞交点的距离是否分别满足阈值范围，由此确定本车与障碍物是否有碰撞风险，是否需要控制本车减速让行；

若本车与障碍物有碰撞风险，则根据车道宽度与安全距离计算本车应让行的位置到本车的距离，根据此距离计算本车减速度；若有多个有碰撞风险的障碍物，分别计算本车应让行的位置，最终得出多个让行位置中到本车的最小距离，并根据最小距离计算减速度，控制本车减速让行直到危险障碍物消失。

进一步的，所述障碍物的航向角由高精度地图输出路口道路信息及路侧单元将路口障碍物的信息通过天线经过无线电通信传输至本车的车载单元（OBU），经过处理单元进行坐标转换为本车坐标系下得到目标障碍物的相对速度，相对横纵坐标，以及路口三个方向和目标障碍物在本车坐标系下的航向角。

进一步的，为避免发生障碍物速度不稳定导致前述时间之差时满足时不满足阈值条件，本车不停切换加减速的问题，因此增加距离条件判断：当障碍物距离碰撞点的距离小于阈值Dis_Threshold，并且横向速度Vy也在阈值Vy_Threshold范围内，也可判断此障碍物与本车会发生碰撞，这样本车可完全让行危险本车后再加速通过。

本发明的有益效果在于：

1.通过V2X传输的红绿灯及障碍物信息更加稳定，受视野影响较小，另外，红绿灯的倒计时信息能够更精确计算本车是否有足够的时间通过路口，减少闯红灯的概率，有助于对路口通行防碰撞的决策。

2.先通过对路口障碍物的航向角以及路口其余三个方向的角度进行计算比较，判断出障碍物的行驶方向是否会和本车产生碰撞，能够避免对无碰撞风险的障碍物产生不必要的减速反应。

3.碰撞条件判断的完善有利于防止产生判断结果的跳变，导致车辆状态不稳定，时加速时减速，无法完全让行危险车辆。

4.刹停位置的计算考虑了路口车道宽度等信息，使得本车在让行危险车辆时不会占用来车车道，更加安全。

附图说明

图1是左转车辆让行直行车辆的行车示意图。

图2 是右转车辆让行直行和左转车辆的行车示意图。

图3是本车左转而目标障碍物右转的行车示意图。

图4是基于图3计算碰撞交点p的示意图。

图5是本发明的流程框图。

图6是本发明的防碰撞方法判断障碍物行驶方向的示意图。

图7是本发明的防碰撞方法计算碰撞点及让行位置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本实施例提出了一种车辆在路口防止碰撞，安全有效通过路口的方法。基于V2X（合作式智能运输系统车用通信系统）的路口通行防碰撞方法根据路侧单元通过无线电传输输出的路口红绿灯信息（包括时间倒计时），路口障碍物信息（速度，加速度，航向角），以及高精度地图输出的本车前方路径点信息和路口道路信息实时综合判断本车在路口的应有的行驶状态（停止线前刹停或可通行但需让行危险车辆或正常通过），并计算本车与最危险目标的碰撞时间和让行刹停位置，从而控制本车加减速，安全通过路口。由路侧单元传输的红绿灯和障碍物信息更加稳定，受天气光线以及视野遮挡的影响较小，红绿灯倒计时的检测能够判断本车是否可以及时通过路口，提前作好减速准备；根据路径点和路口道路信息计算的本车与障碍物的碰撞点，碰撞时间和让行刹停位置能对于需要让行的障碍物更早减速，提前在安全位置刹停，避免占用优先方的车道，在完全让行危险车辆后再加速通过路口，更大程度的降低碰撞概率，同时也能判断出完全不会发生碰撞的目标，更有效的通过路口。

本发明实施例的目的是针对现有路口通行防碰撞方法因无法收到稳定的红绿灯信息以及障碍物信息导致闯红灯发生碰撞的风险，以及未考虑路口让行原则，来车的行驶方向及路口道路信息导致本车会发生时走时停，让行不及时，占用优先方车辆车道，增加碰撞风险，或对不相关的障碍物产生减速反应。

为了达到上述发明目的，解决目前的技术问题，本发明实施提出了一种基于V2X（合作式智能运输系统车用通信系统）的路口通行防碰撞方法，如图5所示，具体技术方案如下所述：

首先，根据当前路口的红绿灯信息判断本车的通行状态。当车辆行驶靠近路口区域段，红绿灯信息通过无线通信方式传输到本车上的车载单元（OBU）系统，此系统包括：无线电信子系统，定位系统，车载设备处理单元以及天线。同时，高精度地图可输出前方2km路径点信息，除了基本信息（经，纬坐标，航向角（路径点所在位置的切线方向与正北方向的夹角）），在路口区域段还会输出前方路径点中停止线标志位以及在路口本车的行驶方向（左转，直行，右转）。以上信息通过I/O接口输入至计算处理单元，通过处理单元进行坐标转换得到在车辆坐标系下前方50m的路径点信息，包括横、纵坐标，航向角（车辆坐标系下），距离起始点的距离，是否处于路口标志位，停止线标志位，本车在路口行驶方向等信息。根据本车在路口的行驶方向判断对应的红绿灯相位状态，若为红色或黄色，本车禁止通行，需在停止线前刹停，计算本车与停止线的距离，并根据本车的当前速度计算减速度。若为绿灯，计算本车整个车身过停止线所用的时间TVeh，与倒计时时间TLight作比较，若两者之差小于设定的阈值，即TVeh-TLight<Tthreshold时，说明本车有充足时间通过路口，可通行；反之，则需要计算减速度（计算方法同红灯状态下），提前减速在停止线前刹停，避免绿灯切换时造成本车反应时间过短，来不及在停止线处刹停。

其次，若经过红绿灯判断本车为可通行状态，则需判断与路口其他障碍物是否有碰撞风险。高精度地图输出路口道路信息（路口其余三个方向的角度信息，包括对向，左侧和右侧的角度信息，见图6），同时路侧单元将路口障碍物的信息通过天线，经过无线电通信传输给本车的车载单元（OBU）,经过处理单元进行坐标转换为车辆坐标系下得到目标障碍物的相对速度，相对横纵坐标，以及路口三个方向和目标障碍物在车辆坐标系下的航向角。第一步先判断障碍物的行驶方向是否会与本车发生碰撞：将障碍物的航向角与路口三个方向的航向角作比较（车辆坐标系下），计算两者之差是否在设定的范围内，即可确定此障碍物的大致行驶方向，并判断是否会与本车产生碰撞威胁。即判断两者之差是否满足AngleThreshold_Low<TargetHeadingAngle-IntersectionDirection<AngleThreshold_High，阈值的设定和可能会与本车发生碰撞的行驶方向相关。如图6所示，若本车左转，有A,B两车驶来，通过以上判断，可得出A为对向直行来车，行驶方向有可能会与本车发生碰撞，本车需要提前减速让行，而B车为左侧来车右转，其行驶方向不会与本车发生碰撞。因此可排除B障碍物，防止对B车产生不必要的减速反应。第二步，进行碰撞时间的计算以及碰撞风险的判断：经过第一步筛选出可能会与本车发生碰撞的路口来车后，在本车坐标系下根据障碍物的航向角，坐标形成一条直线，根据点到直线的距离公式，计算本车前方50m每一个路径点（X1，X2,…Xn）到此直线的距离（见图7），从中选取距离最近的路径点，此路径点可作为碰撞点P。计算障碍物与本车分别到碰撞点P的距离，根据障碍物的速度以及的本车的速度可求出两者分别到碰撞点所用时间，将两者时间作比较，若两者时间之差满足设定的范围，则说明障碍物与本车有碰撞风险。即判断Tlow_Threshold<T_Target-T_Host<Thigh_Threshold。为避免发生障碍物速度不稳定导致此条件时满足时不满足，本车时加速时减速的问题，因此增加距离条件判断：当障碍物距离碰撞点的距离小于阈值Dis_Threshold，并且横向速度Vy也在阈值Vy_Threshold范围内，也可判断此障碍物与本车会发生碰撞，这样本车可完全让行危险车辆后再加速通过。

综上所述，当障碍物同时满足以下几个条件，可判断与本车有碰撞风险，需要减速让行：1. 障碍物行驶方向会与本车产生碰撞 2. 障碍物的横向速度在设定的阈值范围内3. 障碍物与本车到碰撞点的时间差在设定的阈值范围内或者障碍物到碰撞点的距离小于设定的阈值。最后，处理单元计算本车应该停车让行的位置：将碰撞点到本车的距离Dis_Host2P减去（1/2车道宽）/sin（a），（a为障碍物航向角与碰撞点切线方向的夹角），再减去设定的安全距离SafeDis。因此本车应停车让行的位置与本车的距离为：Dis_Host2P-(1/2LaneWidth)/sin(a)-SafeDis，根据此距离可计算本车减速度，从而让行危险车辆，待危险车辆消失后加速通过路口。若有多个有碰撞风险的车辆，则计算出各自本车应让行的位置与本车的距离，得出最小的距离，根据最小距离来计算减速度，从而控制本车减速。

通过计算处理单元将以上算法运行并得到相应的加减速，将计算处理单元与底盘控制单元相连接，由此控制车辆通过路口。

Claims

1.一种基于V2X的路口通行防碰撞方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1，根据当前路口的信号灯信息判断本车的通行状态；红灯时，控制本车在路口停止线前刹停，绿灯时，判断绿灯倒计时时间是否足够本车通过路口，若不足，则提前减速在停止线前刹停；当本车行驶靠近路口区域段，信号灯信息通过无线通信方式传输至安装于本车C柱后排座椅下方上的车载OBU系统；高精度地图输出前方2km以内的路径点信息，并通过I/O接口输入至计算处理单元，通过计算机处理单元进行坐标转换，得到在本车坐标系下前方50m的路径点信息；根据本车在路口的行驶方向判断对应的信号灯相位状态；若信号灯为红色或黄色，本车禁止通行，需在停止线前刹停，通过计算机处理单元计算本车与停止线的距离，并根据本车的当前速度计算减速度；若为绿灯，则通过计算机处理单元计算本车整个车身过停止线所用的时间TVeh，并与倒计时时间TLight比较，若两者之差在设定的阈值范围内，即TVeh-TLight<Tthreshold时，其中，Tthreshold取值在[2,3]的区间内，说明本车有充足时间通过路口，可通行；反之，则需要计算减速度，提前减速在停止线前刹停，避免绿灯切换时造成本车反应时间过短，来不及在停止线处刹停；

步骤2，若经过红绿灯判断本车为可通行状态，则需判断与路口其他障碍物是否有碰撞风险；在绿灯可通行时，先通过计算比较路口障碍物的航向角和路口其余三个方向的角度来确定障碍物的行驶方向，判断其行驶方向是否与本车会发生碰撞，如无碰撞风险，可行驶通过路口，避免对无风险本车产生不必要的减速刹车；若有碰撞风险，则需再进行其余碰撞条件的判断；若经过红绿灯判断本车为可通行状态，则需判断与路口其他障碍物是否有碰撞风险；

若本车与障碍物有碰撞风险，则根据车道宽度与安全距离计算本车应让行的位置到本车的距离，根据此距离计算本车减速度；若有多个有碰撞风险的障碍物，分别计算本车应让行的位置，最终得出多个让行位置中到本车的最小距离，并根据最小距离计算减速度，控制本车减速让行直到危险障碍物消失；

步骤3，控制本车通过本路口；

基于V2X的路口通行防碰撞装置，包括车载OBU系统，车载高精度地图处理单元，路侧单元，计算处理单元及底盘控制单元；通过以上设备可实现对路口障碍物，红绿灯，道路信息的传输，处理，判断，计算并实现控制本车安全通过路口，防止碰撞；

所述车载OBU系统包括无线电通信子系统，惯性导航定位系统，车载设备处理单元以及天线，所述无线电通信子系统用于接收和发送空中信号，惯性导航定位系统通常包含全球导航卫星系统接收器，用以提供车辆的位置、方向、速度和时间信息，并增强定位信息，车载设备处理单元用于运行程序以生成需要发送的空中信号以及处理接收的空中信号，天线实现了射频信号的接受和发送；所述车载OBU系统安装在C柱后排座椅下方，天线部署在车顶鲨鱼鳍内，高精度地图实时输出前方的路径信息，计算处理单元相当于控制器，安装于后排座椅下方。

2.根据权利要求1所述的基于V2X的路口通行防碰撞方法，其特征在于：所述高精度地图输出的路径点信息包括经纬坐标、航向角构成的基本信息，以及在路口区域段还会输出前方路径点中停止线标志位以及在路口本车的行驶方向，行驶方向包括左转、直行及右转。

3.根据权利要求2所述的基于V2X的路口通行防碰撞方法，其特征在于：所述航向角为路径点所在位置的切线方向与正北方向的夹角。

4.根据权利要求1所述的基于V2X的路口通行防碰撞方法，其特征在于：所述本车坐标系下前方50m的路径点信息至少包括横、纵坐标，本车坐标系下的航向角、距离起始点的距离，是否处于路口标志位，停止线标志位及本车在路口的行驶方向。

5.根据权利要求1所述的基于V2X的路口通行防碰撞方法，其特征在于：所述障碍物的航向角由高精度地图输出路口道路信息及路侧单元将路口障碍物的信息通过天线经过无线电通信传输至本车的车载单元（OBU），经过处理单元进行坐标转换为本车坐标系下得到目标障碍物的相对速度，相对横纵坐标，以及路口三个方向和目标障碍物在本车坐标系下的航向角。

6.根据权利要求1所述的基于V2X的路口通行防碰撞方法，其特征在于：

首先，判断障碍物的行驶方向是否会与本车发生碰撞：将障碍物的航向角与路口三个方向的航向角比较，计算两者之差是否在设定的阈值范围内，即可确定此障碍物的行驶方向，并判断是否会与本车产生碰撞威胁，即判断两者之差是否满足AngleThreshold_Low<TargetHeadingAngle-IntersectionDirection<AngleThreshold_High，其中，TargetHeadingAngle和IntersectionDirection分别为障碍物以及路口三个方向在本车坐标系下的航向角，阈值的设定和可能会与本车发生碰撞的行驶方向相关；

其次，进行碰撞时间的计算以及碰撞风险的判断：经过筛选出可能会与本车发生碰撞的路口来车后，在本车坐标系下根据障碍物的航向角，坐标形成一条直线，根据点到直线的距离公式，计算本车前方50m每一个路径点，包括X1，X2，…Xn到此直线的距离，从中选取距离最近的路径点，将此路径点作为碰撞点P，计算障碍物与本车分别到碰撞点P的距离，根据障碍物的速度以及的本车的速度可求出两者分别到碰撞点所用时间，将两者时间作比较，若两者时间之差满足设定的阈值范围，则说明障碍物与本车有碰撞风险，即判断Tlow_Threshold<T_Target-T_Host<Thigh_Threshold，其中T_Target和T_Host分别为障碍物和本车到达碰撞点所用时间，Tlow_Threshold和Thigh_Threshold分别为最低和最高阈值。

7.根据权利要求6所述的基于V2X的路口通行防碰撞方法，其特征在于：为避免发生障碍物速度不稳定导致前述时间之差时满足时不满足阈值条件，本车不停切换加减速的问题，因此增加距离条件判断：当障碍物距离碰撞点的距离小于阈值Dis_Threshold，并且横向速度Vy也在阈值Vy_Threshold范围内，也可判断此障碍物与本车会发生碰撞，这样本车可完全让行危险障碍物后再加速通过。