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，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)測通訊設(shè)備，使車輛自動與車道上的標志、周圍車輛或智能交通設(shè)施相互配合。但是，在蜿蜒的山路、偏遠的地區(qū)等路況不佳的地方，不能處處安裝這些監(jiān)測通訊設(shè)備，即使在部分路段安裝了這些設(shè)備，維護和保護其可靠性、安全性也是非常困難的，同時還會耗費大量的人力和財力。而且，通過分析AHS系統(tǒng)的工作原理，發(fā)現(xiàn)AHS系統(tǒng)不能獲得汽車運行的實時信息，如：汽車的位置、汽車的速度、剎車扭矩等；更不能進行將要發(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)僅能探測到交通事故的發(fā)生，而不能有效地采取主動方式來預(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，并且在適當情況下能夠做出主動預(yù)防措施，這樣就可以應(yīng)付各種潛在的危險狀況，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，具有重大的實用價值和理論意義。

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相機探測模塊、通信模塊和控制模塊等組成。其中，GPS和CCD相機探測模塊通過GPS接收機接收GPS衛(wèi)星信號，求出該車的經(jīng)緯度坐標、速度、時間等信息，利用安裝在汽車前部和后部的CCD相機，實時觀察道路兩旁的狀況；通信模塊可以發(fā)送檢測到的相關(guān)信息并在相互靠近的汽車之間實時地傳輸行駛信息；控制模塊可以在即將出現(xiàn)事故的時候做出主動控制，從而避免事故的發(fā)生。

1．1 GPS模塊和CCD相機探測模塊
    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，這是因為汽車設(shè)計過程中，其前視窗有視野死角，使得駕駛者在轉(zhuǎn)彎時沒有很好的視野，從而不能對即將發(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相機探測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，為了真實地反映地理實體，記錄的數(shù)據(jù)不僅包含實體的位置、形狀、大小和屬性，還記錄了實體間的相互關(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)，不會使汽車做出錯誤判斷，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相機即“盲區(qū)探測器”，其作用是能夠?qū)崟r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相機判斷危險發(fā)生并根據(jù)危險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，并且將最危險的接近車輛作為通信對象；其次，通過Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)通信，獲得本車與目標車的行駛信息，包括速度、位置、剎車扭矩等。根據(jù)這些信息，判斷目標車的行駛狀況是否正常。當監(jiān)測到的信息顯示目標車運行不正常，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，實時地通過CCD相機獲得兩車間的距離信息，在特定情況下，兩車MCU控制器均會采取主動或自動剎車，從而避免兩車相撞，同時司機也可以通過車內(nèi)的監(jiān)視屏來看到這些信息。即使在行駛過程中，出現(xiàn)不同的危險狀況，駕駛輔助系統(tǒng)都能夠根據(jù)從GPS和CCD相機得到的信息，針對不同的行駛狀況，做出正確精確的操作。

1．2 通信模塊
    移動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Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點，而且可以自由地加入或離開網(wǎng)絡(luò)。移動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)，所有移動節(jié)點分布式運行，具有路由功能，利用一定的協(xié)議，使得移動節(jié)點自身可以發(fā)現(xiàn)和維護其他節(jié)點的路由。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網(wǎng)絡(luò)不具備的優(yōu)點：
    (1)可以隨時建立網(wǎng)絡(luò)，在沒有其他通信設(shè)施的情況下使用，大大節(jié)省運營成本；
    (2)不受固定拓撲結(jié)構(gòu)的限制，具有很強的容錯性和魯棒性，在某些極端惡劣的情況下，即使部分探測汽車出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)仍能正常運行。
    駕駛輔助系統(tǒng)依靠車輛間的狀態(tài)信息相互傳遞，監(jiān)測行車狀態(tài)，可以保護行車的安全性，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)則彌補了這個缺陷。利用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳送的信息主要包括兩種：
    (1)定時傳輸由GPS和CCD相機以及車內(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)危險情況的警告信息。與上面定時發(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)點離得較遠，因此需要多跳傳輸，所以這種信息只有當危險情況出現(xiàn)時才發(fā)出。
    因此利用移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南到y(tǒng)能對車輛行駛狀況實施實時動態(tài)采集，具有建設(shè)成本低、周期短、維護費用低的特點，適合我國智能交通發(fā)展的現(xiàn)狀。但移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和物理層協(xié)議設(shè)計、采集信息的處理與其對未來路況預(yù)測等問題還有待解決。
1．3 控制模塊
    通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的車輛信息進入車內(nèi)整車控制器時，會對所得到的數(shù)據(jù)進行分析處理。如果分析的結(jié)果安全，不做出任何措施；當分析的結(jié)果出現(xiàn)警告時，則做出主動預(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，判斷汽車當前狀態(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)出當前控制信號的量值。如圖4所示，速度信號表征當前整車對輸出驅(qū)動扭矩的需求量，同理，制動踏板信號表示對整車制動扭矩的需求。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)動機MCU根據(jù)總成控制器發(fā)出的發(fā)動機油門信號，結(jié)合當前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，確定出所需供油量和噴油定時，使電噴發(fā)動機通過有效組織燃燒向扭矩耦合器輸出扭矩。電機驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)輸入的表征電機扭矩大小的電機油門信號，以及電機工作模式信號決定電機的驅(qū)動扭矩輸出。
    整車控制器根據(jù)駕駛員制動踏板及當前車速計算出所需機械制動扭矩值，以得到機械制動系統(tǒng)的制動指令，與原車相比，車輪制動力分別來自產(chǎn)生摩擦制動的制動系統(tǒng)和產(chǎn)生回饋制動的動力傳動系統(tǒng)，增加的回饋制動功能由混合動力及傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，回饋制動力來自電機的制動力矩，并通過傳動系統(tǒng)施加于驅(qū)動輪上，而回饋制動的能量則通過傳動系統(tǒng)傳回電機。這樣提高了制動的可靠性，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，如何確定與本車進行通信的汽車更是基礎(chǔ)。判斷過程如圖5所示，分為4個步驟。
    (1)假設(shè)這是一個從四面八方行進的車行流模型(如圖5(a)所示)；
    (2)與本車同方向行駛的目標車對本車沒有威脅，因此從候選對象中去除(如圖5(b)所示)；
    (3)本車行駛目的地不同的車輛也從候選對象中去除(圖5(c)所示)；
    (4)把余下的車輛當作通信候選對象。

在判斷車輛行駛方向的過程中，分析GPS傳遞過來的信號，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出汽車前進的方向。當兩個信息所顯示的行進方向相同時，就按以上去除規(guī)則進行通訊候選車輛的排除；當兩個信息所顯示的行進方向不同時，則保留作為通訊候選車輛。剩下的候選通信車輛，通過GPS接收機接收GPS衛(wèi)星信號，求出該車的經(jīng)緯度坐標、速度、時間等信息。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象。
    為提高汽車定位精度，本系統(tǒng)采用了差分GPS技術(shù)。當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)星信號時，系統(tǒng)可自動導(dǎo)入自律導(dǎo)航系統(tǒng)，此時由車速傳感器檢測出汽車的行進速度，通過微處理單元的數(shù)據(jù)處理，從速度和時間中直接算出前進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)航所測到的汽車位置坐標資料、前進的方向都與實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)，加一個地圖匹配電路，對汽車行駛的路線與電子地圖上道路之間的誤差進行實時相關(guān)匹配進行自動修正，此時地圖匹配電路是通過微處理單元的整理程序進行快速處理，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
    駕駛輔助系統(tǒng)，通過所獲得的GPS和CCD相機的信號，實時地對車輛行駛過程中的狀態(tài)信息進行監(jiān)測，對潛在發(fā)生的碰撞事故實時進行預(yù)判，當判斷結(jié)果顯示將要發(fā)生碰撞事故時，通過Ad Hoc網(wǎng)，進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，提醒司機做出控制，當情況特別緊急時，可以直接對車輛進行恰當?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)測設(shè)備，因此，該系統(tǒng)對于未來的ITS是非常有效的。