基于信息融合技術(shù)的車輛主動防御系統(tǒng)研究

莫舒玥 林土淦

文章設(shè)計開發(fā)了基于信息融合技術(shù)的車輛主動防御系統(tǒng)，以期在測試車輛起步及正常行駛狀態(tài)下，實時監(jiān)控前方障礙物的相對距離，在設(shè)定的不同危險級別下執(zhí)行報警、緩減速、急減速至停車的動作。裝車試驗證明，該系統(tǒng)采集信息、判斷距離、執(zhí)行相應命令的準確率較高，具有一定的實用價值。

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

U491.6+2A441594

0 引言

隨著機動車保有量的增加，道路交通環(huán)境復雜、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臨近時駕駛員無法及時做出正確反應，引發(fā)的交通事故造成生命財產(chǎn)損失年年呈增長趨勢。面對日益嚴峻的交通狀況與即將到來的車輛智能化趨勢，作為自主駕駛輔助系統(tǒng)之一的車輛主動防御系統(tǒng)研究成為了業(yè)界關(guān)注的焦點。

基于信息融合技術(shù)的車輛主動防御系統(tǒng)是智能汽車無人駕駛技術(shù)的一個研究方向，屬于主動安全系統(tǒng)的重要組成部分，目前出現(xiàn)在部分高端品牌汽車上和無人駕駛汽車上。其具有探測前后方障礙物離自身車輛的距離和方位，向駕駛?cè)藛T發(fā)出預警信號，警示司機采取必要的減速、剎車及避讓措施的功能，可以在駕駛員未做出準確操作時會自動采取緩慢減速避讓或者緊急制動停車的操作來避免交通事故發(fā)生。但是目前汽車上安裝的主動防撞預警系統(tǒng)一般是在50 km/h的時速以上開始工作，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時速下工作，未實現(xiàn)車輛主動防御系統(tǒng)全速度區(qū)間工作。同時，類似裝置價格較高，中低端車安裝極少。

國外對于車輛主動防御防撞系統(tǒng)的研究較早。本田的CMBS以毫米波雷達作為探測系統(tǒng)，當系統(tǒng)探測到危險目標時，駕駛員無操作則報警或主動高強度制動。豐田的APCS以雙透鏡攝像頭、近紅外線系統(tǒng)和毫米波雷達作為前方的探測系統(tǒng)，探測到前方危險時，會將安全帶收緊，進行輔助制動，從而減小碰撞的力度和損害[1]。戴姆勒·克萊斯勒的預防性安全系統(tǒng)（PRE-SAFE），裝有微波探測傳感器和制動輔助系統(tǒng)，可與ESP系統(tǒng)得到的自車轉(zhuǎn)向角度、橫向加速度和制動力度等數(shù)據(jù)進行融合分析，緊急狀況下主動制動，自動關(guān)閉車窗，將傷害程度降到最低[2]。

國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)研究比西方發(fā)達國家晚了不少，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。南京理工大學的陳錢等人利用激光探測的方式進行主動防撞智能安全系統(tǒng)研究，其研制的主動防撞智能安全系統(tǒng)具有探測前方障礙物、減速、剎車的功能，能夠有效輔助駕駛員進行安全駕駛[3]。上海交通大學的黃慧玲等人設(shè)計了一種基于前方車輛行為的碰撞預警系統(tǒng)，利用單目視覺對前方車輛進行跟蹤，并使用隱馬爾可夫模型對前方車輛的行為進行建模識別，在碰撞發(fā)生前發(fā)出預警信息。還有一些汽車研發(fā)企業(yè)研發(fā)了主動防撞系統(tǒng)：“保道者”汽車倒車防撞雷達系統(tǒng)主要針對倒車時的情況緊急制動;河南護航實業(yè)股份有限公司的“護航”汽車自動緊急制動系統(tǒng)申請了多項發(fā)明專利和實用新型專利，已安裝在大量的車輛上進行道路測試。

本文所研究的基于信息融合技術(shù)的車輛主動防御防撞系統(tǒng)主要利用各類傳感器感知車輛行駛狀況并將各信號融合處理，以便判斷危險級別從而做出正確操作以提高車輛行駛安全性。與目前的主動防撞系統(tǒng)相比，設(shè)計開發(fā)車輛全速度區(qū)域的主動防御系統(tǒng)，對車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、激光傳感器感知車輛行駛狀況，獲得自車與前方車輛行駛相對距離，建立安全車距模型，并將各信號融合處理，判斷危險級別從而做出正確操作以提高車輛行駛安全性。本文的研究基于信息融合技術(shù)的車輛主動防御系統(tǒng)，能實現(xiàn)以下功能：

主動避免與前車距離過近導致發(fā)生追尾的危險;通過傳感器檢測相對距離，當相對距離低于安全距離，達到一級預警距離時發(fā)出預警提醒;如果駕駛員沒有制動操作，車輛與前車距離達到二級預警距離時，車輛自動執(zhí)行緩慢剎車或者緊急剎車的操作避讓前車。

選擇激光雷達傳感器和紅外傳感器（紅外線傳感器和熱釋電紅外傳感器）對自車前后方障礙物進行識別，利用數(shù)據(jù)融合算法對雷達測得的數(shù)據(jù)進行處理，同時選取自車車道范圍內(nèi)的前車或障礙物相對位置信號，規(guī)避左右相鄰車道同向和對向來車引起的數(shù)據(jù)干擾問題，實現(xiàn)了對前方障礙物距離的準確判定。

通過破解汽車OBD協(xié)議，直接從汽車OBD接口獲得汽車的運行速度，信息融合處理單元根據(jù)相對距離和自車速度，對比安全車距模型，進行危險級別判斷，并將相應的控制指令通過CAN總線傳送給系統(tǒng)執(zhí)行單元，執(zhí)行相應的聲光報警或自動剎車動作。

系統(tǒng)包括軟件和硬件部分。其中，軟件部分包括安全車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、制動執(zhí)行機構(gòu)、聲光報警器。

系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 控制原理

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

系統(tǒng)安全車距模型的建立主要基于自車不同車速范圍內(nèi)，以及自車與前車不同相對距離下的數(shù)據(jù)融合運算，通過運算判斷自車在不同車速范圍內(nèi)，與前車距離進入到安全車距模型設(shè)定的范圍內(nèi)時開始執(zhí)行報警，如果駕駛員未主動制動，則系統(tǒng)執(zhí)行單元執(zhí)行緩慢剎車，如果駕駛員還未主動制動，則進一步執(zhí)行緊急制動直至車輛停止。

紅外線測距傳感器主要監(jiān)測起步及低速情況下車輛周圍1 m內(nèi)的物體;紅外線熱釋電傳感器主要監(jiān)測起步低速時移動的人、動物，避免視覺盲區(qū)導致交通事故;激光測距傳感器主要監(jiān)測高速時前方物體（前車）。

相對距離S為監(jiān)測自車車道內(nèi)與前車的相對距離。安全測距模型設(shè)定L為安全距離，即為駕駛員在相應速度范圍內(nèi)從發(fā)現(xiàn)危險到采取制動操作所經(jīng)過的時間在該速度下車輛行駛經(jīng)過的距離，運算公式為：

L=Vt÷3.6×T（1）

其中：Vt——自車實時車速;

T——駕駛員反應時間（s）。

同濟大學汽車學院李霖等[4]對上海市區(qū)真實交通工況中危險工況下駕駛員制動反應時間進行了測試和分析，經(jīng)430例分析，在不同危險情況下，駕駛員反應時間在1.02～1.36 s之間。本文駕駛員反應時間選中間值1.19 s。

考慮到隨著自車速度的增加，所需的剎車距離越長，因此在駕駛員反應的時間上增加一定的時間，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 裝車實驗

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場地，在自車車道內(nèi)進行測試。測試按照（S1-S5的模式依次進行），起步到10 km/h內(nèi)前方有車輛、行人（移動狀態(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（車輛）固定。自車以測試速度接近障礙物，測試系統(tǒng)報警的相對距離、主動開始制動的相對距離和強制制動至自車停止的相對距離，每個測試內(nèi)容均記錄5次測試結(jié)果。具體測試內(nèi)容及結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)語

經(jīng)裝車測試分析，本系統(tǒng)基本能在測試環(huán)境下完成預定的測試目標，在S1和S2模式下，速度比較低，對于自車1 m范圍內(nèi)的行人（移動）能較好地識別，當接近障礙物時，能按照系統(tǒng)設(shè)定的相對安全距離執(zhí)行報警、緩減速、急減速的動作，相對距離與系統(tǒng)設(shè)定理論值誤差值較小;S3-S5模式隨著自車速度的增加，系統(tǒng)會存在5%～10%的誤報率（未識別），當車速較高，達到90 km/h以上時，系統(tǒng)做出相應動作時與障礙物實際相對距離與理論相對距離對比會有所增加。總之，試驗測試結(jié)果證明，本系統(tǒng)具有一定的實用價值，研究的下一步將對系統(tǒng)軟硬件進行改進，并進行實車路試。

[1]李文娜.汽車主動防撞預警系統(tǒng)的安全策略研究[D].長春：吉林大學，2016.

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

[3]馬浩越.前方車輛主動防撞預警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：長安大學，2019.

[4]胡文貴.汽車主動防撞預警執(zhí)行系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學，2016.

[5]李 霖，朱西產(chǎn)，馬志雄.駕駛員在真實交通危險工況中的制動反應時間[J].汽車技術(shù)，2014（10）：1 125-1 129.

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

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