莫舒玥 林土淦

文章設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于信息融合技術(shù)的車(chē)輛主動(dòng)防御系統(tǒng)，以期在測(cè)試車(chē)輛起步及正常行駛狀態(tài)下，實(shí)時(shí)監(jiān)控前方障礙物的相對(duì)距離，在設(shè)定的不同危險(xiǎn)級(jí)別下執(zhí)行報(bào)警、緩減速、急減速至停車(chē)的動(dòng)作。裝車(chē)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)采集信息、判斷距離、執(zhí)行相應(yīng)命令的準(zhǔn)確率較高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

信息融合技術(shù);主動(dòng)防御系統(tǒng);智能輔助駕駛;智能控制技術(shù)

U491.6+2A441594

0 引言

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的增加，道路交通環(huán)境復(fù)雜、駕駛員視角的盲區(qū)，以及駕駛員自身駕駛水平不足等原因?qū)е挛ｋU(xiǎn)臨近時(shí)駕駛員無(wú)法及時(shí)做出正確反應(yīng)，引發(fā)的交通事故造成生命財(cái)產(chǎn)損失年年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。面對(duì)日益嚴(yán)峻的交通狀況與即將到來(lái)的車(chē)輛智能化趨勢(shì)，作為自主駕駛輔助系統(tǒng)之一的車(chē)輛主動(dòng)防御系統(tǒng)研究成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

基于信息融合技術(shù)的車(chē)輛主動(dòng)防御系統(tǒng)是智能汽車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)的一個(gè)研究方向，屬于主動(dòng)安全系統(tǒng)的重要組成部分，目前出現(xiàn)在部分高端品牌汽車(chē)上和無(wú)人駕駛汽車(chē)上。其具有探測(cè)前后方障礙物離自身車(chē)輛的距離和方位，向駕駛?cè)藛T發(fā)出預(yù)警信號(hào)，警示司機(jī)采取必要的減速、剎車(chē)及避讓措施的功能，可以在駕駛員未做出準(zhǔn)確操作時(shí)會(huì)自動(dòng)采取緩慢減速避讓或者緊急制動(dòng)停車(chē)的操作來(lái)避免交通事故發(fā)生。但是目前汽車(chē)上安裝的主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)一般是在50 km/h的時(shí)速以上開(kāi)始工作，市區(qū)低速狀況不工作;或者僅在低速起步狀態(tài)一般是20 km/h時(shí)速下工作，未實(shí)現(xiàn)車(chē)輛主動(dòng)防御系統(tǒng)全速度區(qū)間工作。同時(shí)，類(lèi)似裝置價(jià)格較高，中低端車(chē)安裝極少。

國(guó)外對(duì)于車(chē)輛主動(dòng)防御防撞系統(tǒng)的研究較早。本田的CMBS以毫米波雷達(dá)作為探測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)到危險(xiǎn)目標(biāo)時(shí)，駕駛員無(wú)操作則報(bào)警或主動(dòng)高強(qiáng)度制動(dòng)。豐田的APCS以雙透鏡攝像頭、近紅外線系統(tǒng)和毫米波雷達(dá)作為前方的探測(cè)系統(tǒng)，探測(cè)到前方危險(xiǎn)時(shí)，會(huì)將安全帶收緊，進(jìn)行輔助制動(dòng)，從而減小碰撞的力度和損害[1]。戴姆勒·克萊斯勒的預(yù)防性安全系統(tǒng)（PRE-SAFE），裝有微波探測(cè)傳感器和制動(dòng)輔助系統(tǒng)，可與ESP系統(tǒng)得到的自車(chē)轉(zhuǎn)向角度、橫向加速度和制動(dòng)力度等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，緊急狀況下主動(dòng)制動(dòng)，自動(dòng)關(guān)閉車(chē)窗，將傷害程度降到最低[2]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)研究比西方發(fā)達(dá)國(guó)家晚了不少，系統(tǒng)整體可靠性能不高，而且其中的一些關(guān)鍵技術(shù)未取得重大性突破。南京理工大學(xué)的陳錢(qián)等人利用激光探測(cè)的方式進(jìn)行主動(dòng)防撞智能安全系統(tǒng)研究，其研制的主動(dòng)防撞智能安全系統(tǒng)具有探測(cè)前方障礙物、減速、剎車(chē)的功能，能夠有效輔助駕駛員進(jìn)行安全駕駛[3]。上海交通大學(xué)的黃慧玲等人設(shè)計(jì)了一種基于前方車(chē)輛行為的碰撞預(yù)警系統(tǒng)，利用單目視覺(jué)對(duì)前方車(chē)輛進(jìn)行跟蹤，并使用隱馬爾可夫模型對(duì)前方車(chē)輛的行為進(jìn)行建模識(shí)別，在碰撞發(fā)生前發(fā)出預(yù)警信息。還有一些汽車(chē)研發(fā)企業(yè)研發(fā)了主動(dòng)防撞系統(tǒng)：“保道者”汽車(chē)倒車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)主要針對(duì)倒車(chē)時(shí)的情況緊急制動(dòng);河南護(hù)航實(shí)業(yè)股份有限公司的“護(hù)航”汽車(chē)自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)申請(qǐng)了多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利和實(shí)用新型專(zhuān)利，已安裝在大量的車(chē)輛上進(jìn)行道路測(cè)試。

本文所研究的基于信息融合技術(shù)的車(chē)輛主動(dòng)防御防撞系統(tǒng)主要利用各類(lèi)傳感器感知車(chē)輛行駛狀況并將各信號(hào)融合處理，以便判斷危險(xiǎn)級(jí)別從而做出正確操作以提高車(chē)輛行駛安全性。與目前的主動(dòng)防撞系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)車(chē)輛全速度區(qū)域的主動(dòng)防御系統(tǒng)，對(duì)車(chē)輛在全速度下行駛的保障大大增加。

1 研究原理

本研究利用紅外傳感器、激光傳感器感知車(chē)輛行駛狀況，獲得自車(chē)與前方車(chē)輛行駛相對(duì)距離，建立安全車(chē)距模型，并將各信號(hào)融合處理，判斷危險(xiǎn)級(jí)別從而做出正確操作以提高車(chē)輛行駛安全性。本文的研究基于信息融合技術(shù)的車(chē)輛主動(dòng)防御系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)以下功能：

主動(dòng)避免與前車(chē)距離過(guò)近導(dǎo)致發(fā)生追尾的危險(xiǎn);通過(guò)傳感器檢測(cè)相對(duì)距離，當(dāng)相對(duì)距離低于安全距離，達(dá)到一級(jí)預(yù)警距離時(shí)發(fā)出預(yù)警提醒;如果駕駛員沒(méi)有制動(dòng)操作，車(chē)輛與前車(chē)距離達(dá)到二級(jí)預(yù)警距離時(shí)，車(chē)輛自動(dòng)執(zhí)行緩慢剎車(chē)或者緊急剎車(chē)的操作避讓前車(chē)。

選擇激光雷達(dá)傳感器和紅外傳感器（紅外線傳感器和熱釋電紅外傳感器）對(duì)自車(chē)前后方障礙物進(jìn)行識(shí)別，利用數(shù)據(jù)融合算法對(duì)雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)選取自車(chē)車(chē)道范圍內(nèi)的前車(chē)或障礙物相對(duì)位置信號(hào)，規(guī)避左右相鄰車(chē)道同向和對(duì)向來(lái)車(chē)引起的數(shù)據(jù)干擾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)前方障礙物距離的準(zhǔn)確判定。

通過(guò)破解汽車(chē)OBD協(xié)議，直接從汽車(chē)OBD接口獲得汽車(chē)的運(yùn)行速度，信息融合處理單元根據(jù)相對(duì)距離和自車(chē)速度，對(duì)比安全車(chē)距模型，進(jìn)行危險(xiǎn)級(jí)別判斷，并將相應(yīng)的控制指令通過(guò)CAN總線傳送給系統(tǒng)執(zhí)行單元，執(zhí)行相應(yīng)的聲光報(bào)警或自動(dòng)剎車(chē)動(dòng)作。

系統(tǒng)包括軟件和硬件部分。其中，軟件部分包括安全車(chē)距模型及信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)融合算法和執(zhí)行控制系統(tǒng)。硬件部分包括傳感器、單片機(jī)、制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、聲光報(bào)警器。

系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 控制原理

系統(tǒng)控制原理考慮在車(chē)輛行駛?cè)俣确秶鷥?nèi)均進(jìn)行自車(chē)車(chē)道內(nèi)的信息采集和數(shù)據(jù)處理，針對(duì)不同的速度執(zhí)行報(bào)警或緩慢制動(dòng)、緊急制動(dòng)等不同的操作。

系統(tǒng)安全車(chē)距模型的建立主要基于自車(chē)不同車(chē)速范圍內(nèi)，以及自車(chē)與前車(chē)不同相對(duì)距離下的數(shù)據(jù)融合運(yùn)算，通過(guò)運(yùn)算判斷自車(chē)在不同車(chē)速范圍內(nèi)，與前車(chē)距離進(jìn)入到安全車(chē)距模型設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)開(kāi)始執(zhí)行報(bào)警，如果駕駛員未主動(dòng)制動(dòng)，則系統(tǒng)執(zhí)行單元執(zhí)行緩慢剎車(chē)，如果駕駛員還未主動(dòng)制動(dòng)，則進(jìn)一步執(zhí)行緊急制動(dòng)直至車(chē)輛停止。

紅外線測(cè)距傳感器主要監(jiān)測(cè)起步及低速情況下車(chē)輛周?chē)? m內(nèi)的物體;紅外線熱釋電傳感器主要監(jiān)測(cè)起步低速時(shí)移動(dòng)的人、動(dòng)物，避免視覺(jué)盲區(qū)導(dǎo)致交通事故;激光測(cè)距傳感器主要監(jiān)測(cè)高速時(shí)前方物體（前車(chē)）。

相對(duì)距離S為監(jiān)測(cè)自車(chē)車(chē)道內(nèi)與前車(chē)的相對(duì)距離。安全測(cè)距模型設(shè)定L為安全距離，即為駕駛員在相應(yīng)速度范圍內(nèi)從發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)到采取制動(dòng)操作所經(jīng)過(guò)的時(shí)間在該速度下車(chē)輛行駛經(jīng)過(guò)的距離，運(yùn)算公式為：

L=Vt÷3.6×T（1）

其中：Vt——自車(chē)實(shí)時(shí)車(chē)速;

T——駕駛員反應(yīng)時(shí)間（s）。

同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院李霖等[4]對(duì)上海市區(qū)真實(shí)交通工況中危險(xiǎn)工況下駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試和分析，經(jīng)430例分析，在不同危險(xiǎn)情況下，駕駛員反應(yīng)時(shí)間在1.02～1.36 s之間。本文駕駛員反應(yīng)時(shí)間選中間值1.19 s。

考慮到隨著自車(chē)速度的增加，所需的剎車(chē)距離越長(zhǎng)，因此在駕駛員反應(yīng)的時(shí)間上增加一定的時(shí)間，確保安全。因此S4模式選擇1.36 s，S5模式選擇1.56 s。

具體控制原理內(nèi)容如表1所示。

系統(tǒng)流程如圖2所示。

3 裝車(chē)實(shí)驗(yàn)

選擇在天氣晴朗、光線充足、道路干燥、路況良好的天氣和試驗(yàn)場(chǎng)地，在自車(chē)車(chē)道內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試按照（S1-S5的模式依次進(jìn)行），起步到10 km/h內(nèi)前方有車(chē)輛、行人（移動(dòng)狀態(tài)）的情況;S3模式選擇速度為20 km/h，S4模式選擇速度為50 km/h，S5模式選擇速度為90 km/h，前方障礙物（車(chē)輛）固定。自車(chē)以測(cè)試速度接近障礙物，測(cè)試系統(tǒng)報(bào)警的相對(duì)距離、主動(dòng)開(kāi)始制動(dòng)的相對(duì)距離和強(qiáng)制制動(dòng)至自車(chē)停止的相對(duì)距離，每個(gè)測(cè)試內(nèi)容均記錄5次測(cè)試結(jié)果。具體測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)裝車(chē)測(cè)試分析，本系統(tǒng)基本能在測(cè)試環(huán)境下完成預(yù)定的測(cè)試目標(biāo)，在S1和S2模式下，速度比較低，對(duì)于自車(chē)1 m范圍內(nèi)的行人（移動(dòng)）能較好地識(shí)別，當(dāng)接近障礙物時(shí)，能按照系統(tǒng)設(shè)定的相對(duì)安全距離執(zhí)行報(bào)警、緩減速、急減速的動(dòng)作，相對(duì)距離與系統(tǒng)設(shè)定理論值誤差值較小;S3-S5模式隨著自車(chē)速度的增加，系統(tǒng)會(huì)存在5%～10%的誤報(bào)率（未識(shí)別），當(dāng)車(chē)速較高，達(dá)到90 km/h以上時(shí)，系統(tǒng)做出相應(yīng)動(dòng)作時(shí)與障礙物實(shí)際相對(duì)距離與理論相對(duì)距離對(duì)比會(huì)有所增加?？傊?，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證明，本系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值，研究的下一步將對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行實(shí)車(chē)路試。

[1]李文娜.汽車(chē)主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)的安全策略研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2016.

[2]楊 闖.基于信息融合的汽車(chē)自主防撞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2017.

[3]馬浩越.前方車(chē)輛主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2019.

[4]胡文貴.汽車(chē)主動(dòng)防撞預(yù)警執(zhí)行系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2016.

[5]李 霖，朱西產(chǎn)，馬志雄.駕駛員在真實(shí)交通危險(xiǎn)工況中的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間[J].汽車(chē)技術(shù)，2014（10）：1 125-1 129.

[6]李 浩.基于雙傳感器車(chē)輛防撞預(yù)警系統(tǒng)的研究[D].貴陽(yáng)：貴州師范大學(xué)，2018.

[7]魏 丹.基于課件通信和數(shù)字圖像處理的車(chē)輛智能防撞系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018（3）：109-112.