TWI499528B - 車輛碰撞預警裝置與方法 - Google Patents

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Description

車輛碰撞預警裝置與方法
本發明係關於一種預警裝置與方法，特別係關於一種車輛於行駛狀態改變時的碰撞預警裝置與方法。
由於現今車輛主動式安全之技術日益受到重視，越來越多先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance System,ADAS)之產品上市，例如碰撞預防系統(Pre-Crash System)，此類系統多使用光學攝影機、雷達或超音波等感測器以偵測周圍車輛，但是由於感測訊號容易受到障礙物與日夜光線之影響，造成效能低下，因此亟須改善。
本發明提供了一種車輛碰撞預警裝置，包括：一感測模組，以感測一第一訊號，此第一訊號至少包括一第一位置；一通訊模組，以接收一第二訊號，此第二訊號至少包括一第二位置；一運算單元，連接該感測模組與該通訊模組，以接收該第一訊號與該第二訊號，分別轉換該第一訊號與該第二訊號為一第一速度與一第二速度，以取得一相對速度與一相對位置，並進行一向量運算以產生一法線距離、一到達時間與一第一結果，再根據該第一結果，決定進行一預警運算以產生一第 二結果；及一警示元件，連接該運算單元，根據該第二結果以發送一警訊為了解決先射面和該接地面之間。
本發明再提供了一種車輛碰撞預警方法，包括：感測一第一訊號，此第一訊號至少包括一第一位置；接收一第二訊號，此第二訊號至少包括一第二位置；分別轉換該第一位置與該第二位置為一第一速度與一第二速度，以取得該第二速度相對於該第一速度之一相對速度；根據該相對速度取得一相對位置；進行一向量運算以產生一法線距離、一到達時間與一第一結果；根據該第一結果，決定進行一預警運算以產生一第二結果；根據該第二結果發送一警訊。
10‧‧‧車輛碰撞預警裝置
11‧‧‧運算單元
12‧‧‧通訊模組
13‧‧‧感測模組
14‧‧‧儲存元件
15‧‧‧警示元件
S21~S26‧‧‧步驟
圖1為本發明之系統架構圖。
圖2為本發明之向量運算示意圖。
圖3為本發明之運算與判斷步驟流程圖。
圖4為本發明計算預警距離之位置示意圖。
為了讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1為本發明之系統架構圖，顯示了本發明之車輛碰撞預警裝置10之系統架構，此裝置10舉例可以整合於汽車或機車上，或即是一行動裝置，例如智慧手機、平板電腦或筆記型電腦而擺置於車輛上使用。預警裝置10包括：一運算單元 11、一通訊模組12、一感測模組13、一儲存元件14，以及一警示元件15；其中運算單元11為一處理器以執行數學運算與邏輯判斷；通訊模組12為一無線通訊設備，連接運算單元11以接收或發送訊號；感測模組13分別連接運算單元11與通訊模組12，至少包括一全球定位裝置(GPS)以感測預警裝置10本身之位置或是車輛之位置，另外選擇性地再包括其他感測器，例如方向盤轉向角感測器等；儲存元件14連接運算單元11，為一儲存媒體以儲存暫時性及或永久性之資料；警示元件15連接運算單元11，至少為一聲音或影像之輸出設備，例如擴音器或顯示器。
同圖1所示，為了使道路上所有車輛都能相互無誤地收發訊號，通訊模組12一般必須符合共同的車間通訊標準(V2V)，例如車用環境無線存取(Wireless Access in Vehicular Environment,WAVE)之專用短程通訊(Dedicated Short-Range Communication,DSRC)標準等，此標準通常規範了訊號傳輸之頻段、格式與發送周期，而訊號包括了由感測模組13所感測到之訊號，例如車輛位置、轉向角、車輛型號或車長與車寬等，通訊模組12可直接自感測模組13或經運算單元11接收上述訊號，並以每秒多次或十多次地發送或廣播，同樣地，也以相同周期接收其它車輛所廣播之相同訊號至運算單元11。
一般而言，當二車對向行駛時，二車之距離將隨著逐漸接近而變小，直至會車瞬間為最小，此後再隨著逐漸遠離而變大，發生碰撞之位置即可能在會車處或其前方，而此與二車之速度、轉向角或車長與車寬等參數有關。圖2為本發明向量運算之示意圖，此圖中，本車向圖面上方以速度行駛， 而目標車則向圖面左方以速度行駛，請注意，本車與目標車都存在一轉向角θA1 與θB1 ，速度、速度、轉向角θA1 與θB1 等都可由所感測或所接收到之位置訊號轉換而得，例如單位時間之位置變化即可得速度，任三位置之二連線之夾角即可得轉向角，或直接由感測模組13之方向盤轉向角感測器取得，其中單位時間通常為一秒以下。
同圖2所示，為便於說明，此時暫不考慮車長與車寬，若以本車之點A(通常為中心點或感測模組13之位置)為參考點時，即表示本車保持不動，目標車之於本車之相對速度為，而在某一時間，即自接收與感測二車之位置訊號後，運算出相對速度。依據相對速度，於第1運算回合中，計算經過某段時間後，從第二位置移動到的位置，定義為目標車之於本車之相對位置TP1 ，此處下標之1代表第1運算回合，接著進行一向量運算，即取得目標車到位置TP1 之距離為DR1 ，本車到位置TP1 沿相對速度延伸方向之法線距離或垂直距離則為DCPA1 ，其交點為CPA1 ，從前段說明與三角形A,CPA1 ,B可知，距離DR1 仍遠小於本車點A到目標車點B之距離DAB1 ，表示距離DCPA1 並非最小值，亦即是二車尚未到達會車或碰撞位置，因此運算單元11將繼續進行第2運算回合，直至第n運算回合求出最小值之距離DCPAn為止。
同圖2，於第n運算回合中，依據接收到與感測到二車之位置訊號後，運算出相對速度。依據相對速度計算經過某段時間後，從點B’移動到的位置，定義為相對位置TPn ，相對位置TPn 至目標車點B定義為距離DRn ，而且距離DRn 正好大 於或等於二車之距離DABn 時，表示會車或碰撞位置將於此處或前方出現，此時之距離DCPAn 為最小值之最接近點距離(Distance to Closest Point of Approach,DCPA)，CPAn 稱為最接近點(Closest Point of Approach,CPA)，而目標車從點B到達相對位置TPn 中最接近點CPAn 之間的距離除以相對速度的值則為到達時間TCPA(Time to Closest Point of Approach)。前述判斷距離DRn 是否不小於DABn 之方式，亦可改由多數距離DR1 +DR2 +…+DRn 之總和是否不小於DAB1 而決定，但其結果是相同的。由於以上各點位置、速度與距離等均隨時變動，因此均可被暫存於儲存元件14中，特別是距離DCPAn 。以上雖僅以一本車對一目標車進行說明，但實施時將是一本車對多數之目標車進行運算，亦即是可取得不同時間之多數不同之CPA,DCPA與TCPA以進行預警判斷。請再注意，圖2並未考慮本車與目標車實際之車長與車寬，因此即使求出了CPA等值，但仍須再決定真正之碰撞位置。
圖2雖已說明二車之間如何取得CPA,DCPA與TCPA之值，但是必須再考慮車長、車寬或定位誤差，以求出真正之碰撞位置而再決定預警距離或時間。圖3為本發明運算與判斷步驟之流程圖，圖中S21表示當本發明進行一新的運算回合時，首先必須決定運算周期，前段已說明車間通訊標準規範了訊號之發送周期，例如每秒十數次發送或廣播訊號，本發明之通訊模組12除發送本車所感測到之訊號外，亦接收其它周圍目標車輛之訊號，此訊號至少包括位置，但可能考慮二車距離、轉向角與運算能力等，運算單元11並非如數地擷取該訊號 而進行運算，可以適應性地調整之，例如距離越短或轉向角越大時則增加，反之則減少。由於步驟S21確定後可不必每運算回合調整，故以虛線表示。
同圖3所示，自步驟S22起即表示一運算回合之開始，當運算周期確定後，一預警裝置10(裝設於本車)之運算單元11便接收感測模組13所感測到之一第一訊號，與通訊模組12所接收之至少一第二訊號，此處所稱之第一與第二僅為便於說明考慮，其中第一訊號至少包括該裝置10所在之一第一位置，而第二訊號則至少包括其它相同或相容之裝置(裝設於目標車)所在之一第二位置，所謂位置通常以經緯度座標表示，例如N242051.2 E1204853.1等。以上第一訊號與第二訊號可再包括方向盤轉向角及車輛之長度與寬度。
當代表裝置10所在之第一位置與代表其它裝置所在之第二位置被接收後，步驟S23中之運算單元11即將該二位置分別轉換成一第一速度與一第二速度，再求出該二速度之一相對速度與其在某時間後之一相對位置或暫時點，最後進行一向量運算以取得第二位置到相對位置之距離DRn 、第二位置到第一位置之距離DABn ，與第一位置到該相對速度延伸方向上之法線距離DCPAn 。
一旦取得了距離DRn 、距離DABn 與距離DCPAn ，步驟S24中之運算單元11便進行判斷：DRn 是否不小於DABn ，或DR1 +DR2 +…+DRn 之總和是否不小於DAB1 ，或DCPAn 是否為最小值，若此三項之任一成立時，則表示最接近點CPAn 、最小之最接近點距離或法線距離DCPAn 與到達時間TCPAn 已獲確定， 因此根據此判斷結果，本發明之方法將再進入步驟S25，否則回到步驟S22進行一新運算回合。
當步驟S23與S24確定了CPAn 、DCPAn 與TCPAn 後，步驟25中之運算單元11便根據第一訊號與第二訊號之轉向角及車輛長度與寬度，求出一預警距離與一預警時間，其中預警距離之取得，可根據二車碰撞時之實際形態而定，例如右側或左側碰撞，圖4說明了一右側碰撞之例，其中該預警距離最小不可小於Aw/2,(Bw/2)‧cosθ,(B1/2)‧cos(90-θ)之和，其中Aw為本車之車寬，Bw為目標車之車寬，B1為目標車之車長，θ為目標車對本車於碰撞時之相對轉向角，此角度可由當時二車之位置與速度求得，或直接自感測模組13取得，以圖2為例，θ之值將等於θBn +θAn ，因為二角度轉向不同故相加，反之則相減；而預警時間最大不可大於到達時間TCPAn ，調整時可考慮車輛性能與駕駛性別、年齡或當時之心神狀態而定。
步驟S25在預警距離與預警時間獲得確定後，進行一預警運算，即判斷該最小值之法線距離DCPAn 是否不大於預警距離，若是則表示真正之碰撞位置將發生於CPAn 之處或前方，因此根據此判斷結果，運算單元11將發出一命令予警示元件15；同理，若到達時間TCPAn 不小於預警時間時，運算單元11根據結果亦將發出一命令予警示元件15，否則回到步驟S22。
當步驟S25之判斷結果產生後，步驟S26中警示元件15根據運算單元11之命令，發送一警訊予駕駛，此警訊至少包括語音提示，例如「右側六公尺處碰撞」或「左側三秒後碰撞」，或是再搭配燈號提示，例如閃爍燈光；若本預警裝置10 為一行動裝置，則該警訊將由該裝置發送；警訊發送將持續至狀況解除後停止；當狀況一解除，又將回到步驟S21或S22以進行下一新運算回合，所謂狀況解除是指本車或目標車之位置或轉向角產生了變動以致改變了上述之判斷結果。
本發明之車輛碰撞預警裝置與方法不使用現有產品之光學攝影機、雷達或超音波等感測器以偵測周圍車輛，而是遵循共同之車間無線通訊標準(5.9GHz)，利用其低傳輸延遲(0.0002秒)、高傳輸速率(27Mbit/秒)與長傳輸距離(1000米)之特點，適應性地接收與發送相同或相容之預警裝置(或車輛)所在之位置，經過向量運算與預警運算後，取得最小之最接近點距離與其到達時間，再與預警距離與時間比較判斷，最後得出可能碰撞之結果並發送警訊，如此揭露不僅免除了現有產品之缺點，也提供了全向性之判斷效能，提升了預警之準確率，符合並具備了專利法中發明專利之要件規定。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S21~S27‧‧‧步驟

Claims (21)

  1. 一種車輛碰撞預警裝置，包括：一感測模組，以感測一第一訊號，此第一訊號至少包括一第一位置；一通訊模組，以接收一第二訊號，此第二訊號至少包括一第二位置；一運算單元，連接該感測模組與該通訊模組，以接收該第一訊號與該第二訊號，分別轉換該第一訊號與該第二訊號為一第一速度與一第二速度，以取得一相對速度與一相對位置，並進行一向量運算以產生一法線距離、一到達時間與一第一結果，再根據該第一結果，決定進行一預警運算以產生一第二結果；以及一警示元件，連接該運算單元，根據該第二結果以發送一警訊；其中該法線距離為自該第一位置至該相對速度從該相對位置延伸方向之垂直距離；該到達時間為該第二位置與該相對位置之間的距離除以該相對速度的值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之車輛碰撞預警裝置，其中該通訊模組更連接該感測模組，以發送該第一訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之車輛碰撞預警裝置，其中該向量運算包括：判斷該第二位置至該相對位置之距離，是否不小於該第二位置至該第一位置之距離，若是則產生該第一結果。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之車輛碰撞預警裝置，其中 該向量運算包括：判斷該法線距離是否為最小值，若是則產生該第一結果。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之車輛碰撞預警裝置，其中該預警運算包括：根據該第一結果，判斷該法線距離是否不大於一預警距離，若是則產生該第二結果。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之車輛碰撞預警裝置，其中該預警距離是由車輛長度、車輛寬度及方向盤轉向角所決定。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之車輛碰撞預警裝置，其中該預警運算包括：根據該第一結果，判斷該到達時間是否不大於一預警時間，若是則產生該第二結果。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之車輛碰撞預警裝置，其中再包括一儲存元件，連接該運算單元，以至少記錄該法線距離。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之車輛碰撞預警裝置，其中該相對速度是指該第二速度相對於該第一速度之一速度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之車輛碰撞預警裝置，其中該相對位置是指該相對速度於一時間後之一位置，該時間是指運算單元完成一該向量運算之時間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之車輛碰撞預警裝置，其中該警訊至少包括一語音提示或一燈號提示。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之車輛碰撞預警裝置，其中該第一訊號與該第二訊號各再包括車輛長度、車輛寬度及方向盤轉向角。
  13. 一種車輛碰撞預警方法，包括：感測一第一訊號，此第一訊號至少包括一第一位置； 接收一第二訊號，此第二訊號至少包括一第二位置；分別轉換該第一位置與該第二位置為一第一速度與一第二速度，以取得該第二速度相對於該第一速度之一相對速度；根據該相對速度取得一相對位置；進行一向量運算以產生一法線距離、一到達時間與一第一結果；根據該第一結果，決定進行一預警運算以產生一第二結果；以及根據該第二結果發送一警訊：其中該法線距離為自該第一位置至該相對速度從該相對位置延伸方向之垂直距離；該到達時間為該第二位置與該相對位置之間的距離除以該相對速度的值。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之車輛碰撞預警方法，其中該向量運算包括：判斷該第二位置至該相對位置之距離，是否不小於該第二位置至該第一位置之距離，若是則產生該第一結果。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之車輛碰撞預警方法，其中該向量運算包括：判斷該法線距離是否為最小值，若是則產生該第一結果。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之車輛碰撞預警方法，其中該預警運算包括：根據該第一結果，判斷該法線距離是否不大於一預警距離，若是則產生該第二結果。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之車輛碰撞預警方法，其中該預警距離是由車輛長度、車輛寬度及方向盤轉向角所決 定。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之車輛碰撞預警方法，其中該預警運算包括：根據該第一結果，判斷該到達時間是否不大於一預警時間，若是則產生該第二結果。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之車輛碰撞預警方法，其中該相對位置是指該相對速度於一時間後之一位置，該時間是指完成一該向量運算之時間。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之車輛碰撞預警方法，其中該警訊至少包括一語音提示或一燈號提示。
  21. 如申請專利範圍第13項所述之車輛碰撞預警方法，其中該第一訊號與該第二訊號各再包括車輛長度、車輛寬度及方向盤轉向角。
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