基于交叉路口道路时空网格的车辆碰撞预警方法

WangChengdong（[e-mail]）YunnanKeyLaboratoryofComputerTechnologyApplication2017.3.3基于交叉路口道路时空网格的车辆碰撞预警方法北京邮电大学学报2015年第38卷第2期作者：谭国真（大连理工大学计算机科学与技术学院教授）2020/3/7一、相关背景的介绍二、判定机制下车辆轨迹预测与速度建议三、系统实验与分析四、结论2020/3/7一、相关背景的介绍1.大背景的介绍：城市交通道路中的交叉路口被认为是交通事故发生率较高的地区。车联网作为目前世界道路交通领域的研究前沿之一，是解决交叉路口车辆安全行驶的有效手段，现今很多基于车联网的车－路协作式碰撞预警概念和原型已经被提出。2.目前提出碰撞预警系统的挑战：①如何精确预测车辆运行轨迹;②已经判断车辆在交叉路口存在碰撞危险时，如何给出车辆行驶的速度建议，使得车速调整到安全速度区间。3.问题的定义：为了解决以上问题，笔者提出了基于交叉路口道路时空网格车辆防避碰算法。该算法预测车辆运行轨迹，在车辆发生事故前发送预警消息，给出车辆安全速度区间，进行有效的碰撞危险规避，保证车辆在交叉路口行驶的安全性。，二、判定机制下车辆轨迹预测与速度建议1.预警系统相关单元：路侧单元、车载单元、通信单元2.判定机制的总体概括：首先，将交叉路口划分为粒度n×m的小区域网格,车辆进入交叉路口区域后，通过未来某个时刻，车辆物理形态占用网格数中是否存在相同的1个或1组小区域网格来判定是否会发生潜在碰撞冲突。3.交叉路口的划分：粒度n和m的取值某种程度上也影响着预警系统的性能，分析如下图1，所以一般双向四车道网格划分数为8～15，双向六车道为12～20，可以保证预警系统的性能。2020/3/7二、判定机制下车辆轨迹预测与速度建议2020/3/7二、判定机制下车辆轨迹预测与速度建议4.交叉路口及车辆信息：路口确认线到路口的距离为d，交叉路口划分为n×m网格，并建立直角坐标系，如图2所示，车辆的状态用向量k=(x，y，h，w，L，v，a，f，θ，φ)表示。2020/3/75.车辆占用网格：车辆进入交叉路口网格中时，通过GPS获得起始t0时刻车辆的坐标Z(x0，y0);通过车辆内部传感器获得此刻的车辆前轮转动的转向角φ、车辆速度v和加速度a;已知车辆h、w和L．车辆中轴线与x轴夹角θ可用式(1)计算，如图2(b)所示．二、判定机制下车辆轨迹预测与速度建议2020/3/7二、判定机制下车辆轨迹预测与速度建议2020/3/7二、判定机制下车辆轨迹预测与速度建议2020/3/7二、判定机制下车辆轨迹预测与速度建议6.车辆轨迹预测方程：车辆到达路口区域线时，此刻的速度为vf、加速度为af和时间为tf，车辆轨迹预测分为以下两部分。2020/3/72020/3/7二、判定机制下车辆轨迹预测与速度建议7.车辆冲突程度界定：车载单元接收到路侧单元发送的预警信息，以最大减速度进行减速(以干燥沥青路面的小型车减速度7.4m/s2为例)，到达冲突点速度为v，则避险时间T1.71+0.14v．比较避险时间和冲突时间之间关系，可以得出车辆间冲突程度:0＜e≤0.5严重(红色);0.5＜e≤1中度严重(黄色);e＞1轻度(绿色)。2020/3/7二、判定机制下车辆轨迹预测与速度建议8.车辆碰撞避险安全速度建议：处于避险规则中低优先级的车辆为LowVeh，高优先级的车辆为HighVeh．令t为LowVeh调整速度前到达冲突点的时间，根据LowVeh在冲突点的冲突情形可以确定延迟时间Δt，使LowVeh在t+Δt时刻到达冲突点，避免冲突。Δt为2020/3/7三、系统实验与分析1.仿真验证：仿真实验利用了AIM仿真器基于时空网格同步模型的冲突检测机制，并对该仿真器有关冲突检测算法的核心代码进行修改，实验场景:无信号双向六车道交叉路口;无信号双向四车道交叉路口;有信号双向六车道交叉路口．交叉路口信息:交叉路口单车道宽为2.2m;双向四车道网格划分粒度为9×9，双向六车道网格划分为15×15．车辆规模:每个场景分5组数据，交通流密度每小时500～900车辆数/车道;车辆数随机生成．车辆物理参数:车辆尺寸(长度:3.6～4.6m，宽度:1.5～1.8m);车速随机生成．2020/3/7三、系统实验与分析2020/3/7三、系统实验与分析2020/3/7三、系统实验与分析2020/3/7三、系统实验与分析2.真实交叉路口验证：在下面4种场景的分别10轮测试中，直行预警和右转与直行预警成功率为100%(直行预警场景中红色预警2次，黄色预警4次，绿色预警4次;右转与直行预警场景中红色预警3次，黄色预警3次，绿色预警4次);追尾预警和右转与直行预警由于通信不畅预警成功率为90%(成功的追尾预警场景中红色预警2次，黄色预警3次，绿色预警4次;右转与直行预警场景中红色预警3次，黄色预警3次，绿色预警3次)．成功预警场景中均给出合理避险速度建议．2020/3/7四、结论基于交叉路口道路时空网格车辆避碰算法能有效检测出潜在车辆碰撞危险，对即将进入交叉路口区域的车辆进行预警提醒，协助驾驶员对行驶路线进行预判，从而降低事故发生率，在提升交叉路口行车安全性的同时提高了交叉路口通行能力。