基于车联网技术的汽车防撞预警

1、 基于车联网技术的汽车防撞预警摘要：随着现代社会的发展，人们的出行需求不断增加，随之带来的交通问题也称为人们关注的热点。车联网是现代智能交通发展的一个热点，其是将车辆和道路等因素作为一个有机整体考虑。在车联网领域中，针对行车安全问题发展出来的车辆防撞预警系统能够有效的减少交通事故的发生，为驾驶员的驾驶提供有效的保障。关键词：交通；车联网；行车安全；防撞预警1.车联网技术概述1.1车联网的定义车联网（Connected Vehicles）:由车辆的位置、速度及行驶路线等集合而成的信息交互网络，车联网技术结合了现代交通技术与现代通信技术，具有安全、快捷、节能等优点。首先，通过摄像头、RFID、各类

2、传感器、GPS及图像处理等电子设备，来对采集交通环境信息；其次，车、路、人、基础设置之间的信息，通过车联网特有的通信协议来进行信息交互1；最后控制中心对收集到的数据信息进行分析和处理，从而得出实时的交通状况，为驾驶员提供准确可靠的驾驶信息，实现对人、车、路的智能监控、调度和管理。车联网技术是把物联网技术应用于交通领域，是现代通信技术与汽车技术的有效融合。1.2车联网的系统功能要求车联网的系统功能要求有以下几部分：（1）具备一定的无线通信能力，如：具有适当的无线通信范围，有一定能满足通信要求的带宽和比特率，无线通信信道具有较强的鲁棒性，以及通信过程有一定的纠偏纠错能力，路侧单元（RSU）能满足车

3、辆与基础设施之间的信息的交换；（2）网络通信功能，如：具有一定兼容性的传播方式，数据聚合功能，数据拥塞控制能力，消息优先级分级能力，能对信道进行有效的管理，支持IPv6或IPv4寻址等；（3）车辆具有定位功能，如：全球定位系统（GPS），全球导航卫星系统（GNSS），组合定位功能等；（4）车辆安全的通信功能，如：信息的完整性和保密性，具有一定的抗干扰能力，数据的真实性，尊重用户的隐私等；（5）车辆的其他功能，如：设备之间相互兼容等2。2.车联网技术发展现状2.1美国美国的车联网技术开始与上世纪50年代的汽车自动控制系统，到了60年代在政府交通部门的带领下开始研制电子路径引导系统（Electro

4、nic Route Guidance Systems，ERGS），70年代到80年代美国的智能交通处于停滞时期。到了21世纪，为了跟上现代交通的发展趋势，解决交通安全问题，美国政府交通部门和汽车制造商对V2V安全应用程序进行了改进开发了测试，对车载安全系统的性能有极大的提高，同期又提出了车辆基础设施一体化（VII）概念3。2009年9月，启动商用车基础设施一体化工程（Commercial Vehicle Infrastructure Integration），同年12月DOT 发布了智能交通系统战略研究计划：2010-20144，目标是利用无线通信建立一个全国性多模式的地面交通系统，形成车辆、

5、道路基础设施、乘客的便携式设备之间互连的交通环境，为期五年，每年投入1亿美元，核心项目为 IntelliDrive （智能驾驶），预计于 2014 年完成。2011年8月到2012年初，为了在车辆驾驶安全方面有所突破，美国在多个地区进行了安全测试，以此来评估用户对新的V2V技术的掌握程度。2012年到2013年，继续对安全驾驶模型进行研究，对车联网安全技术进行进一步的验证5。2012年12月，DOT 发布了2015-2019 ITS战略计划，目的在于出台美国下一代的ITS的研究方向，进一步对车联网的安全性、流畅性和环境保护进行了进一步的深化。2.2日本日本的车联网发展相较与美国稍晚些，起步于2

6、0世纪70年，20世纪80年代中期到20世纪90年代中期十年间，完成了路-车通信系统（RACS）、交通信息通信系统（TICS）、超智能车辆系统（SSVS）、安全车辆系统（ASV）等方面的研究。2000年左右，日本开始实施ETC计划，目标是在3年左右的时间覆盖全国900个收费站。于2003年发布了日本智能交通系统战略规划，对日本的智能交通做了一个详细的描述和规划5。日本于2011年开始引进“ITS 站点智能交通系统”，这个系统能够为车辆提供及时的道路信息，改善交通拥堵的现象。2.3中国 中国于1986年开始开发第一套交通控制系统，1991年完成安装与调试。2007年，通用公司和上汽集团合资成立了

7、一家公司，推出了通用的Onstar服务。2009年随着中国很多企业推出Telematics车载服务系统，中国进入Telematics时代。于2010年正式在首届“车联网”研讨会中提出“车联网”概念，随后又提出智能车、路协同技术等6。中国汽车信息化领域正在不断创新，正朝着智能交通方向发展，实现移动互联网技术与车联网技术的协同发展。3.车辆碰撞分类3.1碰撞分类的意义安全距离算法、数据挖掘智能方法和碰撞时间差算法是现有的三种主要的碰撞预警算法。其中，安全距离算法只适用于汽车追尾的碰撞，且需要根据实际的行车情况来计算刹车距离，碰撞时间差算法的计算验证过程较复杂，数据挖掘技术是现代汽车防撞技术的新的发

8、展方向，但需要建立在大量数据的基础上。由于车辆碰撞的情形很多，且实际环境复杂多变，所以在选择预警算法的时候，应选择简单可行的算法。实际中大部分车辆是没有碰撞危险的，所以仅仅需要对少部分有碰撞趋势的车辆进行预警。3.2碰撞分类算法影响行驶中的车辆的安全参数主要有：车速、车辆间距和行驶方向。车辆的行驶方向主要用于判断车辆的碰撞类型，可以分为直线碰撞和侧面碰撞两种类型，其中，直线碰撞又分为追尾碰撞和正面碰撞。如图3-1是车辆的碰撞示意图。 图3-1 车辆碰撞示意图如图所示，为航向角，取值范围为，为相对角，航向角和相对角均以正北方向为参考方向。取为两车的平面坐标，为两车的相对的航向角。根据上图有如下关

9、系式：。表3-1是和的关系。 表3-1和的关系表 Table 1同理，可以对进行求解。令，为两车之间连线与车辆行驶方向之间的夹角。为方便计算分类，将的取值范围限定在。为正代表车辆行驶方向在两车连线右侧，反之在连线左侧。即当异号时，两车的行驶方向和两车的同侧，反之则处于异侧。根据以上描述可以将碰撞分为以下几种类型：（1）当时，两车处于相向行驶的平行状态，此时可能发生正面碰撞；（2）当时，两车处于同向行驶的平行状态，此时可能发生追尾碰撞；（3）当，且异号时，两车处于同侧相向行驶的状态，此时可能发生侧面碰撞；（4）其它情况，行车安全。其中，正面碰撞和追尾碰撞均属于直线碰撞，以上考虑的均是两车处于平行

10、状态的，而现实中的车辆很难做到完全平行状态，所以在计算过程中需要考虑一定的余量。4.车辆防撞预警4.1预警算法驾驶员采取一定的措施避免危险所需要的最短的时间称为最小安全时间，最小安全时间可以分为两个部分：反应时间和控制车辆的时间。通常以碰撞时间（TTC）作为衡量行车安全的一个重要的指标，碰撞时间应该大于最小安全时间。直线碰撞时，横向安全距离是是一个关键因素，即两车会车的最小距离（DCPA），这个值应该大于一个车道的宽度。如图4-1是直线碰撞的预警示意图。 图4-1 直线碰撞的预警示意图Fig.4-1根据上图有如下关系式：，表示正面碰撞时的状态，表示追尾碰撞时的状态。相比直线碰撞，侧面碰撞可以根

11、据当前车辆的运动状态对车辆的运动轨迹进行预测，从而对碰撞的时间和碰撞点进行预测。影响此状态的因素有：车辆的大小、行车速度及两车的相对位置。可以通过计算两车距离碰撞时间的差值来对车辆的安全状态进行判定，同时可以忽略车辆的大小带来的影响。如图4-2是车辆侧面碰撞示意图。 图4-2车辆侧面碰撞示意图 Fig.4-2从上图可知，碰撞安全距离可以表示为：，；同理可以求得，则碰撞的时间差可以表示为。已知，还需要求解两车间的距离。测量两车的间距需要使用GPS坐标系统，再将两车的经纬度坐标转换到平面上进行计算7。如图4-3是整个防撞预警算法的流程图。 图4-3 防撞预警算法流程图 Fig.4-34.2预警参数

12、选择设定准确的报警阈值不仅能减少对无用报警对驾驶员来的干扰，还能为驾驶员提供及时准确的报警信息。因此，可以设置多级报警机制。第一级为警示，提醒驾驶人员前方有危险；第二级为警告，警告驾驶员前方有危险。根据交通流理论可知，驾驶员的反应时间通常为0.7秒至1.5秒，控制时间随驾驶状况的不同而不同。提前5秒以上的预警信息可能被驾驶人员忽略，此值应该作为TTC的第一个阈值，TTC的第二个阈值一般选为3秒。车道宽度一般为，综合GPS的误差的范围，最小会车距离应该大于5米7。如表4-2是直线碰撞的预警机制。表4-1直线碰撞预警机制 Table 4-1危险警告危险提示无危险对于交叉路口，通常设置两车的安全时间

13、为2秒，因此TD的阈值为2秒。如表4-3是侧面碰撞的预警机制表。 表4-2侧面碰撞预警机制Table 4-2危险警告危险提示无危险5.总结 车辆安全一直都是现代智能交通的研究热题，传统的车载雷达实现的防撞预警往往会带来较高的成本，且精度不一定很高。利用现代车联网技术中的车辆间的通信来实现信息共享，进而实现碰撞预警。本文设计了碰撞的分类的算法，对碰撞进行了分类研究，只针对可能发生碰撞的车辆进行研究。对直线碰撞和侧面碰撞，采用不同的防碰撞算法，并设置不同的预警参数。1 刘小洋，伍民友. 车联网：物联网在城市交通网络中的应用 J.计算机应用，2012，32（4）：900-904.2王建强，吴辰文，李晓军.车联网架构与关键技术研究J.微计算机信息，2011，27(4)：156-158.3 US Department of Transportation Research and InnovativeTechnology Administration. ITS strategic plan EB/OL. 2013-11-014 中国 智能 交 通 协 会 . USDOT.ITS Strategic