基于ＩＴＳ車輛行駛安全駕駛輔助系統(tǒng)的研究

崔焱喆　余成波

摘 要：在當(dāng)今社會(huì)中，地面交通系統(tǒng)對人們的生活起到了至關(guān)重要的作用。但是，頻繁的車禍?zhǔn)沟萌藗儗ζ嚢踩又匾暋２捎弥悄芙煌ㄏ到y(tǒng)(ITS)的思想，針對汽車視野死角的問題，提出了一種駕駛輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過GPS，CCD相機(jī)來判斷車所處的位置、汽車間的車速、剎車扭矩等，并通過無線自組織網(wǎng)(Ad Hoc)進(jìn)行車間通信，使車載MCU能夠判斷并做出主動(dòng)預(yù)防碰撞措施。

關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng)；駕駛輔助系統(tǒng)；GPS；無線自組織網(wǎng)；主動(dòng)預(yù)防碰撞

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-171-04

Research of Driver Safety Assisting System Based on the Intelligent Transportation System

CUI Yanzhe,YU Chengbo

(Research Institute of Remote Test and Control,Chongqing Institute of Technology,Chongqing,400050,China)

Abstract：In nowadays,the ground transportation system plays an important role in people′s life.However,the frequent accidents make people pay more attention to automobile safety.In this paper,using the Intelligent Transportation System (ITS) theory,according to problems of the blind spot for the automotive vision,a driver assisting system is proposed.This system is characterized by vehicle position,current speed between the vehicles,and braking torques acquired using GPS and CCD cameras,and makes inter-vehicle communications through wireless Ad Hoc network.In this way,MCU on vehicle is able to make the judgment and take the initiative measures to prevent collisions.

Keywords：intelligent transportation system;driver assisting system;GPS;wireless Ad Hoc network;active collisions prevention

0 引 言

汽車安全主要關(guān)心的是駕駛員在駕駛過程中，遇到不斷變化的交通狀況時(shí)，如何保持汽車和人的安全性。目前，已經(jīng)開發(fā)出來的是先進(jìn)的巡航輔助高速公路系統(tǒng)(AHS)，其通過安裝在公路兩旁的監(jiān)測通訊設(shè)備，使車輛自動(dòng)與車道上的標(biāo)志、周圍車輛或智能交通設(shè)施相互配合。但是，在蜿蜒的山路、偏遠(yuǎn)的地區(qū)等路況不佳的地方，不能處處安裝這些監(jiān)測通訊設(shè)備，即使在部分路段安裝了這些設(shè)備，維護(hù)和保護(hù)其可靠性、安全性也是非常困難的，同時(shí)還會(huì)耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力。而且，通過分析AHS系統(tǒng)的工作原理［1］，發(fā)現(xiàn)AHS系統(tǒng)不能獲得汽車運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息，如：汽車的位置、汽車的速度、剎車扭矩等；更不能進(jìn)行將要發(fā)生事故的兩車間傳輸兩車位置、接近速度等重要信息的車間通信。因此，AHS系統(tǒng)僅能探測到交通事故的發(fā)生，而不能有效地采取主動(dòng)方式來預(yù)防交通事故的發(fā)生。

本文所介紹的系統(tǒng)不需要安裝在道路兩旁的監(jiān)測通信設(shè)備，就能夠在汽車行駛過程中，相互傳遞彼此靠近的汽車行駛信息，并且在適當(dāng)情況下能夠做出主動(dòng)預(yù)防措施，這樣就可以應(yīng)付各種潛在的危險(xiǎn)狀況，從而有效地阻止交通事故的發(fā)生。因此該系統(tǒng)可以看作是未來ITS技術(shù)的發(fā)展的一部分，具有重大的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

1 駕駛輔助系統(tǒng)組成

圖1所示為基于ITS的駕駛輔助系統(tǒng)原理示意圖，它主要由GPS和CCD相機(jī)探測模塊、通信模塊和控制模塊等組成。其中，GPS和CCD相機(jī)探測模塊通過GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，求出該車的經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度、時(shí)間等信息，利用安裝在汽車前部和后部的CCD相機(jī)，實(shí)時(shí)觀察道路兩旁的狀況；通信模塊可以發(fā)送檢測到的相關(guān)信息并在相互靠近的汽車之間實(shí)時(shí)地傳輸行駛信息；控制模塊可以在即將出現(xiàn)事故的時(shí)候做出主動(dòng)控制，從而避免事故的發(fā)生。

1.1 GPS模塊和CCD相機(jī)探測模塊［2-5］

在汽車駕駛過程中，最容易出現(xiàn)碰撞事故的地方就是在拐角處，這是因?yàn)槠囋O(shè)計(jì)過程中，其前視窗有視野死角，使得駕駛者在轉(zhuǎn)彎時(shí)沒有很好的視野，從而不能對即將發(fā)生的事故做出迅速明確的判斷。為了最大限度地消除視野死角問題，駕駛輔助系統(tǒng)利用GPS和CCD相機(jī)探測模塊得到車輛的行駛數(shù)據(jù)，包括車輛的位置、速度、兩車接近速度等。

為了反映車間的距離位置信息，這里將地理信息系統(tǒng)(GIS)中的道路信息融入GPS定位數(shù)據(jù)系統(tǒng)，構(gòu)成融合GPS信息系統(tǒng)。在GIS中，為了真實(shí)地反映地理實(shí)體，記錄的數(shù)據(jù)不僅包含實(shí)體的位置、形狀、大小和屬性，還記錄了實(shí)體間的相互關(guān)系，這樣結(jié)合能夠很好地滿足本系統(tǒng)的需要。因此，GPS衛(wèi)星傳遞的位置信息不僅包括汽車所處的經(jīng)度和緯度，還包括海拔高度以及車輛間的位置關(guān)系，這樣就能夠更為精確地表示出汽車所處的地理位置，避免兩車間信息傳遞出現(xiàn)“立交橋情況”(如圖2)，不會(huì)使汽車做出錯(cuò)誤判斷，而導(dǎo)致不必要的狀況發(fā)生。

安裝在汽車前部和后部的CCD相機(jī)即 “盲區(qū)探測器”，其作用是能夠?qū)崟r(shí)觀察道路兩旁的狀況。其中，前部CCD可以在轉(zhuǎn)角處提前探測轉(zhuǎn)彎后的路況，判斷有無駛近的車輛；后部CCD可以看到后面車輛行駛情況，判斷有無車輛影響本車轉(zhuǎn)彎、超車等操作。

圖3所示為利用GPS和CCD相機(jī)判斷危險(xiǎn)發(fā)生并根據(jù)危險(xiǎn)做出判斷操作的過程示意框圖。首先，判斷是否有車輛駛近本車，并且將最危險(xiǎn)的接近車輛作為通信對象；其次，通過Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)通信，獲得本車與目標(biāo)車的行駛信息，包括速度、位置、剎車扭矩等。根據(jù)這些信息，判斷目標(biāo)車的行駛狀況是否正常。當(dāng)監(jiān)測到的信息顯示目標(biāo)車運(yùn)行不正常，則兩車間互相傳遞諸如剎車扭矩等的重要信息，并且根據(jù)具體情況，實(shí)時(shí)地通過CCD相機(jī)獲得兩車間的距離信息，在特定情況下，兩車MCU控制器均會(huì)采取主動(dòng)或自動(dòng)剎車，從而避免兩車相撞，同時(shí)司機(jī)也可以通過車內(nèi)的監(jiān)視屏來看到這些信息。即使在行駛過程中，出現(xiàn)不同的危險(xiǎn)狀況，駕駛輔助系統(tǒng)都能夠根據(jù)從GPS和CCD相機(jī)得到的信息，針對不同的行駛狀況，做出正確精確的操作。

1.2 通信模塊［6-8］

移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由汽車上裝載的無線終端相互作用而形成，無需其他有線和無線網(wǎng)絡(luò)支持。其中，每輛汽車都是移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，而且可以自由地加入或離開網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(如蜂窩網(wǎng)中的基站)，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分布式運(yùn)行，具有路由功能，利用一定的協(xié)議，使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身可以發(fā)現(xiàn)和維護(hù)其他節(jié)點(diǎn)的路由。除適合本駕駛輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳輸外，還具有一些蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不具備的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 可以隨時(shí)建立網(wǎng)絡(luò)，在沒有其他通信設(shè)施的情況下使用，大大節(jié)省運(yùn)營成本；

(2) 不受固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性，在某些極端惡劣的情況下，即使部分探測汽車出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)仍能正常運(yùn)行。

駕駛輔助系統(tǒng)依靠車輛間的狀態(tài)信息相互傳遞，監(jiān)測行車狀態(tài)，可以保護(hù)行車的安全性，包括調(diào)節(jié)行駛狀態(tài)，避免惡性碰撞。目前，現(xiàn)有的系統(tǒng)能夠警告駕駛者危險(xiǎn)狀況的來臨，但不能自主做出預(yù)防措施，而本系統(tǒng)則彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。利用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳送的信息主要包括兩種：

(1) 定時(shí)傳輸由GPS和CCD相機(jī)以及車內(nèi)部分傳感器得到的狀態(tài)信息，如：車輛的位置、行駛速度、剎車扭矩等。根據(jù)研究，這些狀態(tài)信息應(yīng)以非常高的頻率傳遞，網(wǎng)絡(luò)中的每輛車每秒大約傳輸5~50次。

(2) 危險(xiǎn)情況的警告信息。與上面定時(shí)發(fā)送的信息不同，這些警告信息有可能來自通信范圍內(nèi)的通信車輛，節(jié)點(diǎn)離得較遠(yuǎn)，因此需要多跳傳輸，所以這種信息只有當(dāng)危險(xiǎn)情況出現(xiàn)時(shí)才發(fā)出。

因此利用移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南到y(tǒng)能對車輛行駛狀況實(shí)施實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集，具有建設(shè)成本低、周期短、維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn)，適合我國智能交通發(fā)展的現(xiàn)狀。但移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理層協(xié)議設(shè)計(jì)、采集信息的處理與其對未來路況預(yù)測等問題還有待解決。

1.3 控制模塊

通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的車輛信息進(jìn)入車內(nèi)整車控制器時(shí)，會(huì)對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。如果分析的結(jié)果安全，不做出任何措施；當(dāng)分析的結(jié)果出現(xiàn)警告時(shí)，則做出主動(dòng)預(yù)防措施，其過程如圖4所示。

整車控制器是汽車控制的核心，它根據(jù)輸入信號(hào)，判斷汽車當(dāng)前狀態(tài)，并經(jīng)過一定的控制邏輯和控制算法的判斷分析，確定向各子系統(tǒng)發(fā)出當(dāng)前控制信號(hào)的量值。如圖4所示，速度信號(hào)表征當(dāng)前整車對輸出驅(qū)動(dòng)扭矩的需求量，同理，制動(dòng)踏板信號(hào)表示對整車制動(dòng)扭矩的需求。本文所研究的汽車控制策略采用的是電力輔助控制策略。發(fā)動(dòng)機(jī)MCU 根據(jù)總成控制器發(fā)出的發(fā)動(dòng)機(jī)油門信號(hào)，結(jié)合當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，確定出所需供油量和噴油定時(shí)，使電噴發(fā)動(dòng)機(jī)通過有效組織燃燒向扭矩耦合器輸出扭矩。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)輸入的表征電機(jī)扭矩大小的電機(jī)油門信號(hào)，以及電機(jī)工作模式信號(hào)決定電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩輸出。

整車控制器根據(jù)駕駛員制動(dòng)踏板及當(dāng)前車速計(jì)算出所需機(jī)械制動(dòng)扭矩值，以得到機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)指令，與原車相比，車輪制動(dòng)力分別來自產(chǎn)生摩擦制動(dòng)的制動(dòng)系統(tǒng)和產(chǎn)生回饋制動(dòng)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，增加的回饋制動(dòng)功能由混合動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，回饋制動(dòng)力來自電機(jī)的制動(dòng)力矩，并通過傳動(dòng)系統(tǒng)施加于驅(qū)動(dòng)輪上，而回饋制動(dòng)的能量則通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳回電機(jī)。這樣提高了制動(dòng)的可靠性，從而增加了駕駛輔助系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2 車輛定位原理

若要使駕駛輔助系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，汽車間重要行駛信息的傳遞是關(guān)鍵，如何確定與本車進(jìn)行通信的汽車更是基礎(chǔ)。判斷過程如圖5所示，分為4個(gè)步驟。

(1) 假設(shè)這是一個(gè)從四面八方行進(jìn)的車行流模型(如圖5(a)所示)；

(2) 與本車同方向行駛的目標(biāo)車對本車沒有威脅，因此從候選對象中去除(如圖5(b)所示)；

(3) 本車行駛目的地不同的車輛也從候選對象中去除(圖5(c)所示)；

(4) 把余下的車輛當(dāng)作通信候選對象。

在判斷車輛行駛方向的過程中，分析GPS傳遞過來的信號(hào)，通過車輛的位置改變來判斷汽車行駛方向；并且在汽車內(nèi)部，安裝陀螺傳感器可直接檢測出汽車前進(jìn)的方向。當(dāng)兩個(gè)信息所顯示的行進(jìn)方向相同時(shí)，就按以上去除規(guī)則進(jìn)行通訊候選車輛的排除；當(dāng)兩個(gè)信息所顯示的行進(jìn)方向不同時(shí)，則保留作為通訊候選車輛。剩下的候選通信車輛，通過GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，求出該車的經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度、時(shí)間等信息。由這些信息可以算出車輛之間的距離，車輛間靠近速度等參數(shù)，將距離最近和靠近速度最快的汽車作為通信對象。

為提高汽車定位精度，本系統(tǒng)采用了差分GPS技術(shù)。當(dāng)汽車行駛到地下隧道、高層樓群、高速公路等遮掩物而捕獲不到GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)導(dǎo)入自律導(dǎo)航系統(tǒng)，此時(shí)由車速傳感器檢測出汽車的行進(jìn)速度，通過微處理單元的數(shù)據(jù)處理，從速度和時(shí)間中直接算出前進(jìn)的距離以及車間的距離和靠近速度。由GPS衛(wèi)星導(dǎo)航和自律導(dǎo)航所測到的汽車位置坐標(biāo)資料、前進(jìn)的方向都與實(shí)際行駛的路線軌跡存在一定誤差，為修正兩者的誤差，所以融入GIS系統(tǒng)，采用地圖匹配技術(shù)，加一個(gè)地圖匹配電路，對汽車行駛的路線與電子地圖上道路之間的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)相關(guān)匹配進(jìn)行自動(dòng)修正，此時(shí)地圖匹配電路是通過微處理單元的整理程序進(jìn)行快速處理，得到汽車在電子地圖上的正確位置，以指示出正確行駛路線。

3 結(jié) 語

駕駛輔助系統(tǒng)，通過所獲得的GPS和CCD相機(jī)的信號(hào)，實(shí)時(shí)地對車輛行駛過程中的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測，對潛在發(fā)生的碰撞事故實(shí)時(shí)進(jìn)行預(yù)判，當(dāng)判斷結(jié)果顯示將要發(fā)生碰撞事故時(shí)，通過Ad Hoc網(wǎng)，進(jìn)行車輛間的無線通信，將本車行駛參數(shù)以及與之通信車的行駛參數(shù)互相傳遞，傳輸?shù)杰噧?nèi)的微控制器中，使得微控制器發(fā)出操作指令，提醒司機(jī)做出控制，當(dāng)情況特別緊急時(shí)，可以直接對車輛進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂啤Ｓ捎隈{駛輔助系統(tǒng)不需要安裝在道路兩旁的固定監(jiān)測設(shè)備，因此，該系統(tǒng)對于未來的ITS是非常有效的。

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作者簡介 崔焱喆 男，1984年出生，河南人，碩士生。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)獲取與信息處理。

余成波 男，1965年出生，教授(工學(xué)博士)，中北大學(xué)博士生導(dǎo)師、重慶工學(xué)院碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)檫h(yuǎn)程測試與控制技術(shù)。