一種基于內(nèi)輪差的汽車轉(zhuǎn)彎行駛安全預(yù)警系統(tǒng)

張東霞　徐巖　潘翔

摘 要：根據(jù)車輛內(nèi)輪差形成的原因設(shè)計了一種汽車高速行駛安全預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過風(fēng)險數(shù)據(jù)采集識別汽車轉(zhuǎn)彎行駛過程中因內(nèi)輪差引起的風(fēng)險源因素特征，建立內(nèi)輪差模型以及風(fēng)險等級評估模型以對風(fēng)險源因素進(jìn)行總體風(fēng)險等級評估，最后根據(jù)總體風(fēng)險等級向駕駛員提供安全預(yù)警，以降低或消除行車安全風(fēng)險，避免汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時因內(nèi)輪差而引發(fā)交通事故，保證汽車轉(zhuǎn)彎時的行駛安全。

關(guān)鍵詞：內(nèi)輪差 風(fēng)險 車輛 行駛安全 預(yù)警

1 前言

近年來，隨著世界經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，機動車量保有量迅猛增加，截至2021年，全球機動車汽車保有量達(dá)15億，中國汽車保有量約3.95億輛。每年死于車禍有125萬人，中國約6.3萬人，道路安全形勢十分嚴(yán)峻。在汽車行駛過程，危險的道路條件、變差的車輛技術(shù)性能和失控的駕駛都會造成車禍的意外發(fā)生，使機動車安全成為交通事故的第一“殺路”。因此隨著汽車電動化、智能化的發(fā)展，全球汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)行新的發(fā)展階段，各國對機動車的安全都非常重視，并運用現(xiàn)代化手段著手解決汽車的行駛安全問題。

內(nèi)輪差是導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)彎行駛過程中發(fā)生交通事故的最主要因素之一，是汽車轉(zhuǎn)彎行駛過程中不可消除的屬性，在一定的危險道路和駕駛條件下，會造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，是不可忽略的安全隱患。如何解決因內(nèi)輪差造成的安全駕駛問題也是汽車新技術(shù)發(fā)展和汽車消費者關(guān)心的重要問題。

目前，國內(nèi)外已有不少學(xué)者、汽車企業(yè)對如何減少內(nèi)輪差造成的安全隱患開展研究設(shè)計，除通過機械設(shè)計減少行車安全問題外，也對預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)。例如楊云等人通過TruckSim彷真軟件建立整車動力學(xué)模型對半掛牽引車在轉(zhuǎn)彎過程中，內(nèi)輪差對行駛安全的影響進(jìn)行研究；周磊、劉有軍等人以重卡為例，研發(fā)了以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度為控制依據(jù)的內(nèi)輪差行駛安全警示裝置；張三川團隊研究設(shè)計了基于毫米波雷達(dá)的內(nèi)輪差盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)前對內(nèi)輪差監(jiān)測和報警只涉及對于內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)障礙物距離等個別參數(shù)，并沒有完整考慮內(nèi)輪差相關(guān)的所有風(fēng)險源因素，沒有對汽車轉(zhuǎn)彎行駛過程中內(nèi)輪差相關(guān)的眾多風(fēng)險源進(jìn)行全面識別，從而無法確定內(nèi)輪差總體風(fēng)險等級和主要致險因素。隨著汽車智能化的普及發(fā)展，使用現(xiàn)代化手段進(jìn)行汽車盲區(qū)監(jiān)測解決內(nèi)輪差盲區(qū)問題是熱點研究方向。

本文根據(jù)內(nèi)輪差的形成特點設(shè)計了一套能判斷內(nèi)輪差總體風(fēng)險等級并能及時向駕駛員提供安全警報提示的系統(tǒng)，以控制因內(nèi)輪差引起的行車風(fēng)險，保證汽車轉(zhuǎn)彎時的行駛安全。

2 內(nèi)輪差風(fēng)險模型建立

2.1 內(nèi)輪差的形成及模型建立

關(guān)于內(nèi)輪差的形成，國內(nèi)上很多學(xué)者進(jìn)行了分析，例如清華大學(xué)的李逸良、邱信明利用速度投影定理建立了單車、半掛車的最大內(nèi)輪差的運動學(xué)理論分析模型，華中科技大學(xué)的周磊等人也對汽車內(nèi)輪差的理論模型進(jìn)行了計算，鄭州大學(xué)的張三川、高桑田等人也對內(nèi)輪差的形成進(jìn)行了理論和區(qū)域特征彷真分析等。本文結(jié)合國內(nèi)外先前的研究成果對內(nèi)輪差的形成原因和特征進(jìn)行綜合分析，以為基于內(nèi)輪差的汽車轉(zhuǎn)彎行駛安全預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)提供全面準(zhǔn)確的理論支持。

內(nèi)輪差成為車輛轉(zhuǎn)彎行駛危險源的原因主要是我國實行左方向盤靠右行駛的通行方式，在駕駛室左側(cè)的駕駛員對右側(cè)后視鏡的可視范圍有限，在汽車轉(zhuǎn)彎過程中出現(xiàn)視覺盲區(qū)，駕駛員的視覺盲區(qū)主要是由車軸結(jié)構(gòu)、道路狀況、車輛控制指標(biāo)等多種因素所造成的。

在車輛直行時，全盲D區(qū)與車身之間的區(qū)域是可以通過后視鏡實現(xiàn)完全觀察的，如圖1[5]所示。

但在轉(zhuǎn)彎時，由于車輛自身的機械結(jié)構(gòu)因素，其前后輪的運動軌跡并不能相互重合，在車輛轉(zhuǎn)彎時，會形成如圖2[5]所示的陰影區(qū)域，構(gòu)成一個無法消除的內(nèi)輪差區(qū)域。如果車輛與障礙物距離小于內(nèi)輪差，內(nèi)前輪能夠通過，而內(nèi)后輪容易碰撞或碾壓障礙物導(dǎo)致交通事故。

根據(jù)內(nèi)輪差形成的原因建立一種理想行駛狀態(tài)下的內(nèi)輪差參數(shù)計算模型，假設(shè)汽車右轉(zhuǎn)彎過程中，其右前輪與右后輪均繞同一點o做圓弧運動，且假設(shè)整個過程中汽車結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形，輪胎與地面不發(fā)生側(cè)滑，右轉(zhuǎn)彎運動軌跡如圖3所示。根據(jù)內(nèi)輪差形成的原因以及三角函數(shù)關(guān)系，最大內(nèi)輪差如下公式所示。

公式中L為車輛軸距，α2為左前輪轉(zhuǎn)向角，即最大轉(zhuǎn)向角。

2.2 內(nèi)輪差的風(fēng)險源及其特性

根據(jù)內(nèi)輪差的形成特點，內(nèi)輪差的風(fēng)險源主要有道路行駛條件、車輛技術(shù)條件和車輛控制指標(biāo)三個因素。

道路行駛條件根據(jù)行駛路況分為急轉(zhuǎn)彎路段、陡坡路段、側(cè)險要路段及人口和車輛密集路段，本研究中根據(jù)道路交通安全隱患排查參考標(biāo)準(zhǔn)對道路行駛條件進(jìn)行分類。在轉(zhuǎn)彎路段中，將平曲線半徑（R）小于一定半徑的路段（二級公路R<125米，三級公路R<60米，四級公路R<30米）規(guī)定為急轉(zhuǎn)彎；將平曲線半徑（R）小于一定半徑的路段（二級公路R≥125米，三級公路R≥60米，四級公路R≥30米）規(guī)定為緩和轉(zhuǎn)彎。在陡坡路段中，將坡度（I%）大于一定坡度的路段（二級公路I>6，三級公路>7，四級公路I>8）規(guī)定為陡坡；將坡度（I%）大于一定坡度的路段（二級公路I≦6，三級公路≦7，四級公路I≦8）規(guī)定為緩坡。將臨崖臨水的道路規(guī)定為路側(cè)險要路段。將道路轉(zhuǎn)彎經(jīng)過人口、車輛密集路口規(guī)定為人口車輛密集路段。

根據(jù)汽車結(jié)構(gòu)特點，車輛技術(shù)條件的主要影響因素為車輛軸距、車輛輪距。在車輛軸距中，根據(jù)軸距大小分為4個等級：軸距L >7米定為特大型車輛距；5米

車輛控制指標(biāo)風(fēng)險源因素由前輪轉(zhuǎn)向角、車輛行駛速度以及車輛與行人障礙物距離。前輪轉(zhuǎn)向角將最大前輪轉(zhuǎn)向角α2max作為臨界點分為兩級。車物、行人障礙物距離將最大內(nèi)輪差△Rmax作為臨界點分為兩級。行駛速度分為三級：行駛速度大于車輛大行駛速度vmax定為一級，小于定為二級，停車定為三級。

3 基于內(nèi)輪差的汽車安全高速行駛安全預(yù)警方法

根據(jù)內(nèi)輪差產(chǎn)生的視覺盲區(qū)相關(guān)的影響因素，本文研發(fā)的基于內(nèi)輪差的汽車高速行駛安全預(yù)警系統(tǒng)對內(nèi)輪差所產(chǎn)生的視覺盲區(qū)進(jìn)行較為全面的行駛安全風(fēng)險管理，避免汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時因視覺盲區(qū)引發(fā)交通事故，保證車輛行駛安全，本預(yù)警方法的實施如圖4所示，分四個步驟完成。

3.1 風(fēng)險數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)的風(fēng)險數(shù)據(jù)采集模塊是對道路環(huán)境、車輛運行數(shù)據(jù)、OBD數(shù)據(jù)以及車輛原始數(shù)據(jù)等進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)采集以獲取準(zhǔn)確的風(fēng)險數(shù)據(jù)參數(shù)。

在風(fēng)險數(shù)據(jù)采集模塊中，通過攝像機來獲取道路環(huán)境信息，通過圖像分析處理算法判斷所行駛的路況是轉(zhuǎn)彎路段、陡坡路段、側(cè)險要路段還是人口以及車輛密集路口；通過毫米超聲波波雷達(dá)、慣性測量傳感器來測量車輛與行人障礙物間的距離以及前輪轉(zhuǎn)向角，以掌握車輛部分控制技術(shù)特征；系統(tǒng)控制中心通過車聯(lián)網(wǎng)讀取車輛OBD里面的數(shù)據(jù)以獲取車輛車輛行駛速度等控制指標(biāo)信息；在系統(tǒng)控制中心可自由設(shè)置保存車輛軸距和汽車輪距等車輛原始數(shù)據(jù)作為車輛技術(shù)條件的風(fēng)險源數(shù)據(jù)，此設(shè)計可將此系統(tǒng)應(yīng)用于貨車、轎車等不同的車輛上。

3.2 風(fēng)險源識別模塊

系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)過程中同時持續(xù)對所采集到的風(fēng)險源數(shù)據(jù)進(jìn)行識別判斷。為更好地判斷風(fēng)險數(shù)據(jù)對行駛安全的影響，本系統(tǒng)中對風(fēng)險源數(shù)據(jù)進(jìn)行了等級劃分，并創(chuàng)建了較為嚴(yán)格的風(fēng)險源數(shù)據(jù)庫，該風(fēng)險源數(shù)據(jù)庫如表1所示。系統(tǒng)控制中心將數(shù)據(jù)采集模塊所采集的實時數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫的風(fēng)險數(shù)字等級進(jìn)行對比分析，識別出當(dāng)前車輛轉(zhuǎn)彎時各風(fēng)險源所對應(yīng)的車輛行駛風(fēng)險等級。

3.3 風(fēng)險源評估模型

系統(tǒng)控制中心對所采集的風(fēng)險源因素進(jìn)行風(fēng)險等級識別后，進(jìn)入到風(fēng)險評估模塊，為更客觀地進(jìn)行風(fēng)險評估，本系統(tǒng)建立了風(fēng)險等級評估模型。為更好展示及理解風(fēng)險等級評估模型，對風(fēng)險源數(shù)據(jù)庫中的各風(fēng)險源因素及等級進(jìn)行命名：道路行駛條件風(fēng)險源因素類型分別命名為急轉(zhuǎn)彎路段A1、陡坡路段A2、側(cè)險要路段A3、人口和車輛密集路口A4；車輛技術(shù)條件風(fēng)險源因素分別命名為汽車軸距A5，汽車輪距A6、車輛和行人障礙物距離A7；車輛控制指標(biāo)風(fēng)險源數(shù)據(jù)分別命名為前輪轉(zhuǎn)向角A8和行駛速度A9。

風(fēng)險等級評估模型中根據(jù)每個風(fēng)險源危害影響力大小進(jìn)行了權(quán)重和分值分配，如表1所示。風(fēng)險源數(shù)據(jù)庫中道路行駛條件權(quán)重比值占30%，車輛技術(shù)條件權(quán)重比值占20%，車輛駕駛控制指標(biāo)占50%。

本系統(tǒng)建立的風(fēng)險等級評估模型如公式2所示，系統(tǒng)控制中心通過公式2計算F值以判斷車輛在轉(zhuǎn)彎行駛時因內(nèi)輪差引起的視覺盲區(qū)總體安全風(fēng)險等級。

系統(tǒng)將安全風(fēng)險劃分了4個等級，如表2所示。具體判斷規(guī)則如下：F≥65或FA1=100或FA2=100或FA4=100或FA7=100被評定為重大風(fēng)險源；55≦F＜65為較大風(fēng)險源；45≦F＜55為一般風(fēng)險源；35≦F＜45為較小風(fēng)險源。

3.4 風(fēng)險預(yù)警模塊

在風(fēng)險預(yù)警模塊中，系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)險等級評估結(jié)果判定總體風(fēng)險等級向駕駛員提供預(yù)警，提示需采取措施以降低或消除行駛安全風(fēng)險。預(yù)警方法通過不同顏色的警示燈和語音對駕駛員進(jìn)行安全提示，根據(jù)不同風(fēng)險等級警示燈和語音提示及車輛控制應(yīng)對策略如下：

紅色預(yù)警代表重大風(fēng)險，車輛控制采取危急行駛決策，控制車輛停車避讓車輛行人通過；

黃色預(yù)警代表較大風(fēng)險，語音提示采取緊急行駛決策，同時車輛控制前轉(zhuǎn)向輪角度和車輛行駛速度在安全范圍，低速避讓車輛行人通過。

藍(lán)色預(yù)警代表一般風(fēng)險，語音提示采取防御行駛決策，同時控制車輛前轉(zhuǎn)向輪角度和車輛行駛速度在安全范圍，減速避讓車輛行人通過綠色預(yù)警代表較小風(fēng)險，語音提示采取正常行駛決策。

4 討論

本文根據(jù)內(nèi)輪差引起的視覺盲區(qū)影響因素，研發(fā)設(shè)計了一套汽車轉(zhuǎn)彎行駛安全預(yù)警系統(tǒng)方案。此系統(tǒng)方案根據(jù)內(nèi)輪差引起的視覺盲區(qū)形成特點建立了內(nèi)輪差模型和風(fēng)險等級評估模型，以更準(zhǔn)確地判斷汽車在轉(zhuǎn)彎過程中所遇到的安全風(fēng)險大小，減少在轉(zhuǎn)彎過程中的安全交通事故。本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于更為全面地考慮了內(nèi)輪差引起的視覺盲區(qū)的風(fēng)險影響因素，通過建立模型更全面、客觀、準(zhǔn)確地判斷了在轉(zhuǎn)彎過程中因視覺盲區(qū)造成的安全行駛風(fēng)險等級，更為可靠地判斷汽車行駛安全問題，給駕駛員及時提供安全預(yù)警。

本論文的不足之處在于目前僅進(jìn)行了理論研究預(yù)警策略，尚未對系統(tǒng)所需要的攝像機、毫米超聲波雷達(dá)、慣性測量傳感器尚未進(jìn)行型號選擇及成本控制分析，因此本項目團隊將對系統(tǒng)所需配件進(jìn)行選理后，進(jìn)行彷真模擬及開發(fā)。

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