劉潤喬, 韓加蓬
(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255091)
我國新交通法規(guī)定:駕駛機(jī)動車違反道路交通信號燈通行的,一次記6分[1].此次規(guī)定黃燈表示警示,闖黃燈屬于違反道路交通信號燈通行.法規(guī)認(rèn)定:黃燈亮?xí)r,只要機(jī)動車車身任何一部分已越過停止線,車輛可繼續(xù)通行,不定為闖黃燈.如沒過線則應(yīng)剎車停住,哪怕越過斑馬線也要停住,只要停住就不處罰.
防止車輛闖黃燈不僅能提高交叉口的安全性,還能顯著減小車輛陷入兩難區(qū)的概率.兩難區(qū)是駕駛員在交叉口處既通不過也停不下的區(qū)域,即駕駛員在看到黃燈亮后既不能安全停在停止線上,又不能在不超速違規(guī)行駛的前提下順利通過交叉口,無論駕駛員選擇停還是行,在紅燈期間都將落在交叉口內(nèi)[2].
迄今為止,國內(nèi)外學(xué)者在黃燈時(shí)間調(diào)整和兩難區(qū)預(yù)警控制中獲得了大量研究成果.李克平等[3]在黃燈時(shí)間優(yōu)化方面進(jìn)行研究分析,提出適合中國國情的最小黃燈時(shí)間;張存保等[4]通過車路協(xié)同技術(shù)提出了降低兩難區(qū)概率的改善方法.本文對車載預(yù)警和黃燈控制進(jìn)行深入研究,提出一種面向車輛闖黃燈和處理兩難區(qū)問題的控制策略.
隨著智能交通系統(tǒng)(ITS)的發(fā)展,安裝有中央處理器的信號燈可隨時(shí)變換時(shí)間,不再有信號燈倒計(jì)時(shí)顯示[5].為了讓駕駛員實(shí)時(shí)獲取信號燈的變換時(shí)間以及降低車輛闖黃燈和陷入兩難區(qū)事件的發(fā)生,本文設(shè)計(jì)車載預(yù)警控制策略,通過ZIGBEE實(shí)時(shí)獲得剩余綠燈時(shí)間T1和車輛到交叉口的距離S1,根據(jù)GPS實(shí)時(shí)測得車速v和制動減速度a,以及計(jì)算出的制動距離S,憑借以上參數(shù)對車輛是否將要闖黃燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警提示.此外還設(shè)計(jì)了黃燈控制策略,通過ZIGBEE實(shí)時(shí)獲取交叉口處車輛的位置、車速、排隊(duì)情況等信息,并根據(jù)交叉口處車輛的實(shí)際排隊(duì)情況和車速設(shè)定黃燈合理時(shí)間,并對黃燈結(jié)束期間還未離開交叉口的車輛進(jìn)行黃燈延時(shí)控制,讓其順利通過交叉口.
車載預(yù)警可有效降低車輛闖黃燈事件的發(fā)生,進(jìn)而減小車輛陷入兩難區(qū)的概率.
車載預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括ARM微處理器、GPS模塊、ZIGBEE無線通信模塊、交通信息檢測模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊等.
圖1 車載預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
車載系統(tǒng)的控制中心采用32位ARM嵌入式微處理器;GPS采用載波相位實(shí)時(shí)差分獲得多普勒觀測值,然后計(jì)算速度值,測速精度在0.03m/s左右;通過ZIGBEE實(shí)時(shí)獲取交叉口信號燈的變換時(shí)間,還可實(shí)時(shí)獲得車輛到交叉口的距離,該距離參數(shù)可通過交通信息檢測模塊中的環(huán)形線圈式車輛檢測器或視頻檢測器獲取,由ZIGBEE傳給車載系統(tǒng).
圖2為駕駛員在接受了緊急制動信號后,制動踏板力Fp、汽車制動減速度ab與制動時(shí)間τ的關(guān)系曲線.
圖2 制動踏板力、汽車制動減速度與制動時(shí)間的關(guān)系曲線圖
整個制動過程可分為駕駛員反應(yīng)時(shí)間τ1,制動器起作用時(shí)間τ2,持續(xù)制動時(shí)間τ3,放松制動器時(shí)間τ4四部分.
其中汽車的制動距離是指制動器起作用和持續(xù)制動兩個階段汽車駛過的距離.根據(jù)汽車?yán)碚撝R,制動距離計(jì)算公式為[6]
(1)
整個制動過程的總制動距離為
(2)
式中:ua0是制動初速度,abmax是最大制動減速度.
實(shí)際制動過程中的最大制動減速度會隨著路面狀況的變化而變化.最大制動減速度為
abmax=φp·g
(3)
式中φp為峰值附著系數(shù),不同路面的峰值附著系數(shù)見表1.
表1 不同路面的峰值附著系數(shù)
(1)緊急制動時(shí),要使車輛在一瞬間制動,需立即猛踩制動踏板,此時(shí)汽車的最大減速度可由式(3)得到,即
abmax=φp·g=0.7×9.8=6.86(m/s2)
(2)普通制動時(shí),可以柔和地踩剎車使車輛平穩(wěn)停住,通常制動減速度最大為3m/s2,否則會使乘客感到不舒服或發(fā)生危險(xiǎn),將其代入式(2)得
實(shí)際制動時(shí),交叉口處車輛速度v可通過GPS獲取,制動減速度a可通過短時(shí)間內(nèi)速度變化率來獲得,即
(4)
式中:v1、v2分別表示前后時(shí)刻GPS測得的車速;Δt表示測量的時(shí)間間隔.
由式(2)可知,制動距離S為
(5)
式中:v為制動初速度,a為制動減速度.
由圖2可知整個制動過程的制動時(shí)間T為
(6)
普通制動時(shí)制動時(shí)間T≈5s,該制動時(shí)間即為車輛可能闖黃燈的最大剩余綠燈時(shí)間.
通過ZIGBEE實(shí)時(shí)獲得剩余綠燈時(shí)間T1和車輛到交叉口的距離S1,根據(jù)GPS實(shí)時(shí)測得車速v和制動減速度a,以及求得的制動距離S,憑借以上參數(shù)對車輛是否將要闖黃燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.
但普通制動下車輛會緩慢制動,如果在黃燈啟亮之后以此制動狀態(tài)越過停止線,雖然新交通法規(guī)定只要停住就不罰,但可能會被認(rèn)為沒有剎車停住而被誤判為闖黃燈.所以需對車輛進(jìn)行緊急制動報(bào)警.
圖3 車載闖黃燈預(yù)警控制流程圖
黃燈時(shí)間的調(diào)整可顯著減小車輛進(jìn)入兩難區(qū)的概率[7],提高交叉口的安全性.
黃燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,該系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制核心,通過ZIGBEE實(shí)時(shí)獲取交通信息檢測模塊采集的交叉口車輛位置、車速、排隊(duì)情況等信息,并將其傳給黃燈控制系統(tǒng).
圖4 黃燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
黃燈合理時(shí)間指黃燈亮?xí)r剛越過停車線的車輛完全通過交叉口的時(shí)間,之后的車輛在黃燈亮后安全停在停車線外.該時(shí)間為司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間、汽車通過交叉口的行駛時(shí)間和汽車減速停車的時(shí)間總和.
(7)
在無車輛排隊(duì)的情況下,黃燈合理時(shí)間為
(8)
在有車輛排隊(duì)的情況下,黃燈合理時(shí)間為
(9)
通過ZIGBEE實(shí)時(shí)獲取交通信息檢測模塊采集的交叉口車輛位置、車速、排隊(duì)情況等信息.將交叉口處車輛的實(shí)際排隊(duì)情況和車速代入模型中,求出黃燈合理時(shí)間,并對黃燈結(jié)束期間還未離開交叉口的車輛進(jìn)行黃燈延時(shí)控制,讓其順利通過交叉口.黃燈控制流程圖如圖5所示.
圖5 黃燈控制流程圖
參數(shù)設(shè)置:
車長L=4.5m
交叉口的大小:S=15m
兩汽車間的距離:S1=2m
在有車輛排隊(duì)的情況下汽車的行駛速度:V=20km/h
在無車輛排隊(duì)的情況下汽車的行駛速度:V=40km/h
司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間:T1=0.7s
停車速度:V0=0km/h
(1)無車輛排隊(duì)的情況下
所以在無車輛排隊(duì)的情況下,黃燈合理時(shí)間T無=T1+T2=2.455s,如圖6所示.
圖6 無車輛排隊(duì)的情況下黃燈合理時(shí)間
(2)有車輛排隊(duì)的情況下
所以在有車輛排隊(duì)的情況下,黃燈合理時(shí)間T有=T1+T2+T3=4.93s,如圖7所示.
圖7 有車輛排隊(duì)的情況下黃燈合理時(shí)間
進(jìn)行程序編寫時(shí),可選擇方式1作為其定時(shí)方式,即M1M2=01時(shí),定時(shí)最大值為65.536ms.對于定時(shí)器來說,公式如下:x=M-(定時(shí)值/T),其中M為其最大計(jì)數(shù)值即2^16.單片機(jī)晶振為12MHz時(shí),T=1μs.
若求出有車輛排隊(duì)的情況下黃燈合理時(shí)間為4.9s,進(jìn)行程序編寫時(shí)可先設(shè)定時(shí)值為5ms,則x=2^16-5ms/1μs=EC78H,初值為EC78H,初值低8位78H寫入TL1,高8位ECH寫入TH1,再在原來5ms基礎(chǔ)上循環(huán)980次,用DJNZ條件指令作為循環(huán)語句,即可得到4.9s定時(shí).
由于新交通法規(guī)定黃燈亮?xí)r未越過停止線的車輛要剎車停住,所以本設(shè)計(jì)只對綠燈亮?xí)r或黃燈剛亮起時(shí)車身任何一部分已過線的車輛進(jìn)行相應(yīng)的黃燈延長控制,其他情況應(yīng)制動停車,不對其進(jìn)行黃燈延時(shí)控制.
本次設(shè)計(jì)的車載預(yù)警控制和黃燈控制策略,算法簡單可行,車輛和信號燈參數(shù)的獲取具有實(shí)時(shí)性,符合實(shí)際路況的需求,能夠顯著降低交叉口車輛闖黃燈和處于兩難區(qū)事件發(fā)生的概率.
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