汽車防撞和防側(cè)翻主動安全系統(tǒng)的研究

汽車主動安全系統(tǒng)，可以監(jiān)測事故發(fā)生或者汽車失控的可能性，從而通過發(fā)出警報或者直接操控汽車避免事故的發(fā)生。汽車防撞和防側(cè)翻主動安全系統(tǒng)是其中的重要組成部分，可以極大程度上提高行車安全。

文獻[1]介紹了一種通過識別汽車牌照方法，避免和前方汽車碰撞的防撞預警系統(tǒng)；文獻[2]設(shè)計了一種汽車防撞系統(tǒng)，可以解決當前ADAS無法有效應(yīng)對危險駕駛情況的問題；文獻[3]介紹了一種低成本汽車防側(cè)翻系統(tǒng)，具有精度高、成本低的優(yōu)點；文獻[4]對汽車避免碰撞算法進行研究，通過NHTSA算法確定安全距離，同時考慮駕駛員反應(yīng)時間，可以提高碰撞預警準確度；文獻[5]介紹了一種客車制動輔助主動安全系統(tǒng)，考慮駕駛員駕駛意圖，并檢測汽車周圍障礙物，及時給制動系統(tǒng)制動信號，避免碰撞事故的發(fā)生；文獻[6]介紹了一種可進行V2X通信的汽車碰撞預警與避讓系統(tǒng)，除了使用汽車傳感器檢測行人避免碰撞，還可以利用行人智能手機，輔助檢測行人位置，更大程度保障行人安全，避免碰撞事故發(fā)生。

1 汽車防撞預警系統(tǒng)的設(shè)計與研究[1]

汽車碰撞預警系統(tǒng)通過傳感器、計算機圖像處理來實現(xiàn)監(jiān)控預警功能。這是智能汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。該系統(tǒng)能有效保護行人的安全，減少交通事故的發(fā)生率。汽車牌照是車輛上的一個關(guān)鍵視覺特征，大小、形式統(tǒng)一，安裝在汽車規(guī)定位置上，是一種有身份識別功能的標記。在已有汽車碰撞預警和智能汽車的研究中，對車牌的關(guān)注較少。

文中關(guān)注汽車車牌，設(shè)計出一種汽車碰撞預警系統(tǒng)，可以根據(jù)攝像頭拍攝到的車牌圖像，通過單目視覺定位技術(shù)，確定車輛與前方車輛的相對距離和相對速度，從而可以判斷危險情況，及時提醒駕駛員采取適當?shù)男袆?，避免車輛碰撞事故發(fā)生。單目視覺傳感器具有實時性好，成本低的優(yōu)點。研究該系統(tǒng)的定位技術(shù)可以幫助駕駛員判斷危險情況，提高駕駛安全性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

除了可以進行目標車輛定位之外，還可以實現(xiàn)確定前方車輛的姿態(tài)。同時這種基于識別車牌的汽車碰撞預警系統(tǒng)，不受路面粗糙度的限制。經(jīng)仿真試驗表明，該方法的定位速度快，能夠準確定位車牌圖像的位置，進而確定車輛與前方車輛的相對位置，從而避免與前方車輛發(fā)生碰撞。已有文獻中，還沒有與文中提出的方法相似的研究。因此，文中進行的相關(guān)研究，可以豐富汽車防撞技術(shù)和智能汽車技術(shù)理論。

2 一種自適應(yīng)汽車防撞系統(tǒng)設(shè)計[2]

為了實現(xiàn)汽車安全駕駛，已有研究者提出了協(xié)同智能交通系統(tǒng)（C-ITS）和智能自動駕駛（IDA）系統(tǒng)。采用自適應(yīng)巡航控制（ACC）、C-ITS協(xié)同技術(shù)（CACC）和IDA智能汽車技術(shù)（IVT），可以顯著降低車輛碰撞概率，避免車輛事故。危險駕駛?cè)菀讓е屡R近車輛受到威脅，進而降低駕駛安全性。

危險駕駛包括：不穩(wěn)定駕駛、無法預測行車路徑的駕駛、人為異常駕駛、車輛突發(fā)機械故障時的駕駛。特別是不穩(wěn)定的駕駛?cè)菀讓е潞?yīng)，增加了碰撞事故發(fā)生概率。面臨危險駕駛時，即使采用CACC及IVT技術(shù)的ADAS，車輛碰撞事故發(fā)生率也會上升，目前很少有解決這一問題的相關(guān)研究。

文中提出了一種自適應(yīng)車輛碰撞防御（ACD）系統(tǒng)，可以盡量減少汽車在危急突發(fā)情況下，發(fā)生事故的概率及降低事故發(fā)生的程度。文中提出的ACD方法由三個階段組成：自適應(yīng)碰撞時間（TTC）確定階段，事故發(fā)生概率分析階段和避免事故階段。研發(fā)該系統(tǒng)的主要目標是，將汽車事故發(fā)生概率降至最低，并為解決當前ADAS面臨的問題，提供一種解決方法。

仿真試驗結(jié)果表明，文中提出的ACD方法優(yōu)于已有的TTC比較方法，可以降低碰撞事故發(fā)生概率。同時，文中正在擴展模型，從而可以定量的分析在VANET中因危險駕駛引起的蝴蝶效應(yīng)造成的影響。

3 防止汽車側(cè)翻的低成本主動安全系統(tǒng)[3]

越野汽車在一些復雜地形條件上行駛時，面臨很大挑戰(zhàn)，有發(fā)生側(cè)翻的風險。為了減少側(cè)翻事故發(fā)生率，在汽車上安裝了一些被動保護裝置，但是，這些裝置保護能力非常有限。而主動安全裝置允許警告駕駛員或直接采取行動控制汽車行駛，是有效的解決方案，可以降低風險，避免危險情況發(fā)生。

目前專門用于越野汽車控制的穩(wěn)定系統(tǒng)的開發(fā)仍處于初級階段。文中提出了一種控制穩(wěn)定系統(tǒng)，用來評估和避免汽車的側(cè)翻風險。系統(tǒng)需要對汽車的一些參數(shù)（如汽車載荷、重心高度等）變化進行監(jiān)測。由于用于測量橫向荷載傳遞（以下稱為LLT）所需的傳感器數(shù)量較少，可以降低成本，且物理意義明確，計算簡單，所以文中選擇LLT計算汽車載荷等參數(shù)，進而計算側(cè)翻風險。

采用這種系統(tǒng)，用LLT度量側(cè)翻的風險，不用使用較多的傳感器，同時能夠?qū)崟r計算汽車上的動態(tài)載荷分配，進而系統(tǒng)對變化的載荷進行分析，控制汽車實時調(diào)整汽車的抓地力。試驗表明，該系統(tǒng)可以精確地計算翻車的風險。

4 一種汽車避免碰撞控制算法[4]

汽車防碰撞系統(tǒng)是安裝在汽車上對駕駛員提醒或者在緊急情況時對汽車進行自動控制和緊急制動的系統(tǒng)。汽車防碰撞系統(tǒng)必需具備很小的誤警率和漏警率以提高它的可靠性。汽車在行駛過程中的運動狀態(tài)和駕駛員在面對緊急情況時的反應(yīng)時間以及路面的附著系數(shù)，對汽車防碰撞系統(tǒng)的可靠性起到了關(guān)鍵的作用。

汽車防碰撞控制算法是汽車防碰撞系統(tǒng)的核心，該算法的準確性關(guān)系著汽車的行駛安全，對預防汽車碰撞，減少交通事故有著重要的意義。該控制算法作用是確定系統(tǒng)的啟動邏輯和啟動時機，一個好的避撞算法對整個系統(tǒng)的性能有著重要的影響，因此，其準確性、實時性一直是研究的重點。

文中首先定義了汽車周圍的警戒和危險區(qū)域，通過車載傳感器檢測外部物體、障礙物、其他汽車，并獲得汽車在行駛過程中的運動狀態(tài)量。采用NHTSA算法確定安全距離，同時考慮駕駛員的反應(yīng)時間，進行汽車防碰撞計算，當檢測到可能發(fā)生碰撞時會給駕駛員警報提示。

試驗結(jié)果表明，該算法具有較高可靠性，可考慮駕駛員反應(yīng)時間，給予及時警示，可以顯著降低算法的誤警率和漏警率。作者會進一步進行研究，將該算法結(jié)合汽車制動系統(tǒng)，在檢測到可能發(fā)生碰撞時，自動控制汽車制動。

5 客車制動輔助主動安全系統(tǒng)[5]

世界衛(wèi)生組織在2015年全球道路安全狀況報告中指出，各國政府有必要確保公共客運系統(tǒng)（PTS）的安全，因為這會減少交通事故發(fā)生和降低傷亡人數(shù)。公交車和長途客車對推動旅游、節(jié)能、環(huán)保、道路安全和經(jīng)濟發(fā)展具有重要社會經(jīng)濟影響。盡管公共汽車事故造成的傷亡人數(shù)，明顯低于其他PTS交通工具，但是公共汽車一旦發(fā)生事故，程度一般十分嚴重，這就需要不斷尋求提高汽車主動和被動安全性的解決方案。

文中對許多例子進行研究表明，事故中老年人和殘疾人是最脆弱的群體，事故死亡總?cè)藬?shù)超過50%，同時研究表明，乘客（下車時的危害比上車更大）和行人（公共汽車站附近）也是事故易發(fā)群體。分析CARE數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表明，大部分事故（車禍和死亡）都是由于公共汽車前方和右方的沖擊引發(fā)，在涉及行人的事故中，22%左右由于司機操作不及時造成，而32%以上則是根本沒有操作。

大部分事故都可以通過預警系統(tǒng)或緊急制動輔助系統(tǒng)來避免。實際上，在歐盟一項研究表明，前部和側(cè)面碰撞預警系統(tǒng)可以將事故嚴重程度降低8%，并減少12%的迎面、追尾及車輛和行人的碰撞風險類型。

文中介紹了一種基于油門踏板的緊急制動高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），并提出了一種高效算法：基于簡化但準確的車輛模型，考慮駕駛員意圖，高效地檢測車輛周圍徘徊的行人，進行風險評估，可以及時給出緊急制動信號。最后，文中使用城市情景模擬駕駛室和真實的公共汽車來驗證所提出的ADAS的性能。結(jié)果顯示，所提出的系統(tǒng)和算法，可顯著提高汽車安全性、降低碰撞次數(shù)和風險。

6 基于V2X的汽車碰撞預警與避讓系統(tǒng)[6]

避免碰撞是當前自動駕駛汽車研究中的一個重要研究領(lǐng)域。在汽車碰撞事故中，行人是最可能發(fā)生致命碰撞的弱勢道路使用者之一。在汽車上的安裝視線傳感器（如相機、雷達和激光雷達）用來檢測行人，可以在一定程度上避免碰撞事故發(fā)生。

但是，這些視線傳感器在有些情況下（如惡劣天氣），無法檢測到行人。文中提出了一個基于專用短距離通信（DSRC）技術(shù)，實現(xiàn)汽車和行人間的V2X通信的汽車行人碰撞預警與避讓系統(tǒng)。如果行人的存在和位置不能通過視線傳感器確定，則可以用行人的智能手機進行行人定位，手機通過應(yīng)用程序和汽車基于DSRC技術(shù)進行通信。

在碰撞預警與避讓系統(tǒng)中，當汽車檢測到將要和行人發(fā)生碰撞時，要么緊急制動，停止行駛；要么通過彈性帶方法，實時局部的修改汽車軌跡，保證汽車以合理的軌跡行駛，進而繞過行人。

作者通過采用汽車系統(tǒng)動力學仿真軟件Car-Sim，對裝有該系統(tǒng)的自動駕駛汽車模型進行硬件在環(huán)仿真。硬件在環(huán)仿真結(jié)果證明了所提出的方法的有效性。將來文中會進一步完善避碰算法，并通過實際試驗對系統(tǒng)進行測試。

Fig.1: An initial path deformed by internal and external forces with thepresence of an obstacle.

Fig.3: Flow chart of elastic band collision avoidancesystem.

[1]Qin L,Wang T.Design and research of automobile anti-collision warning system based on monocular vision sensor with license plate cooperative target[J].Multimedia Tools&Applications,2017,76(13)：14815-14828.

[2]Chang BJ,Yu BH,Liang Y H.Colouringvehicle threat and minimising threat avoidance trajectory cost for adaptive vehicle collision defence system in active safe driving[J].Iet Intelligent Transport Systems,2017,11(6)：309-318.

[3]Dieumet Denis,Benoit Thuilot,et al.Low cost active devices to estimate and prevent off-road vehicle from rollover.1st AXEMA-EurAgEng Conference"Intensive and environmentally friendly agriculture：an opportunity for innovation in machinery and systems",Paris,France,25 February 2017.pp.54-59

[4]Yang A,Naeem W,Fei M,et al.A cooperative formationbased collision avoidance approach for a group of autonomous vehicles[J].International Journal of Adaptive Control&Signal Processing,2017.

[5]Girbés V,Armesto L,Dols J,et al.An Active Safety System for Low-Speed Bus Braking Assistance[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2017,PP(99)：1-11.

[6]Gelbal SY,Arslan S,Wang H,et al.Elastic band based pedestrian collision avoidance using V2X communication[C]//Intelligent Vehicles Symposium.IEEE,2017：270-276.