CN114613131A - 一种基于安全裕度的个性化前向碰撞预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明开发了一种一种基于安全裕度的个性化前向碰撞预警方法。方法包括(1)通过车辆自身传感器及车联网获取的自车与前车运动状态数据，筛选有效的跟驰数据片段；(2)结合驾驶人反应时间对跟驰过程中驾驶人的前向碰撞安全裕度预警阈值进行在线辨识与更新。(3)基于(2)中的辨识结果，对驾驶人跟驰过程进行实时前向碰撞预警。

Description

一种基于安全裕度的个性化前向碰撞预警方法

技术领域

本发明涉及交通安全领域，特别是一种基于安全裕度的个性化前向碰撞预警方法。

背景技术

前向碰撞预警(Forward Collision Warning，FCW)是为了降低车辆追尾碰撞风险、提高车辆跟驰安全 性而发展起来的一项高级辅助驾驶技术。其主要工作原理是基于传感器采集的车辆及道路信息，实时评估 跟驰过程中自车的前向碰撞风险水平，并基于特定预警规则适时对驾驶人发出预警信息，以避免追尾事故 发生。研究表明，车辆前向碰撞预警技术能帮助驾驶人更快速准确地应对潜在的紧急情况，有效降低跟驰 过程中追尾碰撞事故的发生率及严重程度。

前向碰撞预警指标(Forward Collision Warning Indicator，FCWI)及其阈值T(FCWI)的选取与确定是前 向碰撞预警系统设计中的两个关键问题。若选取的FCWI无法准确实时表征驾驶人跟驰过程中对前向碰撞 风险的感知水平，系统易出现误报漏报。而T(FCWI)的大小则直接决定了前向碰撞预警时刻的合理性。如果 预警过早，预警信息可能会被驾驶人忽略甚至引起分心或烦躁，降低使用舒适性。如果预警过迟，则不仅 难以保障行车安全，更会降低驾驶人对前向碰撞预警系统的信任度。现有的前向碰撞预警方法一般通过实 时判断车辆前向碰撞风险是否达到所选取FCWI的阈值T(FCWI)来决定是否发出预警信息，其中T(FCWI)则 通常由自然驾驶数据统计分析或经验值确定。已有研究中常见的FCWI可分为安全距离类、安全时间类与 风险量化类三种。安全距离类通常基于当前车辆跟驰状态计算期望安全车距，比较典型的安全车距模型包 括MAZDA模型、HONDA模型与Berkeley模型。安全时间类一般可用来表征驾驶人应对当前潜在前向碰 撞危险的剩余时间，主要包括距离碰撞时间(Time to Collision，TTC)、车头时距(Time Headway，THW)， 时间裕度(Time Margin，TM)。其中，TTC表示在碰撞轨迹与前后车速度恒定的条件下，从当前时刻至 碰撞发生时刻所需要的时间。TTC值越小，前向碰撞风险越高，常用预警阈值为2.5秒-4秒，如Mobileye 后装产品中FCW功能的TTC预警阈值为2.7秒。在实际应用中，为了避免TTC在两车速度较为接近时易 产生极值的问题，常利用其倒数TTCi表征前向碰撞风险。THW表示同一车道相邻两辆车的车头驶过同一 地点的时间差。THW值越小，跟驰过程中的前向碰撞风险越高，常用预警阈值为2s-3s。TM表示在前车 制动时，后车通过减速以避免追尾碰撞所需的时间。TM值越小，跟驰过程中的前向碰撞风险越高，研究 中以1.5秒作为预警阈值。风险量化类一般通过构建风险量化指标来估计前向碰撞风险，如预警系数W， 风险感知系数(Risk Perception，RP)、安全裕度(Safety Margin，SM)。预警系数W结合MAZDA模型与Honda模型，由实际车距、临界制动距离与临界预警距离的比值关系决定。W大于1时，道路环境安全， 无需预警；W越小于1时，前向碰撞风险越高。RP由1/THW与TTCi线性回归而成，用以同时表征驾驶 人在跟驰过程中稳态和瞬态的主观风险水平，RP值越大，前向碰撞风险越高，研究中取RP为2作为驾驶 人制动的阈值。安全裕度指标SM用以量化跟驰过程中驾驶人的风险感知水平，SM值越低，驾驶人感知 到的主观风险水平越高，相关研究表明SM在表征驾驶人跟驰风险特征上优于TTC和TH。

上述基于特定FCWI及固定阈值的前向碰撞预警方法，虽然能够在一定程度上提高行车安全性，但忽 略了不同驾驶人对于前向碰撞风险反应与承受特征的异质性，易导致预警信息不符合驾驶人心理预期、预 警功能接受度低等问题。因此近年来，学者们逐渐开始关注FCW功能对不同驾驶人的适应能力。Qi等人 利用聚类方法和主题模型把驾驶人分为激进、中立与谨慎三类，并应用至FCW系统中。Wang等人基于驾 驶人制动数据，利用灰度预测方法实现驾驶人风险感知阈值预测，并利用信息熵理论与决策树方法进行评 价与更新，提高了驾驶辅助系统的接受度。Arbabzadeh等人基于驾驶人特征、驾驶行为和周围驾驶条件，利用分层正则化回归模型来估计的驾驶人反应时间，并以此计算FCW功能的临界距离。Wang等人提出了 一种基于TTCi与THW的双层FCW结构，并基于驾驶人制动数据在线辨识优化不同驾驶人的最佳阈值。

虽然驾驶人特征在FCW功能中的影响逐渐受到学者关注，但针对驾驶人反应时间的研究仍旧不够完 善。根据刺激-反应理论，驾驶人对于跟驰状态变化的刺激，通常需要经过感知-决策-动作的过程来实现车 辆操纵。传统的前向碰撞预警系统往往只聚焦于驾驶人制动时刻的跟驰状态分析，忽略了跟驰过程中驾驶 人反应时间的影响。而实际上，在踩下制动踏板产生制动信号前，驾驶人已经感知到了前向碰撞风险并做 出了制动决策。因此，驾驶人反应时间对于T(FCWI)的选取至关重要。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在为车辆跟驰过程提供一种基于安全裕度的个性化前向碰撞预警方法，为 不同驾驶人设置差异化的前向碰撞预警阈值，包括如下步骤：

步骤1，通过车辆自身传感器及车联网获取的自车与前车运动状态数据，判断车辆是否处于跟驰状 态，筛选有效的跟驰数据片段。

步骤1-1，通过车辆自身传感器及车联网获取所需前后两车的运动状态数据，具体包括t时刻两车速 度v_n(t)、v_n-1(t)，两车加速度a_n(t)、a_n-1(t)，两车纵向间距D_n(t)，横向间距L_n(t)，两车车头时距THW_n(t)， 两车航向角之差HAD_n(t)，后车宽度W_n，后车制动信号Brake_n(t)，其中n表示后车(FV)、n-1表示前车 (LV)、Brake_n(t)＝1表示车辆制动踏板被踩下、Brake_n(t)＝0表示车辆制动踏板未被踩下。

步骤1-2，建立如下约束：THW_n(t)＜5s；|L_n(t)|＜0.5W_n+0.5m；|HAD_n(t)|＜0.1rad；D_n(t)＞5m；

V_n(t)＞3m/s,V_n-1(t)＞3m/s，筛选有效的车辆跟驰数据，并计算跟驰状态下的车辆安全裕度值

其中τ_v制动过程中的车辆的响应时间，取0.15s，

表示制动过程中车辆的最大减速度，取0.75g，g表示 重力加速度。

步骤2，基于步骤1获得的有效跟驰数据片段，结合驾驶人反应时间对跟驰过程中驾驶人的安全裕 度预警阈值进行在线辨识与更新。

步骤2-1，根据车辆制动信号找到车辆制动起始时刻t_b，其满足约束Brake_n(t_b-1)＝1&Brake_n(t_b)＝1， 此时的安全裕度值为SM(_tb)。

步骤2-2，驾驶人前撞风险感知时刻t_p的安全裕度值可表示为：SM_n(t_p)＝SM_n(t_b-τ_n)，其中τ_n表示后 车驾驶人反应时间，一般可取参考值0.75s。

步骤2-3，对跟驰过程中的每个制动起始时刻计算其对应的前向碰撞风险感知时刻，并进一步得到驾 驶人风险感知时刻的安全裕度数据向量SM_n(t_p)＝(SM_n(t_p(1)),SM_n(t_p(2)),...,SM_n(t_p(k)))，其中k表示向量长度。

步骤2-4，驾驶人的前向碰撞安全裕度预警阈值T_n(SM)可由下式得到：

步骤3，基于步骤2中的预警阈值结果，将其应用于车辆FCW系统中对驾驶人跟驰过程进行实时预 警。若SM_n(t)＞T_n(SM)，说明当前前向碰撞风险未达到阈值，系统不进行预警；若SM_n(t)≤T_n(SM)，说明 当前前向碰撞风险达到阈值，有可能发生追尾碰撞，系统对驾驶人进行预警。

附图说明

图1a为根据本公开具体实施方式所述的跟驰场景中制动反应示意图；

图1b为根据本公开具体实施方式所述的两车原始跟驰片段速度图；

图1c为根据本公开具体实施方式所述的两车原始跟驰片段时空图；

图2a为根据本公开具体实施方式所述的跟驰场景中车辆制动反应示意；

图2b为根据本公开具体实施方式所述的SM与制动信号的对比图；

图2c为根据本公开具体实施方式所述的各前向碰撞风险感知时刻SM值；

图3为根据本公开具体实施方式所述的整体逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本实施例所提供的基于安全裕度的个性化前向碰撞预警方法包括以下步骤：

步骤1，通过车辆自身传感器及车联网获取的自车与前车运动状态数据，判断车辆是否处于跟驰状 态，并在此基础上进一步筛选跟驰状态下有效的制动数据片段。

步骤1-1，通过车辆自身传感器及车联网获取所需前后两车的运动状态数据，具体包括t时刻两车速 度v_n(t)、v_n-1(t)，两车加速度a_n(t)、a_n-1(t)，两车纵向间距D_n(t)，横向间距L_n(t)，两车车头时距THW_n(t)， 两车航向角之差HAD_n(t)，后车宽度W_n，后车制动信号Brake_n(t)，其中n表示后车(FV)、n-1表示前车 (LV)、Brake_n(t)＝1表示车辆制动踏板被踩下、Brake_n(t)＝0表示车辆制动踏板未被踩下。在本实施例中， 车辆跟驰场景示意图如图1a所示。

步骤1-2，建立如下约束：THW_n(t)＜5s；|L_n(t)|＜0.5W_n+0.5m；|HAD_n(t)|＜0.1rad；D_n(t)＞5m；

V_n(t)＞3m/s,V_n-1(t)＞3m/s，筛选有效的车辆跟驰数据，并计算跟驰状态下的车辆安全裕度值

其中τ_v制动过程中的车辆的响应时间，取0.15s，

表示制动过程中车辆的最大减速度，取0.75g， g表示重力加速度。在本实施例中，车辆数据采集频率为20Hz，原始车辆跟驰数据片段的两车速度及时空 图分别如图1b，图1c所示。

步骤2，基于步骤1获得的有效跟驰数据片段，结合驾驶人反应时间对跟驰过程中驾驶人的安全裕 度阈值进行在线辨识与更新。在本实施例中，跟驰场景中车辆制动反应示意如图2a所示，其中X轴表示 距离，t轴表示时间。

步骤2-1，根据车辆制动信号找到车辆制动起始时刻t_b，其满足约束Brake_n(t_b-1)＝1&Brake_n(t_b)＝1， 此时的安全裕度值为SM(_tb)。在本实施例中，SM与制动信号的对比图如图2b所示

步骤2-2，驾驶人前撞风险感知时刻t_p的安全裕度值可表示为：SM_n(t_p)＝SM_n(t_b-τ_n)，其中τ_n表示后 车驾驶人反应时间，在本实施例中取τ_n＝0.75s。进一步得到驾驶人风险感知时刻的安全裕度数据向量 SM_n(t_p)＝(SM_n(t_p(1)),SM_n(t_p(2)),...,SM_n(t_p(k)))，其中k表示向量长度。在本实施例中，k＝5，各前向碰撞风险 感知时刻SM值对比如图2c所示。

步骤2-3，驾驶人的前向碰撞安全裕度预警阈值T_n(SM)可由下式得到：

在本实施例中，求得的驾驶人前向碰撞安全裕度预警阈值为T_n(SM)＝0.774。

步骤3，基于步骤2中的预警阈值结果，将其应用于车辆FCW系统中对驾驶人跟驰过程进行实时预 警。若SM_n(t)＞T_n(SM)，说明当前前向碰撞风险未达到阈值，系统不进行预警；若SM_n(t)≤T_n(SM)，说明 当前前向碰撞风险达到阈值，有可能发生追尾碰撞，系统对驾驶人进行预警。在本实施例中，取 T_n(SM)＝0.774，并将该阈值应用于车辆的FCW系统。

上述实例仅用于说明本发明的实施方式，其中方法的各个步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发 明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种基于安全裕度的个性化前向碰撞预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过车辆自身传感器及车联网获取的自车与前车运动状态数据，判断车辆是否处于跟驰状态，筛选有效的跟驰数据片段。

步骤1-1，通过车辆自身传感器及车联网获取所需前后两车的运动状态数据，具体包括t时刻两车速度v_n(t)、v_n-1(t)，两车加速度a_n(t)、a_n-1(t)，两车纵向间距D_n(t)，横向间距L_n(t)，两车车头时距THW_n(t)，两车航向角之差HAD_n(t)，后车宽度W_n，后车制动信号Brake_n(t)，其中n表示后车(FV)、n-1表示前车(LV)、Brake_n(t)＝1表示车辆制动踏板被踩下、Brake_n(t)＝0表示车辆制动踏板未被踩下。

步骤1-2，建立如下约束：THW_n(t)＜5s；|L_n(t)|＜0.5W_n+0.5m；|HAD_n(t)|＜0.1rad；D_n(t)＞5m；

V_n(t)＞3m/s,V_n-1(t)＞3m/s，筛选有效的车辆跟驰数据，并计算跟驰状态下的车辆安全裕度值

其中τ_v制动过程中的车辆的响应时间，取0.15s，

表示制动过程中车辆的最大减速度，取0.75g，g表示重力加速度。

步骤2，基于步骤1获得的有效跟驰数据片段，结合驾驶人反应时间对跟驰过程中驾驶人的安全裕度预警阈值进行在线辨识与更新。

步骤2-1，根据车辆制动信号找到车辆制动起始时刻t_b，其满足约束Brake_n(t_b-1)＝1&Brake_n(t_b)＝1，此时的安全裕度值为SM(t_b)。

步骤2-2，驾驶人前撞风险感知时刻t_p的安全裕度值可表示为：SM_n(t_p)＝SM_n(t_b-τ_n)，其中τ_n表示后车驾驶人反应时间，一般可取参考值0.75s。

步骤2-3，对跟驰过程中的每个制动起始时刻计算其对应的前向碰撞风险感知时刻，并进一步得到驾驶人风险感知时刻的安全裕度数据向量SM_n(t_p)＝(SM_n(t_p(1)),SM_n(t_p(2)),...,SM_n(t_p(k)))，其中k表示向量长度。

步骤2-4，驾驶人的前向碰撞安全裕度预警阈值T_n(SM)可由下式得到：

步骤3，基于步骤2中的预警阈值结果，将其应用于车辆FCW系统中对驾驶人跟驰过程进行实时预警。若SM_n(t)＞T_n(SM)，说明当前前向碰撞风险未达到阈值，系统不进行预警；若SM_n(t)≤T_n(SM)，说明当前前向碰撞风险达到阈值，有可能发生追尾碰撞，系统对驾驶人进行预警。

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