本發(fā)明涉及交通安全評價和智能交通系統(tǒng)主動安全技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于車聯(lián)網(wǎng)的高速公路車輛防碰撞預警綜合變量構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

汽車保有量的增加和公路運輸業(yè)的飛速發(fā)展，在繁榮經(jīng)濟和方便人們生活的同時，對公路交通安全環(huán)境帶來了日益嚴重的壓力。我國平均年發(fā)生交通事故死亡人數(shù)居世界首位，道路交通事故已經(jīng)成為中國安全生產(chǎn)中死亡人數(shù)最多的領(lǐng)域。據(jù)多項研究報告表明，若駕駛員能提早0.5s意識到有事故危險并采取相應的正確措施，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(shù)和系統(tǒng)研發(fā)已成為智能車輛開發(fā)的重要研究領(lǐng)域。

車輛防碰撞預警系統(tǒng)作為智能車輛主動安全系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通過有機結(jié)合感知、通信和控制等相關(guān)技術(shù)，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，對于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(tǒng)主要通過實時計算選定的預警變量并與預設(shè)的閾值進行比較而建立不同的控制策略?，F(xiàn)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(jù)，而對車輛換道(有意識)或偏離車道(無意識)過程中可能發(fā)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征和車輛相對位置及車輛尺寸特征。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(jù)美國高速公路安全管理局(nhtsa)研究數(shù)據(jù)表明，由于換道過程引發(fā)的交通事故在所有統(tǒng)計的交通事故中的占比高達27％。另外，由于駕駛員注意力不集中導致車道偏離而引發(fā)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(zhí)行行為和車輛偏離車道行為等)特征條件下的車輛防碰撞預警綜合變量。

目前，正在快速發(fā)展的車聯(lián)網(wǎng)將先進的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息發(fā)布技術(shù)等有機地運用于整個交通運輸管理體系，可以實現(xiàn)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(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種基于車聯(lián)網(wǎng)的高速公路車輛防碰撞預警綜合變量構(gòu)建方法，主要是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

一種基于車聯(lián)網(wǎng)的高速公路車輛防碰撞預警綜合變量構(gòu)建方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：構(gòu)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征數(shù)據(jù)；

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(gòu)造防碰撞預警綜合評價指標變量i的實現(xiàn)方法如下：

步驟1：根據(jù)笛卡爾坐標系右手準則建立坐標系，車身方向為x軸，垂直于車身方向為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和垂直于車身方向的分速度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：

當垂直于車身方向的分速度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(jù)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(zhì)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(jīng)緯度坐標通過坐標軸轉(zhuǎn)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(jù)兩車的具體尺寸對兩車相對位置矢量大小進行修正，修正后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(zhì)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(zhì)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(jù)平面幾何關(guān)系，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(zhì)心o1至本車車頭左右兩端構(gòu)成的夾角的1/2：ηf2表示周圍車輛質(zhì)心o2至周圍車輛車頭左右兩端構(gòu)成的夾角的1/2：其中w1為本車車身寬度，lf1為本車質(zhì)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(zhì)心o2至周圍車輛車頭邊緣的垂直距離；

ηr1表示本車質(zhì)心o1至本車車尾左右兩端構(gòu)成的夾角的1/2：其中l(wèi)r1為本車質(zhì)心o1至本車車尾邊緣的垂直距離；ηr2表示周圍車輛質(zhì)心o2至周圍車輛車尾左右兩端構(gòu)成的夾角的1/2：其中l(wèi)r2為周圍車輛質(zhì)心o2至周圍車輛車尾邊緣的垂直距離；

rf1表示本車質(zhì)心o1至本車車頭左端或右端的距離：rf2表示周圍車輛質(zhì)心o2至周圍車輛車頭左端或右端的距離：

rr1表示本車質(zhì)心o1至本車車尾左端或右端的距離：rr2表示周圍車輛質(zhì)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(zhì)心向相對速度，由步驟2和步驟3可確定兩車質(zhì)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(tǒng)預警變量碰撞時間ttc進行修正，修正后的碰撞時間ttcm為修正后的兩車相對位置矢量大小dr與兩車質(zhì)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(zhì)心向投影速度，由步驟4可確定本車質(zhì)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(tǒng)預警變量車間時間thw進行修正，修正后的車間時間thwm為修正后的兩車相對位置矢量大小dr與本車質(zhì)心向投影速度vr的比值：

步驟8：當兩車質(zhì)心向相對速度vr非常小的時候，對ttcm和thwm進行賦權(quán)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(quán)重系數(shù)，由變異系數(shù)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(shù)。

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(diào)整，其計算公式如下：thi＝ai+n·stepn＝1,2,...,n；i＝1,2；

其中，thi表示經(jīng)過n次更新調(diào)整后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，兩車處于無碰撞風險狀態(tài)，此時駕駛員無需采取任何處理措施；當i＜th1時，兩車處于臨近碰撞風險狀態(tài)，此時駕駛員應采取減速或轉(zhuǎn)向避讓措施；當i＜th2時，兩車處于緊急碰撞風險狀態(tài)，此時駕駛員或車輛應采取緊急制動或緊急轉(zhuǎn)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(diào)整步長，n表示調(diào)整循環(huán)次數(shù)。

所述步驟三中獲取實時車輛運動和位置特征數(shù)據(jù)的方法為：

步驟a:在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，信息采集設(shè)備實時采集本車的航向角α1、車身分速度vx、垂直于車身方向的分速度vy、本車質(zhì)心o1的gps坐標。

步驟b：將步驟a中采集的信息與本車車內(nèi)預存的本車車身寬w1度、本車質(zhì)心o1至本車車頭邊緣的垂直距離lf1、本車質(zhì)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(shù)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：重復步驟一，將步驟a中實時獲取的本車的航向角α1、車身分速度vx、垂直于車身方向的分速度vy、本車質(zhì)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，兩車處于無碰撞風險狀態(tài)，無需發(fā)布預警信息；當i^*＜th1時，兩車處于臨近碰撞風險狀態(tài)，發(fā)布提示性預警；當i^*＜th2時，兩車處于緊急碰撞風險狀態(tài)，發(fā)布緊急性預警。

所述信息采集設(shè)備為陀螺儀傳感器和gps傳感器。

本發(fā)明的有益效果在于：

1.本發(fā)明克服了傳統(tǒng)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征和車輛相對位置及車輛尺寸特征考慮不足的缺陷，可以滿足不同車輛駕駛行為(車輛跟馳行為、車輛換道執(zhí)行行為和車輛偏離車道行為等)特征條件下的車輛防碰撞預警需求；

2.本發(fā)明避免了傳統(tǒng)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(fā)明構(gòu)造的防碰撞預警綜合變量所需參數(shù)在車聯(lián)網(wǎng)條件下通過傳統(tǒng)信息采集和傳輸設(shè)備即可獲取，無需額外專用車載設(shè)備，成本較低；

4.本發(fā)明構(gòu)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(fā)明所述本車航向角與運行速度的平面幾何關(guān)系示意圖。

圖2為本發(fā)明所述兩車相對速度矢量和相對位置矢量的平面幾何關(guān)系示意。

圖3為本發(fā)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(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。

一種基于車聯(lián)網(wǎng)的高速公路車輛防碰撞預警綜合變量構(gòu)建方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：構(gòu)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征數(shù)據(jù)；

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(gòu)造防碰撞預警綜合評價指標變量i的實現(xiàn)方法如下：

步驟1：如圖1所示，根據(jù)笛卡爾坐標系右手準則建立坐標系，車身方向為x軸，垂直于車身方向為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和垂直于車身方向的分速度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，取值范圍為[0,2π)，θ為車身分速度vx與車輛運行速度v之間的夾角：

當垂直于車身方向的分速度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(jù)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)的范圍內(nèi)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(zhì)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(jīng)緯度坐標通過坐標軸轉(zhuǎn)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(jù)兩車的具體尺寸對兩車相對位置矢量大小進行修正，修正后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(zhì)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(zhì)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(jù)平面幾何關(guān)系，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(zhì)心o1至本車車頭左右兩端構(gòu)成的夾角的1/2：ηf2表示周圍車輛質(zhì)心o2至周圍車輛車頭左右兩端構(gòu)成的夾角的1/2：其中w1為本車車身寬度，lf1為本車質(zhì)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(zhì)心o2至周圍車輛車頭邊緣的垂直距離；

ηr1表示本車質(zhì)心o1至本車車尾左右兩端構(gòu)成的夾角的1/2：其中l(wèi)r1為本車質(zhì)心o1至本車車尾邊緣的垂直距離；ηr2表示周圍車輛質(zhì)心o2至周圍車輛車尾左右兩端構(gòu)成的夾角的1/2：其中l(wèi)r2為周圍車輛質(zhì)心o2至周圍車輛車尾邊緣的垂直距離；

rf1表示本車質(zhì)心o1至本車車頭左端或右端的距離：rf2表示周圍車輛質(zhì)心o2至周圍車輛車頭左端或右端的距離：

rr1表示本車質(zhì)心o1至本車車尾左端或右端的距離：rr2表示周圍車輛質(zhì)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(zhì)心向相對速度，由步驟2和步驟3可確定兩車質(zhì)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(nèi)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(tǒng)預警變量碰撞時間ttc進行修正，修正后的碰撞時間ttcm為修正后的兩車相對位置矢量大小dr與兩車質(zhì)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(zhì)心向投影速度，由步驟4可確定本車質(zhì)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(tǒng)預警變量車間時間thw進行修正，修正后的車間時間thwm為修正后的兩車相對位置矢量大小dr與本車質(zhì)心向投影速度vr的比值：

步驟8：考慮到當兩車質(zhì)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(zhì)心向相對速度vr非常小的時候，對ttcm和thwm進行賦權(quán)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(quán)重系數(shù)，由變異系數(shù)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(shù)，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(quán)重系數(shù)。

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(diào)整，其計算公式如下：thi＝ai+n·stepn＝1,2,...,n；i＝1,2；

其中，thi表示經(jīng)過n次更新調(diào)整后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，兩車處于無碰撞風險狀態(tài)，此時駕駛員無需采取任何處理措施；當i＜th1時，兩車處于臨近碰撞風險狀態(tài)，此時駕駛員應采取減速或轉(zhuǎn)向避讓措施；當i＜th2時，兩車處于緊急碰撞風險狀態(tài)，此時駕駛員或車輛應采取緊急制動或緊急轉(zhuǎn)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(diào)整步長，n表示調(diào)整循環(huán)次數(shù)。以上thi參數(shù)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征數(shù)據(jù)的方法為：

步驟a:在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，信息采集設(shè)備陀螺儀傳感器和gps傳感器，實時采集本車的航向角α1、車身分速度vx、垂直于車身方向的分速度vy、本車質(zhì)心o1的gps坐標。

步驟b：將步驟a中采集的信息與本車車內(nèi)預存的本車車身寬w1度、本車質(zhì)心o1至本車車頭邊緣的垂直距離lf1、本車質(zhì)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(shù)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(shù)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：重復步驟一，將步驟a中實時獲取的本車的航向角α1、車身分速度vx、垂直于車身方向的分速度vy、本車質(zhì)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，兩車處于無碰撞風險狀態(tài)，無需發(fā)布預警信息；當i^*＜th1時，兩車處于臨近碰撞風險狀態(tài)，發(fā)布提示性預警，如報警聲提醒；當i^*＜th2時，兩車處于緊急碰撞風險狀態(tài)，發(fā)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(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。