CN113674551A - 一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法，包括以下步骤：获取本车位置信息，采集本车的基本数据，获取其他车辆的位置信息和基本数据，并计算得到本车和其他车辆的相对方位角和相对航向角；所述基本数据至少包括速度和加速度；筛选本车前方行驶车道上距离本车最近的其他车辆，计算本车与该车辆的距离差，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则结束判断。本发明能在能见度比较低、距离比较远有遮挡情况下，辅助驾驶系统能正常执行前向碰撞预警，且不但适用于单车道或者是多车道直行道路，同样适用于环岛、弯道以及上下高架桥场景，实用性极强。

Description

一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法与系统
技术领域
本发明属于车辆控制领域，具体涉及一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法与系统。
背景技术
随着汽车使用量的不断增加，汽车的安全问题也越来越受到重视，其中的车辆碰撞预警备受关注。目前车辆驾驶辅助系统大多基于摄像头、雷达等传感器，所获取的信息量较少，且在低光、低可视或不可视情况下，很难对可能发生的碰撞进行检测并预警。且传感器、雷达和摄像头方案仅限于自身可能发生碰撞的检测，并不能够实现信息共享，无法在交通控制层面提升整体安全水平。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法与系统，在能见度比较低、距离比较远有遮挡情况下，辅助驾驶系统能正常执行碰撞预警。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法，包括以下步骤：
获取本车位置信息，采集本车的基本数据，获取其他车辆的位置信息和基本数据，并计算得到本车和其他车辆的相对方位角和相对航向角；所述基本数据至少包括速度和加速度；
判断本车的行驶车道类型并获取车道宽度，所述行驶车道类型至少包括直行车道和弯道；
当判断本车的行驶车道类型为直行车道时，筛选本车行驶车道上距离本车最近的其他车辆，判断本车与该车辆是否在同一车道上，若两车处于同一车道上，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则准备进入下一步判断；若两车不在同一车道上，计算得到两车距离的正弦值，当该正弦值小于或等于车道宽度时，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则准备进入下一步判断；当该正弦值大于车道宽度时，则结束判断；
当判断本车的行驶车道类型为弯道时，筛选本车前方行驶车道上距离本车最近的其他车辆，计算本车与该车辆的距离差，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则结束判断。
所述行驶车道类型还包括环岛和上下高架桥。
采用谷歌地图方法计算经纬度，以获取本车和其他车辆的相对方位角和相对航向角。
一种利用如上述的一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法的系统，包括：
定位采集模块，用于获取本车位置信息，采集本车的基本数据，获取其他车辆的位置信息和基本数据，并计算得到本车和其他车辆的相对方位角和相对航向角；所述基本数据至少包括速度和加速度；
判断模块，用于判断本车的行驶车道类型并获取车道宽度，所述行驶车道类型至少包括直行车道和弯道；当判断本车的行驶车道类型为直行车道时，筛选本车前方行驶车道上距离本车最近的其他车辆，判断本车与该车辆是否在同一车道上，若两车处于同一车道上，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则准备进入下一步判断；若两车不在同一车道上，计算得到两车距离的正弦值，当该正弦值小于或等于车道宽度时，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则准备进入下一步判断；当该正弦值大于车道宽度时，则结束判断；当判断本车的行驶车道类型为弯道时，筛选本车前方行驶车道上距离本车最近的其他车辆，计算本车与该车辆的距离差，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则结束判断。
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明能在能见度比较低、距离比较远有遮挡情况下，辅助驾驶系统能正常执行前向碰撞预警，且不但适用于单车道或者是多车道直行道路，同样适用于环岛、弯道以及上下高架桥场景，实用性极强。
附图说明
图1为本发明实施例的逻辑示意图；
图2为本发明实施例中计算经纬度方法的示意图；
图3(a)为本发明实施例中两车相对方位角的示意图；
图3(b)为本发明实施例中两车相对航向角的示意图；
图4为本发明实施例中本车的行驶车道为直行车道时的示意图；
图5为本发明实施例中本车的行驶车道为弯道时的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的技术方案如下：
车辆通过惯导、GPS等装置定位车辆的位置信息，然后通过V2X无线通信技术进行车辆速度、加速度、转向灯状以及方向盘转角等各种基本数据的实时交换，假设车辆A为本车，本车通过V2X通讯技术来获得远车的状态信息，由于V2X车载设备单元的数据发送取决于自身定位系统，当定位失效时，V2X车载设备单元不向外广播消息，其发送频率和定位数据更新频率相同。这造成不同传感器的采样频率并不相同，从而会导致对本车及远车当前时刻的状态进行计算时存在较大的误差，因此若采样的数据并不在同一时间点，那么对本车及邻车的状态信息的确定是毫无意义的。因为相较于雷达、摄像头等传统传感器设备，惯导及GPS定位装置采样频率低，因此我们需要对惯导及GPS定位装置所采集的车辆状态信息参数进行插值处理，以确保不同传感器的数据同步。
假设插值前GPS定位装置采集的经纬度坐标分别为L0和B0，插值后的经纬度坐标为L和B，则有以下插值公式：
Figure BDA0003198793370000041
其中ΔL与ΔB分别表示经纬度坐标的的插值偏移量，计算公式为：
Figure BDA0003198793370000042
其中，vh表示车辆行驶速度，Δt表示插值时间间隔，
Figure BDA0003198793370000043
表示车辆航向角，l表示同一经度下纬度增加一度的距离。
同理，惯导及GPS定位装置采集的其余参数以相同的计算原理来进行插值处理，最终确保所有传感器上的数据采集时间上的同步，从而达到各模型的输入要求。
合适的坐标系选择，能有效地简化碰撞危险点的分析过程并减少计算量，从而有效增加对于车辆运动状态预测的精度。由于预警策略建立中对于车辆间相对关系的分析需求，本文选择在本车上建立坐标系并以该坐标系作为公共坐标系，建立的坐标系名称为本车车体坐标系，以下简称本车坐标系。本车坐标系的建立过程为，以本车的质心为原点，本车纵向为Y轴，车头方向为Y轴正方向；本车横向为X轴，面向车头下右侧为X轴正方向；垂直于底盘水平面的垂直线为Z轴，垂直线向上方向为Z轴正方向。
通过GPS定位装置采集的在WGS-84坐标系下表示的车辆位置信息，转换为空间直角坐标系下来表示。即将WGS-84坐标系下的位置参数(L，B，H)，转换为空间直角坐标系下的位置参数(X，Y，Z)，具体计算公式如下：
Figure BDA0003198793370000051
其中，
Figure BDA0003198793370000052
为卯酉圈的半径，
式中，
Figure BDA0003198793370000053
a为地球椭圆长半轴，b为地球椭圆短半轴。
如图2，主车HV和远车RV的经纬度为A(LA，BA)和B(LB，BB)。LA和LB为经度，BA和BB为纬度。设过C点的直线垂直于0A，交于M点，则对于A点，
Figure BDA0003198793370000054
方向为北，且与过A正北方向的切线平行。由于A点和B点之间的距离比较近，则直线AB可以看为过点A的切线，由图得知二面角C-OA-B等价于
Figure BDA0003198793370000055
种
Figure BDA0003198793370000056
之间的夹角α。
用空间几何推导计算二面角C-OA-B，采用谷歌地图方法，直接用经纬度计算，认为∠AOE和∠BOF分别为A，B两点的纬度，∠EOF为经度之差。
①先求sin(∠AOB)，由三面角余弦定理得：
cos(∠AOB)＝sin(∠AOC)cos(∠BOC)+sin(∠AOC)cos(∠BOC)cos(∠EOF)
＝sin(BA)sin(BB)+cos(BA)cos(BB)cos(LB-LA)
则，
Figure BDA0003198793370000057
②由球面正弦公式可得：
Figure BDA0003198793370000058
式中，sin(＜A-OC-B)＝sin(＜EOF)＝sin(LB-LA)
则，二面角C-0A-B为：
当主车HV在RV南边(BB-BA＞0)时，
Figure BDA0003198793370000061
当主车HV在RV北边(BA-BB＞0)时，
Figure BDA0003198793370000062
③在本车坐标下的相对方位角β为：
当远车RV在HV东边(LB-LA＞0)时，
Figure BDA0003198793370000063
当远车RV在HV西边(LB-LA＜0)时，
Figure BDA0003198793370000064
式中，
Figure BDA0003198793370000065
表示本车车头方向与正北方向的顺时针夹角。
相对方位角β，取值范围为[0，2π]，是指在本车坐标系中，从坐标轴纵轴正方向起，顺时针量到本车质心点与邻车质心点所决定的直线间的夹角，即为邻车与本车的相对方位角。如图3(a)所示，根据图中所示的两车相对位置关系，此时邻车与本车的相对方位角即为315°。
相对航向角γ，取值范围为[0，2π]，是指在本车坐标系中，从坐标轴纵轴正方向起，顺时针量到本车坐标系原点与邻车航向的矢量所决定的直线间的夹角，即为邻车与本车的相对航向角。如图3(b)所示，根据图中所示的两车航向角在本车坐标系中的相对关系，此时邻车与本车的相对航向角即为45°。计算公式如下：
Figure BDA0003198793370000066
式中，
Figure BDA0003198793370000067
表示本车车头方向与正北方向的顺时针夹角，
Figure BDA0003198793370000068
表示远车车头方向与正北方向的顺时针夹角。
(2)第一阶段本车通过搭载的V2X无线通信装置将本车的GNSS位置信息周期性向外广播，路测试智能设施RSU接收到本车发送的位置信息，然后结合高精度地图得出当前本车即将行驶的道路特征(包括但不限于道路的车道数、宽度以及是直道、弯道、连续弯道、环岛、上下高架等)，最后将消息发送给本车。
(3)假设本车为车辆A在直道上行驶，如图4所示，通过自身搭载的惯导、GPS等定位装置，车辆A、车辆B和车辆C得到各自的位置和航向角数据，并通过V2X无线通信方式交互行驶状态信息。车辆A的辅助驾驶系统计算出其他车辆在本车坐标系下的相对方位角和相对航向角，然后筛选在本车前方且距离最近的车辆C。车辆A和车辆C的距离为SAC、沿着车道方向的ΔS2以及垂直于车道方向的距离为ΔS′2。
Figure BDA0003198793370000071
1)当ΔS′2＞车道宽度时，则不发生碰撞，不预警；
2)当ΔS′2≤车道宽度时，若t＞t设定(碰撞预警阈值)时，则不预警，若t＞t设定时，则预警。
Figure BDA0003198793370000072
其中，
Figure BDA0003198793370000073
假设本车为车辆A，车辆A和车辆B均在弯道上行驶，如图5所示，通过自身搭载的惯导、GPS等定位装置，车辆A、车辆B得到各自的位置和航向角数据，并通过V2X无线通信方式交互行驶状态信息。车辆A的辅助驾驶系统计算出其他车辆在本车坐标系下的相对方位角和相对航向角，然后筛选在本车前方且距离最近的车辆B。
车辆A在弯道行驶过程中与车辆B有碰撞危险发生可能性的相对方位角范围如表1：
表1
右转向灯打开 左转向灯打开
相对方位角β (0，90)右前 (270,360)左前
根据路侧智能基础设备RSU记录的车辆B从车辆A当前的位置行驶到车辆B当前位置里程表增量即车辆A和车辆B的距离差，记为ΔS1。
Figure BDA0003198793370000081
其中，
Figure BDA0003198793370000082
若t＞t设定(碰撞预警阈值)时，则不预警；若t＞t设定时，则预警。
当即将行驶的路线为环岛、上下高架桥均可参考以上方法。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取本车位置信息，采集本车的基本数据，获取其他车辆的位置信息和基本数据，并计算得到本车和其他车辆的相对方位角和相对航向角；所述基本数据至少包括速度和加速度；
判断本车的行驶车道类型并获取车道宽度，所述行驶车道类型至少包括直行车道和弯道；
当判断本车的行驶车道类型为直行车道时，筛选本车行驶车道上距离本车最近的其他车辆，判断本车与该车辆是否在同一车道上，若两车处于同一车道上，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则准备进入下一步判断；若两车不在同一车道上，计算得到两车距离的正弦值，当该正弦值小于或等于车道宽度时，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则准备进入下一步判断；当该正弦值大于车道宽度时，则结束判断；
当判断本车的行驶车道类型为弯道时，筛选本车前方行驶车道上距离本车最近的其他车辆，计算本车与该车辆的距离差，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则结束判断。
2.根据权利要求1所述的一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法，其特征在于，所述行驶车道类型还包括环岛和上下高架桥。
3.根据权利要求1所述的一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法，其特征在于，采用谷歌地图方法计算经纬度，以获取本车和其他车辆的相对方位角和相对航向角。
4.一种利用如权利要求1所述的一种基于车路协同的车辆前向碰撞预警方法的系统，其特征在于，包括：
定位采集模块，用于获取本车位置信息，采集本车的基本数据，获取其他车辆的位置信息和基本数据并计算得到本车和其他车辆的相对方位角和相对航向角；所述基本数据至少包括速度和加速度；
判断模块，用于判断本车的行驶车道类型并获取车道宽度，所述行驶车道类型至少包括直行车道和弯道；当判断本车的行驶车道类型为直行车道时，筛选本车行驶车道上距离本车最近的其他车辆，判断本车与该车辆是否在同一车道上，若两车处于同一车道上，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则准备进入下一步判断；若两车不在同一车道上，计算得到两车距离的正弦值，当该正弦值小于或等于车道宽度时，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则准备进入下一步判断；当该正弦值大于车道宽度时，则结束判断；当判断本车的行驶车道类型为弯道时，筛选本车前方行驶车道上距离本车最近的其他车辆，计算本车与该车辆的距离差，计算出两车的碰撞时间是否小于或等于碰撞预警阈值，若是，则进行预警，若否，则结束判断。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述行驶车道类型还包括环岛和上下高架桥。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，采用谷歌地图方法计算经纬度，以获取本车和其他车辆的相对方位角和相对航向角。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。
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