一種基於車聯網的高速公路車輛防碰撞預警綜合變量構建方法與流程
2023-10-29 02:50:32
本發明涉及交通安全評價和智能交通系統主動安全技術領域，特別是一種基於車聯網的高速公路車輛防碰撞預警綜合變量構建方法。
背景技術：
汽車保有量的增加和公路運輸業的飛速發展，在繁榮經濟和方便人們生活的同時，對公路交通安全環境帶來了日益嚴重的壓力。我國平均年發生交通事故死亡人數居世界首位，道路交通事故已經成為中國安全生產中死亡人數最多的領域。據多項研究報告表明，若駕駛員能提早0.5s意識到有事故危險並採取相應的正確措施，則可以避免50％的事故；若提早至1s則可以避免90％的事故。因此，車輛主動安全技術和系統研發已成為智能車輛開發的重要研究領域。
車輛防碰撞預警系統作為智能車輛主動安全系統的關鍵組成部分，通過有機結合感知、通信和控制等相關技術，減少駕駛員的負擔和避免駕駛員的判斷錯誤，可以有效減少道路交通事故傷亡率，對於提高道路交通安全將起到重要作用。目前車輛防碰撞預警系統主要通過實時計算選定的預警變量並與預設的閾值進行比較而建立不同的控制策略。現有應用較廣的預警變量主要包括車間時間thw，碰撞時間ttc和車間距離等。然而這些變量主要是針對同車道追尾事故而建立的危險程度判據，而對車輛換道(有意識)或偏離車道(無意識)過程中可能發生的碰撞風險考慮不足，如沒有考慮換道或偏離車道的車輛與周圍車輛實時變化的運動矢量特徵和車輛相對位置及車輛尺寸特徵。而實際上，換道是駕駛過程中最常見同時也是危險程度較高的駕駛行為，根據美國高速公路安全管理局(nhtsa)研究數據表明，由於換道過程引發的交通事故在所有統計的交通事故中的佔比高達27％。另外，由於駕駛員注意力不集中導致車道偏離而引發的碰撞事故亦屢見不鮮。因此，有必要研究滿足不同車輛駕駛行為(車輛跟馳行為、車輛換道執行行為和車輛偏離車道行為等)特徵條件下的車輛防碰撞預警綜合變量。
目前，正在快速發展的車聯網將先進的傳感器技術、通信技術、數據處理技術、網絡技術、自動控制技術、信息發布技術等有機地運用於整個交通運輸管理體系，可以實現在交通運行過程中參與各方之間行駛信息的實時交互，為精確計算和獲取滿足上述條件的防碰撞預警綜合變量奠定了技術基礎。
技術實現要素：
針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種基於車聯網的高速公路車輛防碰撞預警綜合變量構建方法，主要是通過以下技術手段實現上述技術目的的。
一種基於車聯網的高速公路車輛防碰撞預警綜合變量構建方法，其特徵在於，包括如下步驟：
步驟一：構造防碰撞預警綜合評價指標變量i；
步驟二：確定防碰撞預警綜合評價指標變量i的預警閾值，臨近碰撞風險預警閾值th1和緊急碰撞風險預警閾值th2；
步驟三：獲取實時車輛運動和位置特徵數據；
步驟四：計算實時防碰撞預警綜合變量i*，確定防碰撞預警策略。
所述步驟一中構造防碰撞預警綜合評價指標變量i的實現方法如下：
步驟1：根據笛卡爾坐標系右手準則建立坐標系，車身方向為x軸，垂直於車身方向為y軸，將車輛運行速度v分解為沿車身方向的車身分速度vx和垂直於車身方向的分速度vy，得到車輛的運行方向h為：
h＝α±θ
其中α為車輛的航向角，θ為車身分速度vx與車輛運行速度v之間的夾角：
當垂直於車身方向的分速度vy＞0時h取負號，否則h取正號；
步驟2：將本車和周圍車輛的速度矢量分別表示為v1和v2，則兩車相對速度矢量可表示為v12＝v1-v2，根據速度矢量圖可確定v12的矢量大小為：
其中，ψ為本車和周圍車輛的速度矢量v1和v2的夾角：
ψ＝|h1-h2|
其中，h1和h2分別代表本車和周圍車輛的運行方向；
本車速度矢量v1和周圍車輛速度矢量v2的相對速度矢量方向ω1為：
當h1-h2＞0時arccos項前取正號，否則arccos取負號；
步驟3：將本車和周圍車輛的質心分別表示為o1和o2，則兩車相對位置矢量可表示為以路段基站位置為原點，地理位置的正北方向為縱軸正方向，正東方向為橫軸正方向建立獨立平面直角坐標系，將o1和o2的gps經緯度坐標通過坐標軸轉換計算獲得獨立平面直角坐標系下o1和o2的坐標值(x1,y1)和(x2,y2)，則兩車相對位置矢量大小為：
兩車相對位置矢量的方向ω2為：
步驟4：根據兩車的具體尺寸對兩車相對位置矢量大小進行修正，修正後的兩車相對位置矢量大小dr可表示為：dr＝o12-c1-c2，
其中c1表示本車質心o1按兩車相對位置矢量o12方向至本車車身邊緣的距離，c2表示周圍車輛質心o2按兩車相對位置矢量o12方向至周圍車輛車身邊緣的距離；根據平面幾何關係，c1，c2的大小可以按如下公式計算：
其中δ1表示本車的航向角α1與兩車相對位置矢量o12方向間的夾角：δ1＝|ω2-α1|；δ2表示周圍車輛的航向角α2與兩車相對位置矢量o12方向間的夾角：δ2＝|ω2-α2|；
ηf1表示本車質心o1至本車車頭左右兩端構成的夾角的1/2：ηf2表示周圍車輛質心o2至周圍車輛車頭左右兩端構成的夾角的1/2：其中w1為本車車身寬度，lf1為本車質心o1至本車車頭邊緣的垂直距離；w2為周圍車輛車身寬度，lf2為周圍車輛質心o2至周圍車輛車頭邊緣的垂直距離；
ηr1表示本車質心o1至本車車尾左右兩端構成的夾角的1/2：其中lr1為本車質心o1至本車車尾邊緣的垂直距離；ηr2表示周圍車輛質心o2至周圍車輛車尾左右兩端構成的夾角的1/2：其中lr2為周圍車輛質心o2至周圍車輛車尾邊緣的垂直距離；
rf1表示本車質心o1至本車車頭左端或右端的距離：rf2表示周圍車輛質心o2至周圍車輛車頭左端或右端的距離：
rr1表示本車質心o1至本車車尾左端或右端的距離：rr2表示周圍車輛質心o2至周圍車輛車尾左端或右端的距離：
步驟5：將兩車相對速度矢量v12在兩車相對位置矢量o12上的投影定義為兩車質心向相對速度，由步驟2和步驟3可確定兩車質心向相對速度vr的大小為：vr＝cosω·v12，其中ω表示兩車相對速度矢量v12和兩車相對位置矢量o12的夾角：ω＝|ω1-ω2|；
步驟6：將傳統預警變量碰撞時間ttc進行修正，修正後的碰撞時間ttcm為修正後的兩車相對位置矢量大小dr與兩車質心向相對速度vr的比值：將本車速度矢量v1在兩車相對位置矢量o12上的投影定義為本車質心向投影速度，由步驟4可確定本車質心向投影速度v1r大小為：v1r＝cosω*·v1，其中ω*表示本車速度矢量v1和兩車相對位置矢量o12的夾角：ω*＝|h1-ω2|；將傳統預警變量車間時間thw進行修正，修正後的車間時間thwm為修正後的兩車相對位置矢量大小dr與本車質心向投影速度vr的比值：
步驟8：當兩車質心向相對速度vr非常小的時候，對ttcm和thwm進行賦權求和，建立防碰撞預警綜合評價指標變量i：i＝f1·ttcm+f2·thwm，其中f1和f2為權重係數，由變異係數法獲得：其中σi為第i項指標的標準差，為第i項指標的平均數。
所述步驟二中確定預警綜合變量的預警閾值的方法為：
利用迭代法中的等步長法對防碰撞預警綜合評價指標變量i的預警閾值進行取值調整，其計算公式如下：thi＝ai+n·stepn＝1,2,...,n；i＝1,2；
其中，thi表示經過n次更新調整後i的預警閾值，分為th1和th2(th2＜th2)兩級預警閾值，th1和th2分別代表臨近碰撞風險預警閾值和緊急碰撞風險預警閾值：當i＞th1時，兩車處於無碰撞風險狀態，此時駕駛員無需採取任何處理措施；當i＜th1時，兩車處於臨近碰撞風險狀態，此時駕駛員應採取減速或轉向避讓措施；當i＜th2時，兩車處於緊急碰撞風險狀態，此時駕駛員或車輛應採取緊急制動或緊急轉向避讓措施；a1,a2分別表示兩級預警閾值的各自初始值，step表示調整步長，n表示調整循環次數。
所述步驟三中獲取實時車輛運動和位置特徵數據的方法為：
步驟a:在車聯網環境下，信息採集設備實時採集本車的航向角α1、車身分速度vx、垂直於車身方向的分速度vy、本車質心o1的gps坐標。
步驟b：將步驟a中採集的信息與本車車內預存的本車車身寬w1度、本車質心o1至本車車頭邊緣的垂直距離lf1、本車質心o1至本車車尾邊緣的垂直距離lr1，通過專用短程無線通信技術dsrc與周圍車輛進行實時共享。
所述步驟四中計算實時防碰撞預警綜合變量i*，確定防碰撞預警策略的方法如下：
步驟a：重複步驟一，將步驟a中實時獲取的本車的航向角α1、車身分速度vx、垂直於車身方向的分速度vy、本車質心o1的gps坐標帶入計算，獲取實時防碰撞預警綜合變量i*；
步驟b：將實時防碰撞預警綜合變量i*與臨近碰撞風險預警閾值th1和緊急碰撞風險預警閾值th2進行比較；
步驟c：當i*＞th1時，兩車處於無碰撞風險狀態，無需發布預警信息；當i*＜th1時，兩車處於臨近碰撞風險狀態，發布提示性預警；當i*＜th2時，兩車處於緊急碰撞風險狀態，發布緊急性預警。
所述信息採集設備為陀螺儀傳感器和gps傳感器。
本發明的有益效果在於：
1.本發明克服了傳統預警變量對換道或偏離車道的車輛與周圍車輛實時變化的運動矢量特徵和車輛相對位置及車輛尺寸特徵考慮不足的缺陷，可以滿足不同車輛駕駛行為(車輛跟馳行為、車輛換道執行行為和車輛偏離車道行為等)特徵條件下的車輛防碰撞預警需求；
2.本發明避免了傳統預警變量ttc對車間距離變小風險狀況和thw對兩車相對速度變大風險狀況的評價不足，為車輛防碰撞預警提供了可靠的綜合評價指標；
3.本發明構造的防碰撞預警綜合變量所需參數在車聯網條件下通過傳統信息採集和傳輸設備即可獲取，無需額外專用車載設備，成本較低；
4.本發明構建的預警綜合變量計算方便，完全能滿足防碰撞預警實時性要求。
附圖說明
圖1為本發明所述本車航向角與運行速度的平面幾何關係示意圖。
圖2為本發明所述兩車相對速度矢量和相對位置矢量的平面幾何關係示意。
圖3為本發明所述兩車相對距離的修正方法示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護範圍並不限於此。
一種基於車聯網的高速公路車輛防碰撞預警綜合變量構建方法，其特徵在於，包括如下步驟：
步驟一：構造防碰撞預警綜合評價指標變量i；
步驟二：確定防碰撞預警綜合評價指標變量i的預警閾值，臨近碰撞風險預警閾值th1和緊急碰撞風險預警閾值th2；
步驟三：獲取實時車輛運動和位置特徵數據；
步驟四：計算實時防碰撞預警綜合變量i*，確定防碰撞預警策略。
所述步驟一中構造防碰撞預警綜合評價指標變量i的實現方法如下：
步驟1：如圖1所示，根據笛卡爾坐標系右手準則建立坐標系，車身方向為x軸，垂直於車身方向為y軸，將車輛運行速度v分解為沿車身方向的車身分速度vx和垂直於車身方向的分速度vy，得到車輛的運行方向h，即由地理正北方向按順時針方向至車輛運行速度v方向的夾角為：
h＝α±θ
其中α為車輛的航向角，即由地理正北方向按順時針方向至車輛x軸正方向的夾角，取值範圍為[0,2π)，θ為車身分速度vx與車輛運行速度v之間的夾角：
當垂直於車身方向的分速度vy＞0時h取負號，否則h取正號；
步驟2：如圖2所示，將本車和周圍車輛的速度矢量分別表示為v1和v2，則兩車相對速度矢量可表示為v12＝v1-v2，根據速度矢量圖可確定v12的矢量大小為：
其中，ψ為本車和周圍車輛的速度矢量v1和v2的夾角：
ψ＝|h1-h2|
其中，h1和h2分別代表本車和周圍車輛的運行方向；
本車速度矢量v1和周圍車輛速度矢量v2的相對速度矢量方向ω1，即由地理正北方向按順時針方向至相對速度矢量v12方向的夾角，為：
當h1-h2＞0時arccos項前取正號，否則arccos取負號，公式中引入±2π項的目的是保證ω1在[0,2π)的範圍內取值，相對速度矢量方向ω1保持與航向角的定義一致；
步驟3：將本車和周圍車輛的質心分別表示為o1和o2，則兩車相對位置矢量可表示為以路段基站位置為原點，地理位置的正北方向為縱軸正方向，正東方向為橫軸正方向建立獨立平面直角坐標系，將o1和o2的gps經緯度坐標通過坐標軸轉換計算獲得獨立平面直角坐標系下o1和o2的坐標值(x1,y1)和(x2,y2)，則兩車相對位置矢量大小為：
兩車相對位置矢量的方向ω2，即由地理正北方向按順時針方向至相對位置矢量o12方向的夾角為：
步驟4：如圖3所示，根據兩車的具體尺寸對兩車相對位置矢量大小進行修正，修正後的兩車相對位置矢量大小dr可表示為：dr＝o12-c1-c2，
其中c1表示本車質心o1按兩車相對位置矢量o12方向至本車車身邊緣的距離，c2表示周圍車輛質心o2按兩車相對位置矢量o12方向至周圍車輛車身邊緣的距離；根據平面幾何關係，c1，c2的大小可以按如下公式計算：
其中δ1表示本車的航向角α1與兩車相對位置矢量o12方向間的夾角：δ1＝|ω2-α1|；δ2表示周圍車輛的航向角α2與兩車相對位置矢量o12方向間的夾角：δ2＝|ω2-α2|；
ηf1表示本車質心o1至本車車頭左右兩端構成的夾角的1/2：ηf2表示周圍車輛質心o2至周圍車輛車頭左右兩端構成的夾角的1/2：其中w1為本車車身寬度，lf1為本車質心o1至本車車頭邊緣的垂直距離；w2為周圍車輛車身寬度，lf2為周圍車輛質心o2至周圍車輛車頭邊緣的垂直距離；
ηr1表示本車質心o1至本車車尾左右兩端構成的夾角的1/2：其中lr1為本車質心o1至本車車尾邊緣的垂直距離；ηr2表示周圍車輛質心o2至周圍車輛車尾左右兩端構成的夾角的1/2：其中lr2為周圍車輛質心o2至周圍車輛車尾邊緣的垂直距離；
rf1表示本車質心o1至本車車頭左端或右端的距離：rf2表示周圍車輛質心o2至周圍車輛車頭左端或右端的距離：
rr1表示本車質心o1至本車車尾左端或右端的距離：rr2表示周圍車輛質心o2至周圍車輛車尾左端或右端的距離：
步驟5：如圖2所示，將兩車相對速度矢量v12在兩車相對位置矢量o12上的投影定義為兩車質心向相對速度，由步驟2和步驟3可確定兩車質心向相對速度vr的大小為：vr＝cosω·v12，其中ω表示兩車相對速度矢量v12和兩車相對位置矢量o12的夾角：ω＝|ω1-ω2|；
注意到，當ω取值在內時，cosω取值為負值，相應的vr取值為負值，該情況表示兩車在該時刻正在相互逆向駛離；
步驟6：將傳統預警變量碰撞時間ttc進行修正，修正後的碰撞時間ttcm為修正後的兩車相對位置矢量大小dr與兩車質心向相對速度vr的比值：將本車速度矢量v1在兩車相對位置矢量o12上的投影定義為本車質心向投影速度，由步驟4可確定本車質心向投影速度v1r大小為：v1r＝cosω*·v1，其中ω*表示本車速度矢量v1和兩車相對位置矢量o12的夾角：ω*＝|h1-ω2|；將傳統預警變量車間時間thw進行修正，修正後的車間時間thwm為修正後的兩車相對位置矢量大小dr與本車質心向投影速度vr的比值：
步驟8：考慮到當兩車質心向相對速度vr非常小的時候，ttcm不能正確評價車間距離變小可能造成的碰撞風險，而thwm本身又不能正確評價由兩車相對速度變化帶來的風險變化，因此為了避免兩個指標的缺點可能造成的預警缺陷，當兩車質心向相對速度vr非常小的時候，對ttcm和thwm進行賦權求和，建立防碰撞預警綜合評價指標變量i：
i＝f1·ttcm+f2·thwm，
其中f1和f2為權重係數，由變異係數法獲得：其中σi為第i項指標的標準差，為第i項指標的平均數，該式表明，取值差異越大的指標越能反映車輛間碰撞風險的變化，因此需給予該指標更高的權重係數。
所述步驟二中確定預警綜合變量的預警閾值的方法為：
利用迭代法中的等步長法對防碰撞預警綜合評價指標變量i的預警閾值進行取值調整，其計算公式如下：thi＝ai+n·stepn＝1,2,...,n；i＝1,2；
其中，thi表示經過n次更新調整後i的預警閾值，分為th1和th2(th2＜th2)兩級預警閾值，th1和th2分別代表臨近碰撞風險預警閾值和緊急碰撞風險預警閾值：當i＞th1時，兩車處於無碰撞風險狀態，此時駕駛員無需採取任何處理措施；當i＜th1時，兩車處於臨近碰撞風險狀態，此時駕駛員應採取減速或轉向避讓措施；當i＜th2時，兩車處於緊急碰撞風險狀態，此時駕駛員或車輛應採取緊急制動或緊急轉向避讓措施；a1,a2分別表示兩級預警閾值的各自初始值，step表示調整步長，n表示調整循環次數。以上thi參數的最終取值應由駕駛員行為特性和用戶接受度特性決定，可通過同車道雙車跟車實驗最終確定。
所述步驟三中獲取實時車輛運動和位置特徵數據的方法為：
步驟a:在車聯網環境下，信息採集設備陀螺儀傳感器和gps傳感器，實時採集本車的航向角α1、車身分速度vx、垂直於車身方向的分速度vy、本車質心o1的gps坐標。
步驟b：將步驟a中採集的信息與本車車內預存的本車車身寬w1度、本車質心o1至本車車頭邊緣的垂直距離lf1、本車質心o1至本車車尾邊緣的垂直距離lr1，通過專用短程無線通信技術dsrc與周圍車輛進行實時共享，相應地，本車通過專用短程無線通信技術dsrc實時獲取周圍車輛的所有共享運動和位置信息。
所述步驟四中計算實時防碰撞預警綜合變量i*，確定防碰撞預警策略的方法如下：
步驟a：重複步驟一，將步驟a中實時獲取的本車的航向角α1、車身分速度vx、垂直於車身方向的分速度vy、本車質心o1的gps坐標帶入計算，獲取實時防碰撞預警綜合變量i*；
步驟b：將實時防碰撞預警綜合變量i*與臨近碰撞風險預警閾值th1和緊急碰撞風險預警閾值th2進行比較；
步驟c：當i*＞th1時，兩車處於無碰撞風險狀態，無需發布預警信息；當i*＜th1時，兩車處於臨近碰撞風險狀態，發布提示性預警，如報警聲提醒；當i*＜th2時，兩車處於緊急碰撞風險狀態，發布緊急性預警，如報警聲和方向盤或座椅振動。
所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明並不限於上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬於本發明的保護範圍。