基于车路协同的车辆防碰撞预警系统及方法与流程

本发明涉及智能交通技术领域，具体涉及一种基于车路协同的车辆防碰撞预警系统及方法。

背景技术：

随着通信技术、计算机技术、信息技术、物联网技术等高新技术的快速发展，人们的出行体验也在发生翻天覆地的变化，特别是物联网技术和新一代移动通信技术的发展也快速推动车路协同研究，车路协同技术主要是实现车车、车路实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合基础上开展主动安全控制，充分实现人车路的有效协同，保证交通安全，提高通行效率。

目前，针对防碰撞国内外学者和机构已开展相关研究，并利用仿真技术对相关的防碰撞预警模型进行验证，现有的研究主要基于车联网技术、智能交通基站的防碰撞预警，毫米波雷达的车辆防碰撞预警模型，基于车联网技术的防碰撞存在检测范围小，反应时间短，驾驶人员无法掌握所在道路路段的整体状态；基于智能交通基站的防碰撞预警主要解决车辆合流路口的盲区问题，应用场景比较局限；基于毫米波雷达的车辆防碰撞预警是在车辆上安装雷达检测前方目标，并根据可能发生的碰撞时间进行预警，与车联网防碰撞预警存在同样的技术弊端。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于车路协同的车辆防碰撞预警系统及方法，以解决目前单一依靠车载设备数据采集方式单一、防碰撞精度较低的问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于车路协同的车辆防碰撞预警系统，包括车载设备、路侧设备、控制模块、通信模块和路侧提示设备；

车载设备，用于采集车辆的行驶信息，与路侧设备通信，并根据控制模块发送的控制指令，提示驾驶员车辆面临的碰撞风险或提示执行相应的预防碰撞措施；

路侧设备，用于接收传感器检测的道路环境信息、车载设备检测的车辆行驶信息、交通信号灯广播的相位信号信息；

通信模块，用于路侧设备与车载设备之间的数据传输；

控制模块，用于处理车载设备、路侧设备传输的车辆、道路环境信息，并判别车辆的运动速度和运动方向信息，对车辆面临的碰撞风险进行识别和判断，如果面临碰撞风险，控制模块将碰撞风险信息发送至车载设备和路侧提示设备，提示车辆是否处于危险状态；

路侧提示设备，用于接收并显示控制模块发送的提示信息。

一种基于车路协同的车辆防碰撞预警方法，包括以下步骤：

(1)通过车载设备和路侧设备识别车辆及道路环境信息；

(2)车载设备或者路侧设备将采集到的信息传输汇聚到控制模块；

(3)控制模块通过由车辆之间的间距、行驶速度、方向建立的风险评价模型进行车辆之间的碰撞风险分析，并将分析的结果通过无线通信设备将各辆车的风险发送至指定的车辆终端，并将碰撞风险状态的评估信息发送至路侧设备；

(4)车载终端接收到车辆碰撞风险信息后，在终端上实时展示车辆面临的碰撞风险；路侧提示设备同时展示碰撞风险信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明采用基于车路协同的视频检测设备和激光雷达车辆监测设备联合检测行驶车辆目标，可有效解决不利天气条件下和复杂交通环境下的检测结果不精确的问题；同时，采用空间对准的方法进行目标冗余去除，也一定程度上提高了检测的精确率；(2)采用划定区域进行车辆的碰撞风险评估方法，可有效提高风险评估的准确性，具有较好的风险评估效果；(3)本发明采用基于车路协同的车辆风险评判方法，借助快速发展的DSRC和LTE-V的通信技术，可广泛应用于辅助驾驶和自动驾驶；(4)本发明可在城市交通或者高速公路，提高驾驶的安全性，有效避免车辆碰撞等事故的发生。

附图说明

图1为本发明基于车路协同的车辆防碰撞预警系统示意图。

图2为基于车路协同的车辆防碰撞方法流程图。

图3为基于车路协同的车辆风险评价模型示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于车路协同的车辆防碰撞预警系统，包括车载设备、安装于道路附近的路侧设备、控制模块、通信模块和路侧提示设备；

车载设备，用于采集车辆的行驶信息，与路侧设备通信，并根据控制模块发送的控制指令，提示驾驶员车辆面临的碰撞风险或提示执行相应的预防碰撞措施；车辆的行驶信息包括车辆的位置、速度、加速度、方向信息；

路侧设备，用于接收传感器检测的道路环境信息、车载设备检测的车辆行驶信息、交通信号灯广播的相位信号信息，并配有摄像头和激光雷达；

通信模块，用于路侧设备与车载设备之间的数据传输；

控制模块，用于处理车载设备、路侧设备传输的车辆、道路环境信息，并判别车辆的运动速度和运动方向信息，对车辆面临的碰撞风险运用风险评价模型进行识别和判断，如果面临碰撞风险，控制模块将碰撞风险信息发送至车载设备和路侧提示设备，提示车辆是否处于危险状态；

路侧提示设备，用于接收并显示控制模块发送的提示信息。

车辆的状态信息由车载设备和路侧设备共同感知获取。

车载设备由车辆运动状态检测部分组成，车辆运动状态检测部分包括车载GPS、速度传感器、加速度传感器、转向角度传感器，分别用于采集车辆位置信息、速度信息、加速度信息和转向角度信息。

路侧设备由道路状态检测模块、车辆检测模块、通信模块组成，道路状态检测模块主要由视频传感器组成，车辆检测模块包括视频检测相机和微波检测器，在视频检测相机中内嵌检测算法，用于对车辆的速度、位置、方向的检测，并测量车辆之间的间距，微波检测器检测目标的速度、距离、角度信息，将两种形式的检测结果进行贝叶斯分类检测，提高检测结果的精确性。视频检测和微波检测的协同主要是通过毫米波雷达与世界坐标系转换、相机坐标系与世界坐标转换以及雷达与相机坐标系联合标定，实现检测目标坐标系的统一，达到视频检测和微波检测协同的目的。

通信模块的通信模式兼容LTE-V和DSRC，路侧设备和车载设备通过通信模块进行车辆和环境相关数据信息的交互。通信模块主要包含集成于路侧和车载两部分，路侧和车载通信模块包含内置WiFi模块，移动终端可通过热点形式接入WiFi模块，路侧和车载通信通过DSRC或LTE-V进行通信。

控制模块汇聚路侧设备采集的道路信息和道路行驶车辆的运动相关信息，控制模块实时收集相关数据，并运用预先建立好的风险评价模型，进行数据的实时计算，判断当前场景范围内车辆与其周围车辆的相对距离、相对速度、相对运动方向，给出其安全行车系数，并对当前车辆行驶建议进行提醒并将提醒信息发送至车载终端，车载终端展示相关语音或者图像提示。

路侧提示设备主要由灯光和显示部分组成，用于展示当前路段或者位置的碰撞危险程度，用于提示驾驶人或车辆采取相应措施规避碰撞风险。

如图2所示，本发明还提供一种基于车路协同的车辆防碰撞预警方法，包括以下步骤：

(1)使用车载设备和路侧设备识别车辆及道路环境信息，车辆信息主要指车辆的行驶信息，行驶信息包括车辆位置、行驶速度、行驶方向，道路环境信息包括道路交通状态信息，所述道路交通状态信息包括交通环境中的运动车辆、车辆位置；

(2)车载设备或者路侧设备采集到信息以后，将这些信息数据传输汇聚到控制模块；

(3)控制模块针对汇聚的数据对道路行驶的车辆运动特性信息进行分析处理，主要是针对车辆之间的间距、行驶速度、方向等建立的风险评价模型进行车辆之前的碰撞风险分析，并将分析的结果通过无线通信设备将各辆车的风险发送至指定的车辆终端，并将碰撞风险状态的评估信息发送至路侧设备，车载终端和路侧设备进行下一步操作；

(4)车载终端接收到车辆碰撞风险信息后，在终端上实时展示车辆面临的碰撞风险，并可根据车辆控制设备做出相应的动作处理，避免碰撞的发生；

(5)同时，路侧提示设备将展示碰撞风险，驾驶员可根据相应路侧的提示信息，判断当前车辆是否处于具有碰撞危险的行驶环境，并采取相应的处理措施使车辆处于相对较安全的状态。

上述步骤(1)中的车辆相关的坐标信息和运动信息通过联合多种检测设备进行，包括视频路侧的视频车辆检测设备、架设于路段上空的激光雷达检测设备进行车辆坐标信息的获取，根据车辆与架设设备的相对位置进行坐标计算得到车辆的准确位置，以此保证获取车辆位置信息的有效性，针对检测的每一个目标赋予一个唯一的标签值，并依据此标签值进行车辆预警提示信息的发布。

上述处理流程步骤(2)，采集到车辆位置信息后，前端检测设备结合视频车辆检测设备和激光雷达检测设备利用空间对准方法进行冗余目标的去除，以保证目标检测的精确性。

上述风险评价模型的内容为：根据车辆实时上传的经纬度坐标、运动速度、方向和路侧车辆检测系统获取的车辆相对位置，将划定区域范围内的车辆进行距离以及碰撞时间的估算，并依据其行驶速度、方向以及目标车辆周围车辆的分布情况，结合车辆之间的距离和碰撞时间估算，给出不同车辆在不同方向上发生碰撞的风险估算值，根据预置的风险提醒内容通过通信模块将预警信息发送至具有一定碰撞风险的车辆。风险估算值的估算方法为：

划定目标车辆的行驶范围半径为r，根据获取的目标车辆的坐标及相对位置分析获取行驶半径范围内的所有运动车辆，并将所有识别目标利用摄像机与激光测距雷达同一时刻检测目标的空间约束关系及轨迹跟踪进行冗余去除，并根据GPS数据获取车辆行驶速度和方向，根据车辆行驶方向及半径范围内车辆的行驶速度、方向、距离，计算目标车辆与其他车辆的相对速度及可能发生碰撞的时间，根据发生碰撞时间长短及设定的阈值大小，确定其危险程度等级，给出相应的预警等级。

进一步的，r的取值为平均车长的3-5倍。

车载设备接收到碰撞信息后，以形象图形化和语音提示的形式将碰撞风险展现给驾驶员，驾驶员在接收到碰撞风险后可及时采取有效措施避免碰撞的发生。

风险评估模块将对每个目标辆车计算碰撞风险时间，最终将会把根据碰撞时间得出的碰撞风险发送至安装的路侧提示设备，以比较醒目的方式提醒驾驶员谨慎驾驶，减少碰撞发生的概率。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于车路协同的车辆防碰撞预警系统，该系统包括车载设备OBU、安装于道路附近的路侧设备RSU、控制模块、通信模块、路侧提示设备；

车载设备包括车载GPS模块和加速度传感器组成，用于获取车辆的行驶信息包括速度、方向、位置、加速度等数据。车辆获取相关运动信息后，将数据通过通信模块传输汇聚至控制模块。

路侧设备采集相关区域范围内的车辆位置及环境信息，主要是交通环境中的运动车辆及其位置，并将联合视频检测设备和激光雷达检测设备的检测信息采用空间对准方法进行冗余去除提高检测精度，路侧设备采集到相关信息后汇聚传输到控制模块；

控制模块针对汇聚传输的数据对每一个目标车辆进行信息特征分析处理，核心是融合处理路侧和车载检测信息，将每个特定车辆与其他车辆之间的间距、行驶速度、方向等利用风险模型进行碰撞风险分析，并将风险评估结果通过无线通信设备发送至指定的车辆终端，当路侧范围内监测到有碰撞风险车辆数≥3辆时，路侧设备将碰撞风险信息发送至路侧提示设备进行信息提示。

上述步骤所述的碰撞风险评估模型示意图如附图3所示，风险评估的过程包括主要基于检测车辆目标的运动速度、方向、加速度信息，如图3所示，获取到检测范围内的目标车辆0，以该辆车为计算目标并标记为主车，并根据该辆车划定范围半径r，r取20米，根据雷达车辆检测设备以及视频车辆检测设备获取该车辆坐标(x0,y0)，半径范围内的可能发生碰撞的目标车辆有(x1，y1)，(x2,y2)，(x3，y3)，根据目标坐标得出划定范围内所有目标的距离d，并结合目标车辆的行驶速度、方向和加速度信息，则沿着行驶方向的碰撞时间为：

与垂直于行驶方向的碰撞时间为：

其中为主车的行驶速度，为可能与主车发生碰撞的车辆行驶速度，为主车的加速度，为可能与主车发生碰撞的车辆加速度，为主车的速度方向与水平方向的夹角，为可能与主车发生碰撞的车辆速度方向与水平方向的夹角。θ为主车和可能与主车发生碰撞的车辆质心之间的连线与水平线的夹角。

根据上述计算方法计算碰撞时间，并基于碰撞时间阈值得出碰撞风险。t1≥2s，t1>t2或t1<0，t1>t2时，车辆处于安全行驶状态，不进行预警；2s>t1≧0.5s时，提示车辆有碰撞风险；0≦t1<0.5s时，提示司机采取急刹车避免碰撞。t2≥2s，t2>t1或t2<0，t2>t1，车辆处于安全行驶状态，不进行预警；2s>t2≧0.5s时，提示车辆有碰撞风险；0≦t2<0.5s时，提示司机采取急刹车避免碰撞。

车载终端接收到车辆碰撞风险信息后，在终端上实时展示面临的风险，并在屏幕上进行展示，提示驾驶员进行相关紧急处理，减少碰撞风险，避免碰撞的发生，使车辆在安全状态下行驶。

当路侧范围内监测到有碰撞风险车辆数≥3辆时，将碰撞风险发送到路侧提示设备，没有安装车路协同设备的车辆在接收到路侧设备提示的信息后，也可提高警惕，谨慎驾驶，使车辆安全驶出风险较高区域。