CN113071482B - 一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，属于行车安全技术领域。包括步骤1：获取自车和环境中其他障碍物的行驶状态信息；2：估算自车及环境障碍物行驶轨迹；3：判定自车与环境障碍物的轨迹交叉类型；4：获取轨迹交叉对应类型的碰撞点位置；5：计算自车以及环境障碍物到达碰撞点点的时间区间；6：根据碰撞时间的分布计算当前车辆到达各个交叉点及撞击点的安全加速度或减速度区间；7：将所有交叉点的加减速度区间按碰撞时间由小到大顺序排列，取前若干个加减速度区间，对其取交集，直到加减速度区间不存在交集为止，以此为自车安全行驶的期望加减速度区间；8：重复上述过程，直到车辆停止行驶或***关闭。

Description

一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法

技术领域

本发明涉及一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，属于行驶安全技术领域。

背景技术

道路交通事故每年造成巨大的人员伤亡和经济损失，已成为各国政府和社会关注的重要问题。美国国家高速公路安全委员会指出，在所有严重的道路交通致死事故中，因驾驶员过失造成的交通事故约占90％，而因车辆故障造成的仅占约3％。发展先进的车辆主动安全***是现代道路交通的迫切需求。提前预判车辆的碰撞风险并采取措施规避对于车辆的主动安全***意义重大。碰撞预判及规避的***能够在碰撞事故发生前，对将要发生的碰撞事故进行准确的判断，提前预知碰撞风险，通过控制车辆的加速或减速达到规避碰撞的目的，适用于非结构化道路工况，同时兼顾车辆的行驶稳定性与舒适性特点。

发明内容

本发明提出了一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，旨在通过分析动态场景下预测有轨迹交叉点的两车，判断其通行窗口是否有重叠，得到碰撞风险大小，从而可以通过控制车辆的加速或减速达到规避碰撞的目的，适用于非结构化道路工况，能够合理地规划出兼具稳定性与舒适性的自车安全防碰撞加速度。具体方案如下：

一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，包括如下步骤：

步骤1：获取自车和环境中其他障碍物的行驶状态信息；

步骤2：估算自车及环境障碍物行驶轨迹；

步骤3：判定自车与环境障碍物的轨迹交叉类型；

步骤4：若存在交叉点，获取车辆坐标系下轨迹交叉点的具***置；若轨迹平行，判断追尾碰撞点位置；

步骤5：计算自车以及环境障碍物到达轨迹交叉点以及追尾撞击点的时间；

步骤6：根据碰撞时间的分布计算当前车辆到达各个交叉点及撞击点的安全加速度或减速度区间；

步骤7：将所有交叉点的加减速度区间按碰撞时间由小到大顺序排列，取前若干个加减速度区间，对其取交集，直到加减速度区间不存在交集为止，以此为自车安全行驶的期望加减速度区间；

步骤8：重复上述过程，直到车辆停止行驶或车辆碰撞***关闭。

进一步，步骤1中所述的车辆自身信息，当前行驶状态信息，通过车身传感器与GPS获取，所获取信息包括：车辆速度，车辆加速度，车辆当前位置，车辆当前方向盘转角输入信息。所述的环境中的其他车辆行驶状态信息通过激光雷达与CCD工业相机获取，包括：它车速度信息，它车加速度信息，它车当前方向盘转角输入信息，它车当前距坐标系原点的位置信息，雷达获取的车辆行驶前方障碍物信息包括前方障碍物的距离，角度，速度信息，摄像头获取的信息包括车辆行驶前方一定纵向距离位置车道线与车辆中心位置的横向距离信息、车道线曲率情况信息。

进一步，步骤2中的自车行驶轨迹的预估，表征为：T_self(t)＝{v_self,θ_self,a_self}，其中T_self(t)代表t时刻之后自车位置，v_self，a_self分别为自车速度与加速度信息，θ_self为自车当前方向盘转角输入信息,设自车的车辆质心初始位置点为坐标原点，以平行于车道线的竖直方向为y轴，垂直于车道线的水平方向为x轴，建立车辆坐标系。且道路上自车和它车均做匀加匀减速运动。自车行驶轨迹具体过程如下：

y＝xtanθ_self

其他车辆行驶轨迹的预估，表征为：T_veh(t)＝{v_veh,P_veh,θ_veh,a_veh}，其中T_veh(t)代表t时刻之后其他车辆的位置，v_veh，a_veh分别为道路其他车辆的速度与加速度信息,θ_veh为道路其他车辆当前方向盘转角输入信息,P_veh为道路其他车辆当前距坐标系原点的位置。它车行驶轨迹具体过程如下：

y＝tanθ_veh(x-P_vehcosθ_veh)+P_vehsinθ_veh

进一步，步骤3中未来自车与环境其他车辆的轨迹交叉类型主要分为两种类型：轨迹有交叉；轨迹平行。具体判定方法如下：

进一步，步骤4中若判定存在轨迹交叉点，则根据车辆的质心位置，在车辆初始位置坐标系下确定轨迹交叉点的具***置，联立如下方程，得到方程的解即为交叉点具***置(x_o,y_o)：

若判定轨迹平行，先判定是否有碰撞可能，考虑到车辆的实际体积，乘用轿车的车宽一般都要达到1.8m，取车宽W＝1.8m，乘用轿车车长通常在3.8m到4.3m之间(居中取车长L＝4.0m)，取两车间安全距离D_safe为2.0m。具体如下：

其中，d_{self_veh}为自车和它车车间实际距离，考虑判定轨迹为平行轨迹，并且两车有碰撞的可能发生，进一步通过如下方程判断是否一定会发生碰撞，具体如下：

(v₁t+a_veht²/2)-(v₀t+a_selft²/2)-L＝0

若t不存在时，无碰撞发生，车辆安全行驶；反之，车辆则在某一时刻会发生追尾碰撞，追尾碰撞点位置的确定具体如下：

(v₁t_accident+a_veht_accident ²/2)-(v₀t_accident+a_selft_accident ²/2)-L＝0

T_accident(t)＝{v₀,t_accident,a_self}

其中，T_accident(t)代表t时刻之后追尾碰撞点的具***置，v₀,v₁为自车和它车的初始速度大小。

进一步，步骤5中根据交叉点的具***置计算到达交叉点位置自车和它车各自所需的通行时间区间，具体如下：

其中，d_{self_o},t_{self_o}分别为自车到交叉点的距离和所用时间，d_{veh_o},t_{veh_o}分别为它车到交叉点的距离和所用时间。考虑车辆实际体积，乘用轿车车长通常在3.8m到4.3m之间(居中取车长L＝4.0m)，考虑到在发生碰撞时，车辆前方的碰撞风险明显大于车辆后方，因此本发明在车辆的前后方各取一段安全距离，取d_front＝1.0m，d_rear＝0.5m，得到它车通行时间区间(t₁₁，t₁₂)，具体如下：

t₁₁＝t_{veh_o}+Δt_front

t₁₂＝t_{veh_o}-Δt_rear

其中，Δt_front,Δt_rear为考虑行车安全车辆前后方安全距离行驶所消耗的时间，与车辆的初始速度、加速度均有关联。

轨迹平行时，追尾撞击点的时间t_accident步骤4已经得出。

由它车通行时间区间推出自车通行时间区间，自车只有避开它车通行时间区间，才能实现防碰撞。具体表示为：

自车可通行时间区间：(0,t₁₁)∪(t₁₂,+∞)

在自车轨迹无变化的情况下，道路上有θ_veh,P_veh各不同的它车。

轨迹有交叉时，则各辆它车与自车有不同位置的轨迹交叉点(x_o,y_o)；对于第二辆它车、第三辆它车…第N辆它车，其通行时间区间表示为(t_N1，t_N2)；则自车的防碰撞可通行时间区间表示为(0,t_N1)∪(t_N2,+∞)。

进一步，步骤6中

若轨迹有交叉，根据碰撞时间的分布计算当前车辆到达各个交叉点的安全加速度或减速度区间范围，具体如下：

当t_{self_o1}＝0s时，a_{self_des1}＝+∞；当t_{self_o1}＝t₁₁时,

当t_{self_o1}＝t₁₂时，

当t_{self_o1}＝+∞时,a_{self_des1}＝-∞

自车期望可避撞加速度a_{self_des1}区间为：

其中，t_{self_o1}表示自车到达交叉点1位置的所用时间，a_{self_des1}表示对于交叉点1自车的期望可避撞加速度大小，d_{self_o1}表示自车到达交叉点1的距离值。

轨迹有交叉时，对于环境中的其它车辆或障碍物，自车有对应的期望可避撞加速度，列举如下：a_{self_des2},a_{self_des3}··…a_{self_desN}，对于每一个轨迹交叉点，自车期望的防碰撞加减速度区间为：

其中，a_{self_desN}表示对于交叉点N自车的期望可避撞加速度大小，d_{self_oN}表示自车到达交叉点N的距离值。

若轨迹平行，根据碰撞时间的分布计算轨迹平行时当前车辆到达撞击点的安全加速度或减速度，具体如下：

进一步，步骤7中轨迹存在若干交叉点时，将所有交叉点的加/减速度区间按碰撞时间由小到大顺序排列，取前若干个加/减速度区间，对其取交集，直到加/减速度区间不存在交集为止，以此为自车安全行驶的期望加/减速度区间；具体为：

对自车到各轨迹交叉点的碰撞时间t_{self_oN}由小到大顺序排列，得到新的由小到大的时间序列，令新的时间序列的每个时间点所对应的加/减速度区间为：a_{self_time1},a_{self_time2},a_{self_time3}...a_{self_timeN}。取前若干个加/减速度区间的交集，a_{self_time1}∩a_{self_time2}∩a_{self_time3}...∩a_{self_timei}，直到第i+1个区间与其不存在交集为止。

同时，考虑车辆实际行驶过程中自车的最大加/减速度还会受到路面附着系数的限制，因此，自车安全行驶的期望加/减速度区间应同时满足如下公式：

其中，

g分别为路面附着系数大小和重力加速度。a_{self_des}为自车安全行驶的期望加/减速度区间。

进一步，步骤8中，重复上述过程，直到车辆停止行驶或***关闭。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出的基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法能够在碰撞事故发生前，对将要发生的碰撞事故进行准确的判断，提前预知碰撞风险，通过控制车辆的加速或减速达到规避碰撞的目的。

(2)本发明提出的交叉点加通行时间区间模型，综合考虑了车辆环境的动态参数，对于车辆动态行驶过程中危险工况的提前规避起到积极作用。

(3)本发明提出的智能车辆防碰撞方法适用于非结构化道路工况，便于驾驶员仅需要通过控制车辆的加速或减速实现防撞的目的，适用于多目标存在的复杂行驶场景。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是典型工况1示意图；

图3是典型工况2示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤1：获取自车和环境中其他车辆或障碍物的行驶状态信息。

所述的车辆当前行驶状态信息通过车身传感器与GPS获取，所获取信息包括：车辆速度，车辆加速度，车辆当前位置，及车辆当前方向盘转角输入信息。

所述的环境中的其他车辆或障碍物的行驶状态信息通过激光雷达与CCD工业相机获取，CCD可以工业相机可以安装在车辆前保险杠上，用于将车辆前方的状况传输给电子控制单元ECU；车载雷达设置为四个，其中1个分置在车辆前端保险杆中间位置，另外两个分别放置在两侧的前门和后门之间的中间位置，最后一个放置在车辆的尾部，用于检测车辆四个方向上的障碍物信息并传输给电子控制单ECU。

步骤2：估算自车及环境障碍物行驶轨迹。

其中，自车行驶轨迹预估，表征为：T_self(t)＝{v_self,θ_self,a_self}表示t时刻之后自车位置T_self(t)与自车的速度、方向盘转角以及加速度大小有关，其中T_self(t)代表t时刻之后自车位置，v_self，a_self分别为自车速度与加速度信息，θ_self为车辆当前方向盘转角输入信息,设自车的车辆质心初始位置点为原点，自车和它车均做匀加匀减速运动。具体过程包括：

y＝xtanθ_self

其他车辆行驶轨迹预估，表征为：T_veh(t)＝{v_veh,P_veh,θ_veh,a_veh}，其中T_veh(t)代表t时刻之后其他车辆的位置，v_veh，a_veh分别为车辆速度与加速度信息,θ_veh为车辆当前方向盘转角输入信息,P_veh为车辆当前距坐标系原点的位置。具体过程包括：

y＝tanθ_veh(x-P_veh cosθ_veh)+P_veh sinθ_veh

步骤3：判定自车与环境障碍物的轨迹交叉类型。

主要分为两种类型：轨迹有交叉、轨迹平行。具体判定方法如下：

以下面几种典型工况举例说明：

(1)如图2所示工况1，自车前方存在威胁到车辆安全行驶的其他车辆，由于|θ_self-θ_veh|≤3°～4°，判断两车轨迹平行。

(2)如图3所示工况2，自车侧前方存在两辆威胁到车辆安全行驶的其他车辆，由于|θ_self-θ_veh|≥3°～4°，判断自车与两车轨迹均存在交叉点。

步骤4：若存在交叉点，获取车辆坐标系下轨迹交叉点的具***置；若轨迹平行，判断追尾碰撞点位置。

若判定存在轨迹交叉点，则考虑车辆的质心位置，在车辆初始位置坐标系下确定轨迹交叉点的具***置，联立方程，得到方程的解即交叉点具***置(x_o,y_o)：

若判定轨迹平行，先判定是否有碰撞可能，考虑到车辆的实际体积，乘用轿车车宽一般都要达到1.8m，取车宽W＝1.8m，乘用轿车车长通常在3.8m到4.3m之间(居中取车长L＝4.0m)，取两车车间安全距离D_safe为2.0m。具体如下：

其中，d_{self_veh}为自车和它车车间实际距离，考虑判定轨迹为平行轨迹，并且两车有碰撞的可能发生，通过方程判断是否一定会发生碰撞，具体如下：

(v₁t+a_veht²/2)-(v₀t+a_selft²/2)-L＝0

若t不存在时，无碰撞发生，车辆安全行驶；反之，车辆则在某一时刻会发生追尾碰撞，追尾碰撞点位置的确定具体如下：

(v₁t_accident+a_veht_accident ²/2)-(v₀t_accident+a_selft_accident ²/2)-L＝0

T_accident(t)＝{v₀,t_accident,a_self}

其中，T_accident(t)代表t时刻之后追尾碰撞点的具***置，v₀,v₁为自车和它车的初始速度大小。

步骤5：计算自车以及环境障碍物到达轨迹交叉点以及追尾撞击点的时间区间。

其中，d_{self_o},t_{self_o}分别为自车到交叉点的距离和所用时间，d_{veh_o},t_{veh_o}分别为它车到交叉点的距离和所用时间。考虑车辆实际体积，乘用轿车车长通常在3.8m到4.3m之间(居中取车长L＝4.0m)，考虑到在发生碰撞时，车辆前方的碰撞风险明显大于车辆后方，因此我们在车辆的前后方各取一段安全距离，取d_front＝1.0m，d_rear＝0.5m，得到它车通行时间区间(t₁₁，t₁₂)，具体如下：

t₁₁＝t_{veh_o}+Δt_front

t₁₂＝t_{veh_o}-Δt_rear

其中，Δt_front,Δt_rear为车辆考虑行车安全行驶所给距离所消耗的时间。

轨迹平行时，追尾撞击点的时间t_accident步骤4已经得出。

自车可通行时间区间：(0,t₁₁)∪(t₁₂,+∞)，在自车轨迹无变化的情况下，道路上有θ_veh,P_veh各不同的它车。

轨迹有交叉时，则各辆它车与自车有不同位置的轨迹交叉点(x_o,y_o)；对于第二辆它车、第三辆它车…第N辆它车，其通行时间区间表示为(t_N1，t_N2)；则自车的防碰撞可通行时间区间表示为(0,t_N1)∪(t_N2,+∞)。

步骤6：根据碰撞时间的分布计算当前车辆到达各个交叉点及撞击点的安全加速度或减速度区间。

若轨迹有交叉，根据碰撞时间的分布计算当前车辆到达各个交叉点的安全加速度或减速度区间范围，具体如下：

当t_{self_o1}＝0s时，a_{self_des1}＝+∞；当t_{self_o1}＝t₁₁时,

当t_{self_o1}＝t₁₂时，

当t_{self_o1}＝+∞时,a_{self_des1}＝-∞

自车期望可避撞加速度a_{self_des1}区间为：

轨迹有交叉时，对于环境中的其它障碍物，自车有对应的期望可避撞加速度，列举如下：a_{self_des2},a_{self_des3}···a_{self_desN}，对于每一个轨迹交叉点，自车期望的防碰撞加减速度区间为：

若轨迹平行，根据碰撞时间的分布计算轨迹平行时当前车辆到达撞击点的安全加速度或减速度，具体如下：

步骤7：将所有交叉点的加减速度区间按碰撞时间由小到大顺序排列，取前若干个加减速度区间，对其取交集，直到加减速度区间不存在交集为止，以此为自车安全行驶的期望加减速度区间。

对自车到各轨迹交叉点的碰撞时间t_{self_oN}由小到大顺序排列，得到新的由小到大的时间序列，令新的时间序列的每个时间点所对应的加减速度区间为：a_{self_time1},a_{self_time2},a_{self_time3}...a_{self_timeN}。取前若干个加减速度区间的交集，a_{self_time1}∩a_{self_time2}∩a_{self_time3}...∩a_{self_timei}，直到第i+1个区间与其不存在交集为止。

同时，考虑车辆实际行驶过程中自车的最大加减速度还会受到路面附着系数的限制，因此，自车安全行驶的期望加减速度区间应同时满足如下公式：

其中，

g分别为路面附着系数大小和重力加速度。a_{self_des}为自车安全行驶的期望加减速度区间。

步骤8：重复上述过程，直到车辆停止行驶或***关闭。

以图3中的工况2为例：

(1)获取自车和环境中其他两车的行驶状态信息；

(2)估算自车和环境中其他两车的行驶轨迹；

(3)判定自车与环境中其他两车的轨迹交叉类型为有交叉点；

(4)在车辆坐标系下获取轨迹交叉点的具***置；

(5)计算自车以及环境中其他两车到达轨迹交叉点的时间区间；

(6)根据碰撞时间的分布计算当前车辆到达各个交叉点的安全加速度或减速度区间；

(7)将两个交叉点的加减速度区间按碰撞时间由小到大顺序排列，对其取交集，以此为自车安全行驶的期望加减速度区间；

(8)重复上述过程，直到车辆停止行驶或***关闭。

本发明提出的基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，适用于多目标存在的复杂行驶场景，能够在碰撞事故发生之前，对将要发生的碰撞事故进行准确判断，提前预知风险大小，通过控制车辆的加速或减速达到规避碰撞的目的。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取自车和环境中其他车辆及障碍物的状态信息；

步骤2：预估自车及环境其他车辆或障碍物的行驶轨迹；

所述步骤2中，自车行驶轨迹的预估表征为：T_self(t)＝{v_self,θ_self,a_self}，其中T_self(t)代表t时刻之后自车位置，v_self，a_self分别为自车速度与加速度信息，θ_self为自车当前方向盘转角输入信息，设自车的车辆质心初始位置点为坐标原点，建立车辆坐标系，且道路上自车和它车均做匀加匀减速运动，自车行驶轨迹具体过程如下：

y＝x tanθ_self

所述其他车辆或障碍物行驶轨迹的预估表征为：T_veh(t)＝{v_veh,P_veh,θ_veh,a_veh}，其中T_veh(t)代表t时刻之后其他车辆的位置，v_veh，a_veh分别为其他车辆速度与加速度信息,θ_veh为其他车辆当前方向盘转角输入信息,P_veh为其他车辆当前距坐标系原点的位置；它车行驶轨迹具体过程如下：

y＝tanθ_veh(x-P_vehcosθ_veh)+P_vehsinθ_veh；

步骤3：判定自车与环境其他车辆或障碍物的轨迹交叉类型；

步骤4：若轨迹存在交叉点，获取车辆坐标系下轨迹交叉点的具***置；若轨迹平行，判断追尾碰撞点位置；

步骤5：计算自车以及环境其他车辆或障碍物到达轨迹交叉点的时间区间；

步骤6：根据碰撞时间的分布计算当前车辆到达各个交叉点及撞击点的安全加速度区间；

步骤7：将所有交叉点的加速度区间按碰撞时间由小到大顺序排列，取前若干个加速度区间，对其取交集，直到加减速度区间不存在交集为止，以此为自车安全行驶的期望加减速度区间；

步骤8：重复上述过程，直到车辆停止行驶或***关闭。

2.根据权利要求1所述的一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，其特征在于，步骤1中所述的自车信息通过车身传感器与GPS获取，所获取的具体信息包括：车辆速度，车辆加速度，车辆当前位置，车辆当前方向盘转角输入信息；

所述环境中的其他车辆行驶状态信息通过激光雷达与CCD工业相机获取，包括：他车速度信息，他车加速度信息，他车当前方向盘转角输入信息，它车当前距坐标系原点的位置信息；

所述环境中前方障碍物的信息包括：前方障碍物的距离、角度、速度信息，车辆行驶前方一定纵向距离位置车道线与车辆中心位置的横向距离以及车道线曲率情况。

3.根据权利要求1所述的一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，其特征在于，所述步骤3中自车与环境其他车辆或障碍物的轨迹交叉类型包括两种类型：轨迹有交叉和轨迹平行；具体判定方法如下：

θ_self为自车当前方向盘转角输入信息，θ_veh为其他车辆当前方向盘转角输入信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，其特征在于，所述步骤4中，若存在轨迹交叉点，则根据车辆的质心位置，在车辆初始位置坐标系下确定轨迹交叉点的具***置，联立如下方程，得到方程的解即为交叉点的具***置(x_o,y_o)：

若轨迹平行，先判定是否有碰撞可能，具体如下：

其中，d_{self_veh}为自车和它车车间实际距离，在两车有碰撞的可能发生时，进一步通过如下方程判断是否一定会发生碰撞，具体如下：

(v₁t+a_veht²/2)-(v₀t+a_selft²/2)-L＝0

若t不存在时，无碰撞发生，车辆安全行驶；反之，车辆则在某一时刻会发生追尾碰撞，追尾碰撞点位置的确定具体如下：

(v₁t_accident+a_veht_accident ²/2)-(v₀t_accident+a_selft_accident ²/2)-L＝0

解方程

追尾撞击点的时间t_accident

T_accident(t)＝{v₀,t_accident,a_self}

其中，T_accident(t)代表t时刻之后追尾碰撞点的具***置，v₀,v₁为自车和它车的初始速度大小。

5.根据权利要求1所述的一种基于通行时间区间的智能车辆防碰撞方法，其特征在于，所述步骤7的具体过程为：

对自车到各轨迹交叉点的碰撞时间t_{self_oN}由小到大顺序排列，得到新的由小到大的时间序列，令新的时间序列的每个时间点所对应的加/减速度区间为：a_{self_time1},a_{self_time2},a_{self_time3}...a_{self_timeN}

取前若干个加/减速度区间的交集，a_{self_time1}∩a_{self_time2}∩a_{self_time3}...∩a_{self_timei}，直到第i+1个区间与其不存在交集为止；

同时，自车安全行驶的期望加/减速度区间应满足如下公式：

其中，

g分别为路面附着系数大小和重力加速度，a_{self_des}为自车安全行驶的期望加/减速度区间。

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