基于ITS車輛行駛安全駕駛輔助系統(tǒng)的研究

0 引 言
??? 汽車安全主要關(guān)心的是駕駛員在駕駛過程中，遇到不斷變化的交通狀況時(shí)，如何保持汽車和人的安全性。目前，已經(jīng)開發(fā)出來的是先進(jìn)的巡航輔助高速公路系統(tǒng)(AHS)，其通過安裝在公路兩旁的監(jiān)測(cè)通訊設(shè)備，使車輛自動(dòng)與車道上的標(biāo)志、周圍車輛或智能交通設(shè)施相互配合。但是，在蜿蜒的山路、偏遠(yuǎn)的地區(qū)等路況不佳的地方，不能處處安裝這些監(jiān)測(cè)通訊設(shè)備，即使在部分路段安裝了這些設(shè)備，維護(hù)和保護(hù)其可靠性、安全性也是非常困難的，同時(shí)還會(huì)耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力。而且，通過分析AHS系統(tǒng)的工作原理，發(fā)現(xiàn)AHS系統(tǒng)不能獲得汽車運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息，如：汽車的位置、汽車的速度、剎車扭矩等；更不能進(jìn)行將要發(fā)生事故的兩車間傳輸兩車位置、接近速度等重要信息的車間通信。因此，AHS系統(tǒng)僅能探測(cè)到交通事故的發(fā)生，而不能有效地采取主動(dòng)方式來預(yù)防交通事故的發(fā)生。
??? 本文所介紹的系統(tǒng)不需要安裝在道路兩旁的監(jiān)測(cè)通信設(shè)備，就能夠在汽車行駛過程中，相互傳遞彼此靠近的汽車行駛信息，并且在適當(dāng)情況下能夠做出主動(dòng)預(yù)防措施，這樣就可以應(yīng)付各種潛在的危險(xiǎn)狀況，從而有效地阻止交通事故的發(fā)生。因此該系統(tǒng)可以看作是未來ITS技術(shù)的發(fā)展的一部分，具有重大的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

l 駕駛輔助系統(tǒng)組成
??? 圖1所示為基于ITS的駕駛輔助系統(tǒng)原理示意圖，它主要由GPS和CCD相機(jī)探測(cè)模塊、通信模塊和控制模塊等組成。其中，GPS和CCD相機(jī)探測(cè)模塊通過GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，求出該車的經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度、時(shí)間等信息，利用安裝在汽車前部和后部的CCD相機(jī)，實(shí)時(shí)觀察道路兩旁的狀況；通信模塊可以發(fā)送檢測(cè)到的相關(guān)信息并在相互靠近的汽車之間實(shí)時(shí)地傳輸行駛信息；控制模塊可以在即將出現(xiàn)事故的時(shí)候做出主動(dòng)控制，從而避免事故的發(fā)生。

1．1 GPS模塊和CCD相機(jī)探測(cè)模塊
??? 在汽車駕駛過程中，最容易出現(xiàn)碰撞事故的地方就是在拐角處，這是因?yàn)槠囋O(shè)計(jì)過程中，其前視窗有視野死角，使得駕駛者在轉(zhuǎn)彎時(shí)沒有很好的視野，從而不能對(duì)即將發(fā)生的事故做出迅速明確的判斷。為了最大限度地消除視野死角問題，駕駛輔助系統(tǒng)利用GPS和CCD相機(jī)探測(cè)模塊得到車輛的行駛數(shù)據(jù)，包括車輛的位置、速度、兩車接近速度等。
??? 為了反映車間的距離位置信息，這里將地理信息系統(tǒng)(GIS)中的道路信息融入GPS定位數(shù)據(jù)系統(tǒng)，構(gòu)成融合GPS信息系統(tǒng)。在GIS中，為了真實(shí)地反映地理實(shí)體，記錄的數(shù)據(jù)不僅包含實(shí)體的位置、形狀、大小和屬性，還記錄了實(shí)體間的相互關(guān)系，這樣結(jié)合能夠很好地滿足本系統(tǒng)的需要。因此，GPS衛(wèi)星傳遞的位置信息不僅包括汽車所處的經(jīng)度和緯度，還包括海拔高度以及車輛間的位置關(guān)系，這樣就能夠更為精確地表示出汽車所處的地理位置，避免兩車間信息傳遞出現(xiàn)“立交橋情況”(如圖2)，不會(huì)使汽車做出錯(cuò)誤判斷，而導(dǎo)致不必要的狀況發(fā)生。

安裝在汽車前部和后部的CCD相機(jī)即“盲區(qū)探測(cè)器”，其作用是能夠?qū)崟r(shí)觀察道路兩旁的狀況。其中，前部CCD可以在轉(zhuǎn)角處提前探測(cè)轉(zhuǎn)彎后的路況，判斷有無駛近的車輛；后部CCD可以看到后面車輛行駛情況，判斷有無車輛影響本車轉(zhuǎn)彎、超車等操作。
??? 圖3所示為利用GPS和CCD相機(jī)判斷危險(xiǎn)發(fā)生并根據(jù)危險(xiǎn)做出判斷操作的過程示意框圖。首先，判斷是否有車輛駛近本車，并且將最危險(xiǎn)的接近車輛作為通信對(duì)象；其次，通過Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)通信，獲得本車與目標(biāo)車的行駛信息，包括速度、位置、剎車扭矩等。根據(jù)這些信息，判斷目標(biāo)車的行駛狀況是否正常。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的信息顯示目標(biāo)車運(yùn)行不正常，則兩車間互相傳遞諸如剎車扭矩等的重要信息，并且根據(jù)具體情況，實(shí)時(shí)地通過CCD相機(jī)獲得兩車間的距離信息，在特定情況下，兩車MCU控制器均會(huì)采取主動(dòng)或自動(dòng)剎車，從而避免兩車相撞，同時(shí)司機(jī)也可以通過車內(nèi)的監(jiān)視屏來看到這些信息。即使在行駛過程中，出現(xiàn)不同的危險(xiǎn)狀況，駕駛輔助系統(tǒng)都能夠根據(jù)從GPS和CCD相機(jī)得到的信息，針對(duì)不同的行駛狀況，做出正確精確的操作。

1．2 通信模塊
??? 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由汽車上裝載的無線終端相互作用而形成，無需其他有線和無線網(wǎng)絡(luò)支持。其中，每輛汽車都是移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，而且可以自由地加入或離開網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(如蜂窩網(wǎng)中的基站)，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分布式運(yùn)行，具有路由功能，利用一定的協(xié)議，使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身可以發(fā)現(xiàn)和維護(hù)其他節(jié)點(diǎn)的路由。除適合本駕駛輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳輸外，還具有一些蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不具備的優(yōu)點(diǎn)：
??? (1)可以隨時(shí)建立網(wǎng)絡(luò)，在沒有其他通信設(shè)施的情況下使用，大大節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本；
??? (2)不受固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性，在某些極端惡劣的情況下，即使部分探測(cè)汽車出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)仍能正常運(yùn)行。
??? 駕駛輔助系統(tǒng)依靠車輛間的狀態(tài)信息相互傳遞，監(jiān)測(cè)行車狀態(tài)，可以保護(hù)行車的安全性，包括調(diào)節(jié)行駛狀態(tài)，避免惡性碰撞。目前，現(xiàn)有的系統(tǒng)能夠警告駕駛者危險(xiǎn)狀況的來臨，但不能自主做出預(yù)防措施，而本系統(tǒng)則彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。利用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳送的信息主要包括兩種：
??? (1)定時(shí)傳輸由GPS和CCD相機(jī)以及車內(nèi)部分傳感器得到的狀態(tài)信息，如：車輛的位置、行駛速度、剎車扭矩等。根據(jù)研究，這些狀態(tài)信息應(yīng)以非常高的頻率傳遞，網(wǎng)絡(luò)中的每輛車每秒大約傳輸5～50次。
??? (2)危險(xiǎn)情況的警告信息。與上面定時(shí)發(fā)送的信息不同，這些警告信息有可能來自通信范圍內(nèi)的通信車輛，節(jié)點(diǎn)離得較遠(yuǎn)，因此需要多跳傳輸，所以這種信息只有當(dāng)危險(xiǎn)情況出現(xiàn)時(shí)才發(fā)出。
??? 因此利用移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南到y(tǒng)能對(duì)車輛行駛狀況實(shí)施實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集，具有建設(shè)成本低、周期短、維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn)，適合我國(guó)智能交通發(fā)展的現(xiàn)狀。但移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理層協(xié)議設(shè)計(jì)、采集信息的處理與其對(duì)未來路況預(yù)測(cè)等問題還有待解決。
1．3 控制模塊
??? 通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的車輛信息進(jìn)入車內(nèi)整車控制器時(shí)，會(huì)對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。如果分析的結(jié)果安全，不做出任何措施；當(dāng)分析的結(jié)果出現(xiàn)警告時(shí)，則做出主動(dòng)預(yù)防措施，其過程如圖4所示。

整車控制器是汽車控制的核心，它根據(jù)輸入信號(hào)，判斷汽車當(dāng)前狀態(tài)，并經(jīng)過一定的控制邏輯和控制算法的判斷分析，確定向各子系統(tǒng)發(fā)出當(dāng)前控制信號(hào)的量值。如圖4所示，速度信號(hào)表征當(dāng)前整車對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)扭矩的需求量，同理，制動(dòng)踏板信號(hào)表示對(duì)整車制動(dòng)扭矩的需求。本文所研究的汽車控制策略采用的是電力輔助控制策略。發(fā)動(dòng)機(jī)MCU根據(jù)總成控制器發(fā)出的發(fā)動(dòng)機(jī)油門信號(hào)，結(jié)合當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，確定出所需供油量和噴油定時(shí)，使電噴發(fā)動(dòng)機(jī)通過有效組織燃燒向扭矩耦合器輸出扭矩。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)輸入的表征電機(jī)扭矩大小的電機(jī)油門信號(hào)，以及電機(jī)工作模式信號(hào)決定電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩輸出。
??? 整車控制器根據(jù)駕駛員制動(dòng)踏板及當(dāng)前車速計(jì)算出所需機(jī)械制動(dòng)扭矩值，以得到機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)指令，與原車相比，車輪制動(dòng)力分別來自產(chǎn)生摩擦制動(dòng)的制動(dòng)系統(tǒng)和產(chǎn)生回饋制動(dòng)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，增加的回饋制動(dòng)功能由混合動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，回饋制動(dòng)力來自電機(jī)的制動(dòng)力矩，并通過傳動(dòng)系統(tǒng)施加于驅(qū)動(dòng)輪上，而回饋制動(dòng)的能量則通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳回電機(jī)。這樣提高了制動(dòng)的可靠性，從而增加了駕駛輔助系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2 車輛定位原理
??? 若要使駕駛輔助系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，汽車間重要行駛信息的傳遞是關(guān)鍵，如何確定與本車進(jìn)行通信的汽車更是基礎(chǔ)。判斷過程如圖5所示，分為4個(gè)步驟。
??? (1)假設(shè)這是一個(gè)從四面八方行進(jìn)的車行流模型(如圖5(a)所示)；
??? (2)與本車同方向行駛的目標(biāo)車對(duì)本車沒有威脅，因此從候選對(duì)象中去除(如圖5(b)所示)；
??? (3)本車行駛目的地不同的車輛也從候選對(duì)象中去除(圖5(c)所示)；
??? (4)把余下的車輛當(dāng)作通信候選對(duì)象。

在判斷車輛行駛方向的過程中，分析GPS傳遞過來的信號(hào)，通過車輛的位置改變來判斷汽車行駛方向；并且在汽車內(nèi)部，安裝陀螺傳感器可直接檢測(cè)出汽車前進(jìn)的方向。當(dāng)兩個(gè)信息所顯示的行進(jìn)方向相同時(shí)，就按以上去除規(guī)則進(jìn)行通訊候選車輛的排除；當(dāng)兩個(gè)信息所顯示的行進(jìn)方向不同時(shí)，則保留作為通訊候選車輛。剩下的候選通信車輛，通過GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，求出該車的經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度、時(shí)間等信息。由這些信息可以算出車輛之間的距離，車輛間靠近速度等參數(shù)，將距離最近和靠近速度最快的汽車作為通信對(duì)象。
??? 為提高汽車定位精度，本系統(tǒng)采用了差分GPS技術(shù)。當(dāng)汽車行駛到地下隧道、高層樓群、高速公路等遮掩物而捕獲不到GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)導(dǎo)入自律導(dǎo)航系統(tǒng)，此時(shí)由車速傳感器檢測(cè)出汽車的行進(jìn)速度，通過微處理單元的數(shù)據(jù)處理，從速度和時(shí)間中直接算出前進(jìn)的距離以及車間的距離和靠近速度。由GPS衛(wèi)星導(dǎo)航和自律導(dǎo)航所測(cè)到的汽車位置坐標(biāo)資料、前進(jìn)的方向都與實(shí)際行駛的路線軌跡存在一定誤差，為修正兩者的誤差，所以融入GIS系統(tǒng)，采用地圖匹配技術(shù)，加一個(gè)地圖匹配電路，對(duì)汽車行駛的路線與電子地圖上道路之間的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)相關(guān)匹配進(jìn)行自動(dòng)修正，此時(shí)地圖匹配電路是通過微處理單元的整理程序進(jìn)行快速處理，得到汽車在電子地圖上的正確位置，以指示出正確行駛路線。

3 結(jié) 語(yǔ)
??? 駕駛輔助系統(tǒng)，通過所獲得的GPS和CCD相機(jī)的信號(hào)，實(shí)時(shí)地對(duì)車輛行駛過程中的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)潛在發(fā)生的碰撞事故實(shí)時(shí)進(jìn)行預(yù)判，當(dāng)判斷結(jié)果顯示將要發(fā)生碰撞事故時(shí)，通過Ad Hoc網(wǎng)，進(jìn)行車輛間的無線通信，將本車行駛參數(shù)以及與之通信車的行駛參數(shù)互相傳遞，傳輸?shù)杰噧?nèi)的微控制器中，使得微控制器發(fā)出操作指令，提醒司機(jī)做出控制，當(dāng)情況特別緊急時(shí)，可以直接對(duì)車輛進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂?。由于駕駛輔助系統(tǒng)不需要安裝在道路兩旁的固定監(jiān)測(cè)設(shè)備，因此，該系統(tǒng)對(duì)于未來的ITS是非常有效的。