交互式高速公路汽車防追尾系統(tǒng)

劉小武（宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，四川宜賓644007）

交互式高速公路汽車防追尾系統(tǒng)

劉小武
（宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，四川宜賓644007）

針對目前汽車在高速公路行駛過程中的汽車追尾事故為高速公路主要交通事故這一特點(diǎn)，分析汽車制動過程，建立防追尾車速與安全車距計(jì)算模型，采用GPS定位緊急情況位置，無線數(shù)字通訊同步傳遞位置信息，周邊車輛獲取緊急情況位置信息后，由車載計(jì)算機(jī)處理并判斷相對位置狀況，采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施協(xié)助駕駛員及時(shí)避免追尾和因制動不及時(shí)的多車嚴(yán)重追尾.

GPS；無線通信；交通事故；汽車追尾

Liu XW.Interactive System of Avoiding VehiclesRear-End Collision on HighWay[J].Journal of Yibin University, 2015,15（6）：39-44.

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國民收入的穩(wěn)步提高，公路基礎(chǔ)設(shè)施的大量投入，高速公路總里程增加，人民生活不斷富裕，私家車數(shù)量大幅增加，使得人們的出行變得方便、快捷、舒適，成為了現(xiàn)代文明與進(jìn)步的標(biāo)志.汽車給人們帶來了諸多便捷，但道路交通事故的逐年上升，也使人們的生命財(cái)產(chǎn)安全不斷受到侵害.

近年來，隨著國家道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的加大，高速公路的里程長度不斷增加.高速公路以其同向性、全封閉性、快捷性、舒適性以及燃油經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，深受駕駛員們的喜愛.然而，高速公路在方便人們出行的同時(shí)，也潛在著巨大的風(fēng)險(xiǎn).高速公路交通事故逐年上升，帶來了觸目驚心的負(fù)面效應(yīng).據(jù)相關(guān)媒體統(tǒng)計(jì)，全國交通事故中，18％為追尾碰撞事故，而在高速公路事故中，追尾碰撞則占事故的36％～40％[1]，為高速公路交通事故之首，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，高速公路汽車防追尾的研究迫在眉睫.

1　防追尾系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

汽車防碰撞系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)60年代，80年代初，由德國奔馳公司發(fā)起了“普羅米修斯”計(jì)劃，采用調(diào)頻毫米波雷達(dá)FMCW（Frequency Modulation ContinuousWave）實(shí)現(xiàn)防撞報(bào)警，探測距離為150m.90年代，日本汽車業(yè)提出了ASV（Advanced Safety Vehicle）計(jì)劃.豐田、尼桑、日立、三菱對毫米波雷達(dá)防撞技術(shù)作了大量研究.美國對雷達(dá)研究起步較晚，但目前防撞技術(shù)較為領(lǐng)先，能探測障礙距離達(dá)到106m.但由于誤警率和成本價(jià)格問題，不能進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用.

從各國研究的情況看，德國、日本、美國均采用主動式檢測告警，檢測手段主要采用以下三種：

第一種：激光式檢測方式.激光波束具有方向性、相干性等特點(diǎn)，近似直線，擴(kuò)散較少，因而可采用激光波束來掃描測試兩車間距離.具體過程如下：將本車裝備的激光雷達(dá)發(fā)射激光，照射前車反射鏡，然后檢測反射回波，計(jì)算出兩車距離[2]，根據(jù)兩車距離變化，以及自身車速，綜合判斷采取相應(yīng)措施（如告警、強(qiáng)行制動等）來阻止兩車追尾事故的發(fā)生.

第二種：超聲波收發(fā)器方式.通過后車前部發(fā)射超聲波，檢測掃描到的前車尾部反射回來的聲波，計(jì)算得出兩車距離[3]，再根據(jù)自身車速情況，作出相應(yīng)的操作指令，阻止兩車相撞.

第三種：雷達(dá)檢測方式.以雷達(dá)測速、測距為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)探測前方障礙物體，根據(jù)情況自動剎車減速.通常，雷達(dá)為調(diào)頻毫米波雷達(dá)（FMCW）或者脈沖雷達(dá)，而FMCW為近距離測速首選.

此三種方式均為回波檢測方式，誤警幾率很高，特別是在彎道、中間隔離帶等障礙物將激光反射回本車接收器時(shí)，將計(jì)算出干擾數(shù)據(jù).有時(shí)甚至可能掃描到反方向通道車輛的車頭（由于高速公路隔離帶為百葉窗式），而不是本方向前車車尾，如按計(jì)算出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行制動作業(yè)，將導(dǎo)致一些不可估量的嚴(yán)重后果，如圖1所示.

圖1　傳統(tǒng)位置檢測干擾出現(xiàn)情況

從圖1可以看出，在傳統(tǒng)回波主動式檢測中出現(xiàn)了誤檢.a1、a2、a3這三個(gè)檢測回波中，只有a2才是正確信號，而a1、a3均為誤檢測信號.b1、b2、b3、b4中也只有b2才是正確檢測信號，而a3、b4還是兩車之間直接相互干擾信號，b1、b3為誤測信號.

在高速行駛狀態(tài)下，檢測前方障礙，從提醒障礙到自動采取應(yīng)急措施的短暫時(shí)間過程中，必須得到完全正確的檢測結(jié)果，才能采取相應(yīng)措施進(jìn)行緊急制動響應(yīng)，否則，如果由于自檢過程中頻繁誤檢車輛距離和障礙物而發(fā)出錯(cuò)誤強(qiáng)行制動指令，則適得其反，將會給高速公路以及高速行駛車輛帶來很大的安全隱患.

在以往的研究中，對前方障礙的檢測判斷，均局限于這種主動檢測思維上，而就目前的實(shí)驗(yàn)來看，誤警率高，同時(shí)成本也很高，不能被廣泛應(yīng)用推廣.為提高檢測結(jié)果以及確保操作指令完全正確，可采用被動式檢測方式來完成，也就是在前車發(fā)現(xiàn)緊急情況時(shí)（指前車駕駛員發(fā)現(xiàn)異常緊急制動，ABS被激活情況下，此時(shí)該車之前肯定已經(jīng)出現(xiàn)了異常情況，因?yàn)橐话阒苿邮遣粫|發(fā)ABS系統(tǒng)），利用衛(wèi)星定位技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)，通過無線通信向無線信號覆蓋范圍內(nèi)的車輛發(fā)送自身行駛綜合狀態(tài)參數(shù)信息（包括定位位置編碼、車速、加速度、行駛方向等），在此無線覆蓋范圍內(nèi)車輛獲得該車綜合狀態(tài)參數(shù)后，與自身行駛參數(shù)進(jìn)行比較，并測算出與前車位置距離、行駛方向是否一致等信息，然后作出相應(yīng)措施，確保自身和前車不會出現(xiàn)追尾.即使用車輛位置定位+無線通信形式，來解決追尾問題，提高報(bào)警準(zhǔn)確率，保障高速公路行駛車輛的安全.

2　GPS定位在系統(tǒng)中應(yīng)用的可靠性分析

GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）緣于1958年美國軍方的一個(gè)項(xiàng)目，主要目的是為陸海空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，經(jīng)過20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元，由24顆衛(wèi)星組成，全球覆蓋率高達(dá)98％，屬于RNSS無源定位體制，一般通過4顆以上衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位.對0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20m左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2m左右[4].

在高速定位情況下所得到的定位精度，由于時(shí)延問題，將可能帶來定位滯后問題，而滯后將造成定位偏差增大；同時(shí)設(shè)備延時(shí)也將帶來定位精度偏差問題，因而能否進(jìn)行規(guī)定誤差范圍內(nèi)的正確定位是影響系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵.

作為GPS采用的RNSS無源定位體制中，產(chǎn)生定位延時(shí)，造成定位誤差的主要原因包括：（1）溫度延時(shí)；（2）器件老化延時(shí)；（3）其他因素影響.

通過對國內(nèi)多家單位研制的設(shè)備進(jìn)行溫度延變實(shí)驗(yàn)可知，溫度從-20～20℃，設(shè)備延時(shí)最大為21 ns，從20～40℃，最大延時(shí)12 ns，可見，溫度延時(shí)影響為納秒級.同樣，經(jīng)過設(shè)備老化延時(shí)影響實(shí)驗(yàn)，對延時(shí)的影響也僅僅為納秒級影響.在衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備延時(shí)測量中，還發(fā)現(xiàn)多普勒效應(yīng)對設(shè)備延測量有影響，主要導(dǎo)致偽距測量不準(zhǔn)確，但不影響設(shè)備時(shí)延的絕對值[5].

高速公路正常行駛設(shè)計(jì)速度通常為120 km/h，即33.3m/s，在超速情況下，一般不會超過200 km/h，即55.5m/s，而衛(wèi)星設(shè)備溫度、器件老化等延時(shí)對汽車定位影響均為納秒級偏差，而1 s=109ns，可以忽略不計(jì).

定位接收機(jī)可以每秒鐘進(jìn)行十次位置信息計(jì)算刷新，也就是在第一次定位后，要經(jīng)過0.1 s重新定位一次，即便是在嚴(yán)重超速行駛（如200 km/h或55.5m/s）狀態(tài)下，0.1 s的定位時(shí)間間隔使得定位誤差不會超過6m.即使在衛(wèi)星信號被云層掩蓋，或者進(jìn)入隧道不能捕捉到衛(wèi)星時(shí)，也可以利用飛機(jī)航位推算技術(shù)，以前一時(shí)刻所獲得的位置、航向、速度等參數(shù)為基本條件，把速度對時(shí)間進(jìn)行積分，代入初始條件為前一時(shí)刻位置，即可精確得到現(xiàn)有位置.同時(shí)定位精度進(jìn)行算法補(bǔ)償，采用抗差最小二乘法[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)診斷與剔除[7]等方法來提高數(shù)據(jù)估計(jì)量的可靠性和有效性，將精度控制在2～5m范圍以內(nèi)，滿足定位精度要求.

3　相鄰兩車不追尾臨界條件分析

在實(shí)際的高速公路行駛中，后車和前車之間存在著一定的速度和距離關(guān)系：當(dāng)前車出現(xiàn)故障或者緊急制動時(shí)，后車駕駛員要經(jīng)過一定的反應(yīng)延時(shí)才進(jìn)行制動緊急處理，為此，系統(tǒng)在作出緊急制動時(shí)必須要與前車保持一定的距離，方可避免追尾事故的發(fā)生.

制動最短臨界距離測算：設(shè)車子初速度為v，單位為km/h；車輛的最大減速度為a，單位m/s2；則制動可以分解為以下幾個(gè)運(yùn)動過程進(jìn)行分別計(jì)算：

1）勻速運(yùn)動過程

反應(yīng)時(shí)間為t1（在一般條件下人的反應(yīng)時(shí)間為0.1～0.5 s），制動響應(yīng)過程時(shí)間為t2（液壓剎車制動取值范圍為0.2～0.9 s，氣壓剎車制動取值范圍為0.3～0.9 s），此段時(shí)間均未進(jìn)入實(shí)質(zhì)性制動處理，所以該段位移為：

2）減速運(yùn)動過程

減速運(yùn)動過程分為減速增長過程（減速度由0增長到最大）和勻速減速過程.但減速增長過程很短，可以看作線性減速過程.

由于減速增長時(shí)間（t3）很短，通常可認(rèn)為0.1 s，因而可簡化得到此過程減速增長所行駛距離為：

在持續(xù)勻速減速過程中，由于最終速度為0，故：

由此可得到總的制動過程中行駛的位移[8]：

緊急制動運(yùn)動過程位移分解如圖2所示.

圖2　緊急制動運(yùn)動過程位移分解示意圖

在兩車同向行駛時(shí)，前方車輛在出現(xiàn)減速情況下，后車才發(fā)現(xiàn).因而前車減速制動過程可簡化為S3求解過程，由式（3）可得（前車速度為v2，最大減速度為a2）：

后車的剎車距離由式（4）可得（后車速度為v1，最大減速度為a1）：

兩車制動不追尾最短安全距離為：

如圖3所示．

圖3　兩車不追尾位置示意圖

由于車對地面壓力N實(shí)質(zhì)為車身重量，即N=mg，所以在汽車剎車抱死時(shí)，汽車急剎車最短行駛距離為：

由式（9）可以看出，汽車在抱死車輪剎車時(shí)，剎車距離與地面摩擦系數(shù)和剎車前速度有關(guān)，與車身重量無關(guān).通常情況下，路面摩擦系數(shù)μ為0.8，雨天或者冰雪天氣將可能降為0.2以下.在正常情況下，通過式（9），計(jì)算出不同速度下的緊急剎車S3距離的關(guān)系，如表1所示.再根據(jù)式（5），可將表1所得數(shù)據(jù)視為前車剎車距離.

表1　前車車速與剎車距離對應(yīng)表

后車的緊急制動是在看到前車減速后，才進(jìn)行制動，因而這個(gè)滯后剎車過程包含了兩個(gè)因素，人的反應(yīng)滯后和制動系統(tǒng)響應(yīng)滯后.如3.1所述，人的反應(yīng)時(shí)間為0.1～0.5 s，而液壓剎車響應(yīng)時(shí)間為0.2～0.9 s，兩項(xiàng)（t1+t2）反應(yīng)取其中間值共需0.7 s，減速增長時(shí)間（t3）很短，通常可認(rèn)為0.1 s.考慮一些其它因素導(dǎo)致影響總體響應(yīng)時(shí)間，將反應(yīng)時(shí)間延長為1 s，由式（6）、（9）得：

式（10）代入?yún)?shù)得后車車速與剎車距離對應(yīng)情況，如表2所示.

表2　后車車速與剎車距離對應(yīng)表

由表2數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：當(dāng)車速在120 km/h的情況下，后車的剎車距離至少需要104.2m.而前車可能有多種情況（靜止、低速、高速）出現(xiàn)，在同時(shí)滿足三種情況的最短前后車距應(yīng)為104.2m，即便前車靜止，后車也能避免追尾.即表2中的剎車距離也就是前后兩車需要保持的安全距離.前后兩車制動距離與初速度關(guān)系仿真曲線如圖4所示.

圖4　前后兩車初速度與制動位移關(guān)系

4　防追尾安全系統(tǒng)模型

要徹底解決高速公路追尾問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧兩點(diǎn)：第一是保證系統(tǒng)檢測可靠正確；第二是要保證足夠的制動距離，確保制動停車后不會出現(xiàn)追尾事故.

在傳統(tǒng)的主動式檢測中，存在很多問題，圖1中已經(jīng)顯示出了主動式檢測的弊端，誤警率很高，這會給高速公路交通帶來不安全的隱患.

采用被動式檢測方式可徹底解決誤警問題.第一發(fā)現(xiàn)異常情況車輛，在其自身緊急制動的同時(shí)，將自己的行駛環(huán)境信息（包括行駛方向、速度、加速度、經(jīng)緯度等）進(jìn)行廣播告警，告訴廣播覆蓋范圍內(nèi)的其他車輛，其他車輛在收到告警信息后，與自身行駛環(huán)境信息進(jìn)行比較，同時(shí)計(jì)算當(dāng)前位置與告警廣播車輛位置距離變換情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果變化情況和路面情況采取不同應(yīng)急制動處理措施，提醒、協(xié)助駕駛員避免追尾事故發(fā)生.車輛的行駛方向、速度、加速度、經(jīng)緯度、路面情況等行駛環(huán)境信息，可通過各自的GPS定位系統(tǒng)和傳感器獲得.而對于是否是緊急情況的認(rèn)定，可以通過車輪是否抱死，即ABS信號來認(rèn)定，因?yàn)樵诎l(fā)現(xiàn)緊急情況駕駛員的第一反應(yīng)就是一腳將剎車踩死，導(dǎo)致車輪抱死，ABS觸發(fā)，而普通的減速是不會抱死車輪和觸發(fā)ABS系統(tǒng).

發(fā)現(xiàn)緊急情況車輛，在第一時(shí)間（也就是車輪抱死，ABS被觸發(fā)時(shí)）將自己行駛環(huán)境信息（位置經(jīng)緯度、行駛方向等）向外廣播緊急告警SOS，在廣播覆蓋區(qū)域內(nèi)，收到SOS信息正常行駛的車輛通過與自身行駛的環(huán)境信息對比，計(jì)算自己與發(fā)出緊急信號車輛的行駛方向是否一致，以及距離緊急車輛位置變化的情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確認(rèn)是否采取告警或者強(qiáng)制制動措施來協(xié)助駕駛員安全行駛避免緊急現(xiàn)場.當(dāng)兩車矢量方向夾角小于±90°，兩車距離未達(dá)到制動極限距離時(shí)，語音提示駕駛員減速行駛，當(dāng)?shù)竭_(dá)安全距離極限時(shí)，語音報(bào)警并采取制動措施，調(diào)整車速至安全范圍，保持安全車距，避免追尾發(fā)生.如果兩車矢量方向夾角大于±90°，則不采取任何緊急措施.系統(tǒng)工作原理模型如圖5所示.

圖5　系統(tǒng)工作原理模型圖

綜上所述，完整系統(tǒng)應(yīng)包含兩個(gè)模塊，即數(shù)字發(fā)射模塊和接收模塊.正常情況下，所有發(fā)射模塊處于靜默狀態(tài)，在ABS被觸發(fā)情況下（正常剎車是不會被觸發(fā)），立即恢復(fù)工作狀態(tài).而接收模塊一直處于工作查詢信號狀態(tài)，其工作模型如圖6所示.

圖6　系統(tǒng)工作模型

5　系統(tǒng)工作流程

在高速公路正常行駛的車輛，規(guī)定最高車速不超過120 km/h，如表2的計(jì)算結(jié)果，前后兩車極限安全距離不應(yīng)低于104.2m，但考慮到后續(xù)車輛在獲得定位信息以及系統(tǒng)計(jì)算、機(jī)械響應(yīng)時(shí)延等問題，將系統(tǒng)安全車距臨界點(diǎn)調(diào)整為150m，150m以外為系統(tǒng)告警提示區(qū)域，系統(tǒng)告警信息無線覆蓋半徑為300～400m.前車在緊急情況下觸發(fā)ABS的同時(shí)，立即發(fā)出SOS告警信息，將該車行駛的環(huán)境信息（行駛方向、當(dāng)前GPS經(jīng)緯度等）循環(huán)同步更新發(fā)送.進(jìn)入SOS信號覆蓋區(qū)域的車輛收到該信息后，與自身行駛環(huán)境參數(shù)進(jìn)行循環(huán)比較和計(jì)算，當(dāng)與告警車輛在其行駛方向方位夾角±90°夾角之間，表明行駛方向一致，立刻通過兩車經(jīng)緯度位置信息計(jì)算兩車之間的直線距離，當(dāng)距離變短，并尚未達(dá)到150m安全極限范圍，進(jìn)行語言提示告警處理，當(dāng)計(jì)算距離進(jìn)入150m范圍以內(nèi)，立即啟動制動，協(xié)助駕駛員進(jìn)行減速操作至安全車速，避免追尾.具體工作流程如圖7、圖8所示（注：圖中SOS信號包括方向、經(jīng)緯度、速度等行駛信息）.

圖8　系統(tǒng)無線接收端工作流程

6　結(jié)語

通過防追尾系統(tǒng)廣播第一發(fā)現(xiàn)緊急情況車輛的行駛環(huán)境參數(shù)，后續(xù)車輛收到SOS信息后，計(jì)算自身與故障車輛行駛方向是否同向，以及距離變換情況，采取相應(yīng)的緊急措施，能及時(shí)地減少高速公路中追尾事故的發(fā)生，防止高速公路中交通事故的擴(kuò)大，更大程度地降低損失，減少人員傷亡.本系統(tǒng)可以加裝人工告警開關(guān)，對自身出現(xiàn)故障停靠在高速公路邊的車輛和人員起到安全保護(hù)作用.

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（編校：李青）

Interactive System of Avoiding Vehicles Rear-End Collision on High W ay

LIUXiaowu
（SchoolofPhysicsand Electronic Engineering,Yibin University,Yibin,Sichuan 644007,China）

Given the fact that accidents on the highway aremainly caused by rear-end collision,a computation model which could work out the safety speed and distance for rear-end collision prevention based on the analysisof the braking processwasestablished.The location ofa vehicle is positioned by GPS,and this information is synchronized wirelessly to othersaround at the same time.The on-board computer ofnearby vehicles process the data and help the driveravoid col?lision by braking in time.

GPS；wirelessdigital communication；traffic accident；rear-end collision

U463.66

A

1671-5365（2015）06-0039-06

2014-11-22修回：2015-01-15

劉小武（1971-），男，講師，本科，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-01-15 17：09網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20150115.1709.003.html

引用格式：劉小武.交互式高速公路汽車防追尾系統(tǒng)[J].宜賓學(xué)院學(xué)報(bào),2015,15（6）：39-44.