車輛前向防碰撞主動預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

李陽娟

(莆田學(xué)院 工程實訓(xùn)中心，福建 莆田，351100)

數(shù)據(jù)研究表明，“跟車距離太近”是車輛最危險的駕駛行為之一[1]，撞車事故易引發(fā)側(cè)翻、落水、起火燃燒等惡性交通事故[2]，交通運輸部專門為此制定了《JT/T 1094-2016》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求自2018年4月1日起，新生產(chǎn)的9米以上營運客車需安裝前向防碰撞預(yù)警系統(tǒng)[3]。

車輛前向防碰撞預(yù)警系統(tǒng)(forward collision warning system，F(xiàn)CWS)是一種主動型安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過毫米波雷達傳感器實時監(jiān)測前方車輛，結(jié)合自車運行狀態(tài)，通過卡爾曼濾波算法對前向有效目標(biāo)車輛進行定位，通過兩級預(yù)警策略算法，在車輛有前向碰撞風(fēng)險時，向駕駛員發(fā)出語音、方向盤和坐墊震動等預(yù)警信號，真實道路實車試驗表明，本系統(tǒng)能有效避免車輛前向碰撞事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)組成

同攝像頭、超聲波等其余測距方案相比，毫米波雷達穿透能力較強，尤其適用于復(fù)雜環(huán)境條件下的主動防撞預(yù)警應(yīng)用。本文設(shè)計的FCWS系統(tǒng)組成如下圖1所示。其中，車載電腦(主要包括儀表、主機等)負責(zé)采集車輛的相關(guān)運行參數(shù)(如車速、轉(zhuǎn)向和制動等信息)，并通過CAN總線發(fā)送至FCWS控制器；FCWS控制器通過預(yù)警策略算法進行防碰撞預(yù)警決策，相關(guān)預(yù)警信號以視覺、聽覺及觸覺等方式發(fā)出。

圖1 FCWS系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition block diagram of the FCWS system

預(yù)警系統(tǒng)毫米波雷達選用Delphi公司的多模雷達(electronically scanning radar，ESR)，工作頻段為76GHz～77GHz，該雷達有兩種工作模式：中距離模式和長距離模式，中距離模式視角比較寬，可以發(fā)現(xiàn)前向±45°的車輛，便于發(fā)現(xiàn)臨近車道車況；長距離模式最長可探測175m處目標(biāo)，兩種模式相結(jié)合，可以對車間距離及相對速度進行精確測量，雷達主要性能參數(shù)見表1所示[4]。

表1 ESR主要參數(shù)

Table 1 Key parameters of ESR

FCWS控制器采用LPC1769處理器，外設(shè)接口豐富，內(nèi)部集成兩路CAN控制器，具備高性能、低功耗、實時處理的特點[5]。FCWS系統(tǒng)控制器原理框圖如圖2所示。

圖2 FCWS系統(tǒng)控制器原理框圖Fig.2 Schematic diagram of FCWS system

預(yù)警信號可通過語音、方向盤振動和指示燈閃爍三種方式提醒駕駛員，其中語音提醒采用低成本的解決方案，語音文件以*.wav的格式存儲在Flash芯片中；處理器通過SPI總線從Flash中獲取語音后，進行解碼并轉(zhuǎn)換成模擬信號；該信號經(jīng)過音頻放大電路后送給揚聲器輸出。電路原理圖如圖3所示。

圖3 語音存儲及放大電路Fig.3 A diagram of voice storage and amplification circuit

方向盤振動通過處理器輸出PWM信號控制功率場效應(yīng)管驅(qū)動直流電機來實現(xiàn)；通過控制PWM信號，使振動提醒由弱漸強，電機驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 振動電機驅(qū)動電路Fig.4 A diagram of the driving circuit of a vibration motor

預(yù)警系統(tǒng)在真實道路交通環(huán)境下開展了實車測試，測試車輛為一輛12米客車，測試道路一側(cè)有護欄及路燈桿，自車車道及鄰近車道前方均有車輛行駛，并且車輛存在變道動作。如下圖5所示。

圖5 測試過程典型場景Fig.5 Typical scenarios of test process

2 有效目標(biāo)車輛定位算法及試驗結(jié)果

由于毫米波雷達在實際工作過程中，會受到道路兩旁樹木、路燈等設(shè)施的干擾，同時由于目標(biāo)回波能量不均勻還會出現(xiàn)虛假目標(biāo)[6]。因此，需要對接收信號進行預(yù)處理，以便從多個探測目標(biāo)中確定出危險性最大的目標(biāo)車輛。

預(yù)警系統(tǒng)有效目標(biāo)車輛定位算法中，優(yōu)先處理動態(tài)目標(biāo)和近距離目標(biāo)，對探測到的目標(biāo)橫向距離進行過濾，之后采用卡爾曼濾波算法進行跟蹤預(yù)測。

在行車過程中，危險性最高的是距離自車最近的目標(biāo)；因此，定位算法通過計算目標(biāo)的橫向距離x來判斷目標(biāo)是否需要優(yōu)先監(jiān)測，即判斷是否滿足

x

(1)

其中：x0值取車道寬度的1/2。

對滿足式(1)的目標(biāo)通過卡爾曼濾波算法預(yù)測下一探測周期內(nèi)該目標(biāo)的狀態(tài)[7]，如下：

(2)

式(2)中：d(n)、v(n)和a(n)分別為周期內(nèi)系統(tǒng)監(jiān)測到的目標(biāo)縱向間距、相對速度和相對加速度；t是雷達監(jiān)測周期，數(shù)值為0.05s；d(n+1)n、v(n+1)n和a(n+1)n為下一監(jiān)測周期中目標(biāo)的預(yù)測值，下一監(jiān)測周期中雷達的監(jiān)測值應(yīng)與預(yù)測值在一定的誤差范圍內(nèi)。

預(yù)警系統(tǒng)從以上過濾后的目標(biāo)中，挑出縱向距離最小的目標(biāo)，則為最危險目標(biāo)。具體定位算法為：雷達返回目標(biāo)車輛的橫向距離xn，縱向距離dn；通過判斷xn

對車輛定位算法進行實車測試，結(jié)果如圖6所示，其中圖6(a)、圖6(b)為雷達監(jiān)測目標(biāo)的橫向距離變化過程(縱坐標(biāo)LatDis為橫向距離，橫坐標(biāo)為時間)；圖6(c)、圖6(d)為雷達監(jiān)測目標(biāo)的縱向距離變化過程(縱坐標(biāo)Dis為縱向距離，橫坐標(biāo)為時間)。第一步，根據(jù)橫向距離小于車道寬度的1/2這一條件，將圖6(a)中8個目標(biāo)車輛(已用數(shù)字進行標(biāo)識)排除5個，剩余3個目標(biāo)車輛如圖6(b)；第二步，從各目標(biāo)車輛縱向距離圖6(c)中根據(jù)第一步得到的3個目標(biāo)車輛進行卡爾曼濾波，并比較得到與自車距離最近的目標(biāo)；圖6(d)為最終需要安全監(jiān)測的有效車輛目標(biāo)的縱向距離。

1-8：車輛編號圖6 雷達目標(biāo)挑選過程Fig.6 Target identification process by using radar

3 兩級預(yù)警策略算法及試驗結(jié)果

現(xiàn)有FCWS主要是基于安全車距的預(yù)警策略，模型由兩部分組成：反應(yīng)距離和制動距離。其中反應(yīng)距離是指駕駛員意識到與前車可能存在碰撞風(fēng)險，但還沒有制動動作，在這個反應(yīng)時間內(nèi)自車行駛的距離，制動距離是指從駕駛員制動動作發(fā)生到車輛完全停止期間自車行駛的距離[8-11]。本系統(tǒng)安全車距的計算公式為

LSafeDis=V×Tr+Vrel×TTC

(3)

其中：LSafeDis為安全車距；V為自車車速；Tr為動態(tài)調(diào)節(jié)因子(取決于駕駛員疲勞程度、駕駛經(jīng)驗、車輛使用年限、維保狀態(tài)以及環(huán)境等多方面因素)；Vrel為兩車相對速度；TTC(time to collision，TTC)為距碰撞時間，可通過車載電腦進行配置，反映系統(tǒng)報警靈敏度等級。當(dāng)毫米波雷達所探測的車間距離小于計算得到的動態(tài)安全車距時，即判斷為可能發(fā)生潛在的碰撞危險。

預(yù)警系統(tǒng)采用兩級預(yù)警策略：初級碰撞預(yù)警及碰撞預(yù)警。初級碰撞預(yù)警用來預(yù)警潛在危險目標(biāo)，需要駕駛員提高注意力；碰撞預(yù)警則是用來提醒駕駛員倘若繼續(xù)當(dāng)前狀態(tài)行駛，則會在一定時間內(nèi)發(fā)生前向碰撞，必須減速或者換道[12]。兩級預(yù)警策略如圖7所示，其中：Safe State為無碰撞危險狀態(tài)，Warning State為初級碰撞預(yù)警狀態(tài)，Alarm State為碰撞預(yù)警狀態(tài)；SafeDis1是初級碰撞預(yù)警的安全距離，SafeDis2是碰撞預(yù)警的安全距離，具體數(shù)值由式(3)計算得到，其中TTC均取3.0s，SafeDis1對應(yīng)的Tr比SafeDis2對應(yīng)的Tr取值大。Tr的取值應(yīng)避免使報警過于頻繁，并能有效區(qū)分兩級報警間距；測試實驗中Tr取1.0s。圖7中參數(shù)a是從報警狀態(tài)退出到安全狀態(tài)時的遲滯系數(shù)，具體實驗中取值1.05，Vrel為兩車相對速度。

圖7 系統(tǒng)報警控制邏輯示意Fig.7 A schematic diagram of system warning control logic

實車試驗結(jié)果如下圖8所示，展示了疊加駕駛員預(yù)警反應(yīng)時間及施加制動動作之后的實驗數(shù)據(jù)，圖8中縱坐標(biāo)Dis為兩車縱向距離、V為自車速度、Vrel為兩車相對速度，warning為預(yù)警信號。實驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)初級碰撞預(yù)警信號(warning=1)在碰撞前5.48s產(chǎn)生，碰撞預(yù)警信號(warning=2)在碰撞前4.48s產(chǎn)生，滿足JT/T883-2014規(guī)定的“不小于2.70s時發(fā)出警告”的要求。

1-初級碰撞預(yù)警信號；2-碰撞預(yù)警信號圖8 報警時機Fig.8 Warning timing

4 結(jié)語

以毫米波雷達和LPC1769微處理器為硬件核心，采用基于卡爾曼濾波的目標(biāo)挑選算法和基于智能傳感和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的動態(tài)安全車距控制模型，設(shè)計了FCWS的解決方案。實際道路測試結(jié)果表明，預(yù)警系統(tǒng)在典型道路工況及多種氣候環(huán)境條件下能夠穩(wěn)定跟蹤障礙目標(biāo)，及時有效地提醒駕駛員潛在碰撞危險，有效減少追尾碰撞事故的發(fā)生。