车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警系统及方法与流程
本发明涉及交通安全技术领域和交通应急管理技术领域，尤其涉及一种车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警系统及方法。
背景技术：
道路交通事故根据事故类型一般可分为追尾、侧撞、与行人或固定物相撞等，而追尾事故是所有交通事故中发生频率最高的一类事故。在驾驶员的跟车过程中，前车突然减速必然导致后车运动状态发生改变。此时一旦驾驶员注意力不集中，或者对于车辆相对速度和位置判断不准确，就会使两车车头间距不足，最终导致追尾事故的发生。由于追尾事故发生频率高，且极端情况下可能会发生连环追尾事故，造成多辆车的人身财产损失，因此如何给驾驶员响应警告，减少其人为错误，降低追尾事故的发生成为亟待解决的问题之一。
目前车路协同技术的不断发展为降低追尾事故风险提供了新思路，追尾避撞系统应运而生。该技术能够通过一定的监测设备，对车辆的运动状态进行监控，一旦发现道路上车辆减速，并对后车造成威胁时，则将通过车内预警系统对驾驶员进行提醒，建议驾驶员及时采取减速避撞措施；同时实时判断驾驶员能否安全减速，如果不能，控制车辆进入自动控制状态。通过该项技术，能够在一定程度上减少驾驶员的错误判断，降低车辆发生追尾事故的几率。
现有车内追尾避撞算法一般是根据两车之间的相对位置和速度，计算其当前状态下的停车距离，通过与预设的安全停车距离进行对比，判断是否需要发布预警信息。然而，现有系统中很少能够对车辆的减速进行实时监控，选取的关键变量一般为定值。因此需要设计一种能够根据车辆当前运动状态进行实时判断和反馈的追尾避撞预警系统及方法。
技术实现要素：
本发明的实施例提供了一种车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警系统及方法，能够通过车路协同技术，将车辆信息与道路上的控制设备进行传输交换，能够根据车辆瞬时减速度变化情况判断其可能达到的平均减速度，同时在前车减速时，能够根据车辆间的时空关系计算驾驶员的临界安全反应时间。一旦超过临界安全反应时间仍未检测到后车减速，则为驾驶员提供相应的警告，使他们能够按照语音提示及时调整车辆状态，降低车辆速度，从而使驾驶员能够以较为舒适的减速度减速，提升驾驶员行车体验。如若驾驶员未调整车辆状态或调整车辆状态不及时，该系统将介入车辆控制，进行自动减速处理，从而保证行车安全，克服了现有技术的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警系统，包括：车载控制器和中央控制器；
所述车载控制器，用于采集车辆信息，将所述车辆信息发送给所述中央控制器，并接收所述中央控制器发送的预警信息和自动控制信息，所述车辆信息包括车辆速度信息和车辆位置信息；
所述中央控制器，用于接收所述车辆信息，判断车辆跟驰状态，监控车辆减速变化率，计算平均减速度和后车临界安全反应时间，判断安全距离，将预警信息和自动控制信息发送给所述车载控制器。
优选地，所述车载控制器包括车辆信息采集单元、车辆信息发送单元、预警信息接收单元、语音预警单元、自动控制信息接收单元和自动控制单元；
所述车辆信息采集单元用于采集车辆速度信息和车辆位置信息；
所述车辆信息发送单元用于将所述车辆速度信息和车辆位置信息发送给所述中央控制器；
所述预警信息接收单元用于接收所述预警信息；
所述语音预警单元用于播报所述预警信息；
所述自动控制信息接收单元用于接收所述自动控制信息；
所述自动控制单元用于车辆自动控制。
优选地，所述中央控制器包括车辆信息接收单元、跟车条件判断单元、车辆减速判断单元、减速度变化率监控单元、安全条件计算单元、预警信息发送单元、安全距离判断单元和自动控制信息发送单元；
所述车辆信息接收单元用于接收所述车辆信息发送单元发送的车辆速度信息和车辆位置信息，并将所述车辆速度信息和位置信息发送给所述跟车条件判断单元、车辆减速判断单元、减速度变化率监控单元、安全条件计算单元和安全距离判断单元；
所述跟车条件判断单元用于根据所述车辆位置信息，判断两车是否处于跟驰状态；
所述车辆减速判断单元用于根据所述车辆速度信息，实时计算车辆减速度，并判断所述车辆是否开始减速；
所述减速度变化率监控单元用于根据所述车辆速度信息，计算自前车减速开始后的t时间内，后车的减速度变化率，并判断所述t时间内后车减速度变化率的最大值；
所述安全条件计算单元用于根据所述车辆速度信息、车辆位置信息和减速度变化率信息计算后车的临界安全反应时间；
所述预警信息发送单元用于根据所述后车的临界安全反应时间和后车的减速度变化情况确定是否发送预警信息至所述车载控制器的预警接收单元；
所述安全距离判断单元用于根据所述车辆速度信息和车辆位置信息和安全条件判断所述车辆能否安全避撞；
所述自动控制信息发送单元用于根据所述安全距离判断单元的判断结果，发送自动控制的信号至所述车载控制器的自动控制信息接收单元。
优选地，所述安全条件计算单元判断驾驶员反应时间大于所述后车临界安全反应时间时，所述预警信息发送单元向所述预警信息接收单元发送预警信息；
所述安全距离判断单元判断车辆位置小于安全条件时，通过所述自动控制信息发送单元发送自动控制信息给所述自动控制信息接收单元。
一种车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警方法，包括以下步骤：
步骤1：实时采集车辆位置信息和车辆速度信息；
步骤2：根据所述车辆位置信息确定其跟车状态；
步骤3：根据所述车辆速度信息监测前车减速状态，同时根据其前车减速度变化率确定前车平均减速度；
步骤4：根据车辆速度信息和所述前车平均减速度计算后车临界安全反应时间，并确定是否发布预警信息；
步骤5：根据所述车辆位置信息和车辆速度信息判断是否对车辆进行自动控制。
优选地，所述步骤1包括：
通过gps模块实时采集车辆位置信息x车和车辆速度信息v车。
优选地，所述步骤2包括：
根据车辆位置信息(xl、xf)判断车辆是否满足跟车条件，基于“三秒间距”的安全车距判断方法，故跟车条件计算公式为：xl(t)-xf(t)＜3×vf(t)；
其中：
xl(t)——前车在t时刻的位置；
xf(t)——后车在t时刻的位置；
vf(t)——后车在t时刻的速度。
优选地，所述步骤3包括：
实时计算前车减速度，同时监控前车是否减速，其计算公式为：al(t)＝(vl(t)-vl(t-t))/t，其中t为车辆信号更新时间，当al(t)＜-0.5m/s2时，定义为前车开始减速；
其中：
vl(t)——前车在t时刻的速度；
vl(t-t)——前车在t-t时刻的速度；
t——车辆信号更新时间；
al(t)——前车在t时刻的减速度；
前车开始减速，减速时刻为t0，实时计算(0,t0+0.5s)时间内前车的减速度变化率，其计算公式为：jl(t)＝(al(t)-al(t-t))/t，并进一步确定前车平均减速度；
其中：jl(t)——前车在t时刻的减速度变化率；
al(t-t)——为前车在t-t时刻的减速度变化率。
优选地，所述步骤4包括：
计算后车的临界安全反应时间，其计算公式为：
其中，vf为后车速度，vl为前车速度，l0为初始车头间距，l1为最终车头间距，al为前车减速度，af为后车减速度，tr-safe为特定状态下计算出来的后车临界安全反应时间。
优选地，其特征在于，所述步骤5包括：
在前车减速过程中，根据车辆速度信息v车和车辆位置信息x车，实时计算安全状态下的安全车头间距，安全条件计算公式为：
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警系统及方法，通过一定的传感及检测设备，对车辆当前状态进行监视和跟踪，并在跟车状态下实时监控前车减速度，计算后车临界安全反应时间，通过车内预警装置将预警信息传达给驾驶员，帮助驾驶员及时反应，减少急刹；同时，实时监测两车位置关系，当不满足安全条件时，对车辆介入自动控制，保障车辆安全行驶。因此，本发明根据驾驶员反应时间的不同，对其提供预警，减少了由于反应时间过长造成的减速不及时，以及由于错误判断造成的减速不当引起的追尾事故，保证了跟车状态下的行驶安全。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警方法流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供了一种车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警系统，如图1所示，包括：车载控制器和中央控制器；
车载控制器，用于采集车辆信息，将车辆信息发送给中央控制器以及接收中央控制器发送的预警信息和自动控制信息，控制车辆安全减速，其中，车辆信息包括车辆速度信息和车辆位置信息。
车载控制器包括车辆信息采集单元、车辆信息发送单元、预警信息接收单元、语音预警单元、自动控制信息接收单元和自动控制单元。
车辆信息采集单元用于采集车辆速度信息和车辆位置信息；
车辆信息发送单元用于将车辆速度信息和车辆位置信息发送给车辆信息接收单元；
预警信息接收单元用于接收预警信息；
语音预警单元用于播报预警信息；
自动控制信息接收单元用于接收自动控制信息；
自动控制单元用于车辆自动控制。
中央控制器，用于接收车辆速度信息和车辆位置信息，判断车辆跟驰状态，监控车辆减速变化率，计算平均减速度和后车临界安全反应时间，判断安全距离，以及将预警信息和自动控制信息发送给车载控制器。
中央控制器包括车辆信息接收单元、跟车条件判断单元、车辆减速判断单元、减速度变化率监控单元、安全条件计算单元、预警信息发送单元、安全距离判断单元和自动控制信息发送单元。
车辆信息接收单元用于接收车辆信息发送单元发送的车辆速度信息和车辆位置信息，并将车辆速度信息和位置信息发送给跟车条件判断单元、车辆减速判断单元、减速度变化率监控单元、安全条件计算单元和安全距离判断单元；
跟车条件判断单元用于根据车辆位置信息，判断两车是否处于跟驰状态；
车辆减速判断单元用于根据车辆速度信息，实时计算车辆减速度，并判断车辆是否开始减速；
减速度变化率监控单元用于根据车辆速度信息，计算自前车减速开始后的t时间内，后车的减速度变化率，并判断t时间内后车减速度变化率的最大值；
安全条件计算单元用于根据车辆速度信息、车辆位置信息和减速度变化率信息计算后车的临界安全反应时间；
预警信息发送单元用于根据临界安全反应时间和后车减速度变化情况确定是否发送预警信息至车载控制器的预警接收单元；
安全距离判断单元用于根据车辆速度信息和车辆位置信息和安全条件判断车辆能否安全避撞；
自动控制信息发送单元用于根据安全距离判断单元的判断结果，发送自动控制的信号至车载控制器的自动控制信息接收单元。
当安全条件计算单元确定驾驶员反应时间大于临界安全反应时间时，通过预警信息发送单元发送预警信息给车载控制器的预警信息接收单元；当安全距离判断单元判断车辆位置小于安全条件时，通过自动控制信息发送单元发送自动控制信息给车载控制器的自动控制信息接收单元，以此控制车辆安全减速。
该实施例提供了一种车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警方法流程示意图，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：实时采集车辆位置信息和车辆速度信息，具体包括：车载控制器中的gps模块实时采集车辆位置信息(x车)和车辆速度信息(v车)，并通过车辆信息发送单元发送车辆信息到中央控制器；
步骤2：根据车辆位置信息确定其跟车状态，具体包括：中央控制器中的车辆信息接收单元接收由车载控制器的车辆信息发送单元发送的车辆信息，同时，跟车条件判断单元根据车辆位置信息(xl、xf)判断车辆是否满足跟车条件。
本实施例中，根据《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》，不同行驶条件下，由于车速的不同，跟车距离和安全车距都会有所差异，例如高速行驶条件下(即车速在100km/h以上)时，安全车距应大于100m。基于“三秒间距”的安全车距判断方法，故跟车条件计算公式为：xl(t)-xf(t)＜3×vf(t)，其中：xl(t)——前车在t时刻的位置；xf(t)——后车在t时刻的位置；vf(t)——后车在t时刻的速度。
步骤3：根据车辆速度信息监测前车减速状态，同时根据前车减速度变化率确定前车平均减速度，具体包括：
当满足跟车条件时，中央控制器将实时计算前车减速度，同时车辆减速判断单元监控前车是否减速。其计算公式为：al(t)＝(vl(t)-vl(t-t))/t，其中t为车辆信号更新时间，本实施例中，可设为t＝1/60s。根据以往研究结果和经验，当al(t)＜-0.5m/s2时，定义为前车开始减速，其中，vl(t)——前车在t时刻的速度；vl(t-t)——前车在t-t时刻的速度；t——车辆信号更新时间；al(t)——前车在t时刻的减速度。
一旦前车开始减速(减速时刻为t0)，中央控制器的减速度变化率监控单元将实时计算(0,t0+0.5s)时间内前车的减速度变化率，其计算公式为：jl(t)＝(al(t)-al(t-t))/t，并进一步确定前车平均减速度。根据以往研究结果和经验，本实施例中，可设jl(t)∈(0,6.02)时，al_ave＝-2.4m/s2；jl(t)∈(6.02,9.12)时，al_ave＝-3.75m/s2；jl(t)∈(9.12,13.94)时，al_ave＝-4.0m/s2；jl(t)≥13.94时，al_ave＝-5.4m/s2，其中：jl(t)——前车在t时刻的减速度变化率；al(t-t)——为前车在t-t时刻的减速度变化率。
步骤4：根据车辆速度信息和平均减速度计算后车临界安全反应时间，并确定是否发布预警信息，包括：计算后车的临界安全反应时间，其计算公式为：
步骤5：根据车辆速置信息和车辆速度信息判断是否对车辆进行自动控制，包括：
在前车减速过程中，不管是否发布预警信息，中央控制器的安全距离判断单元将根据所述车辆速度位置信息，实时计算安全状态下的安全车头间距。其计算公式为：
综上所述，本发明实施例提供了一种车辆跟驰状态下基于车路协同的避撞预警系统及方法，通过采集道路车辆速度位置信息，根据位置信息判断两车是否处于跟车状态，根据速度信息判断前车是否减速，并计算后车临界安全反应时间，确定是否发布预警信息，同时根据速度位置信息判断两车是否满足减速安全条件，如果不满足则由自动控制单元操控后车减速，从而为驾驶员提供可靠的驾驶策略，避免了由于驾驶员错误判断导致的反应时间过长或减速度不足造成的追尾事故的发生，保证了车辆在跟车过程中能够安全避撞。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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